NOTIUNI DE BIOCIBERNETICA

Adaptarea organismului = sincronizarea spaio-temporar a evoluiei organismului cu procesele din mediul nconjurtor 2 nivele de adaptare:1. adaptare constienta - somatica2. adaptare vegetativaRecepia semnalelor efectul bombardrii senzoriale mecanisme de feed-back efectul repetiiei cu o frecven specific = rol n dezvoltarea sistemelor senzorialeefectul cocktail party = extragerea semnalului din zgomotStocarea i procesarea semnalelor sistemul nervos central starea de contienile Transmiterea semnalelor, organul fonator (vorbirea) degetele minilor (scrisul, tastarea butoanelor tastaturii)n general, musculatura somatictelepatia !?

Cibernetica tiina comenzii i comunicrii la fiine i maini - Norbert Wiener, 1948(kybernan/kybernetike = a crmui, a dirija/dirijare)Sistemul cibernetic orice sistem material capabil s efectueze aciuni determinate i s sufere efectul unor aciuni exterioarematerialul de schimb utilizat n procesele de interacie = informaia.Organismele vii = sisteme cibernetice autoadaptabile

Abordarea problemelor n cibernetic se bazeaz pe:abstractizarea = principiul black box = se faceabstracie de proprietile fizice ale sistemului; modelarea (simulare):fizic construirea de dispozitive fizicevirtual utilizarea programelor de simulare computerizatDomeniile principale ale cibernaticii sunt:teoria informaiei, se ocup cu noiunea de informaie, transmiterea informaiei, codificarea i decodificarea informaiei, perturbaiile.teoria sistemelor de comand sau cu reglare automat

ELEMENTE DE TEORIA INFORMAIEI

1948 Schannon informaie = nedeterminare eliminat prin recepionare de semnale sensul procesului de adaptare = cresterea cantitii de informaie din sistem prin eliminarea nedeterminrilor legate de evoluia mediul exterior un om informat este un om puternic = un om puternic este un om adaptat

CONDITII NECESARE:semnalul s se poat propaga prin mediul nconjurtor, astfel nct acesta s poat ajunge la un sistem a crui evoluie s poat fi influenat de semnal, sistemul s fie capabil s recepioneze acel semnal. INFORMATIA = FORMA DE EXPRESIE A INTERACTIUNILOR DINTRE SISTEMELE MATERIALE

SURSA DE SEMNALE= sistem fizic (biologic) care sufer o transformare, n urma creia are loc variaia unui parametru de stare semnal = variaia unui parametru fizic al sistemului surs

EXEMPLU:semnal electric = variaia potenialului electric membranar

OBSERVATIE:O surs ideal de curent continuu nu genereaz semnale ! Cel mai simplu sistem de transmitere a informaiei (sistem de comunicaie) const din: sursa de semnale canalul de comunicaie receptor

Sursa de semnaleReceptor sistem capabil s recepioneze semnalele emise de surs

NOTIUNI DERIVATElitera = semnal discret cu valoare unic; se utilizeaz un numr finit de semnale diferite ntre ele (de ex. semnale electrice, semnale optice, semne grafice etc). mesajul (cuvnt) = totalitatea semnalelor generate de surs la un anumit moment de timp.alfabet = totalitatea literelor de aceeai natur utilizate la formarea mesajelor transmisecod = corespondena dintre literele a dou alfabete

CANTITATEA DE INFORMAIE (CI)CI coninut de un semnal este invers proporional cu probabilitatea de apariie a semnalului n evoluia sursei.

EXEMPLUsursa de semnale = urn cu bile colorate (h = nr. de culori posibile)Frecvena relativ de apariie a bilei albe:

probabilitatea (matematic) de apariie a bilei albe:

CI corespunztoare apariiei bilei albe este funcie de inversul probabilitii matematice de apariie: I(p)= f (1/pa)

Evenimentul cert furnizeaz informaie zero.numrul de evenimente posibile (h) h = 1 p = 1 I = 0 (numai bile albe in urn)Evenimentul dual furnizeaz 1 bit (binary digit)cantitatea de informaie ce se obine ntrun experiment care are numai dou rezultate posibile i egal probabile:h = 2 p =1/2 I = log2 2 = 1 bitEvenimentul cu 256 posibiliti egale furnizeaz 1 Byte = 8 bit h = 256 p = 1/256 I = log2 256 = log2 28CANTITATEA DE INFORMAIE generat de producerea unui singur eveniment (semnal) este:

INFORMAIA MEDIE Pentru evenimente echiprobabile, pi=1/h, atunci:

unde N = n1 + n2 + ... + nh, sau:

pentru N (

,

= pi (i = 1,2,...,h)

din definiie I = - log p, rezult:

sau:

_1159214209.unknown

_1159214326.unknown

_1140592661.unknown

Im =

EMBED Equation.3

_1140592658.unknown

_1158733222.unknown

_1140592642.unknown

ENTROPIA INFORMAIONALstri mai puin probabile(coninut de informaie mai mare)stri mai probabile(coninut de informaie mai mic)proces Evenimente echiprobabile = grad maxim de nedeterminare H = maxH =h numarul de evenimente posibileP numarul de aranjamente termice posibile

Redondan = diferena dintre entropia informaional maxim a unui experiment i entropia informaional real a aceluiai experiment

R = Hmax - H

la transmiterea informaiei ( redondana = parte din informaia total transmis, care nu contribuie la cantitatea de informaie efectiv recepionat de receptor, ci crete doar ansa ca aceasta s fie corect recepionat:

redondana relativ:

TRANSMITEREA INFORMAIEI

schema unui sistem simplu de transmitere a informaiei SURSA DE SEMNALCANAL DE COMUNICARERECEPTOR DE SEMNALPERTURBATIIPERTURBATII

PRELUCRAREA SEMNALELOR combate perturbatiileCodificarea - corespondena dintre alfabete (surs-canal-destinatar);Traducerea - transformarea unei mrimi fizice n alt mrime fizic prin intermediul unui traductor;Modularea - construirea semnalelor necesare transmiterii mesajului prin modificarea unui parametru al mrimii fizice a semnalului. Astfel, putem ntlni:modulare n frecven, prin schimbarea frecvenei semnalelor, amplitudinea lor rmnnd constant.modulare n amplitudine, prin schimbarea amplitudinii semnalelor, frecvena lor rmnnd constantMesajul trimis (modulator)Semnale nemodulateModulare n amplitudineModulare n frecven

SISTEME DE TRANSMITERE A INFORMAIEIsistem digital (cifric sau numeric) = succesiune de numere. Se foloseste codul binar, zecimal sau hexazecimalsistem analogic = variaie continu a unui parametru al semnalului Fluxul de informaie = cantitatea de informaie transmis n unitatea de timp.

SISTEME BIOLOGICE DE TRANSMITERE A INFORMAIEI Canalul neuronal, funcioneaz n regim analogic cu modulare n amplitudine i frecven Transmiterea sinaptic: Element postsinaptic Element presinaptic

Transmiterea informaiei genetice pentru sinteza proteinelorInformaia genetic = mesaje scrise n alfabetul de patru litere: A, C, G, T (bazele azotate din compoziia ADN = adenina, citozina, guanina, timina). h1 = 4 (transmitere digitala)Limbajul proteinelor bazat pe un alfabet de 20 de litere reprezentate de aminoacizii eseniali h2 = 20Condiia de codificare = asigur acoperirea corespondenelor dintre cele dou alfabeteN numrul de cuvinte diferite ce pot fi formate din literele alfabetului ADN n numrul de litere pentru fiecare cuvnt din limbajul ADN. Dac se dau valori cresctoare lui n, se poate gsi valorea ce asigur codificarea pentru a ndeplini condiia ca N = 20.Dac n = 1, atunci N = 4 < 20 (insuficient).Dac n = 2, atunci N = 16 < 20 (insuficient).Dac n = 3, atunci N = 64 > 20 (suficient).Triplete de cod pentru codarea fiecrui tip de aminoacid. tripletul de cod degenerat = de ex. Alanina se poate coda cu tripletele CGU, GCC, GCA, GCGADN(surs)m-ARN(canal)t-ARN(traductor)r-ARN(receptor)

SISTEME DE COMAND CU REGLARE AUTOMATUn sistem cibernetic n care o mrime de intrare aplicat unui element de execuie genereaz o mrime de ieire funcie de cea de intrare se numete sistem de comand

Existenta perturbaiilor controlul permanent al modului n care se realizeaz mrimea de ieire sistemul de comand cu reglare automatmarime de intraremarime de iesireLegatura feed-back

Legtura invers Feed-BackLegtura invers poate fi de dou tipuri:Legtura invers negativ = asigur homeostaziaLegtura invers pozitiv = genereaz instabilitatea sistemului cibernetic

strile extreme la care poate ajunge sistemul sunt evitate ca urmare a dou mprejurri care limiteaz efectele legturii inverse pozitive:apariia la un moment dat a unei legturi inverse negative ce stabilizeaz sistemul ntr-o nou stare de echilibru dinamic;transformarea sistemului ntr-un alt sistem calitativ diferit, n care legtura invers pozitiv i pierde semnificaia mutaie calitativa = baza evolutiei in lumea vie

sisteme cu legtur invers (feed-back) - proprieti:au capacitatea de a se adapta activ la condiiile neprevzute de funcionare;au capacitatea de a combate efectul perturbaiilor;au capacitatea de a asigura precizia mrimii de ieire;