biocibernetica mg 2010-2011 prezentare power point

5/21/2018 Biocibernetica MG 2010-2011 Prezentare Power Point

1/35

NONOIUNI DEIUNI DE

BIOBIOCIBERNETICCIBERNETIC

CIBERNETICA = tiina comenzii i comunicriila fiine i maini (Norbert Wiener)

Sistemele ciberneticeSistemele cibernetice - ansamble finite de

elemente materiale care interacioneaz unelecu altele i cu mediul exterior prininteraciuni informaionale


2/35

Abordarea ciberneticAbordarea cibernetic

1.Abstractizare

1.Schema structural

2.Schema comportamental

2.Modelare


3/35

Elemente de teoria informaElemente de teoria informaieiiei

ExperimentExperiment evoluia unui sistem ctre o stare

finalnumitevenimenteveniment Un experiment se poate solda cu un numr

oarecare, n, de evenimente diferite, fiecare dintreaceastavnd o anumitfrecvenfrecvende aparide apariieie, ni.

FrecvenFrecvena relativa relativde aparide apariieie, fi, a unui

eveniment

N

nf ii=

==n

i

inN1

numrul total de repetri ale experimentului


4/35

Dacnumrul de repetri ale experimentului va fifoarte mare ( ), se definete probabilitatea deprobabilitatea de

realizare a evenimentuluirealizare a evenimentuluii, ppii

posibilecazurinr

favorabilecazurinrp

.

.=

N

np i

Ni

= lim

0 p 1

pi =1

p=0 eveniment imposibilp=1 eveniment cert

p=p1+p2 pentru evenimente de tip saup=p1*p2 pentru evenimente de tip i


5/35

Pentru evenimente egal probabileevenimente egal probabile idiferitentre ele, probabilitatea de apariie

Aruncarea zarului

npppn

1...21 ====

6

1=p


6/35

InformaInformaiaia Rezultatul unui experiment

Cu ct gradul de surprizla obinerea unei informaii este mai

mare, cu att cantitatea de informaie obinuteste mai mare

Nu produce nici o surprizevenimentul cert, avndp = 1.

Pentru a putea fi transmis, ea are nevoie de un suportmaterial i de o cantitate de energie.

Spre deosebire de energie, prin transmitere cantitatea de

informaie nu va fi diminuat.

Informaia captsemnificaieatunci cnd existun receptorcare so n

eleag.


7/35

Cantitatea de informaCantitatea de informaie Iie I

(Shannon)

pp

I 22 log1log ==

Se msoarn bii (1bit este cantitatea deinformaie obinutn urma unui experimentcu dourezultate egal probabile)

01log1log 22 ===i

ip

Ipentru evenimentul cert


8/35

MultipliiMultiplii b i tb i t --ului (b)ului (b)

1B (byte)=23b

1kB=210B=1024 B

1MB=210kB=220 B

1GB=210MB=230 B

1TB=210

GB=240

B


9/35

InformaInformaia medieia medie II

mm

Media aritmetica cantitilor de informaie

obinute n urma repetrii de N ori a unuiexperiment

Pentru N foarte mare

NIIII Nm

+++= ...

21

==

iii

im ppppI 22 log

1

log


10/35

Entropia informaEntropia informaionalionalHH

Shannon a numit informaia medie (Im )

entropie informaional

(H) H este maximpentru evenimente egal

probabile

nnn

nHm 22 loglog1 =

=


11/35

Pe baza formulei cantitii de informaie, It,

se poate calcula coninutul informaional al

unei macromolecule, formatdin Nuniti:

undepi

este probabilitatea cu care poate fi

ntlnitspecia i.

i

itp

pNI 1log2=


12/35

Cazul ICazul I

Macromolecula este o proteinformatdin N= 500aminoacizi.

Fiecare dintre cei n = 20 aminoacizi diferii cunoscuipoate saparcu aceeai probabilitate:

Informaia totalconinutn lanul de aminoacizi vafi:

It= N log2 n = 500 log220 2200 bit

20

1

=ip


13/35

Cazul IICazul II

Macromolecula este un lan de ADN, cu N= 106 bazeazotate.

Cele 4 baze azotate distincte apar cu aceeaiprobabilitate

It= N log2 n = 106 log2 4 = 2 106 bit

4

1

=ip


14/35

EntropiaEntropia informainformaionalional

Paradoxul lui Maxwell

Informaia nseamnputerea de a asigura ordinea

proprie

=

=n

i

ii ppkS1

log NkS ln=iientropia termodinamicentropia termodinamic


15/35

AlfabetAlfabet

Transmiterea informaTransmiterea informaieiiei

Totalitatea semnelor (valorilor unei mrimi)folosite pentru scrierea unei informaii.

Poate fi analogicanalogic(valorile variazcontinuu)

digitaldigital(valorile variazdiscret i pot fireprezentate prin cifre); mai puin afectat deperturbaii


16/35

Schema generalSchema generala unui sistema unui sistem

simplu de transmitere a informasimplu de transmitere a informaieiiei


17/35

PrelucrareaPrelucrarea semnalelorsemnalelor --etapeetape

1.1. codificareacodificarea = stabilirea unor

corespondene ntre diferite alfabete aparinnd unoretape diferite n transmiterea informaiei

2.2. traducereatraducerea= transformarea dintr-un alfabet n altul

3.3. modulareamodularea= modificarea unuia dintre parametriisuportului fizic utilizat pentru transmiterea informaiei

n concordancu caracteristicile acesteia

4.4. cconversiaonversia analoganalog--digitadigitall

5.5. amplificareaamplificarea

// 66.. decodificareadecodificarea


18/35

Sisteme cu reglare automatSisteme cu reglare automat

Sistem care modificmrimea de intrare nfuncie de mrimea de ieire


19/35

LegLegtura inverstura invers((feedfeed--backback))

NegativNegativ se opune variaiei mrimii de

ieire asigurstabilitatea sistemului

PozitivPozitiv amplificvariaia mrimii deintrare i, implicit, a celei de

ieire destabilizeazsistemul pnla distrugere sau blocare


20/35

Elemente de biociberneticElemente de biocibernetic

Orice sistem biologic dispune de informaiiproprii care i asigurfuncionarea

n orice sistem biologic are loc schimb deinformaii ntre prile sale componente

Orice sistem biologic schimbinformaii cumediul extern


21/35

CanalulCanalul

neuronalneuronal

Sursa este mediatorul chimic ce ajunge la membrana

postsinaptic Membrana postsinapticeste traductorul canalului transformnd

semnalul chimic (AM) n secvene de poteniale de aciune (FM)

Canalul este membrana corpului neuronal Traductorul destinatarului este membrana presinapticundesemnalul electric elibereazmediatorul chimic (FMAM)

Destinatarul poate fi o celulmuscular, glandularsau altcelulneuronal


22/35

ReReele neuronaleele neuronale

Un neuron poate fi n stare de repaus

sau de excitaie Trecerea din starea de repaus n cea de

excitaie are loc dacstimululdepete un anumit prag

Transmisia semnalului (inclusiv prinsinaps) duce la ntrzieri


23/35

ReReeaua de sumareeaua de sumare Neuronul 3 rspunde doar dacprimete simultansimultan semnale

de la neuronii 1 i 2 (funcia logici)


24/35

ReReeaua deeaua dentrzierentrziere

Rspunsul neuronului 3 este ntrziat prin

intercalarea neuronului 2


25/35

ReReeaua deeaua de reverberareverberaieie

La primirea unui singur semnal de la neuronul 1neuronul 2 rspunde de un numr nedefinit de ori.

Joac un rol important n memoria de scurtdurat


26/35

ReReeaua de multiplicareeaua de multiplicare

La un singur semnal primit de la neuronul

1 neuronul 4 r

spunde de 3 ori


27/35

nvnvareare ii memoriememorie

nvnvareare procesul de dobndire a unor

informaii (noi) despre lume.

MemorareMemorare procesul de reinere pentru oanumitperioadde timp a acestor informaii.

MemorieMemorie totalitatea aspectelor funcionale istructurale legate de nvarea i de memorareainformaiilor, de regsirea la nevoie a informaiilor

memorate i de uitarea parialsau total

ainformaiilor memorate.

Cl ifiClasific i l i iri ale memoriei


28/35

ClasificClasificri ale memorieiri ale memoriei

senzorial ce reine datele primite prin organele de sim

motorie ce se referla un anumit comportament sau la ungrad sporit de ndemnare

memoria imediat de ordinul secundelor.

la baza sa stapariia unor reele reverberante

st

la baza memoriei de scurt

durat

MSD i memoriei de lung

duratMLD.

memorie de scurtdurat (MSD) minute, ore

opereaz

f

r

a avea nevoie de sinteza unor proteine, limitndu-sela modificarea celor deja existente sau la etalarea lor funcionalncazul n care ar fi mascate de alte molecule.

memorie de lungdurat (MLD) zile, sptmni, luni, ani

presupune sinteza proteinelor

l il i fFl il i f i l ii l i


29/35

Fluxurile informaFluxurile informaionale prinionale prin

fibrele nervoasefibrele nervoase Un canal neuronal poate fi caracterizat prin doumrimi:

1.1. informainformaia medieia medie care se transmite prin canal sau fluxulde transinformaie, avnd ca unitate bit/s;

2.2. capacitatea canaluluicapacitatea canalului, repezentnd valoarea maximafluxului de transinformaie.

Omul primete din mediul exterior 10101010--10101111 bitbit

ss

contientizai 100 bit/s

memoria de scurtdurat10 bit/s

memoria de lungdurat1 bit/s

Schema ciberneticSchema cibernetic aa


30/35

Schema ciberneticSchema ciberneticaa

analizoriloranalizorilor Analizorii (vizuali auditivi tactili etc.) asigur

preluarea informaiilor din mediul extern Au un receptor specific ce transformsemnalul n

poteniale de aciune Semnalele electrice sunt transmise prin intermediul

neuronilor spre scoara cerebral

Pe scoarinformaiile sunt stocate i analizate prin

intermediul reelelor neuronale

Semnalele luminoase, acustice, termice, chimice,


31/35

mecanice, din exterior sunt traduse la nivelulreceptorilorreceptorilorn semnale electrice

Receptorii fotoreceptori

mecanoreceptori

termoreceptori

chemoreceptori (gust, miros)

nociceptori (durere) etc.

n funcie de proveniena informaiilor:

exteroceptori (informaiile provin din mediul exterior), interoceptori (informaiile provin din mediul intern de exemplu cele privind

presiunea sngelui, concentraia glucozei i nu sunt contientizate)

proprioceptori (informaiile provin de la esuturi i organe)

Din punctul de vedere al rspunsului, dacnotm cu onnceputulstimulului i cu off sfritul lui, receptorii pot fi on

off

on off

continui


32/35

n urma analizei prin, intermediul fibrelor

nervoase eferente, se realizeazatt olegturinversce duce la adaptareareceptorului extern (reflexul pupilar,

amplificarea sau atenuarea sunetelor nurechea medie etc.) ct i rspunsul

organismului


33/35

Sisteme biologice de comandSisteme biologice de comand

cu reglare automatcu reglare automat

1. Homeostazia

2. Reflexul pupilar3. Arcul reflex neuromuscular

4. Potenialul tot-sau-nimic

Reflexul pupilarReflexul pupilar


34/35

Reflexul pupilarReflexul pupilarmmrimea de intrarerimea de intrare diametrul pupilei

elementul de execuelementul de execuieie irisul

mmrimea de ierimea de ieireire fluxul luminos pe retin

elementul de melementul de msuraresurare retina

comparatorulcomparatorul centrul pupilo-motor dinmezencefal

Arcul reflex neuromuscularArcul reflex neuromuscular


35/35

Arcul reflex neuromuscularArcul reflex neuromuscular

mmrimea de intrarerimea de intrare impulsul nervos

elementul de execuelementul de execuieie muchiul

mmrimea de ierimea de ieireire contracia

elementul de melementul de msuraresurare corpusculii Golgi din tendon i fusurile neuromuscularecomparatorulcomparatorul centrii nervoi

biocibernetica mg 2010-2011 prezentare power point

Documents

n foarte mareniiii nm

interacioneaz unelecu