生理学/生理功能的调节控制

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本世纪40年代,通过运用数学和物理学的原理和方法,分析研究各种工程技术的控制和人体的各种功能调节,得出了一些有关调节和控制过程的共同规律,产生了一个的学科,这就是控制论(cybernetics)。运用控制论原理分析人体的调节活动时,人体的各种功能调节可分为三类控制系统。

一、非自动控制系统

非自动控制系统是一个开环系统(open-loop system),其控制部分不受受控部分的影响,即受控部分不能反馈改变控制部分的活动。例如在应激反应中,当应激性刺激特别强大时,可能由于下丘脑神经元垂体对血中糖皮质激素的敏感性减退,亦即糖皮质激素血中浓度升高时不能反馈抑制它们的活动,使应激性刺激能导致ACTH与糖皮质激素的持续分泌;这时,肾上腺皮质能不断地根据应激性刺激的强度作出相应的反应(参见第十一章)。在这种情况下,刺激决定着反应,而反应不能改变控制部分的活动。这种控制系统无自动控制的能力。非自动控制系统的活动在体内不多见。

二、反馈控制系统

反馈控制系统是一个闭环系统(closed-loop system),其控制部分不断接受受控部分的影响,即受控部分不断有反馈信息返回输给控制部分,改变着它的活动。这种控制系统具有自动控制的能力。

图1-1是反馈控制系统的模式图。图中把该系统分成比较器、控制系统、受控系统三个环节;输出变量的部分信息经监测装置检测后转变为反馈信息,回输到比较器,由此构成闭合回路。在不同的反馈控制系统中,传递信息的方式是多种多样的,可以是电信号(神经冲动)、化学信号或机械信号,但最重要的是这些信号的数量和强度的变化中所包含的准确的和足够的信息。参考信息即输入信息(Si),它和反馈信息(Sf)比较后,即得出偏差信息(Se)。三者的关系为:Se=Si+Sf如果是负反馈(negative feedback),则Sf为负值;如果是正反馈(positive feedback),则Sf为正值。

反馈控制系统模式图


图1-1反馈控制系统模式图

在负反馈情况时,反馈控制系统平时处于稳定状态。如出现一个干扰信息(Sd)作用于受控系统,则输出变量发生改变,导致该反馈控制系统发生扰乱;这时反馈信息与参考信息发生偏差,偏差信息作用于控制系统使控制信息(Sc)发生改变,以对抗干扰信息的干扰作用,使输出变量尽可能恢复到扰乱前的水平。例如,人体的体温经常可稳定在37°C左右,就是负反馈调控作用的结果。现在认为下丘脑内有决定体温水平的调定点的神经元,这些神经元发出参考信息使体温调节中枢发出控制信息来调节产热和散热过程,保持体温维持在37°C左右。如果人体进行剧烈运动,产热突然增加(即发生干扰信息,使输出变量增加)体温随着升高,则下丘脑内的温度敏感(监测装置)就发生反馈信息与参考信息进行比较,由此产生偏差信息作用于体温调节中枢,从而改变控制信息来调整产热和散热过程,使升高的体温回降,恢复到场37°C左右。

在正反馈情况时,反馈控制系统则处于再生状态。正反馈控制系统一般不需要干扰信息就可进入再生状态,但有时也可因出现干扰信息而触发再生。例如,出现一个干扰信息作用于受控系统,则输出变量发生改变,这时反馈信息为正值,导致偏差信息增大;增大的偏差信息作用于控制系统使控制信息增强,导致输出变量的改变进一步加大;由于输出变量加大,又返回来加大反馈信息,如此反复使反馈控制系统活动不断再生。分娩过程是正反馈控制系统活动的实例。当临近分娩时,某些干扰信息可诱发子宫收缩,子宫收缩导致胎儿头部牵张子宫颈部;宫颈受到牵张可反射性导致催产素分泌增加,从而进一步加强宫缩,转而使宫颈进一步受到牵张;如此反复再生,直至胎儿娩出为止。

三、前馈控制系统

图1-2为一个前馈控制系统模式图。从图可以看出,输出变量不发出反馈信息,监测装置在检测到干扰信息后发出前馈(feed forward)信息,作用于控制系统,调整控制信息以对抗干扰信息对受控系统的作用,从而使输出变量保持稳定。因此,前馈控制系统所起的作用是预先监测干扰,防止干扰的扰乱;或是超前洞察动因,及时作出适应性反应。条件反射活动是一种前馈控制系统活动。例如,动物见到食物就引致唾液分泌,这种分泌比食物进入口中后引致唾液分泌来得快,而且富有预见性,更具有适应性意义。但前馈控制引致的反应,有可能失误;例如动物见到食物后并没有吃到食物,则唾液分泌就是一种失误。在进食过程中,导致迷走神经兴奋,促使胰岛B细胞分泌胰岛素来调节血糖水平,这样可及早准备以防止食物消化吸收后造成血糖水平出现过分波动,这也是前馈控制的例子。

前馈控制系统模式图


图1-2 前馈控制系统模式图

参考资料

徐丰彦,张镜如主编。人体生理学。北京:人民卫生出版社,1989

王志均,陈孟勤主编。中国生理学史。北京:北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社,1993

黄秉宪,潘华。控制理论在生物医学中的应用。生理科学进展1979;10:54~62

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

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32 生理功能的调节 | 细胞的基本功能 32
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