生理功能的調節控制 

  本世紀40年代,通過運用數學和物理學的原理和方法,分析研究各種工程技術的控制和人體的各種功能調節,得出了一些有關調節和控制過程的共同規律,產生了一個新的學科,這就是控制論(cybernetics)。運用控制論原理分析人體的調節活動時,人體的各種功能調節可分為三類控制系統。

 

一、非自動控制系統 

  非自動控制系統是一個開環系統(open-loop system),其控制部分不受受控部分的影響,即受控部分不能回饋改變控制部分的活動。例如在應激反應中,當應激性刺激特別強大時,可能由於下丘腦神經元和垂體對血中糖皮質激素的敏感性減退,亦即糖皮質激素血中濃度升高時不能回饋抑制它們的活動,使應激性刺激能導致ACTH與糖皮質激素的持續分泌;這時,腎上腺皮質能不斷地根據應激性刺激的強度作出相應的反應(參見第十一章)。在這種情況下,刺激決定著反應,而反應不能改變控制部分的活動。這種控制系統無自動控制的能力。非自動控制系統的活動在體內不多見。

 

二、回饋控制系統

  回饋控制系統是一個閉環系統(open-loop system),其控制部分不斷接受受控部分的影響,即受控部分不斷有回饋資訊返回輸給控制部分,改變著它的活動。這種控制系統具有自動控制的能力。

 

  圖1-1是回饋控制系統的模式圖。圖中把該系統分成比較器、控制系統、受控系統三個環節;輸出變數的部分資訊經監測裝置檢測後轉變為回饋資訊,回輸到比較器,由此構成閉合回路。在不同的回饋控制系統中,傳遞資訊的方式是多種多樣的,可以是電信號(神經衝動)、化學信號或機械信號,但最重要的是這些信號的數量和強度的變化中所包含的準確的和足夠的資訊。參考資訊即輸入資訊(Si),它和回饋資訊(Sf)比較後,即得出偏差資訊(Se)。三者的關係為:Se=Si+Sf如果是負反饋(negative feedback,Sf為負值;如果是正回饋(positive feedback),則Sf為正值。

 

1-1回饋控制系統模式圖

 

  在負反饋情況時,回饋控制系統平時處於穩定狀態。如出現一個干擾資訊(Sd)作用於受控系統,則輸出變數發生改變,導致該回饋控制系統發生擾亂;這時回饋資訊與參考資訊發生偏差,偏差資訊作用於控制系統使控制資訊(Sc)發生改變,以對抗干擾資訊的干擾作用,使輸出變數盡可能恢復到擾亂前的水準。例如,人體的體溫經常可穩定在37°C左右,就是負反饋調控作用的結果。現在認為下丘腦內有決定體溫水準的調定點的神經元,這些神經元發出參考資訊使體溫調節中樞發出控制資訊來調節產熱和散熱過程,保持體溫維持在37°C左右。如果人體進行劇烈運動,產熱突然增加(即發生干擾資訊,使輸出變數增加)體溫隨著升高,則下丘腦內的溫度敏感(監測裝置)就發生回饋資訊與參考資訊進行比較,由此產生偏差資訊作用於體溫調節中樞,從而改變控制資訊來調整產熱和散熱過程,使升高的體溫回降,恢復到場37°C左右。

 

  在正回饋情況時,回饋控制系統則處於再生狀態。正回饋控制系統一般不需要干擾資訊就可進入再生狀態,但有時也可因出現干擾資訊而觸發再生。例如,出現一個干擾資訊作用於受控系統,則輸出變數發生改變,這時回饋資訊為正值,導致偏差資訊增大;增大的偏差資訊作用於控制系統使控制資訊增強,導致輸出變數的改變進一步加大;由於輸出變數加大,又返回來加大回饋資訊,如此反復使回饋控制系統活動不斷再生。分娩過程是正回饋控制系統活動的實例。當臨近分娩時,某些干擾資訊可誘發子宮收縮,子宮收縮導致胎兒頭部牽張子宮頸部;宮頸受到牽張可反射性導致催產素分泌增加,從而進一步加強宮縮,轉而使宮頸進一步受到牽張;如此反復再生,直至胎兒娩出為止。

 

 

三、前饋控制系統

  圖1-2為一個前饋控制系統模式圖。從圖可以看出,輸出變數不發出回饋資訊,監測裝置在檢測到干擾資訊後發出前饋(feed forward)資訊,作用於控制系統,調整控制資訊以對抗干擾資訊對受控系統的作用,從而使輸出變數保持穩定。因此,前饋控制系統所起的作用是預先監測干擾,防止干擾的擾亂;或是超前洞察動因,及時作出適應性反應。條件反射活動是一種前饋控制系統活動。例如,動物見到食物就引致唾液分泌,這種分泌比食物進入口中後引致唾液分泌來得快,而且富有預見性,更具有適應性意義。但前饋控制引致的反應,有可能失誤;例如動物見到食物後並沒有吃到食物,則唾液分泌就是一種失誤。在進食過程中,導致迷走神經興奮,促使胰島B細胞分泌胰島素來調節血糖水準,這樣可及早準備以防止食物消化吸收後造成血糖水準出現過分波動,這也是前饋控制的例子。

 

1-2 前饋控制系統模式圖

 

  參考資料

  徐豐彥,張鏡如主編。人體生理學。北京:人民衛生出版社,1989

  王志均,陳孟勤主編。中國生理學史。北京:北京醫科大學、中國協和醫科大學聯合出版社,1993

  黃秉憲,潘華。控制理論在生物醫學中的應用。生理科學進展1979105462

  Koushapour E.Renal Physiology ,Principles and Functions,pp 525552,WB Snunders Co,Philadelphia,1976

  Houks JG.Homeostasis and Control Principles,in Medical Physiology,VB Mountcastle ed,14th ed Vol 1,pp 246269,CV Mosby Co,St Louis,1980

 

A09

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