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生理學(xué)

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本世紀(jì)40年代，通過運用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的原理和方法，分析研究各種工程技術(shù)的控制和人體的各種功能調(diào)節(jié)，得出了一些有關(guān)調(diào)節(jié)和控制過程的共同規(guī)律，產(chǎn)生了一個的學(xué)科，這就是控制論（cybernetics）。運用控制論原理分析人體的調(diào)節(jié)活動時，人體的各種功能調(diào)節(jié)可分為三類控制系統(tǒng)。

一、非自動控制系統(tǒng)

非自動控制系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)（open-loop system），其控制部分不受受控部分的影響，即受控部分不能反饋改變控制部分的活動。例如在應(yīng)激反應(yīng)中，當(dāng)應(yīng)激性刺激特別強大時，可能由于下丘腦神經(jīng)元和垂體對血中糖皮質(zhì)激素的敏感性減退，亦即糖皮質(zhì)激素血中濃度升高時不能反饋抑制它們的活動，使應(yīng)激性刺激能導(dǎo)致ACTH與糖皮質(zhì)激素的持續(xù)分泌；這時，腎上腺皮質(zhì)能不斷地根據(jù)應(yīng)激性刺激的強度作出相應(yīng)的反應(yīng)（參見第十一章）。在這種情況下，刺激決定著反應(yīng)，而反應(yīng)不能改變控制部分的活動。這種控制系統(tǒng)無自動控制的能力。非自動控制系統(tǒng)的活動在體內(nèi)不多見。

二、反饋控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)（closed-loop system），其控制部分不斷接受受控部分的影響，即受控部分不斷有反饋信息返回輸給控制部分，改變著它的活動。這種控制系統(tǒng)具有自動控制的能力。

圖1-1是反饋控制系統(tǒng)的模式圖。圖中把該系統(tǒng)分成比較器、控制系統(tǒng)、受控系統(tǒng)三個環(huán)節(jié)；輸出變量的部分信息經(jīng)監(jiān)測裝置檢測后轉(zhuǎn)變?yōu)榉答佇畔?，回輸?shù)奖容^器，由此構(gòu)成閉合回路。在不同的反饋控制系統(tǒng)中，傳遞信息的方式是多種多樣的，可以是電信號（神經(jīng)沖動）、化學(xué)信號或機械信號，但最重要的是這些信號的數(shù)量和強度的變化中所包含的準(zhǔn)確的和足夠的信息。參考信息即輸入信息（Si），它和反饋信息（S_f）比較后，即得出偏差信息（Se）。三者的關(guān)系為：S_e=S_i+S_f如果是負(fù)反饋（negative feedback）,則S_f為負(fù)值；如果是正反饋（positive feedback），則S_f為正值。

圖1-1反饋控制系統(tǒng)模式圖

在負(fù)反饋情況時，反饋控制系統(tǒng)平時處于穩(wěn)定狀態(tài)。如出現(xiàn)一個干擾信息（S_d）作用于受控系統(tǒng)，則輸出變量發(fā)生改變，導(dǎo)致該反饋控制系統(tǒng)發(fā)生擾亂；這時反饋信息與參考信息發(fā)生偏差，偏差信息作用于控制系統(tǒng)使控制信息（S_c）發(fā)生改變，以對抗干擾信息的干擾作用，使輸出變量盡可能恢復(fù)到擾亂前的水平。例如，人體的體溫經(jīng)常可穩(wěn)定在37°C左右，就是負(fù)反饋調(diào)控作用的結(jié)果?，F(xiàn)在認(rèn)為下丘腦內(nèi)有決定體溫水平的調(diào)定點的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元發(fā)出參考信息使體溫調(diào)節(jié)中樞發(fā)出控制信息來調(diào)節(jié)產(chǎn)熱和散熱過程，保持體溫維持在37°C左右。如果人體進(jìn)行劇烈運動，產(chǎn)熱突然增加（即發(fā)生干擾信息，使輸出變量增加）體溫隨著升高，則下丘腦內(nèi)的溫度敏感（監(jiān)測裝置）就發(fā)生反饋信息與參考信息進(jìn)行比較，由此產(chǎn)生偏差信息作用于體溫調(diào)節(jié)中樞，從而改變控制信息來調(diào)整產(chǎn)熱和散熱過程，使升高的體溫回降，恢復(fù)到場37°C左右。

在正反饋情況時，反饋控制系統(tǒng)則處于再生狀態(tài)。正反饋控制系統(tǒng)一般不需要干擾信息就可進(jìn)入再生狀態(tài)，但有時也可因出現(xiàn)干擾信息而觸發(fā)再生。例如，出現(xiàn)一個干擾信息作用于受控系統(tǒng)，則輸出變量發(fā)生改變，這時反饋信息為正值，導(dǎo)致偏差信息增大；增大的偏差信息作用于控制系統(tǒng)使控制信息增強，導(dǎo)致輸出變量的改變進(jìn)一步加大；由于輸出變量加大，又返回來加大反饋信息，如此反復(fù)使反饋控制系統(tǒng)活動不斷再生。分娩過程是正反饋控制系統(tǒng)活動的實例。當(dāng)臨近分娩時，某些干擾信息可誘發(fā)子宮收縮，子宮收縮導(dǎo)致胎兒頭部牽張子宮頸部；宮頸受到牽張可反射性導(dǎo)致催產(chǎn)素分泌增加，從而進(jìn)一步加強宮縮，轉(zhuǎn)而使宮頸進(jìn)一步受到牽張；如此反復(fù)再生，直至胎兒娩出為止。

三、前饋控制系統(tǒng)

圖1-2為一個前饋控制系統(tǒng)模式圖。從圖可以看出，輸出變量不發(fā)出反饋信息，監(jiān)測裝置在檢測到干擾信息后發(fā)出前饋（feed forward）信息，作用于控制系統(tǒng)，調(diào)整控制信息以對抗干擾信息對受控系統(tǒng)的作用，從而使輸出變量保持穩(wěn)定。因此，前饋控制系統(tǒng)所起的作用是預(yù)先監(jiān)測干擾，防止干擾的擾亂；或是超前洞察動因，及時作出適應(yīng)性反應(yīng)。條件反射活動是一種前饋控制系統(tǒng)活動。例如，動物見到食物就引致唾液分泌，這種分泌比食物進(jìn)入口中后引致唾液分泌來得快，而且富有預(yù)見性，更具有適應(yīng)性意義。但前饋控制引致的反應(yīng)，有可能失誤；例如動物見到食物后并沒有吃到食物，則唾液分泌就是一種失誤。在進(jìn)食過程中，導(dǎo)致迷走神經(jīng)興奮，促使胰島B細(xì)胞分泌胰島素來調(diào)節(jié)血糖水平，這樣可及早準(zhǔn)備以防止食物消化吸收后造成血糖水平出現(xiàn)過分波動，這也是前饋控制的例子。

圖1-2 前饋控制系統(tǒng)模式圖

參考資料

徐豐彥，張鏡如主編。人體生理學(xué)。北京：人民衛(wèi)生出版社，1989

王志均，陳孟勤主編。中國生理學(xué)史。北京：北京醫(yī)科大學(xué)、中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合出版社，1993

黃秉憲，潘華?？刂评碚撛?a href="/w/%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%8C%BB%E5%AD%A6" title="生物醫(yī)學(xué)">生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。生理科學(xué)進(jìn)展1979；10：54～62

Koushapour E.Renal Physiology,Principles and Functions,pp 525～552,WB SnundersCo,Philadelphia,1976

Houks JG.Homeostasis and ControlPrinciples,in Medical Physiology,VB Mountcastle ed,14th ed Vol 1,pp 246～269,CV Mosby Co,St Louis,1980

生理功能的調(diào)節(jié) | 細(xì)胞的基本功能

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