5 Биотехнические системы управления поведением целостного организма и популяциями биологических объектов
Контроль за состоянием живого организма в БТС-У является неотъемлемой частью процесса управления, а соответствующие технические средства представляют собой подсистему в общей структурной схеме БТС-У [1]. Это обстоятельство объясняется двумя причинами: во-первых, контроль за состоянием живого организма, включенного в контур управления БТС-У, является одним из методов определения адекватности управляющих воздействий и режима функционирования всей БТС. Во-вторых, состояние живого организма, являющегося объектом управления, во многом определяет и характер его поведенческих реакций. Так, например, животные в состоянии голода или сытости, усталости или бодрости требуют различных управляющих воздействий. Кроме того, желанию животного перейти из одного состояния в другое часто используется для создания мотивационных стимулов, являющихся, в свою очередь, управляющими факторами в БТС-У.
Рассмотрим структурно-функциональную схему, типичную для БТС-У в режиме управляемого эксперимента (рисунок 5.1).
Рис. 5.1. Структурная схема БТС-У целостного организма
В данном случае целевой функцией является перемещение животного из стартовой зоны в заданную точку, определенную координатами X и Y на плоскости XY по некоторому маршруту, который задан текущими координатами Xti, Yti (i=1, 2, 3,…, n отсчетов времени) и с определенной скоростью v (X, V). При этом животное должно находиться в нормальном работоспособном состоянии, о чем должны свидетельствовать психофизиологические показатели M(ti), которые во время проведения эксперимента должны находится в заданных приделах. Показатели определяются совокупностью минимальных и максимальных значений быстро и медленно изменяющихся параметров вегетативных функций (МИП и БИП), характеризующих допустимые изменения состояния животного. Во время эксперимента животным управляются с помощью стимулирующих воздействий, направленных на поощрение или порицание его действий (например, с помощью стимуляции соответствующих эмоциогенных зон мозга, вырабатывающих ощущения удовольствия или страха и боли).
Таким образом, управляющий сигнал является функцией двух информационных потоков: 1) информацией анализа деятельности, характеризуемой текущими координатами положения животного, измеряемыми в реальном масштабе времени; 2) информацией о текущем состоянии организма (например, температура тела, артериальное давление, частота пульса, электрокардиограмма и электроэнцефалограмма).
Рассмотрим более подробно функционирование БТС-У, изображенной на рисунке 5.1.
Управляемый биообъект находится постоянно в поле зрения телевизионной системы (системы контроля поведения – СКП), определяющей положение животного в выбранной системе координат.
Контроль физиологических параметров животного осуществляется с целью идентификации состояний. Он производится с помощью биотелеметрической аппаратуры по радиоканалу. Информация о физиологических параметрах регистрируется по радиоканалу 16-ти канальным энцефалографом (блок регистрации – БР). Сигналы физиологической информации поступают на блок предварительной обработки (БПО) и передатчик ЛФИ.
В системе управления состоянием животного (СУС) процессор (мини-ЭВМ) обеспечивает непрерывный анализ физиологической информации с целью идентификации патологических состояний. При появлении патологических изменений физиологических параметров процессор под воздействием управляющих сигналов выдает команды, предусмотренные алгоритмом управления. По этим командам происходит выдача новых управляющих сигналов, которые подавляют патологическое возбуждение либо автоматически временно прерывают и даже полностью прекращают эксперимент.
Из процессора через блок интерфейсных плат информация приходит в управляющую ЭВМ. Аналогичным путем приходит в ЭВМ информация из системы контроля поведения (СКП). Управляющая вычислительная машина по заданному алгоритму оценивает полученную информацию и выдает команды управления биообъектом. По командам управления запускается аппаратура биостимуляции (Бcт), состоящая из приемника команд (ПК), формирователя команд и стимулятора. При этом команды передаются по радиоканалам.
В экспериментах по управлению биообъектом постоянно участвует оператор. В его задачи входит слежение за биообъектом визуально или через телевизионную систему слежения экспресс-диагностика состояния биообъекта, управление биообъектом в неавтоматизированных экспериментах (с пульта управления – ПУ), регистрация на блоке регистрации (БР) и кодирование (с помощью специального пульта) актов поведения биообъекта в процессе эксперимента.
Физиологическая информация, записывается в процессе эксперимента на магнитный носитель с помощью магнитографа для последующей обработки.
Кодирование форм поведения осуществляется в системе формализации параметров поведения (СФПП) животного: лежит, сидит, стоит, идет.
Результаты исследований, выполняемых с помощью таких систем, могут найти применение при изучении некоторых фундаментальных вопросов моделирования двигательных мотиваций, функциональных расстройств двигательной сферы, а также при решении прикладных задач повышения работоспособности операторов путем оптимизации параметров их состояния и эмоциональных проявлений, сопровождающих двигательные реакции, при разработках алгоритмов управления роботами-манипуляторами с искусственным интеллектом, устройств дистанционного управления движением животных и т.д.