Первая сигнальная система человека: Первая сигнальная система — определение. Первая сигнальная система человека по Павлову

Содержание

Первая сигнальная система — определение. Первая сигнальная система человека по Павлову

Окружающий нас мир мы воспринимаем благодаря двум системам: первой и второй сигнальной.

Для получения информации о состоянии организма и о внешнем окружении первая сигнальная система использует все органы чувств человека: осязание, зрение, обоняние, слух и вкус. Вторая, более молодая, сигнальная система позволяет воспринимать мир через речь. Ее развитие происходит на основе и во взаимодействии с первой в процессе развития и роста человека. В этой статье мы рассмотрим, что такое первая сигнальная система, каким образом она развивается и функционирует.

Как это происходит у животных?

Все животные могут воспользоваться только одним источником информации об окружающей реальности и изменении ее состояния, которым является первая сигнальная система. Внешний мир, представленный через различные объекты, обладающие разнообразными химическими и физическими свойствами, такими как цвет, запах, форма и др. , выступают в качестве условных сигналов, предупреждающих организм об изменениях, к которым необходимо приспособиться. Так, стадо дремлющих на солнце оленей, почувствовав запах подкрадывающегося хищника, резко срывается с места и спасается бегством. Раздражитель стал сигналом о приближающейся опасности.

Таким образом, у высших животных первая (условно-рефлекторная) сигнальная система — это точное отражение внешнего окружающего мира, позволяющее верно реагировать на изменения и приспосабливаться к ним. Все ее сигналы относятся к определенному объекту и являются конкретными. Условные рефлексы, составляющие базу элементарного предметно соотнесенного мышления животных, формируются посредством именно этой системы.

Первая сигнальная система человека функционирует так же, как и у высших животных. Обособленное ее функционирование наблюдается только у новорожденных, в период с рождения и до возраста в шесть месяцев, в том случае, если ребенок пребывает в обычной социальной среде. Становление и развитие второй сигнальной системы совершается в процессе и как следствие воспитания и социальных взаимодействий между людьми.

Типы нервной деятельности

Человек – сложное существо, прошедшее в своем историческом развитии через сложные изменения как в анатомическом и физиологическом, так и в психологическом строении и функционировании. Весь комплекс разноплановых процессов, происходящих в его организме, осуществляется и контролируется посредством одной из основных физиологических систем — нервной.

Деятельность этой системы подразделяют на низшую и высшую. За контроль и управление всеми внутренними органами и системами человеческого организма отвечает так называемая низшая нервная деятельность. Взаимодействия с объектами и предметами окружающей действительности посредством таких нервно-психических процессов и механизмов, как интеллект, восприятие, мышление, речь, память, внимание, относят к высшей нервной деятельности (ВНД). Подобное взаимодействие происходит через непосредственное воздействие различных объектов на рецепторы, например, слуховые или зрительные, с дальнейшей передачей полученных сигналов нервной системой обрабатывающему информацию органу – головному мозгу. Именно этот вид сигнализации русским ученым И. П. Павловым был назван первой сигнальной системой. Благодаря ей стало возможным зарождение и развитие второй сигнальной системы, характерной только для людей и связанной со слышимым (речь) или видимым словом (письменные источники).

Что такое сигнальные системы?

Основываясь на трудах известного русского физиолога и естествоиспытателя И. М. Сеченова о рефлекторной деятельности высших отделов головного мозга, И. П. Павлов создал теорию о ВНД — высшей нервной деятельности человека. В рамках этого учения было сформулировано понятие о том, что такое сигнальные системы. Под ними понимаются формирующихся в коре (изокортексе) головного мозга комплексы условно-рефлекторных связей как следствие поступления различных импульсов из окружающего мира или от систем и органов тела. То есть работа первой сигнальной системы направлена на выполнении аналитических и синтетических операций по распознаванию сигналов, поступающих от органов чувств об объектах внешнего мира.

В результате социального развития и овладения речью возникла и эволюционировала вторая сигнальная система. По мере роста и развития психики ребенка постепенно вырабатываются способности к пониманию, а затем и к воспроизведению речи как следствие возникновения и закрепления ассоциативных связей, произносимых звуков или слов с сенсорными впечатлениями об объектах внешнего окружения.

Особенности первой сигнальной системы

В этой сигнальной системе как средства и способы коммуникации, так и все остальные формы поведения основываются на непосредственном восприятии окружающей реальности и реакции на поступающие из нее в процессе взаимодействия импульсы. Первая сигнальная система человека — это ответное конкретно-чувственное отражение воздействия на рецепторы со стороны окружающего мира.

Сначала в организме появляется ощущение каких-либо явлений, свойств или объектов, воспринятых рецепторами какого-либо одного или нескольких органов чувств. Затем ощущения преобразуются в более сложные формы — восприятие. И только после того, как будет сформирована и развита вторая сигнальная система, появляется возможность создания не привязанных к конкретному объекту абстрактных форм отражения, таких как представления и понятия.

Локализация сигнальных систем

За нормальное функционирование обеих сигнальных систем несут ответственность центры, расположенные в полушариях головного мозга. Прием и переработку информации для первой сигнальной системы осуществляет правое полушарие. Как восприятие, так и обработку информационного потока для второй сигнальной системы производит левое полушарие, отвечающее за развитие логического мышления. Вторая (больше чем первая) сигнальная система человека зависит от структурной целостности головного мозга и его функционирования.

Взаимосвязь между сигнальными системами

Вторая и первая сигнальные системы по Павлову находятся в постоянном взаимодействии и взаимосвязаны по выполняемым функциям. Это обусловлено тем, что на базе первой возникла и развилась вторая сигнальная система. Поступающие из окружающей среды и от разных частей тела сигналы первой находятся в непрерывном взаимодействии с сигналами второй. Во время такого взаимодействия происходит возникновение условных рефлексов более высокого порядка, которые создают функциональные связи между ними. В связи с развитыми мыслительными процессами и общественным образом жизни у человека более развита вторая сигнальная система.

Стадии развития

В процессе индивидуального психического развития ребенка, рожденного в срок, первая сигнальная система начинает оформляться уже через несколько суток после рождения. В возрасте 7-10 дней возможно формирование первых условных рефлексов. Так, младенец производит сосательные движения губами еще до того, как ему в рот положат сосок. Условные рефлексы на звуковые раздражители могут сформироваться в начале второго месяца жизни.

Чем старше становится ребенок, тем быстрее образуются у него условные рефлексы. Для того чтобы у месячного грудничка появилась временная связь, придется сделать множество повторений воздействия безусловного и условного раздражителей. У двух-трехмесячного ребенка для создания такой же временной связи потребуется всего несколько повторений.

Вторая сигнальная система начинает оформляться у детей в возрасте от полутора лет, когда при многократном назывании предмета, совместно с его демонстрацией, ребенок начинает реагировать на слово. У детей она выдвигается на первый план только к 6-7 годам.

Смена ролей

Таким образом, в процессе психофизического развития ребенка, на протяжении всего детского и подросткового периодов, происходит изменение значимости и приоритетности между этими сигнальными системами. В школьном возрасте и вплоть до начала пубертатного периода вторая сигнальная система выдвигается на первый план. В период полового созревания, вследствие значительных гормональных и физиологических изменений в организме подростков, на небольшой период первая сигнальная система вновь становится ведущей. К старшим классам школы вторая сигнальная система снова выходит в лидеры и сохраняет свое главенствующее положение на протяжении всей жизни, постоянно совершенствуясь и развиваясь.

Значение

Первая сигнальная система людей, несмотря на преобладание у взрослых второй, имеет большое значение в таких видах человеческой деятельности, как спорт, творчество, обучение и труд. Без нее было бы невозможно творчество музыканта и художника, актера и профессионального спортсмена.

Несмотря на схожесть этой системы у людей и животных, у человека первая сигнальная система — это значительно более сложная и совершенная структура, так как она находится в постоянном гармоничном взаимодействии со второй.

Что такое первая и вторая сигнальные системы — Биология человека

Сигнальной системой называют совокупность процессов в нервной системе, которые осуществляют восприятие, анализ информации и ответную реакцию организма. Физиолог И. П. Павлов разработал учение о первой и второй сигнальных системах. Первой сигнальной системой он назвал деятельность коры головного мозга, которая связана с восприятием через рецепторы непосредственных раздражителей (сигналов) внешней среды, например, световых, тепловых, болевых и т. д. Она является основой для выработки условных рефлексов и свойственна как животным, так и человеку.

Человеку, в отличие от животных, свойственна еще и вторая сигнальная система, связанная с функцией речи, со словом, слышимым или видимым (письменная речь). Слово, по И. П. Павлову, является сигналом для работы первой сигнальной системы (“сигнал сигналов”). Например, действия человека будут одинаковыми на слово “пожар” и действительно наблюдаемый (зрительное раздражение) им пожар. Образование условного рефлекса на основе речи является качественной особенностью высшей нервной деятельности человека. Вторая сигнальная система сформировалась у человека в связи с общественным образом жизни и коллективным трудом, при которых она является средством общения друг с другом. Слово, речь, письмо являются не только слуховым или зрительным раздражителем, они несут определенную информацию о предмете или явлении. В процессе обучения речи у человека возникают временные связи между нейронами коры, воспринимающими сигналы от разных предметов, явлений и событий, и центрами, воспринимающими словесное обозначение этих предметов, явлений и событий, их смысловое значение.

Вот почему у человека после образования условного рефлекса на какой-то раздражитель он легко воспроизводится без подкрепления, если словесно выразить этот раздражитель. Например, на словосочетание “утюг горячий” человек отдернет от него руку. У собаки тоже можно выработать условный рефлекс на слово, но оно ею воспринимается как определенное звукосочетание, без понимания смысла.

Словесная сигнализация у человека сделала возможным отвлеченное и обобщенное восприятие явлений, находящих свое выражение в понятиях, суждениях и умозаключениях. Например, слово “деревья” обобщает многочисленные породы деревьев и отвлекает от конкретных признаков дерева каждой породы. Способность к обобщению и отвлечению служат основой мышления человека. Благодаря отвлеченному логическому мышлению человек познает окружающий мир и его законы. Способность к мышлению используется человеком в его практической деятельности, когда он ставит определенные цели, намечает пути реализации и достигает их. В ходе исторического развития человечества благодаря мышлению накоплены огромные знания о внешнем мире.

Таким образом, благодаря первой сигнальной системе достигается конкретно чувственное восприятие окружающего мира и состояния самого организма. Развитие второй сигнальной системы обеспечило абстрактно-обобщенное восприятие внешнего мира в виде понятий, суждений, умозаключений. Эти две сигнальные системы тесно взаимодействуют между собой, так как вторая сигнальная система возникла на базе первой и функционирует в связи с ней. У человека вторая сигнальная система преобладает над первой в связи с общественным образом жизни и развитым мышлением.

Первая сигнальная система. Формирование условных рефлексов.

ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Впервые идеи о рефлекторном характере деятельности высших отделов головного мозга, составляющих основу поведения человека, были изложены И. М. Сеченовым. Развивая эти представления, И. П. Павлов создал учение о высшей нервной деятельности. Он доказал, что в подкорковых ядрах, мозговом стволе, спинном мозге осуществляются врожденные рефлекторные реакции, а в коре большого мозга нервные связи вырабатываются заново в процессе индивидуальной жизни человека в результате сочетания множества воспринимаемых корой раздражений.

Установлено, что у человека вырабатываются условные рефлексы на различные сигналы внешнего мира или внутреннего состояния организма, при соответствующих условиях возникает безусловное или условное торможение, наблюдаются иррадиация и концентрация возбуждения и торможения, индукция, динамическая стереотипия и т. д. Производится анализ и синтез сигналов предметов и явлений окружающего мира, приходящих от зрительных, слуховых и других рецепторов и составляющих первую сигнальную систему. В процессе социального развития у человека появилась и усовершенствовалась вторая сигнальная система, связанная с речью. Способность понимать, а затем и произносить слова развивается у ребенка в результате ассоциации определенных звуков (слов) со зрительными, тактильными и другими впечатлениями о внешних объектах.

Формирование в коре головного мозга временных связей первой сигнальной системы у ребенка, родившегося в срок, начинается уже через несколько дней после рождения. В 7—10-дневном возрасте могут быть выработаны первые условные рефлексы.

Сосательные движения губ младенца появляются еще до того, как сосок груди вложен в рот. К концу 1-го месяца могут быть выработаны условные рефлексы на звуковые, а на 2-м месяце на световые сигналы.

Скорость образования условных рефлексов с возрастом быстро возрастает. Если в месячном возрасте для создания временной связи нужно произвести много сочетаний условного и безусловного раздражителей, то в 2—4-месячном для этого достаточно нескольких сочетаний. Условное торможение у ребенка вырабатывается несколько позже — на 2—4-м месяцах, при этом разные формы торможения появляются неодинаково быстро. Раньше возникает дифференцйровочное торможение, позднее — запазды-вательное. По мере развития ребенка различные виды условного торможения вырабатываются все быстрее.

Первые признаки развития второй сигнальной системы появляются у ребенка во второй половине 1-го года жизни. Если многократно называть и показывать какой-либо предмет, то при слове, его обозначающем, у ребенка на него появляется реакция. Вначале появляется узнавание слов, а затем ребенок учится сам называть предметы. Позже он начинает пользоваться приобретенным запасом слов для воздействия на других людей. Так, если он хочет взять игрушку, но не может до нее дотянуться, то он называет ее, пока не получит желаемое. Вторая сигнальная система в это время уже становится средством общения.

взгляды на психические расстройства – предыдущая | следующая – развитие речи у детей

Содержание. Исаев Д.Н. Психопатология детского возраста

6.5. Первая и вторая сигнальные системы. Возрастная анатомия и физиология

что значит, чем представлены, характеристики

В процессе жизнедеятельности организм вырабатывает множество условных рефлексов. По учению И.П.Павлова, с их помощью осуществляется его ответная реакция на действующие раздражители. Такая согласованная деятельность всех органов и систем носит название условно-рефлекторной. Она не происходит стихийно. Действуют закономерности, часть из которых идентичны у людей и животных. В то же время поведение человека управляется дополнительными нейрофизическими реакциями, которые объединены одним термином — высшая нервная деятельность.

Особенности высшей нервной деятельности человека

В основе высшей нервной деятельности (ВНД) лежат условные рефлексы. По мере появления новых способов взаимодействия человеческой популяции с окружающим миром, вырабатывалась форма общения — речь. С ее появлением реакция людей на внешние раздражители начала видоизменяться. С одной стороны, человек, получая негативное воздействие, может выразить свой страх, боль, голод словесно. С другой, слова могут являться такими же раздражителями.

Условный рефлекс начинает действовать не только от ощущения холода, жары, света, темноты, но и от слов, несущих смысл этих явлений.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Еще в 1863 году И.М. Сеченов высказал мысль о том, что психическая деятельность человека в своей основе имеет рефлексы. С их помощью человек приспосабливается к окружающему миру, они лежат в основе его поведения. Такая деятельность головного мозга является одним из главных отличий человека от животных. Она получается в детстве и передается по наследству. Возрастные процессы способствуют увеличению способности мозга к рассудочной деятельности, мышлению.

Насколько высок уровень развития нервной системы, настолько больше рассудительности в мыслях и поступках.

Одной из функций мозга человека является сознание. Материальная основа ВНД — кора больших полушарий, подкорковые ядра, промежуточный мозг. Их строение обуславливает связь окружающего мира с психикой человека.

Если рассматривать высшую нервную деятельность людей, то следует разграничить уровни:

Безусловные рефлексы (независимы от сознания).
Подсознание (развитие первой сигнальной системы).
Сознание (развитие второй сигнальной системы).

Первая и вторая сигнальные системы

Выражение реакции на условные и безусловные раздражители происходит посредством сигнальных систем.

Первая сигнальная система — система условнорефлекторных связей, формирующихся в коре головного мозга животных и человека при воздействии на рецепторы раздражений, исходящих из внешней и внутренней среды.

Первая сигнальная система начинает функционировать в ответ на тактильные, визуальные, обонятельные раздражители, поступающие к органам чувств непосредственно через рецепторы.

Вторая сигнальная система — свойственная человеку система условно-рефлекторных связей, формирующихся при воздействии речевых сигналов, то есть не непосредственного раздражителя, а его словесного обозначения.

Вторая, не уступающая первой по силе и значимости, вызывает образование особых связей в сознании. В результате неоднократных аналогичных воздействий, в дальнейшем эти связи срабатывают без подкрепления и приобретают рефлекторные свойства на долгие годы.

Итак, первая сигнальная система — совокупность ощущений, восприятий раздражителей окружающего мира. Вторая — возникшая на основе первой, — это речь. В человеческой популяции слово исполняет функцию такого же раздражителя, как естественный природный фактор. Под его влиянием запускаются психические и физиологические реакции.

Чем представлены сигнальные системы в организме

Условные сигналы постоянно поступают в организм из внешней и внутренней среды посредством органов чувств. Их воспринимают:

уши;
глаза;
нос;
кожа.

Это ощущения, которые предупреждают об опасности или иных обстоятельствах, требующих реакции. Это первая сигнальная система. Она аналогична у людей и животных.

Механизм развития ответной реакции следующий: от клетки-рецептора сигнал идет в головной мозг по центростремительному нейрону, обрабатывается в ответственном за данную сенсорику участке и по центробежному нейрону передается на орган, реакция которого должна защитить организм.

В отличие от животных, восприятие окружающей среды у которых связано только с ощущениями, у человека присутствует вторая сигнальная система. По выражению И.П. Павлова, сигналом сигналов является слово. Речь, появившаяся и развившаяся в процессе эволюции Homo sapiens (человека разумного), обеспечила возможность общения особей между собой, передачу сигналов об опасности до их воздействия. Позднее из отдельных возгласов сформировались слова, которые стали понятны окружающему социуму.

Сравнение систем

Особенности двух сигнальных систем (СС) можно рассмотреть на примерах.

Пример № 1

Пожар вызывает у животного и человека непреодолимое желание спасаться. При этом:

I СС: Происходит это в результате поступления в головной мозг сигналов от органов зрения (огонь), обоняния (дым), слуха (звук горения). Мозг дает сигнал костно-мышечной системе бежать.
II СС: Человеку достаточно услышать крик «Пожар!», чтобы рефлекторно запустился механизм защиты. Для этого необязательно фактическое подкрепление безусловными раздражителями.

Пример № 2

Для животного и человека характеристика опасности имеет различные проявления.

I СС: При первой сигнальной системе обязательна конкретизация раздражающего фактора, т.е. сигнал должен быть определенным по запаху, вкусу, температуре и т.д.
II СС: Речевое изложение сигнала воспринимается головным мозгом абстрактно. В помощь словам приходят жесты, мимика, знаки, символы. Не видя интенсивности раздражающего фактора, по степени эмоциональной окраски сигнала, мозг формирует реакцию.

Пример № 3

Сигнал об опасности носит при первой и второй СС может носить различный характер.

I СС: Первая сигнальная система не в состоянии обеспечить общение между индивидуумами. Каждая особь реагирует на раздражающий фактор обособленно. Животное будет бояться, только, если увидит огонь.
II СС: В человеческой популяции, II СС развивает коммуникативную функцию. Слово способно не только выступать в роли оперативного сигнала, но и обобщать имеющийся аналогичный опыт. Человек испытает страх, если в его окружении возникнет суматоха по поводу разгорающегося недалеко пожара.

Взаимодействие между первой и второй сигнальными системами

Обе сигнальные системы не существуют изолированно друг от друга. Между ними налажено четкое взаимодействие.

Восприятие информации только на слух не всегда достаточно для всесторонней оценки какого-либо фактора.

Пример № 1

Рассказывая ученикам о влиянии радиации на здоровье человека, учитель не так ярко донесет ее опасность, как при демонстрации последствий радиоактивного облучения. В таком случае к донесенной информации присоединится визуальное восприятие сигнала. В сознании сформируется объективное представление.

Пример № 2

Объявление по громкоговорителю на автовокзале, к примеру, о переносе рейса, не сразу воспринимается пассажирами по различным причинам. Чтобы обеспечить доходчивость информации, можно написать объявление, либо пустить бегущую строку на световому табло. В таком случае аудиосигнал будет грамотно дополнен визуальным изложением того же факта.

Особенности высшей нервной деятельности человека

Рассмотренные выше принципы и закономерности высшей нервной деятельности являются общими как для животных, так и для человека. Однако высшая нервная деятельность человека существенно отличается от высшей нервной деятельности животных. У человека в процессе его общественнотрудовой деятельности возникает и достигает высокого уровня развития принципиально новая сигнальная система.

Первая сигнальная система действительности -это система наших непосредственных ощущений, восприятий, впечатлений от конкретных предметов и явлений окружающего мира. Слово (речь) -это вторая сигнальная система (сигнал сигналов). Она возникла и развивалась на основе первой сигнальной системы и имеет значение лишь в тесной взаимосвязи с ней.

Благодаря второй сигнальной системе (слову) у человека более быстро, чем у животных, образуются временные связи, ибо слово несет в себе общественно выработанное значение предмета. Временные нервные связи человека более устойчивы и сохраняются без подкрепления в течении многих лет.

Слово является средством познания окружающей действительности, обобщенного и опосредованного отражения существенных ее свойств. Со словом «вводится новый принцип нервной деятельности -отвлечение и вместе с тем обобщение бесчисленных сигналов -принцип, обусловливающий безграничную ориентировку в окружающем мире и создающий высшее приспособление человека -науку «.

Действие слова в качестве условного раздражителя может иметь такую же силу, как непосредственный первосигнальный раздражитель. Под влиянием слова находятся не только психические, но и физиологические процессы (это лежит в основе внушения и самовнушения).

Вторая сигнальная система имеет две функции -коммуникативную (она обеспечивает общение между людьми) и функцию отражения объективных закономерностей. Слово не только дает наименование предмету, но и содержит в себе обобщение.

Ко второй сигнальной системе относится слово слышимое, видимое (написанное) и произносимое.

Выше были рассмотрены типологические особенности высшей нервной деятельности. Они общие у человека и высших животных (четыре типа). Но у людей имеются специфические типологические особенности, связанные со второй сигнальной системой. У всех людей вторая сигнальная система преобладает над первой. Степень этого преобладания неодинакова. Это даёт основание разделить высшую нервную деятельность человека на три типа: 1) мыслительный; 2) художественный; 3) средний (смешанный).

К мыслительному типу относятся лица со значительным преобладанием второй сигнальной системы над первой. У них более развито абстрактное мышление (математики, философы) ; непосредственное отражение действительности происходит у них в недостаточно ярких образах.

К художественному типу относятся люди с меньшим преобладанием второй сигнальной системы над первой. Им присущи живость, яркость конкретных образов (художники, писатели, артисты, конструкторы, изобретатели и др.).

Средний, или смешанный, тип людей занимает промежуточное положение между двумя первыми.

Чрезмерное преобладание второй сигнальной системы, граничащее с отрывом ее от первой сигнальной системы, является нежелательным качеством человека.

«Нужно помнить, -говорил И.П, Павлов, -что вторая сигнальная система имеет значение через первую сигнальную систему и в связи с последней, а если она отрывается от первой сигнальной системы, то вы оказываетесь пустословом, болтуном и не найдете себе места в жизни «.

У людей с чрезмерным преобладанием первой сигнальной системы, как правило, менее развита склонность к абстрагированию, теоретизации.

Современные исследования высшей нервной деятельности характеризуются развитием интегрального подхода к изучению целостной работы мозга.

Мотивация и регуляция поведения.

Психические процессы и состояния.

Мотивация деятельности и поведения.

Понятие деятельности и поведения

Деятельность -целенаправленное взаимодействие человека с окружающей средой, осуществляемое на основе ее познания и направленное на ее преобразование для удовлетворения потребностей человека.

Деятельность -сложная и многоплановая категория, включающая в себя многие стороны взаимодействия человечества с миром.

Деятельность определяется внутренними (психическими) и внешними условиями, осуществляется в виде различных способов (систем приемов и операций), при помощи определенных средств.

В онтогенетическом развитии человека обычно выделяются три ведущих вида деятельности: игра, учение, труд. Но это лишь самая общая классификация видов деятельности. Из нее выпадает такая важнейшая форма жизнедеятельности человечества, как деятельность по включению человека в систему социальных связей, формирование социально адаптированного поведения.

Поведением называется социально значимая система действий человека.

Отдельные поведенческие действия называются поступком, если они соответствуют общепринятым нормам поведения, и проступком, если не соответствуют этим нормам. Общественно опасное, уголовно наказуемое, виновное поведение, совершаемое под контролем воли и сознания человека, называется преступлением.

Одной из основных предпосылок преступного поведения являются негативные качества человека: эгоизм, индивидуализм, пренебрежение правами и интересами других граждан, стяжательство, карьеризм, мстительность, жестокость, стремление выделиться в референтной, привлекающей данного человека, группе. Эти качества не являются врожденными, а формируются в зависимости от условий психического развития человека. Формирование человека -это формирование его потребностей и способов их удовлетворения.

Потребности, мотивационные состояния и мотивы деятельности

Предпосылкой поведения человека, источником его деятельности является потребность.

Нуждаясь в определенных условиях, человек стремится к устранению возникшего дефицита.

Условия, необходимые для жизни и развития человека, делятся на следующие группы: а) условия, необходимые для жизни и развития человека как естественного организма (отсюда естественные или органические потребности) ; б) условия, необходимые для жизни и развития человека как индивидуума, как представителя человеческого рода (условия для общения, познания и труда) ; в) условия, необходимые для жизни и развития данного человека как личности, для удовлетворения широкой системы его индивидуализированных потребностей.

Потребность -необходимость выравнивания отклонений от параметров жизнедеятельности, оптимальных для человека как биологического существа, индивида и личности.

Потребности определяют направленность психики данного человека, повышенную возбудимость ее к определенным сторонам действительности. [an error occurred while processing this directive] Потребности подразделяются на естественные и культурные. Культурные потребности подразделяются на материальные, материальнодуховные (книги, предметы искусства и др.) и духовные. Потребности человека социально обусловлены. В зависимости от того, с каким кругом общественных требований связаны эти потребности, различаются разные их уровни.

Потребности человека иерархизированы, т.е. организованы в определенной соподчиненной схеме. Иерархия индивидуальных потребностей составляет основную отличительную особенность личности -ее направленность. Но не смотря на значительное разнообразие индивидуальных потребностей личности, можно вычленить основную схему личностных потребностей.

Все уровни потребностей взаимосвязаны, регуляция человеческого поведения одновременно взаимодействует со всеми уровнями -происходит так называемая «сквозная регуляция «, связанная с взаимодействием этих уровней. Депривация одной из потребностей приводит к деформации личностного поведения в целом. Так например, невозможность удовлетворить потребность в безопасности ведет к повышению уровня тревожности личности, к свертыванию ее возможностей в самореализации; затруднение в удовлетворении физиологических потребностей ведет к понижению когнитивных потребностей и т. д.

Иерархия личных потребностей видоизменяется с развитием личности, высшие ее уровни «вызревают » лишь к моменту достижения индивидом психологической зрелости. Но будучи сформированными высшие уровни потребности, особенно потребности в самореализации, самоусовершенствовании, начинают играть системообразующую роль в системе потребностей. Автономизация же отдельных ее уровней ведет к сужению интересов личности, а в ряде случаев к асоциальным способам их реализации.

У социализированной личности существует потребность в самооценке, в понимании самого себя, смысла своего существования. Это имеет большое значение для его адаптации к окружающей среде.

Иерархия потребностей человека

Потребность в самореализации

Когнитивные потребности Потребность в признании, уважении

Потребность в привязанностях

Потребность в безопасности

Физиологические потребности

Для нормального социального функционирования необходимо включение человека в деятельность, в которой он находил бы смысл своего существования. Отсюда вытекает потребность в труде, в труде творческом, в котором раскрывались бы основные способности человека. Отсутствие этой фундаментальной человеческой потребности -основной показатель социальной деформации личности.

Органические потребности человека возникают без специального их формирования, тогда как все социальные потребности возникают лишь в процессе специального их формирования, воспитания.

Потребности людей зависят от исторически сложившегося уровня производства и потребления, от условий жизни человека, от традиций и господствующих вкусов в данной социальной группе.

Потребности закрепляются в процессе их удовлетворения. Удовлетворенная потребность сначала исчезает, но затем возникает с большей интенсивностью. Слабые потребности в процессе их многократного удовлетворения становятся более стойкими.

Возникающие в результате деятельности все новые и новые потребности являются основным стимулом как развития отдельной личности, так и исторического прогресса общества в целом.

Потребность становится основой поведенческого акта лишь в том случае, если для ее удовлетоврения имеются или могут быть созданы необходимые средства и условия (предмет деятельности, орудие деятельности, знание и способы действия). Чем разнообразнее средства удовлетворения данной потребности, тем прочнее они закрепляются.

Потребность, с нейрофизиологической точки зрения, представляет собой образование доминанты, устойчивого возбуждения определенных механизмов головного мозга, которые связаны с регулированием необходимых поведенческих актов.

Возникающая потребность вызывает мотивационное возбуждение соответствующих нервных центров, побуждающее организм к определенному виду деятельности. При этом оживляются все необходимые механизмы памяти, обрабатываются данные о наличии внешних условий и на основе этого формируется целенаправленное действие.

Итак, актуализированная потребность вызывает определенное нейрофизиологическое состояние -мотивацию.

Мотивация — обусловленное потребностью возбуждение определенных нервных структур (функциональных систем), вызывающих направленную активность организма.

От мотивационного состояния зависит допуск в кору головного мозга тех или иных сенсорных возбуждении, их усиление или ослабление. Эффективность внешнего стимула зависит не только от его объективных качеств, но и от мотивационного состояния организма (сытый организм не реагирует на самую привлекательную пищу). Внешние раздражители становятся стимулами, то есть сигналами к действию лишь при соответствующем мотивационном состоянии организма.

Таким образом, обусловленные потребностью мотивационные состояния характеризуются тем, что мозг при этом моделирует параметры объектов, которые необходимы для удовлетворения потребности, и схемы деятельности по овладению требуемым объектом. Эти схемы -программы поведения — могут быть или врожденными, инстинктивными, или основанными на индивидуальном опыте, или заново созданными из элементов опыта.

Осуществление деятельности контролируется путем сравнения достигнутых промежуточных и итоговых результатов с тем, что было заранее запрограммировано. Удовлетворение потребности снимает мотивационное напряжение и, вызывая положительную эмоцию, «утверждает » данный вид деятельности (включая его в фонд полезных действий). Неудовлетворение потребности вызывает отрицательную эмоцию, усиление мотивационного напряжения и вместе с этим -поисковой деятельности. Таким образом, мотивация -индивидуализированный механизм соотнесения внешних и внутренних факторов, определяющий способы поведения данного индивида.

В животном мире способы поведения определяются рефлекторным соотнесением внешней обстановки с актуальными, насущными органическими потребностями. Так, голод вызывает определенные действия в зависимости от внешней ситуации.

В человеческой жизнедеятельности сама внешняя обстановка может актуализировать различные потребности. Так, в преступно опасной ситуации один человек руководствуется только органической потребностью самосохранения, у другого доминирует потребность выполнения гражданского долга, потребность оказания помощи другим людям, у третьего -проявить удаль в схватке, отличиться и т. д.

Все формы и способы сознательного поведения человека определяются его отношениями к различным сторонам действительности. Мотивационные состояния человека существенно отличаются от мотивационных состояний животных тем, что они регулируются второй сигнальной системой -словом. К мотивационным состояниям человека относятся установки, интересы, желания, стремления и влечения.

Виды мотивационных состояний: установки,

интересы, желания, стремления, влечения

Установка -это стереотипная готовность действовать в соответствующей ситуации определенным образом. Эта готовность к стереотипному поведению возникает на основе прошлого опыта. Установки являются неосознанной основой поведенческих актов, в которых не осознается ни цель действия, ни потребность, ради которой оно совершается.

Различают следующие виды установок:

1) Ситуативнодвигательная (моторная) установка (например, готовность кисти руки к оперированию большими или малыми предметами).

2) Сенсорноперцептивная установка (ожидание звонка, выделение значимого сигнала из общего шумового фона).

3) Социальноперцептивная установка -стереотипы восприятия социально значимых объектов (например, наличие татуировок интерпретируется как признак криминализованной личности).

4) Когнитивная -познавательная установка (предубеждение следователя в отношении виновности допрашиваемого ведет к доминированию в его сознании обвинительных доказательств, оправдательные же доказательства отступают на второй план).

5) Мнемическая установка -установка на запоминание значимого материала.

Но в большинстве случаев человек осознает необходимые в данных условиях действия, предвосхищает их результаты в идеальных образах, осознает цель этих действий. Объективные условия поведения осознаются в системе понятий.

Мотивационное состояние человека является психическим отражением условий, необходимых для жизнедеятельности человека как организма, индивида и личности. Это отражение необходимых условий осуществляется в виде интересов, желаний, стремлений и влечений.

Интерес (от лат. » -имеет значение) -избирательное отношение к предметам и явлениям в результате понимания их значения и эмоционального переживания значимых ситуаций.

Интересы определяются доминирующей направленностью личности. Интересы личности обусловлены ее принадлежностью к определенной социальной группе. Интересы человека определяются системой его потребностей, но связь интересов с потребностями не прямолинейна, а иногда она и не осознается.

Интерес, как и все психические состояния, существенно влияет на протекание психических процессов, активизирует их. В соответствии с потребностями интересы подразделяются по содержанию (материальные и духовные), по широте (ограниченные и разносторонние) и устойчивости (кратковременные и устойчивые). Различаются также непосредственные и косвенные интересы (так, например, проявленный следователем интерес к какомулибо вещественному доказательству является интересом косвенным, тогда как прямым его интересом является раскрытие всего преступления в целом). Интересы могут быть положительными и отрицательными. Они не только стимулируют человека к деятельности, но и сами формируются в ней.

Широта и глубина интересов человека определяет полноценность его жизни. Узость круга интересов, их обусловленность только материальными потребностями, отсутствие полноценных устойчивых интересов нередко лежат в основе преступного поведения. Характеристика личности включает в себя определение круга интересов данного человека.

Источник: azps.ru

Первая и вторая сигнальные системы (познавательная деятельность человека) | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, лекция, шпаргалка, конспект, ГДЗ, тест

Тема:

Физиология нервной системы

От рождения человек постоянно воспринимает явления близлежащего мира, то есть познаёт его. Первыми он познаёт мать и отца, потом людей и природу, его окружающих, наконец познаёт взаимоотношения в обществе, а также пытается познать самого себя. Этот процесс базируется на деятельности сигнальных систем организма.

Непосредственное действие сигналов предметов и явлений внешнего мира, которые поступают от органов чувств: зрения, слуха, обоняния, прикосновения, вкуса и др., — составляют первую сигнальную систему (по И. Павлову).

Первая сигнальная система свойственна как животным, так и человеку. Например, голодный хищник видит жертву, чувствует её запах и бросается на неё. Или: ребёнок чувствует, как мать ласкает его, и успокаивается. Материал с сайта http://worldofschool.ru

В отличие от животных, у человека есть вторая сигнальная система (по И. Павлову), основным раздражителем для которой является слово — основа речи. Это качественно новая система условно-рефлекторных связей человека с окружающим миром, что формировалась в процессе эволюции как надстройка над первой сигнальной системой. Вторая сигнальная система является основой психики человека, в частности абстрактного мышления — высшей формы познания мира. Основными формами его познания мира являются ощущение и восприятие.

На этой странице материал по темам:

1-я и 2-я сигнальная система кратко
Познавательная деятельность человека по психологии лекция краткое содержание
Первая и вторая сигнальные системы человека биология
Вторая сигнальная система доклад конспект
Вторая сигнальная система и познавательная деятельность

Вопросы по этому материалу:

Докажите, что познавательная деятельность для человека не менее важная, чем удовлетворение биологических потребностей.
Обоснуйте значение и особенности функционирования первой сигнальной системы.
Проанализируйте значение и особенности функционирования второй сигнальной системы.
Приведите примеры взаимодействия первой и второй сигнальных систем.

Ранние начинания — появление сложных сигнальных систем и межклеточных коммуникаций | Клеточная связь и сигнализация

Поволоцкая И.С., Кондрашов Ф.А.: Пространство последовательностей и продолжающееся расширение белковой вселенной. Природа. 465: 922-926. 10.1038/природа09105.

Киркнесс Э.Ф., Хаас Б.Дж., Сан В., Брейг Х.Р., Перотти М.А., Кларк Дж.М., Ли С.Х., Робертсон Х.М., Кеннеди Р.К., Элхайк Э.: Геномные последовательности человеческой платяной вши и ее первичного эндосимбионта дают представление о постоянном паразитический образ жизни.Proc Natl Acad Sci USA.

Wohrle FU, Daly RJ, Brummer T: Функции, регуляция и патологические роли стыковочных белков Gab/DOS. Сигнал сотовой связи. 2009, 7: 22-10.1186/1478-811X-7-22.

Центральный пабмед Статья пабмед Google Scholar

«>

Мардилович К., Панкрац С.Л., Шоу Л.М. Экспрессия и функция белков-субстратов инсулиновых рецепторов при раке. Сигнал сотовой связи. 2009, 7: 14-10.1186/1478-811X-7-14.

Центральный пабмед Статья пабмед Google Scholar

Тихмянова Н., Литтл Дж.Л., Големис Е.А. Белки CAS в контроле нормального и патологического роста клеток. Cell Mol Life Sci. 67: 1025-1048. 10.1007/s00018-009-0213-1.

Harkiolaki M, Tsirka T, Lewitzky M, Simister PC, Joshi D, Bird LE, Jones EY, O’Reilly N, Feller SM: Различные способы связывания двух эпитопов в Gab2, которые взаимодействуют с доменом Sh4C Grb2.Структура. 2009, 17: 809-822. 10.1016/ж.стр.2009.03.017.

КАС Статья пабмед Google Scholar

Ван де Пир Ю., Мейер С., Мейер А. Эволюционное значение дупликаций древнего генома. Нат Рев Жене. 2009, 10: 725-732. 10.1038/nrg2600.

КАС Статья пабмед Google Scholar

Вуйчет К., Жулин И.Б.: Происхождение и диверсификация сложной системы передачи сигналов у прокариот.Научный сигнал. 3: ra50-10.1126/scisignal.2000724.

Эль Альбани А., Бенгтсон С., Кэнфилд Д.Е., Беккер А., Маккиарелли Р., Мазурье А., Хаммарлунд ЕС, Булве П., Дюпюи Дж.Дж., Фонтен С., Фюрсич Ф.Т., Готье-Лафайе Ф., Жанвье П., Жоваукс Э., Осса Осса Ф., Пирсон-Викманн А.С., Рибулло А., Сардини П., Вашар Д., Уайтхаус М., Менье А.: Крупные колониальные организмы с скоординированным ростом в насыщенной кислородом среде 2,1 млрд лет назад. Природа. 2010, 466: 100-104. 10.1038/природа09166.

КАС Статья пабмед Google Scholar

Сешнс А.Л., Даути Д.М., Веландер П.В., Саммонс Р.Е., Ньюман Д.К.: Непрекращающаяся загадка великого события окисления. Карр Биол. 2009, 19: Р567-574. 10.1016/j.cub.2009.05.054.

КАС Статья пабмед Google Scholar

В эволюции сигнала, что первично: сигнал или реакция? | Накопление глюков

Поиск и привлечение партнёра — непростая задача для большинства видов. Тогда может быть очень полезно иметь специфичный для вида сигнал, который посылается и принимается представителями вашего собственного вида, но не воспринимается также хищниками.Химические сигналы (те, которые мы воспринимаем через запах и вкус) являются одними из самых разнообразных и специфических сигналов, производимых в животном мире, поэтому они являются хорошими кандидатами на роль этих видоспецифичных сигналов спаривания. Половые феромоны — это химические соединения, выделяемые животным, которые привлекают животных того же вида, но противоположного пола. Часто они настолько специфичны, что другие виды вообще не могут их унюхать, что делает их полезными в качестве секретной линии связи только для этого вида. Но эта специфика поднимает интригующий вопрос: когда новый вид развивается и использует новую сигнальную систему феромонов, что первично: способность производить феромон или способность его воспринимать?

Вот загадка: среди видов, которые используют феромональные сигнальные системы для привлечения партнеров, особи, которые обнаруживают и реагируют на запах ( приемники ), используют специфичность сигнала как меру того, испускают ли особи запах. ( отправителей ) на самом деле являются правильным видом.Любые особи, которые издают новый и другой запах, будут восприниматься получателями как неправильный вид, и они не будут привлекать партнеров. Если вы не привлекаете партнеров, вы не можете передать свои новые гены для своего нового запаха. Это создает сильное давление, чтобы создать запах, максимально похожий на запах, производимый всеми остальными (это называется стабилизирующим отбором ). При таком сильном стремлении быть как все, как появилось невероятное разнообразие видоспецифичных феромонов?

Немецкая исследовательская группа недавно пролила свет на этот вопрос, изучая драгоценных ос. Существует четыре вида драгоценных ос, и самцы всех четырех видов производят два химических вещества (называемых RS и MQ) для феромональной коммуникации. Однако самцы одного из этих видов, называемого Nasonia vitripennis , производят третье уникальное химическое соединение, называемое RR. Комбинация RS и MQ дает запах, который привлекает самок всех четырех видов, но добавление RR создает запах, перед которым невозможно устоять только самкам Nasonia vitripennis (самки других видов, похоже, не заботились о том, чтобы RR был добавлен в аромат).Интересно, что ни одна из самок вообще не реагирует только на запах RR.

Затем исследователи провели химический и генетический анализ ароматических компонентов RS, MQ и RR. Оказывается, химическая структура RR почти идентична RS с одним небольшим отличием. Это единственное отличие связано с наличием ферментов, которые создаются в ответ на действие всего трех генов.

Основываясь на этом свидетельстве, исследователи пришли к выводу, что самцы эволюционных предков этих драгоценных ос производили феромоны, состоящие из соединений RS и MQ, и самки реагировали на этот запах.Где-то на пути расхождения Nasonia vitripennis у нескольких самцов развилась генетическая мутация, которая привела к преобразованию части компонента RS в новый компонент RR. Но в этот момент самки либо не почувствовали этот новый компонент, либо им было все равно. Когда гены RR начали распространяться в популяции случайным образом, самки Nasonia vitripennis начали обнаруживать и предпочитать феромоны, содержащие компонент RR. И вуаля! Родилась новая феромональная система!

Это не обязательно означает, что именно так появляются все новые системы связи.Имеются данные о том, что в некоторых случаях гены производства сигнала и восприятия сигнала расположены близко друг к другу в ДНК и, таким образом, могут передаваться вместе. В других случаях несколько генов могут влиять как на производство, так и на восприятие сигнала. Но в этом случае похоже, что сигнал эволюционировал до реакции на него. Эволюцию коммуникационных систем по своей природе трудно изучать, но это исследование указывает нам правильное направление.

—

Дальнейшее чтение:
Лассанс, Дж.и Лёфштедт, К. Химическая коммуникация: Драгоценный камень проливает свет на эволюцию сигналов, Current Biology, 23(9) , R346-R348 (2013). DOI: 10.1016/j.cub.2013.03.055.

Нихейс, О., Бюллесбах, Дж., Гибсон, Дж. Д., Потманн, Д., Ханнер, К., Мутти, Н.С., Джадсон, А.К., Гадау, Дж., Рутер, Дж. и Шмитт, Т. Поведенческие и генетический анализ Nasonia проливает свет на эволюцию половых феромонов, Nature, 494 , 345–348 (2013). DOI: 10.1038/nature11838.

Авторы изображений:
Назониавит.jpg создан М. Э. Кларком на Викискладе.

Передача сигналов нервными клетками восходит к общему предку человека и актинии

УНИВЕРСИТЕТСКИЙ ПАРК, Пенсильвания. Новое исследование показывает, что всплеск эволюционных инноваций в генах, ответственных за электрическую связь между нервными клетками в нашем мозгу, произошел более 600 миллионов раз. лет назад у общего предка человека и актинии. Исследование, проведенное Тимоти Джеглой, доцентом кафедры биологии Пенсильванского университета, показывает, что многие из этих генов, которые при мутации у людей могут привести к неврологическим заболеваниям, впервые развились у общего предка людей и группы животных, называемых книдариями. который включает медуз, кораллов и актиний.

Статья с описанием исследования должна быть размещена в Интернете в раннем выпуске (EE) журнала Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America где-то в течение недели, начинающейся 16 февраля 2015 года. «Наша исследовательская группа уже давно обнаруживают доказательства того, что большинство основных сигнальных систем в наших нейронах являются древними, но мы никогда не знали, когда они впервые появились», — сказал Джегла. «Мы всегда предполагали, что сможем проследить большинство этих сигнальных систем до древнейших нервных систем, но в этой статье мы показываем, что это не так.Похоже, что большинство этих сигнальных систем впервые появляются у общего предка, которого люди разделяют с медузами и морскими анемонами. канальные белки, которые образуют отверстия в клеточной мембране Новое исследование фокусируется на функциональной эволюции генов, которые кодируют белки для калиевых каналов — ионных каналов, которые позволяют калию вытекать из нервных клеток, останавливая электрические импульсы клетки.«Каналы имеют решающее значение для определения того, как нервная клетка запускает электрические сигналы», — сказал Джегла. «Похоже, что такие животные, как морские анемоны и медузы, используют одни и те же каналы, которые формируют электрические сигналы в нашем мозгу практически одинаковым образом».

«Пути людей и морских анемонов разошлись эволюционно примерно 600 миллионов лет назад, — сказал Джегла, — поэтому мы знаем, что механизмы, которые мы используем для генерации импульсов в наших нейронах, должны быть как минимум такими же старыми». Затем команда попыталась проследить эти каналы еще дальше во времени эволюции — к самому происхождению нервной системы.«Одним из захватывающих недавних открытий эволюционной биологии является то, что нервная система может быть намного старше, чем у предков актиний и человека», — сказал Джегла.

Сигналы раннего предупреждения об изменении режима в сопряженных системах «человек-окружающая среда»

В сопряженной системе «человек-окружающая среда» (ГЭС) человеческая система влияет на систему окружающей среды, которая, в свою очередь, влияет на человеческую систему (1). Другие термины, такие как «сопряженные антропогенно-природные системы» и «социально-экологические системы», использовались для описания подобных явлений (2, 3).По мере того, как влияние людей на их окружающую среду продолжает расти, увеличивается и результирующее воздействие окружающей среды на людей, а также наше осознание этих воздействий и наши усилия по их смягчению. Таким образом, связанные ГЭС повсеместно распространены и встречаются в сельском хозяйстве, водопользовании, наземных и водных системах, глобальной климатической системе и в других местах (1, 4⇓⇓⇓⇓⇓–10).

В лесных системах взаимосвязь между общественным мнением и охраной лесов часто иллюстрирует связанную динамику ГЭС.Исторически сложилось так, что значительное сокращение лесного покрова часто стимулировало восприятие кризиса ресурсов в обществе, которое реагировало общественными дебатами и давлением на правительства с целью принятия мер по сохранению, что, в свою очередь, приводило к увеличению лесного покрова. Это было отмечено в ходе опросов, наблюдений и исторических отчетов в различных странах за последние два столетия (11⇓⇓⇓⇓–16). В то время как связь между общественным мнением и обезлесением осложняется другими проблемами, такими как научная коммуникация, лобби с особыми интересами (17) и агроэкономические факторы перехода лесов, долгая история сохранения лесов указывает на общую тенденцию, благодаря которой сокращение лесного покрова может стимулировать общественный спрос на сохранение и тем самым обратить вспять сокращение лесов.

Сдвиги режима в связанных системах «человек-окружающая среда».

Системы человека и окружающей среды часто характеризуются нелинейными взаимодействиями, даже изолированными друг от друга (18). Связь между системами человека и окружающей среды часто приводит к дополнительным нелинейностям. Таким образом, изучение систем дифференциальных уравнений, в которых взаимодействие между переменными состояния определяется нелинейными механизмами, особенно хорошо подходит для описания связанных ГЭС (1). Нелинейные динамические системы могут демонстрировать изменения режима, когда система перемещается от одного устойчивого равновесия к другому (19, 20).Когда состояние системы резко переходит в качественно контрастное состояние в окрестности точки бифуркации, он называется критическим переходом, а соответствующая точка бифуркации — переломной точкой (19, 20).

Изменения режима изучались в различных природных системах, таких как озера, эпилепсия и глобальная климатическая система ((21). Переход от здорового леса к разрушенному также можно понимать как изменение режима (22). Сдвиги режима в лесу экосистемы были определены как важный приоритет исследований в эпоху изменения климата (23, 24).Значительный объем работ также оценивает крах человеческих обществ, вызванный сменой режимов в природных системах, например устойчивость доисторических человеческих популяций к сменам режимов в глобальном климате (25). Окружающая среда влияет на человеческое население в этой системе, но это не полностью связанная ГЭС, потому что поток влияния от доисторических людей обратно на глобальный климат был сравнительно слабым в доисторическую эпоху.

Однако полностью сопряженные ГЭС также демонстрируют сдвиги режимов в эмпирических системах исследования.В исследованиях изучалось, как взаимодействие между землепользованием и динамикой растительности в Исландии вызывает сдвиги режимов и гистерезис (26), как люди смягчают или предотвращают вызванный деятельностью человека коллапс рыболовства (4) и как вызванная деятельностью человека вырубка лесов могла ускорить крах доисторической эпохи. Цивилизация острова Пасхи (27). При инфекционных заболеваниях парная динамика ГЭК иллюстрируется вспышкой кори в Диснейленде, штат Калифорния, в 2014–2015 гг., когда отказ от вакцины вызвал вспышку кори, что, в свою очередь, стимулировало восстановление использования вакцины (28).

Изменения режима в теоретических моделях сопряженных ГЭС также привлекают все большее внимание (29). Гистерезис и критические переходы наблюдались в связанных ГЭС в сетях (30). Сложная структура сообщества в связанных ГЭС может привести к множеству небольших сдвигов режима вместо одного крупного (31). Связанная динамика «поведение-болезнь» также может свидетельствовать о смене режимов, когда охват вакцинацией резко падает при превышении критического порога предполагаемого риска вакцинации (32).

Человеческая обратная связь в сопряженной ГЭС может иметь основополагающее значение для изменения режима в экологических системах.В частности, сдвиги режима, соответствующие нарушению сотрудничества и коллапсу добытого ресурса, могут происходить в сопряженной ГЭС, но не в соответствующей экологической системе при отсутствии человеческого поведения (33). Из-за нелинейной обратной связи коллапс ресурсов может быть вызван неожиданными и нелогичными изменениями, такими как увеличение скорости притока ресурсов (33). Таким образом, игнорирование обратной связи со стороны человека может привести к недооценке возможности смены режима в экологических системах (33).

Концепция устойчивости неотделима от обсуждения связанных ГЭС (5, 34). Желательным устойчивым состоянием для сопряженной ГЭС является состояние, при котором поддерживается как экологическая функция, так и благополучие человека. Термин «устойчивость» по-разному использовался в литературе по HES (34, 35). Например, в отношении смены режимов систему можно охарактеризовать как устойчивую, когда она находится далеко от нежелательных переломных моментов. Некоторые предыдущие исследования касались вмешательств, помогающих избежать нежелательных изменений режима в связанных ГЭС, чтобы избежать экологического коллапса, а также обеспечить, чтобы люди могли получать средства к существованию из ресурса (36). Теоретические модели продемонстрировали, как достаточно эффективные институты могут уберечь парную ГЭК от переломных моментов (37, 38). Кроме того, такие характеристики, как демографическая стохастичность и пространственная неоднородность, могут сделать смену режимов более плавной и, следовательно, легче избежать или, возможно, даже обратить вспять на ранних стадиях перехода, прежде чем будет достигнута точка невозврата (39, 40). Отдельное, но родственное определение устойчивости — это когда небольшие возмущения не перемещают систему далеко от ее равновесного состояния (2, 34).Это близко соответствует понятию локальной устойчивости равновесия в динамической системе (18) и является тем смыслом, в котором мы используем устойчивость в этой статье.

Сигналы раннего предупреждения.

Связанная ГЭС, близкая к критической точке, как правило, гораздо менее устойчива к возмущениям. По мере приближения к переломному моменту устойчивость системы снижается: когда система возмущена, ей требуется больше времени, чтобы восстановиться до стабильного равновесия (21). Это свойство означает, что смена режима часто подает характерные сигналы раннего предупреждения (21).Физическая модель баскетбольного мяча на качелях полезна для понимания сигналов раннего предупреждения (рис. 1). Переломный момент наступает, когда качели находятся в совершенно горизонтальном положении с баскетбольным мячом на вершине, потому что баскетбольный мяч может легко катиться влево или вправо в зависимости от небольшого отклонения влево или вправо (рис. 1 A ). Вблизи точки опрокидывания баскетбольный мяч легко раскачивать вперед и назад из-за относительной ровности поверхности, поэтому его динамика более изменчива (упругость низкая).Однако, когда баскетбольный мяч находится далеко от точки опрокидывания в узкой долине с левой или правой стороны качелей (рис. 1 B ), его относительно трудно нарушить, и поэтому движение баскетбольного мяча не сильно изменчивы (резильентность высокая).

Рис. 1. Модель

«Качели» для сигналов раннего предупреждения. ( A ) В точке опрокидывания качели расположены горизонтально, поэтому баскетбольный мяч легко сбить с толку, что приводит к сильно изменчивому движению в присутствии шума. ( B ) В стабильном состоянии баскетбольный мяч трудно потревожить, поэтому его движение не сильно меняется в присутствии шума.

Есть два способа переместить баскетбольный мяч в другое положение на качелях. Очень сильный толчок может сдвинуть его за вершину, заставив качели наклониться в другую сторону, когда баскетбольный мяч сместится в альтернативное положение (это похоже на принудительное изменение переменной состояния модели). В этом случае качели имеют два устойчивых альтернативных устойчивых состояния, когда баскетбольный мяч находится в одной из двух долин, а также имеют неустойчивое состояние в точке опрокидывания. Или кто-то может физически наклонить качели за точку опрокидывания, в результате чего баскетбольный мяч сместится в другую сторону (это похоже на изменение параметра модели).

Снижение устойчивости перед сменой режима может проявляться в виде таких эффектов, как критическое замедление — увеличение дисперсии и автокорреляция временного ряда при лаге 1 (21, 41, 42). Или система может «мерцать» между бассейнами притяжения альтернативных устойчивых состояний (43). Сигналы раннего предупреждения широко изучались в несвязанных системах, таких как озера и климатические системы, где их изучение идет рука об руку с изучением изменений режима (21, 42). Сигналы раннего предупреждения также наблюдаются в природных системах, подверженных человеческому стрессу, например, в индикаторах обслуживания экосистем в восточном Китае в связи с экономическим развитием (44).

Считается, что сигналы раннего предупреждения являются общими для широкого круга динамических систем, поскольку они зависят от общих характеристик динамики (45). Однако исследователи изучают, как эти сигналы могут отклоняться от ожидаемого паттерна или не проявляться (46⇓–48). Смена режима может произойти без предупреждения в широком классе экологических моделей (46), или дисперсия может уменьшиться, а не увеличиться вблизи смены режима (47). Таким образом, системные модели все еще нуждаются в изучении (48).

В последние годы исследователи также начали изучать сигналы раннего предупреждения в связанных моделях ГЭК.Они часто демонстрируют те же сигналы раннего предупреждения, что и многие экологические системы, такие как критическое замедление (31, 33, 49, 50) или переходные режимы (51). Ранние предупреждающие сигналы наблюдались в связанных моделях сбора урожая HES с динамикой ресурсов (51), дилеммах общего пула в сложных сетях (31), нестабильности в социально-экологических сетях (49) и проблемах общего пула в популяциях с социальным остракизмом, направленным против комбайны (33, 50). Исследователи пришли к выводу, что сигналы раннего предупреждения могут быть полезны для прогнозирования изменений режима в сопряженных ГЭС, хотя необходимы дальнейшие исследования, поскольку многие из тех же предостережений, которые ограничивают их применение к несвязанным системам, также применимы к сопряженным ГЭС (31, 33, 49⇓–51). ).

Цель и обоснование.

Наша цель состоит в том, чтобы изучить сигналы раннего предупреждения об изменении режима в простой связанной модели ГЭС. В Environment Dynamics Model мы показываем, как простая экологическая модель, представляющая сбор урожая через фиксированный параметр, рассказывает обычную историю смены режимов в экологических системах: критическое замедление предшествует катастрофическому изменению режима, когда система рушится. В модели социальной динамики мы представляем модель социальной динамики человека, включая обязательные социальные нормы и социальное обучение в отрыве от подсистемы окружающей среды.

В модели «Связанная система человека и окружающей среды» мы объединяем две подсистемы. Мы анализируем ее режимные сдвиги, показывая, что связанная ГЭС имеет более широкий спектр динамических режимов, чем человеческая подсистема или подсистема окружающей среды в отрыве друг от друга. Мы анализируем его сигналы раннего предупреждения. Связанная модель HES показывает, что не только возможность смены режима может быть недооценена, если не учитывается человеческая обратная связь (33), но также может быть неправильно истолкован качественный характер смены режима. Один и тот же сигнал раннего предупреждения может с равным успехом предвещать надвигающуюся экологическую катастрофу или переход к экологической устойчивости, в зависимости от параметров модели. Мы также показываем, как человеческая обратная связь частично приглушает сигнал раннего предупреждения, наблюдаемый в любой подсистеме, что затрудняет прогнозирование смены режима. Наконец, мы исследуем вариант модели ГЭС, в которой параметр стоимости сопряженной ГЭС зависит от состояния окружающей среды. В результате получается система, которая может быть обречена на вечное существование вблизи критической точки из-за адаптивного поведения человека.Завершаем обсуждением.

Основываясь на недавних исследованиях по моделированию связанных ГЭС (33, 50⇓⇓–53), мы разработали относительно простую модель, поскольку нашей целью было получить интуицию и ясно проиллюстрировать концепции (54). Несмотря на это, модель включает в себя важные черты связанной динамики лесов и природоохранных мнений, такие как социальное обучение, предписывающие социальные нормы, экономические издержки, динамика ресурсов и обратная связь между лесным покровом и общественной поддержкой природоохранных мероприятий, отмеченная ранее во введении. 11⇓⇓⇓–15).В Обсуждении мы обращаемся к ограничениям модели и размышляем о последствиях ослабления наших упрощающих предположений в будущей работе.

Модель динамики окружающей среды

Мы моделируем стилизованную лесную экосистему, в которой доля лесного покрова F логистически увеличивается до его несущей способности (перемасштабирована до F=1), но при этом также вырубается, dFdt=RF(1−F)−hFF+s ,[1]где R — чистый темп роста, h — эффективность лесозаготовок, а s определяет спрос на продукцию лесного хозяйства на душу населения.Это классическая модель чрезмерного сбора ресурсов (55). Норма лесозаготовок на единицу площади равна h/(F+s), где обратная зависимость от F возникает из-за того, что предполагается, что спрос на единицу площади лесной продукции увеличивается по мере снижения предложения F. Поведение человека описывается фиксированными параметрами h и s, поэтому это не связанная ГЭС. Три модельных равновесия соответствуют отсутствию лесного покрова, стабильному лесному покрову и нестабильному лесному покрову ( SI Приложение , раздел S1).

Эта модель демонстрирует смену режима, типичную для многих экологических моделей.Сдвиги режимов лучше всего можно понять с помощью бифуркационных диаграмм, которые визуализируют равновесия системы и то, как меняются их отношения при изменении параметра модели (18). Бифуркация возникает при изменении устойчивости состояния равновесия, часто из-за «столкновения» с другим состоянием равновесия. На бифуркационной диаграмме зависимости лесного покрова F от эффективности лесозаготовки h мы наблюдаем, что при низком значении h лес сохраняется в стабильном состоянии F>0 (рис. 2 A ). Теперь представим, что h медленно увеличивается с течением времени, как это может происходить из-за технического прогресса (рис.2 В ). Когда h достаточно велико, наступает переломный момент при hcrit=R(1+s)2/4 и происходит смена режима: стабильное состояние высокого лесного покрова сталкивается с неустойчивым состоянием, и остается только стабильное состояние разрушения леса ( F=0) (рис. 2 A и B ). Этот тип переломного момента называется складчатой бифуркацией, соответствующей столкновению и аннигиляции устойчивого и неустойчивого равновесия при hкрит.

Рис. 2.

Обрушение леса в модели динамики среды. A–D показывают ( A ) бифуркационную диаграмму лесного покрова F в зависимости от эффективности лесозаготовок h, ( B ) временной ряд h, постепенно увеличивающийся и превышающий точку бифуркации hcrit ≈ 0,018, ( C ) результирующий выпадение леса при превышении точки бифуркации и ( D ) увеличение остаточного стандартного отклонения при приближении к точке бифуркации. Остальные параметры r=0,06/y, s=0,1. Методология представлена в Приложение SI .

Обрушение леса визуализируется на графике лесного покрова F vs.время t, показывающее постепенное сокращение леса по мере увеличения h с последующим его внезапным исчезновением, когда h превышает hcrit (рис. 2 C ; см. SI Приложение , раздел S3 относительно формирования стохастической динамики). Однако перед коллапсом система подает ранние предупреждающие сигналы: остаточное стандартное отклонение — мера изменчивости системы — увеличивается по мере приближения к бифуркации сгиба по схеме, типичной для ранних предупреждающих сигналов об изменении режима (рис. 2 D ). ).Автокорреляция запаздывания-1 также увеличивается, но тренд слабее для этих настроек параметров и допущений о шуме; поэтому мы используем остаточное SD на протяжении всей этой статьи.

Модель социальной динамики

Для описания социальной динамики мы привлекаем динамику имитации эволюционной теории игр, фиксируя, как люди склонны имитировать успешные стратегии (32, 33, 56, 57). Каждый человек в популяции придерживается одного из двух мнений. Каждое мнение связано с «полезностью», которая количественно определяет, насколько это мнение предпочтительно (58).Каждая особь отбирает других особей в популяции с фиксированной скоростью. Если опрошенный занимает противоположную позицию и получает более высокую полезность, индивид переключается на мнение опрошенного с вероятностью, пропорциональной ожидаемому приросту полезности.

Предположим, что x — это доля населения, придерживающаяся мнения A (например, «защитники природы»), тогда как пропорция 1−x придерживается мнения B (например, «незащитники природы»). x может увеличиваться, когда люди переходят от B к A, или уменьшаться, когда люди переходят от A к B.Индивидуальная выборка A B с частотой k встречает индивидуумов A с частотой xk и находит, что прирост полезности для переключения позиций составляет ΔU≡UA−UB, где UB (соответственно UA) — полезность, связанная с удержанием позиции B (соответственно, A). Поскольку в популяции 1−x B особей, общая скорость, с которой индивидуумы переключаются с B на A, составляет (1−x)×kx×[UA−UB]=kx(1−x)ΔU. По аналогичным рассуждениям общая скорость, с которой люди переключаются с A на B, равна x×k(1−x)×[UB−UA]y−kx(1−x)ΔU. Следовательно, общая скорость изменения x определяется как dxdt=kx(1−x)ΔU−(−kx(1−x)ΔU)=κx(1−x)ΔU,[2], где κ≡2k.Эта простая система имеет два равновесия: мнение А доминирует над населением, если ΔU>0, и мнение В доминирует, если ΔU<0. Отметим, что уравнение 2 формально идентично уравнению репликатора эволюционной теории игр (59).

Модель связанной системы «человек-окружающая среда»

При изучении сигналов раннего предупреждения в несвязанных системах такие параметры, как эффективность сбора урожая h в уравнении. 1 трактуются как постоянно и постепенно возрастающие во времени (рис. 2 B ).В комбинированном ГЭС скорость сбора урожая является функцией переменной состояния человека, такой как x, что требует изменения члена hF/(F+s) в уравнении. 1 . Точно так же в несвязанной человеческой популяции, как и в классических трактовках стратегических взаимодействий, таких как дилемма заключенного, ΔU является фиксированным параметром, но в связанной ГЭС ΔU зависит от F.

Мы объединяем уравнения. 1 и 2 для создания простой модели сопряженного ГЭС. Известно, что социально-экологические обратные связи замедляют обезлесение, а социально-экономические факторы могут способствовать лесовозобновлению (11⇓⇓⇓⇓–16). Следовательно, мы принимаем такую форму для ΔU, что полезность обезлесения уменьшается, когда лесной покров F становится слишком низким, тем самым заставляя большее количество населения придерживаться мнения защитников природы. Точно так же мы предполагаем, что уровень добычи ниже, когда доля населения, придерживающегося мнения защитников природы, x, выше, F˙=RF(1−F)−h(1−x)FF+s,[3]x ˙=kx(1−x)[d(2x−1)+1F+c−w].[4]

Здесь d — сила предписывающих социальных норм, которые стремятся подтолкнуть людей к мнению, принятому в настоящее время большинством населения, w — стоимость сохранения (включая как материальные, так и неденежные издержки, такие как затраты времени), h — эффективность лесозаготовок, а c («параметр оценки редкости») определяет, как доля лесного покрова влияет на полезность сохранения лесов.Когда F мало, 1/(F+c) становится большим, что стимулирует сохранение лесов. c контролирует крутизну этой зависимости, особенно когда F близок к 0. Сбор урожая полностью прекращается при x = 1, что может произойти для экосистемы, находящейся под угрозой исчезновения, на охраняемой территории. Мы отмечаем, что могут быть сделаны и другие предположения, например, сбор урожая продолжается при x=1, но ограничивается устойчивыми уровнями (33), или сбор урожая прекращается, как только x>0,5, чтобы смоделировать голосование по большинству в демократическом обществе. Обратите внимание, что скорость сбора теперь равна h(1−x)/(F+s) вместо h/(F+s).Эта модель имеет семь равновесий по сравнению с двумя для подмодели человека и тремя для подмодели окружающей среды (см. Приложение SI , раздел S2 для анализа равновесий и стабильности).

Подобные модели использовались как в парных ГЭК (33, 50, 53, 60, 61), так и в эпидемиологических системах человека (32, 57, 62). Многие предыдущие модели были сформулированы на уровне населения, занимающегося сбором урожая, когда у отдельных лиц есть выбор подвергнуть остракизму других сборщиков, которые чрезмерно используют общие ресурсы (33, 50).Напротив, мы интерпретируем нашу модель на уровне широкой общественности, отстраненной от непосредственной деятельности по сбору урожая, поэтому предписывающие социальные нормы d представляют собой процессы, посредством которых люди склонны подчиняться мнению большинства, а не являются наказанием, связанным с чрезмерным сбором урожая как таковым. Во временной шкале, представляющей интерес для этой модели, мы не учитываем ранее существовавшие институты социальной или экологической динамики (за исключением предписывающих социальных норм), а скорее рассматриваем такие институты, как законы, как результаты социальных процессов, представленных в модели.

Мы подогнали модель к данным о старовозрастном лесном покрове в тихоокеанском северо-западе США (63) и продольным данным о мнениях об охране лесов в Орегоне (15), чтобы продемонстрировать, как модель может описывать динамику человека и окружающей среды в соответствующих временных масштабах (см. Таблица 1 для наиболее подходящих значений параметров и Приложение SI , раздел S3 и рис. S1 для подбора методологии и наиболее подходящих модельных временных рядов).

Таблица 1.
Значения базовых параметров для сопряженной модели HES
Richer Dynamics.
При определенных значениях параметров связанная модель HES демонстрирует результаты, аналогичные результатам несвязанной модели. Например, когда стоимость сохранения достаточно высока (w = 1,5) и социальные нормы достаточно сильны (d = 0,2), лес исчезает по мере увеличения эффективности лесозаготовки h (рис. 3 A ), потому что стоимость сохранения слишком велика. высокие и предписывающие социальные нормы препятствуют установлению в популяции консервативного движения (x=0, рис. 3 B ).
Рис.3. Бифуркационные диаграммы
иллюстрируют большое разнообразие режимов в объединенной модели ГЭС, таких как ( A и B ) коллапс и ( C и D ) сценарии сохранения. Показаны ( A и C ) лесной покров F и ( B и D ) защитники природы x в зависимости от эффективности лесозаготовок h для ( A и B ) w=1,5, d=0,2 и ( С и D ) w=1, d=0,1. Значения других параметров приведены в таблице 1.См. Приложение SI , раздел S3 для методологии.
Однако это сходство с несвязанной моделью в общем случае не выполняется. Хотя сбор урожая, безусловно, является непосредственной причиной коллапса, с точки зрения комбинированного HES сбор урожая является просто конечным результатом более крупных социальных, экономических, технологических и экологических факторов. Например, совсем другой результат возникает, если затраты на сохранение меньше (w = 1) и социальные нормы слабее (d = 0,1): по мере того, как эффективность лесозаготовок возрастает после критической точки, люди реагируют на сокращение лесов усилением природоохранной деятельности. (x>0 становится стабильным, рис.3 Д ). Это, в свою очередь, позволяет поддерживать умеренный лесной покров, несмотря на более высокую эффективность лесозаготовок (F>0 становится стабильным, рис. 3 C ). В отличие от несвязанной системы, человеческое население в связанной системе реагирует на угрозу исчезновения леса из-за более высокой эффективности лесозаготовок, ограничивая скорость лесозаготовок, что позволяет лесам сохраняться, а не разрушаться. Математически скорость сбора определяется как h(1−x), поэтому, когда x увеличивается достаточно быстро, сбор урожая может быть ограничен, несмотря на высокие значения h.
Как показывает этот пример, связанная ГЭК демонстрирует более широкий спектр возможных динамических характеристик, чем несвязанная система. Такие результаты, как коллапс, могут зависеть от сложных взаимодействий между параметрами модели. Это богатое разнообразие можно оценить с помощью бифуркационных диаграмм, включающих другие параметры модели. Например, по мере увеличения стоимости сохранения w состояние максимального лесного покрова и полного сохранения, (F,x)=(1,1), может дестабилизироваться за счет смены режима ( SI Приложение , рис.S2 A и B ). За пределами этой точки бифуркации система входит в режим устойчивых колебаний лесного покрова и общественного мнения. По мере уменьшения F общественное мнение смещается в пользу консерватизма, что катализирует отскок F. Это, в свою очередь, вызывает упадок консерватизма, и цикл продолжается. Та же самая бифуркационная диаграмма влечет за собой устойчивое внутреннее равновесие, где и F, и x отличны от нуля и стабильны, но это равновесие существует только для ограниченного диапазона w и легко теряется из-за бифуркации Хопфа или складки.
Эти результаты отражены в анализе локальной устойчивости: равновесие (F,x)=(1,1) является локально асимптотически устойчивым, когда d+1/(1+c)>w, предполагая, что достаточно высокая стоимость сохранения, слабые нормы, или большие значения параметра оценки редкости могут дестабилизировать высокую лесистость и охрану природы ( SI Приложение , раздел S2). Интересно, что h не фигурирует в этом неравенстве. Отметим, что бифуркационные диаграммы для F и x очень точно отражают друг друга при этих значениях параметров.Мы также отмечаем, что многие другие типы связанных систем, которые не являются ГЭС, также демонстрируют более богатую динамику, чем их несвязанные аналоги (64).
Увеличение силы предписывающих социальных норм, d, имеет тенденцию подталкивать популяцию к границам отсутствия сохранения, x=0, или полного сохранения, x=1, в зависимости от начальных условий и параметров окружающей среды. Например, при параметрах, благоприятствующих консерватизму, усиление силы социальных норм дестабилизирует внутреннее равновесие посредством складчатой бифуркации, вызывая сдвиг режима в состояние максимального лесного покрова и консерватизма, (F,x)=(1,1) ( Приложение SI , рис. S2 C и D ). Соответствующее катастрофическое равновесие (F,x)=(0,0) никогда не бывает устойчивым при этих значениях параметров. При более высоких значениях h эта складчатая бифуркация смещается вверх и исчезает, заменяясь закритической бифуркацией, соединяющей устойчивую внутреннюю ветвь с устойчивой граничной ветвью ( SI Приложение , рис. S2 E и F ). Следовательно, популяция плавно переходит в желаемое состояние (1,1) при увеличении d, а не через критический переход.Другие области пространства параметров с очень высокой эффективностью сбора урожая (h = 0,06/год) демонстрируют серьезный критический переход от полного сохранения (1,1) к отсутствию сохранения (0,0), когда стоимость сохранения превышает w = 1,15.
Эта богатая динамика также проиллюстрирована временной эволюцией системы. Мы создали временные ряды F и x для начальных условий, общих для многих связанных лес-человек систем за последние несколько столетий: высокий начальный лесной покров и низкая начальная распространенность защитников природы. Мы наблюдаем, что низкие уровни эффективности лесозаготовок (h=0,04/год) лишь умеренно воздействуют на лесной покров (F≈0,5) и, таким образом, не стимулируют социальную реакцию на защиту лесов (x≈0, рис. 4 A и B ). Однако более высокие уровни эффективности лесозаготовок (h=0,15/год) вызывают резкое сокращение лесного покрова, что, в свою очередь, стимулирует всплеск природоохранных мероприятий, которые впоследствии восстанавливают лесной покров (рис. 4 A и B ). Как это ни парадоксально, долгосрочный лесной покров выше, когда эффективность лесозаготовок выше (несмотря на колебания), благодаря социальной реакции.Этот результат подтверждается более длинными временными рядами ( SI Приложение , рис. S3).
Рис. 4.

Результаты сильно различаются для различных социальных параметров и параметров сбора урожая в объединенной модели HES: высокая и низкая эффективность сбора урожая h ( A и B ) и высокая или низкая сила социальной нормы d ( C ) и D ). h=0,1/y, d=0,3 и w=1, если не указано иное, с остальными параметрами в таблице 1. Методологию см. в Приложении SI , раздел S3.

При других значениях параметров снова проявляется влияние социальных норм. Когда система начинается с состояния высокого начального лесного покрова и низкой начальной доли защитников природы, высокий начальный лесной покров допускает снижение охранной деятельности, что вызывает сокращение леса (рис. 4 C и D ). Когда социальные нормы относительно слабы (d = 0,3), население может перейти от состояния низкого природоохранного режима к высокому природоохранному, тем самым сохраняя леса.Однако, когда социальные нормы сильнее (d = 0,9) и первоначальная распространенность защитников природы недостаточно высока (x (0) ≲ 0,63), популяция навсегда оказывается в ловушке состояния подавленного защитника. несколько десятков лет. В результате лесной покров также остается низким в долгосрочной перспективе. Это подтверждается более длинными временными рядами ( SI Приложение , рис. S3). Мы также отмечаем, что если сохранение изначально начинается с более высокого уровня (x (0) ≳ 0,63), то может поддерживаться высокий уровень сохранения, опять же благодаря социальным нормам.

Неоднозначные и приглушенные сигналы раннего предупреждения.

Более широкий спектр возможных исходов для сопряженной ГЭС по сравнению с соответствующей несвязанной системой влияет на то, как мы интерпретируем сигналы раннего предупреждения в сопряженной ГЭС. В частности, это затрудняет интерпретацию того, к какому режиму перейдет система после обнаружения сигналов раннего предупреждения. Это требует от нас уточнения наших методологий раннего предупреждения (50) и/или улучшения нашего понимания лежащей в основе динамической модели.

Например, по мере приближения к точке бифуркации, соответствующей коллапсу леса в совместной модели ГЭС («сценарий коллапса», рис. 3 A и B ), мы наблюдаем обычное увеличение SD остаточного времени серия для F, соответствующая сигналу раннего предупреждения (рис. 5 A и B ; синей линией показана точка бифуркации для сценария обрушения). Однако если вместо этого приблизиться к точке бифуркации, соответствующей расцвету лесного консерватизма («сценарий консервации», рис.3 C и D ), увеличение стандартного отклонения остаточного временного ряда практически одинаково — как качественно, так и количественно — со сценарием коллапса, как до, так и за более раннюю точку бифуркации сценария сохранения ( Рис. 5 C и D , красной линией показана точка бифуркации для сценария консервации). Следовательно, наблюдатель за совмещенным ГЭС в годы, предшествующие моменту, когда сценарии разрушения и сохранения расходятся (красная линия), не сможет сказать, является ли сигнал раннего предупреждения предвестником исчезновения леса или эры сохранения леса.Результаты аналогичны для x ( Приложение SI , рис. S4). Этот результат, возможно, не удивителен, поскольку индикаторы являются общими для типичных локальных бифуркаций (45). Проблема заключается в том, чтобы выяснить, какое изменение режима прогнозирует индикатор. В то же время эти результаты не исключают возможности того, что другие системы или другие индикаторы могут давать обнаруживаемые различия между сценариями коллапса и сохранения (50).

Рис. 5.

Сигналы раннего предупреждения схожи, несмотря на разные результаты.Показаны ( A ) обрушение леса в объединенной модели HES для w = 1,5, d = 0,2 и ( B ) сигнал раннего предупреждения; ( C ) сохранение леса в объединенной модели HES для w=1,0, d=0,1 и ( D ) сигнал раннего предупреждения; и ( E ) разрушение леса в несвязанной модели окружающей среды и ( F ) сигнал раннего предупреждения. Синяя линия является точкой бифуркации для систем A и B , красная линия является точкой бифуркации для систем C и D , а черная линия является точкой бифуркации для систем E и F .Значения других параметров приведены в таблице 1, за исключением того, что h постепенно увеличивается каждый год с 0,03/год до 0,055/год в течение моделируемого промежутка времени. См. методологию в приложении SI .

В несвязанной системе разворачивается похожая история, но с важным отличием (рис. 5 E и F ; черной линией показано раздвоение). Изменчивость остаточного временного ряда F увеличивается перед коллапсом качественно аналогично связанной модели, что снова затрудняет определение того, какой вид смены режима грядет.Однако SD значительно возрастает по мере приближения к точке бифуркации в несвязанной системе. Мы предполагаем, что эта разница возникает из-за «приглушения»: поведенческая обратная связь человека помогает смягчить изменчивость лесного покрова в сопряженной системе, потому что понижение лесного покрова стимулирует рост мнений защитников природы и, следовательно, сохранение лесов (уравнения 3 и 4 ). Это приводит к более низкому SD для F. Напротив, в несвязанной системе отсутствует эта смягчающая обратная связь, и поэтому изменчивость F вблизи точки бифуркации выше.

Для дальнейшего изучения приглушения мы сравнили собственные значения равновесий в связанных и несвязанных моделях. Если приглушение объясняет наблюдаемые различия, собственные значения в связанной модели должны быть больше и более отрицательны, чем собственное значение соответствующего равновесия несвязанной модели, что приводит к более сильному притягивающему равновесию в связанной модели и, следовательно, к уменьшению дисперсии стохастической модели. траектория вблизи равновесия. При вероятностном анализе чувствительности значений параметров, близких к точкам бифуркации на рис.5, а также около (1,1) в связанной системе, мы обнаружили, что это действительно так ( SI Приложение , раздел S4).

Таким образом, человеческая обратная связь в связанной ГЭС частично приглушает сигнал раннего предупреждения, делая увеличение дисперсии перед сменой режима меньшим, чем это было бы в соответствующей несвязанной системе. В то время как этот эффект может затруднить обнаружение изменений режима в экологических системах под влиянием человека, он также может помочь найти способ различать ранние предупреждающие сигналы для коллапса и разрушения. сохранения в связанных HES, если можно охарактеризовать разницу между глушением в двух сценариях.

Саморазвивающаяся критичность.

В нашем подходе простой драйвер для представления влияния человека в несвязанной системе — эффективность сбора h — заменяется более сложным драйвером в связанной ГЭС — реализованной скоростью сбора h(1−x). В исследованиях сигналов раннего предупреждения часто предполагается, что система преодолевает переломный момент благодаря простому движущему фактору. Для уравнения 1 это было сделано путем увеличения h каждый год y в соответствии с hy+1=hy+ϵ, где ϵ мало (рис.2 В ). Однако можно возразить, что некоторые параметры сопряженной модели ГЭС не должны быть фиксированными. Например, стоимость сохранения, вероятно, должна зависеть от F, потому что сохранение лесов, когда они в изобилии, будет стоить дороже. Среди других причин альтернативные издержки сохранения должны увеличиваться по мере увеличения F, потому что земля, предназначенная для сохранения лесов, не может использоваться для других целей, таких как сельское хозяйство.

Подобно более ранним исследованиям по моделированию влияния среды в модели эпидемии, когда параметр скорости передачи зависел от распространенности инфекции (65), мы рассматриваем расширенную модель, в которой стоимость сохранения изменяется в зависимости от лесного покрова в соответствии с wy+1=wy +b(F−a), где b и a — новые параметры.Мы сравниваем динамику этой «расширенной модели» с w=w(F) с нашей исходной «базовой моделью» (уравнения). 3 и 4 , где wy+1=wy+ϵ.

В имитационном эксперименте мы инициализируем популяцию на стабильном равновесии максимального лесного покрова и сохранения природы (1,1). В базовой модели популяция, как обычно, преодолевает критическую точку wcrit=0,925 (рис. 6 A ). В результате и лесной покров, и охрана природы разрушаются из-за более высоких затрат на сохранение, прежде чем восстановиться и войти в режим долговременных колебаний экстремальной амплитуды (рис.6 С ). Остаточная SD увеличивается перед сменой режима, обеспечивая сигнал раннего предупреждения (рис. 6 E ).

Рис. 6.
Саморазвивающаяся критичность в модели ГЭС. Показаны ( A ) фиксированные и ( B ) F-зависимые затраты на сохранение, приводящие к ( C ) смене режима в фиксированном случае по сравнению с ( D ) саморазвивающейся критичностью в F-зависимом случае , с ( E и F ) соответствующими индикаторами раннего предупреждения. а=0.9, б=0,0013. Детали методологии приведены в SI, Приложение .
Напротив, в расширенной модели стоимость сохранения w(F) неуклонно растет, пока F остается большим. Но по мере того, как система приближается к грани коллапса и флуктуации F увеличиваются, затраты на сохранение падают, заставляя систему отступать от точки бифуркации (рис. 6 B ). Однако обратной связи F с w недостаточно, чтобы навсегда предотвратить вырубку лесов. Вместо этого система демонстрирует спорадические вспышки обезлесения и антиконсервационизма, когда лесной покров падает до очень низкого уровня, прежде чем обратная связь восстанавливает его (рис. 6 D ). Этот результат вызван адаптивным, стратегическим поведением человека: когда лесной покров слишком высок, охрана природы недостаточно привлекательна, и люди становятся самодовольными, что позволяет лесному покрову сокращаться. Когда лесу снова угрожает чрезмерная вырубка, охрана природы снова становится привлекательной, и F восстанавливается. Таким образом, расширенная модель обречена на критичность, так что система постоянно держится около критической точки wcrit=0,925. Такое же поведение наблюдается и в переменной x ( Приложение SI , рис.С5).
Эти взрывные вспышки обезлесения напоминают вспышки вирулентных патогенов, которые наблюдались в пространственно расширенных эпидемиологических моделях, где такое динамическое поведение было названо саморазвивающейся критичностью (СЭК) (66). Кроме того, частотное распределение размеров вспышек обезлесения в расширенной модели подчиняется степенному закону, как это наблюдается в других системах, демонстрирующих SEC ( SI Приложение , рис. S6). Мы предполагаем, что SEC может быть обычным явлением в парных HES. При некоторых условиях безбилетность должна привести к тому, что связанная ГЭС приблизится к критической точке, так что она будет постоянно флиртовать с коллапсом ресурсов, несмотря на то, что такое поведение не является оптимальным с социальной точки зрения (по Парето).
Отметим, что динамика будет отличаться при других значениях a. Например, a=1 гарантирует, что wy всегда снижается, и, таким образом, создается стабильный лесной покров. Мы также отмечаем, что другие параметры, такие как c и h, могут зависеть от F и, таким образом, также могут генерировать SEC. В расширенной модели мы также наблюдаем увеличение СКО остаточного временного ряда до бифуркации, подобное наблюдаемому в базовой модели, за исключением того, что увеличение не соответствует качественно другому режиму (рис.6 Ф ). Наконец, отметим, что вместо этого w может зависеть от F через дифференциальное уравнение типа dw/dt=b(F−a). Это может привести к предельным циклам в трехмерной динамической системе вместо взрывных вспышек вырубки лесов в двухмерной системе.
Обсуждение
В этой статье мы показали, как связанная ГЭС может демонстрировать большее разнообразие динамических режимов, чем соответствующая несвязанная система. Таким образом, сигналы раннего предупреждения могут быть неоднозначными, поскольку они могут предвещать либо крах, либо консервацию.Мы также обнаружили, что человеческая обратная связь может частично приглушить сигнал раннего предупреждения о смене режима или заставить систему развиваться и постоянно оставаться близкой к критической точке.
Аргумент в пользу использования критического замедления в качестве сигнала раннего предупреждения заключается в том, что оно опирается на общую черту многих бифуркаций: собственное значение линеаризованного якобиана в равновесии стремится к нулю, вызывая потерю устойчивости (45). Для связанных ГЭС эта универсальность является палкой о двух концах, поскольку могут указываться как режимы коллапса, так и режимы сохранения.Это требует понимания лежащей в основе динамической модели для правильной интерпретации индикаторов (48).
Процесс добавления переменной модели поведения человека и последующего установления зависимости стоимости сохранения от лесного покрова поднимает более широкий вопрос о том, сколько переменных необходимо и что должно быть переменной состояния, а что должно быть фиксированным параметром. В более длительных временных масштабах многие параметры связанной модели HES, возможно, могут быть преобразованы в переменные состояния, потому что они, вероятно, будут меняться со временем в ответ на другие переменные.Здесь мы показали, как зависимость параметра w от F вызвала саморазвивающуюся критичность (66). Стратегическое, адаптивное человеческое поведение означает, что население поддерживает сохранение ровно столько, чтобы «выжить», заставляя систему неоднократно заигрывать с нежелательной сменой режима.
Мы сделали упрощающие допущения, которые можно было бы смягчить в будущей работе. На взаимосвязь между общественным мнением и лесным покровом могут влиять и другие процессы. Например, смена лесов также может быть вызвана просто повышением урожайности сельскохозяйственных культур, что требует меньшей вырубки лесных массивов (67). Наша модель явно не отражает влияние таких институтов, как крупные организации, которые могут существенно влиять на динамику способами, которые заслуживают механистического моделирования (17).
Будущие исследования могут также разработать сложные методы для того, чтобы различать, предвещает ли сигнал раннего предупреждения крах или сохранение, или изучать влияние социальной и пространственной неоднородности, которые могут изменить динамику в самых разных системах (68). Популяции не сходятся однородно к идеальному консерваторству или антиконсервационизму, а скорее формируют очаги локально однородных мнений (69).Эта структура населения влияет на то, как проявляются сигналы раннего предупреждения. Обращение к социальным сетям для получения данных о человеческом компоненте спаренных ГЭК также должно быть ценным. Данные социальных сетей уже сейчас оказываются полезными при анализе многих социальных систем, в которых актуальна естественная динамика (70⇓–72).
В заключение, необходимо больше думать о роли адаптивной обратной связи человека, когда мы оцениваем сигналы раннего предупреждения об изменении режима в экосистемах, потому что наличие обратной связи человека может качественно изменить результаты. Хотя задачи моделирования связанных систем «человек-окружающая среда» значительны, ставки, соответственно, высоки. Возможно, в ближайшие годы удастся решить эти проблемы с помощью новых источников данных и более тесного междисциплинарного взаимодействия в исследованиях систем «человек-окружающая среда».
Охотники за инопланетянами обнаруживают таинственный сигнал с Проксимы Центавра
Это никогда не инопланетяне — до тех пор, пока они ими не станут. 18 декабря в британской газете Guardian просочились новости о загадочном сигнале, исходившем от ближайшей к нашей звезде, Проксиме Центавра, звезды, слишком тусклой, чтобы ее можно было увидеть с Земли невооруженным глазом, которая, тем не менее, находится в двух шагах от космической планеты. всего 4.2 световых года. Обнаруженный этой осенью в архивных данных, собранных в прошлом году, сигнал, по-видимому, исходит из направления нашей соседней звезды и пока не может быть отклонен как помеха земного происхождения, что дает очень слабую вероятность того, что это передача какой-то формы развитого внеземного разума. (ETI) — так называемая «техносигнатура». Теперь, говоря с Scientific American , ученые, стоящие за открытием, предупреждают, что предстоит еще много работы, но признают, что интерес оправдан.«У него есть определенные свойства, благодаря которым он прошел множество наших проверок, и мы пока не можем их объяснить», — говорит Эндрю Симион из Калифорнийского университета в Беркли.
Любопытно, что он занимает очень узкую полосу радиочастотного спектра: 982 мегагерца, в частности, это область, обычно лишенная передач со спутников и космических кораблей, созданных человеком. «Мы не знаем ни одного естественного способа сжатия электромагнитной энергии в один частотный интервал», — говорит Симион.Возможно, говорит он, некая пока неизвестная экзотическая особенность физики плазмы могла бы стать естественным объяснением дразнящей концентрации радиоволн. Но «на данный момент единственный известный нам источник — технологический».
Обнаружение было сделано в рамках проекта Breakthrough Listen стоимостью 100 миллионов долларов, возглавляемого Сиемионом и финансируемого техническим миллиардером Юрием Мильнером под эгидой Milner’s Breakthrough Initiatives. Цель этого многолетнего начинания, начавшегося в 2015 году со звездного заявления, на котором присутствовали Стивен Хокинг и другие светила космонавтики, — выиграть время для наблюдения на радиотелескопах по всему миру, чтобы исследовать небо в поисках свидетельств существования технологических цивилизаций.Это стремление, конечно же, более известно как поиски внеземного разума (SETI). На сегодняшний день таких убедительных доказательств найдено не было, несмотря на более чем полувековую скромную, но устойчивую активность SETI, при этом любые потенциальные сигналы почти всегда исключались как исходящие от спутников, вращающихся вокруг Земли, или других антропогенных помех.
«Если вы видите такой сигнал, и он исходит не с поверхности Земли, вы знаете, что обнаружили внеземную технологию», — говорит Джейсон Райт, астроном, ориентированный на SETI, из Пенсильванского государственного университета в Пенсильвании.«К сожалению, люди запустили много внеземных технологий».
История этого последнего зрелища SETI действительно началась 29 апреля 2019 года, когда ученые, связанные с Breakthrough Listen, начали собирать данные, которые позже раскрыли интригующий сигнал. Команда использовала радиотелескоп Parkes в Австралии для изучения Проксимы Центавра на наличие признаков вспышек, исходящих от красного карлика, отчасти для того, чтобы понять, как такие вспышки могут повлиять на планеты Проксимы. В системе есть как минимум два мира.Первый, получивший название Proxima b после его открытия в 2016 году, примерно в 1,2 раза больше Земли и находится на 11-дневной орбите. Проксима b находится в «обитаемой зоне» звезды, нечетко очерченном секторе, в котором жидкая вода могла бы существовать на каменистой поверхности планеты — при условии, что интенсивные звездные вспышки Проксимы Центавра не уничтожили атмосферу планеты. Еще одна планета, Проксима c массой примерно семь земных, была обнаружена в 2019 году на холодной 5,2-летней орбите.
С помощью Паркса астрономы наблюдали за звездой в течение 26 часов в рамках своего исследования звездных вспышек, но, как обычно в рамках проекта Breakthrough Listen, они также пометили полученные данные для более позднего поиска возможных сигналов SETI. .Эта задача выпала на долю молодого стажера программы Симиона SETI в Беркли Шейна Смита, который также является студентом бакалавриата в колледже Хиллсдейл. Смит начал просеивать данные в июне этого года, но только в конце октября он наткнулся на любопытное узкополосное излучение с частотой 982,002 мегагерца, спрятанное на видном месте в наблюдениях Проксимы Центавра. Оттуда все произошло быстро — и по уважительной причине. «Это самый захватывающий сигнал, который мы обнаружили в проекте Breakthrough Listen, потому что раньше у нас не было скачка сигнала через такое количество наших фильтров», — говорит София Шейх из Пенсильванского государственного университета, руководившая последующим анализом сигнала. сигнал для Breakthrough Listen и является ведущим автором предстоящей статьи с подробным описанием этой работы, которая будет опубликована в начале 2021 года.Вскоре команда начала называть сигнал более формальным именем: BLC1, что означает «Breakthrough Listen Candidate 1».
Чтобы заинтересовать любого исследователя SETI, сигнал должен сначала пройти множество простых автоматических тестов, чтобы исключить очевидные наземные помехи. Однако сотни кандидатов обычно проходят этот этап и отбираются для дальнейшего расследования. Оттуда почти все будут отброшены как мираж или ошибка — возможно, избыток статики, например, — которая обманула алгоритм отсеивания, исключив их из рассмотрения как любой вид передачи от болтливых инопланетян.«Кроме этого», — говорит Шейх.
Пересматривая данные за 2019 год, Шейх и ее коллеги отметили, что телескоп несколько раз смотрел на Проксиму при сканировании продолжительностью 30 минут в течение недели. В Breakthrough Listen используется метод, называемый «киванием», при котором телескоп проводит некоторое время, глядя на цель, а затем эквивалентный период времени смотрит в другое место в небе, чтобы убедиться, что любой потенциальный сигнал действительно исходит от цели, а не, скажем, , кто-то разогревает обед в столовой обсерватории.«В пяти из 30-минутных наблюдений в течение примерно трех часов мы видим, как эта штука возвращается», — говорит Шейх, намекая на то, что сигнал действительно исходил от Проксимы Центавра — или какого-то другого источника глубокого космоса в этой части неба — до того, как пробивается на Землю.
Можно было бы подумать, что дело будет закрыто. Но хотя естественный космический источник может показаться маловероятным, его пока нельзя исключать — и, по общему мнению, как бы маловероятно ни было естественное объяснение, «неестественное» объяснение, такое как инопланетяне, еще менее вероятно.Следовательно, каждый член команды Breakthrough Listen, опрошенный для этой статьи, упорно настаивает на том, что вероятность того, что это что-то иное, чем наземные помехи, крайне мала. «Скорее всего, это какая-то человеческая причина», — говорит Пит Уорден, исполнительный директор Breakthrough Initiatives. «И когда я говорю «скорее всего», это примерно 99,9 [процента]».
Этот рациональный скептицизм простирается до самого верха. «Когда мы запустили Breakthrough Listen со Стивеном Хокингом в 2015 году, — говорит Милнер, — мы понимали, что для анализа всех сигналов-кандидатов будет использоваться самый строгий научный подход.Милнер и, по-видимому, все исследователи SETI, поддерживаемые его финансированием, полностью ожидают, что BLC1 исчезнет под пристальным вниманием проекта. Но, может быть, и не будет.
В настоящее время ожидаются месяцы дальнейшего анализа, чтобы окончательно исключить другие потенциальные источники. И сам BLC1, хотя и кажется происходящим с Проксимы Центавра, не совсем соответствует ожиданиям техносигнатуры от этой системы. Во-первых, в сигнале нет следов модуляции — изменений его свойств, которые можно использовать для передачи информации.«BLC1 — это, по сути, просто тон, всего одна нота», — говорит Симион. «У него нет абсолютно никаких дополнительных функций, которые мы можем различить на данный момент». И, во-вторых, сигнал «дрейфует», что означает, что он очень слабо меняется по частоте — эффект, который может быть связан с движением нашей планеты или движущегося внеземного источника, такого как передатчик на поверхности одного из Миры Проксимы Центавра. Но дрейф противоположен тому, что можно было бы наивно ожидать от сигнала, исходящего от мира, вращающегося вокруг ближайшей к нашему Солнцу звезды.«Мы ожидаем, что частота сигнала будет снижаться, как у тромбона», — говорит Шейх. «То, что мы видим вместо этого, похоже на слайд-свисток — частота повышается».
До сих пор последующие наблюдения с использованием Паркса не привели к повторному включению сигнала, а повторное наблюдение было необходимо для подтверждения того, что BLC1 является подлинной техносигнатурой. «Если это внеземная цивилизация, в конечном итоге она должна быть воспроизведена, потому что маловероятно, что это будет единичный случай», — говорит Шами Чаттерджи, радиоастроном из Корнельского университета в Нью-Йорке.«Если независимая группа в независимой обсерватории сможет восстановить тот же сигнал, то, черт возьми, да. Готов поспорить на деньги, что этого не произойдет, но мне бы хотелось ошибаться».
Тем не менее, это остается одним из самых интригующих сигналов, обнаруженных Breakthrough Listen — да и вообще любой программой SETI — на сегодняшний день, сигналом, который Шейх сравнивает с так называемым «Вау! сигнал», обнаруженный в 1977 году, который, по мнению некоторых, имеет внеземное происхождение. «Я думаю, что это на уровне Wow! сигнал», — говорит она. Однако, скорее всего, это просто какой-то ранее неизвестный источник наземных помех.Через несколько месяцев мы, вероятно, так или иначе узнаем наверняка. Но пока это не инопланетяне, верно? «Я ненавижу эту фразу, потому что если ты так говоришь, то зачем вообще смотреть?» — говорит Райт. «Под этим мы подразумеваем, что никогда не было пришельцев до ».
Модель распространения сигнала, эффективность связи и экспериментальные вопросы
Связь человеческого тела (HBC), которая использует ткани человеческого тела в качестве среды передачи для передачи медицинской информации, служит многообещающим решением физического уровня для сети области тела (BAN). ).Ориентированная на человека природа HBC предлагает инновационный метод передачи медицинских данных, передача которых требует низкого уровня помех и надежной линии передачи данных. Следовательно, требуется развертывание системы HBC с хорошими коммуникационными характеристиками. В связи с этим проводится учебный обзор по важным вопросам, связанным с передачей данных HBC, таким как модель распространения сигнала, характеристики канала, производительность связи и экспериментальные соображения. В этой работе сначала рассматривается развитие HBC и его первые попытки.Затем вводится обзор моделей распространения сигнала. На основе этих моделей суммируются характеристики канала; также исследуются характеристики связи и выбор параметров передачи. Кроме того, обсуждаются экспериментальные вопросы, такие как электроды и стратегии заземления. Наконец, представлены рекомендуемые будущие исследования.
1. Введение
Распространенность хронических заболеваний (например, болезней сердца, диабета и инсультов) и рост старения населения стали проблемами общественного здравоохранения и проблемами системы здравоохранения.По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), миллионы людей страдают хроническими заболеваниями и умирают, например, в 2012 г. сердечно-сосудистые заболевания привели к 17,5 млн смертей, а диабет — 1,5 млн смертей [1]. Более того, абсолютное число людей в возрасте 60 лет и старше увеличится с 900 миллионов до 2 миллиардов с 2015 по 2050 год [2], а старение населения способствует распространению хронических заболеваний, поскольку пожилые люди более склонны к хроническим заболеваниям [2]. 3]. Для эффективного контроля хронических заболеваний и улучшения качества жизни пациентов необходим постоянный мониторинг состояния здоровья [4].Людям из групп высокого риска постоянный мониторинг физиологических данных помогает своевременно выявить и предотвратить заболевания [5]. Например, у пациентов с болезнью Паркинсона необходимо постоянно контролировать активность мозга и мышц, а у пациентов с диабетом контролировать уровень глюкозы в крови. Многообещающим решением для обеспечения непрерывного мониторинга физиологических данных является развертывание сети области тела (BAN) [6, 7], где датчики и приводы крошечного размера используются для мониторинга физиологических данных и обеспечения терапевтических функций (т.д., вводить дозу инсулина, контролировать частоту кардиостимулятора и т. д. . ) [6, 8, 9].
Структура БАН показана на рисунке 1. Сенсорные узлы, включающие как нательные, так и внутрителовые узлы (имплантируемые устройства), обычно выполняют функцию мониторинга (пульсоксиметр измеряет SpO2, датчик артериального давления измеряет артериальное давление). Физиологические данные от этих узлов в течение определенного периода времени конфиденциально и надежно доставляются на узел ретрансляции или агрегатор, установленный на теле, такой как смарт-часы или смарт-браслет [10, 11], которые являются новыми устройствами в биомедицинской промышленности. из-за их удобства контролировать и постоянно носить поведение.Затем данные пересылаются в концентратор и центральный пункт управления, откуда данные становятся доступными для больницы, профессионального персонала и центра неотложной помощи или для личного использования.

Ориентированность на человека является основной характеристикой BAN, связь между датчиками, разбросанными по телу человека и агрегатором, должна осуществляться с помощью проводного соединения или методов беспроводной связи на короткие расстояния. Очевидно, что проводное соединение не лучший выбор, так как провод может порваться и неудобен для передвижения пациентов.Предпочтительными кандидатами являются беспроводные технологии малого радиуса действия (RF), такие как Zigbee, Bluetooth и Ultrawide Band (UWB). Однако эти подходы имеют внутренние недостатки, поскольку они не предназначены для передачи данных мониторинга состояния здоровья человека. Например, радиочастотные методы подвержены электромагнитным помехам и страдают от большой утечки сигнала и легкого прослушивания. Кроме того, человеческое тело в основном (65%) состоит из воды, которая является блокирующим материалом для радиочастотных сигналов [12].Таким образом, беспроводные РЧ-сигналы, передаваемые вокруг или внутри человеческого тела, будут страдать от эффекта затенения тела, что приведет к значительному ослаблению сигнала [13, 14]. Кроме того, радиочастотные методы излучают сигнал через антенну, что требует миниатюризации. Еще одним потенциальным кандидатом является метод индуктивной беспроводной связи. Однако его эффективность связи (0,4% при расстоянии 3 см [15]) низкая, а размер катушки (типичные размеры 25 мм × 10 мм для прямоугольной катушки, диаметр 20 мм для круглой катушки) [16] велик.Также катушка является проблемой для миниатюризации. Очевидно, что для медицинской БАС необходимы новые коммуникационные технологии, предназначенные для передачи данных мониторинга здравоохранения, ориентированного на человека.
Коммуникация человеческого тела (HBC, также называемая внутрителесной коммуникацией) — это новый метод передачи, использующий человеческое тело в качестве среды передачи для передачи электрического сигнала [17]. HBC стал одним из трех физических уровней (еще два — узкополосный и UWB) для BAN, предложенных IEEE 802.15.6 рабочая группа 6 [18]. HBC можно реализовать двумя способами: методом емкостной связи и методом гальванической связи. Он имеет следующие желательные характеристики.
(a) Небольшая утечка сигнала — высокий уровень безопасности . Сигнал ограничивается поверхностью тела и с небольшой энергией излучается в окружающую среду (избегайте того, чтобы тело действовало как антенна для излучения энергии) [19, 20]. Таким образом, гарантируется безопасность информации во избежание ее прослушивания, а также может быть сведено к минимуму вмешательство между разными людьми.
(b) Низкое затухание сигнала — низкая мощность передачи . По сравнению с воздушным каналом, канал человеческого тела имеет более высокий коэффициент усиления [21], что может снизить мощность передачи. И, таким образом, это может потенциально снизить энергопотребление системы и полезно для миниатюризации.
(c) Низкая несущая частота . HBC работает на низкой частоте (особенно для гальванической связи HBC), что потенциально может упростить конструкцию, минимизировать энергопотребление (в системе HBC обнаруженная цепь, фильтр и усилитель мощности имеют компонент схемы CMOS, в котором динамическая мощность пропорциональна несущей частоте.Также потребляемая мощность процессора и синтезатора частоты пропорциональна рабочей частоте) [22, 23], а также уменьшаются размеры устройств за счет низких требований к усилителям, конденсаторам и катушкам индуктивности. Между тем, более низкая несущая частота требует приемника с низкой промежуточной частотой, который потенциально может достичь приемников без кристалла из-за его лучшей устойчивости к девиации частоты [24]. Приемопередатчик без кристалла может еще больше уменьшить размер и энергопотребление, поскольку кварцевый генератор является громоздким, энергоемким и хрупким компонентом.Кроме того, HBC не требует антенны, что позволяет минимизировать размер чипа.
Сравнение HBC и других беспроводных методов показано в таблице 1. Чтобы служить подходящим методом связи для BAN, HBC пытался стать потенциальным кандидатом из-за низкого уровня помех и высокой безопасности (перехват сигнала требует прикосновения к телу). , подходящий диапазон передачи и потенциально более высокая степень миниатюризации.
Техника Частота
(ГГц) Скорость передачи данных
(Mbps) Мощность
(дБм) Расстояние Inf
Зеби [93] 2.4, 0.865 0.25 -3 ~ 10 9 10 M Высокий
Bluetooth [94] 2.4 0.72124 <20 10 M Высокий
UWB 310 0.8520 -41 -41 Высокий
ICL 0,001 ~ 0,4 [15] 0.0001-4 [95] — 0,5 ~ 3 см низкий
Крышка HBC 0.01 ~ 0.1 0,002 ~ 10 -15553 -155 5 см ~ 2 м Низкий
Gal-HBC 0,0001 ~ 0,01 0,01 0,0009-30 ~ -4 5 см 5 см. ~40 см низкий
Инф: помехи; ICL: индуктивная связь; Cap-HBC: емкостная связь HBC; Gal-HBC: гальваническая муфта HBC.
При использовании HBC для передачи данных между носимыми или имплантируемыми медицинскими устройствами для мониторинга важна передача с низким энергопотреблением не только для предотвращения утечки информации или помех другим сетям BAN, но и для экономии энергии (снижение мощности передачи). может снизить энергопотребление усилителя мощности, на долю которого приходится значительная часть энергопотребления системы HBC).Это особенно актуально для имплантируемых устройств, поскольку утечка важной информации (например, о скорости стимуляции и настройке порога стимуляции кардиостимулятора) непреднамеренному приемнику приведет к опасным для жизни событиям. Кроме того, важна низкая мощность передачи, поскольку она также может продлить срок службы батареи [25], что требует дорогостоящей и инвазивной хирургической операции по замене.
Для достижения низкой мощности передачи необходимо минимизировать мощность передачи и оптимизировать ее коммуникационные характеристики.Безусловно, при этом должна поддерживаться надежная передача данных. Затем следует соответствующим образом выбрать параметры передачи, связанные с мощностью передачи, такие как скорость передачи данных, метод модуляции, ширина полосы и полоса частот. Это мотивирует нас обобщить характеристики канала и выяснить правило производительности связи (т. е. частоту ошибок по битам BER) для различных схем модуляции. Конечно, важны и экспериментальные вопросы по получению характеристики канала.Поэтому проведение опроса по вышеперечисленным вопросам имеет важное значение для развертывания HBC. Далее будет рассмотрена история и развитие HBC. Затем в разделе 3 резюмируется модель распространения сигнала; основанные на моделях характеристики канала и характеристики связи представлены в Разделе 4. Экспериментальные вопросы обсуждаются в Разделе 5. Наконец, выводы и будущие исследования рассматриваются в Разделе 6.
2. Развитие коммуникации человеческого тела
2.1. История электрических свойств и тканей человека
В истории человечества интерес к тканям тела был неизбежен. Многие исследователи посвятили свои усилия и мысли изучению мышц, их электрических свойств и биомеханики. Обычно существует две формы биоэлектрической оценки мышц: одна заключается в исследовании электрического сигнала, исходящего от мышцы, а другая — в свойствах мышцы путем подачи электрических сигналов.
Связь между электричеством и сокращением мышц впервые наблюдал итальянский врач Луиджи Гальваник в середине 1780-х годов.Луиджи Гальваник провел эксперимент, соединив нервы недавно умершего тумана с длинной металлической проволокой и направил ее к небу во время грозы, лапки лягушки дергались и прыгали, как будто они живые от вспышки молнии, из чего Гальваник указал, что недавно мертвая мышечная ткань может реагировать на внешние электрические раздражители. С тех пор все больше и больше исследователей исследовали реакцию ткани человека на электрический ток, импеданс ткани и диэлектрические свойства. Например, нерв, мышцу и железу можно стимулировать для анестезии [26] электрическими токами в миллиамперах.Ранние обширные обзоры литературы по диэлектрическим свойствам были предоставлены Геддесом и Бейкером [27], которые обобщили ранние сообщения об удельном сопротивлении тканей. Позже об интенсивных исследованиях диэлектрических свойств тканей сообщили Габриэль и соавт. [28]. И дальнейшие эксперименты были проведены Габриэлем и соавт. для изучения диэлектрических свойств тканей человека и животных в диапазоне частот от 10 Гц до 20 ГГц [29]. На основе этих измерений была разработана параметрическая модель с четырьмя дисперсиями типа Коула-Коула для описания диэлектрических свойств ткани в зависимости от частоты [30].Эти электрические свойства были использованы исследователями для облегчения недавних исследований и приложений. Например, электроимпедансная томография (ЭИТ) была разработана для визуализации внутренних органов и структуры тела в целях медицинской диагностики; электрическая стимуляция была принята для медицинской терапии и протезирования. До 1995 года для передачи данных предлагалось использовать человеческое тело в качестве среды передачи. Этот тип телеметрии, называемый емкостной связью HBC [17], был разработан для обеспечения передачи данных на теле человека или вокруг него.
Первые исследования HBC были сосредоточены на возможности внедрения HBC. После этого появились модели распространения сигнала для исследования механизма распространения сигнала и характеристик канала. Позже были разработаны эксперименты и прототипы для исследования их коммуникационных характеристик. Как правило, HBC можно реализовать двумя способами: методом емкостной связи и методом гальванической связи. Далее будут представлены подробности.
2.2. Методы связывания HBC и их первые попытки
2.2.1. Емкостная связь HBC
В 1995 году Циммерман [17] провел исследование по измерению положения смычка виолончели Йо-Йо Ма. Было обнаружено, что помещение руки в электрическое поле значительно ослабляет принимаемый сигнал. Основываясь на этих фактах и принципах, он предложил концепцию персональной сети (PAN), беспроводной системы, которая позволяет электронным устройствам на теле человека и рядом с ним обмениваться цифровой информацией через HBC, не требующую сложной антенны для излучения сигнала. в воздух; вместо этого электроды используются для передачи электрического сигнала на тело человека, которое затем служит средой для передачи сигнала.Циммерман также разработал прототип в качестве первой попытки реализовать технологию HBC. Этот прототип подтверждает возможность использования HBC для передачи данных.
Емкостная связь HBC, также называемая связью ближнего поля [31], и электростатическая связь [17, 32] описаны на рис. 2. Сигнальные электроды передатчика и приемника прикреплены к коже человека, а заземляющие электроды плавают в воздухе. Сильное электрическое поле Et вводится в тело человека через сигнальный электрод передатчика [31].Проводимость человеческого тела не только связывает электрическое поле с окружающей средой (т. е. Ee ), но также служит проводящей пластиной, которая индуцирует электрические поля (т. е. Ea , Ec и Ed ) к другим проводящим пластинам. (заземлители) [33, 34]. Обратный путь передаваемого сигнала образован электрическими полями Ea , Ec , Ee-Eb , Er-Ef-Eb и Ed-Ef-Eb . Другими словами, обратным путем служат электрические поля в окружающей среде или через внешнее заземление [35].На приемнике можно обнаружить принятый сигнал в виде разности электрических потенциалов между Er , Ef и Ed , поскольку Er намного больше, чем Ef и Ed (проводимость человеческого тела намного выше, чем у воздуха) [34]. С другой стороны, разность электрических потенциалов мала из-за убегающих электрических полей Ee , Ea и Ec . Кроме того, обнаруженный сигнал нестабилен и сильно зависит от окружающей среды, учитывая, что электрические поля Ef и Ee меняются вместе с изменениями окружающей среды [17] (т.г., появление металлической мебели, проводов, воды и оргтехники изменит обратную емкость [36]).

Во избежание влияния излучаемого сигнала на антенну человеческого тела (диполь около 1 м), рабочая частота должна быть ниже 150 МГц [31]. И большая часть электрического поля будет концентрироваться вокруг кончика руки с передатчиком [19]. Емкостная связь HBC подходит для приложений, требующих более высоких рабочих частот (приблизительно десятки МГц) и больших расстояний передачи по телу (обычно по всему телу).Тем не менее, емкостная связь HBC уязвима для внешних помех и других непредсказуемых эффектов, таких как движения субъектов [37].
2.2.2. Гальваническая связь HBC
О гальванической связи HBC впервые сообщили в 1997 году японские исследователи Handa et al. [38]. Сигнал ЭКГ от грудной клетки модулировался в микроамперный электрический ток, вводился в тело человека электродами и регистрировался парой приемных электродов на запястье. Передающий и принимающий электроды находились в непосредственном контакте с телом, что приводило к гальванической связи передачи сигнала.Эта система работала с небольшим энергопотреблением, всего 8 мк Вт. Результаты показывают, что передача данных с малой мощностью передачи возможна с использованием гальванической связи HBC.
В 1998 г. Lindsey et al. [39] протестировали гальваническую связь HBC между имплантируемым устройством и внешней системой сбора данных. В системе два платиновых электрода (каждый диаметром 0,38 мм, разделенные расстоянием 2,5 мм) использовались для подачи синусоидальных токов с частотой 2–160 кГц и амплитудой 1–3 мА в ногу трупа человека.Электроды ЭМГ на поверхности ноги были развернуты для обнаружения разности потенциалов. Телесный канал человека приводил к затуханию в пределах 37–47 дБ. Этот прототип демонстрирует возможность использования гальванической связи HBC для передачи данных между имплантируемым устройством и датчиками, установленными на поверхности тела.
Гальваническая связь HBC, также называемая волноводной HBC [40], использует ионные жидкости в теле и свойства объемной проводимости тканей [39] для передачи электрического сигнала. Упрощенная модель изображена на рисунке 3.В ткани рядом с передатчиком генерируется большой ионный ток. При удалении от передатчика ток будет уменьшаться из-за импеданса тканей человека. Небольшой ток индуцирует электрический потенциал, который может быть обнаружен в приемнике дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Существующие эксперименты или прототипы обычно проводятся на конечностях человека. Поскольку принцип распространения сигнала основан на ионном токе, рабочая частота должна быть низкой (т.е., <1 МГц [41]). А на такой низкой частоте излучение или утечка сигнала в пространство могут быть незначительными [20].

По сравнению с емкостной связью HBC, гальваническая связь HBC работает на более низкой частоте и меньше подвержена влиянию окружающей среды, что делает передачу сигнала гораздо более стабильной и надежной. Следовательно, гальваническая связь HBC больше подходит для передачи жизненно важных физиологических сигналов, особенно для связи с имплантируемыми устройствами. Конечно, это компрометирует скорость передачи данных.К счастью, требования к скорости передачи данных для передачи жизненно важных физиологических сигналов относительно невелики, например, 75 кбит/с для ЭКГ, 1,6 кбит/с для SpO2 и <100 кбит/с как для кардиостимулятора, так и для имплантируемых датчиков глюкозы [42]. Таким образом, гальваническая связь HBC также является многообещающим кандидатом для передачи жизненно важных физиологических данных между носимыми и имплантируемыми устройствами.
3. Электрические свойства тканей человека и модели распространения сигнала HBC
После новаторской работы по успешному внедрению HBC исследовательские группы провели значительные исследования для изучения усиления канала на разных расстояниях и в разных частях тела, таких как рука, грудная клетка , ногу и спину [43, 44].Наряду с экспериментальными исследованиями теоретические исследования механизма передачи стали основной темой исследований. Модель распространения сигнала включает численную модель и аналитическую модель. Численный метод может обеспечить более точный расчет реалистичной структуры и геометрии человеческого тела, но жертвует временем и стоимостью вычислений. Численная модель для HBC включает имитационную модель конечной разности во временной области (FDTD) (например, [19]) и метод имитационного моделирования методом конечных элементов (FEM) (например,г., [20, 35, 41]) модель. С другой стороны, аналитическая модель экономит время вычислений, но ограничивается простыми структурами, такими как круг и цилиндр. Аналитическая модель в основном включает упрощенную модель цепи [31, 41, 44, 45], модель асимметричной распределенной цепи [37, 46] и модель квазистатического поля [47].
3.1. Электрические свойства тканей
Модели распространения сигнала в HBC обычно основаны на электрических свойствах тканей человека. Механизм частотной дисперсии тканей человека был впервые представлен Шваном [48].Три основные области дисперсии, обозначенные значками , и областью соответствующих частот низкочастотного диапазона, радиочастотного диапазона и гигагерцового диапазона частот, соответствуют поведению ткани. Как показано на рисунке 4, три области рассеивания выглядят следующим образом.

Дисперсия (Низкие кГц) . Это малоизвестно и связано с поляризацией противоионной атмосферы вблизи заряженных поверхностей в ткани или с поляризацией крупных мембраносвязанных структур в ткани.Или это связано с процессом ионной диффузии на участке клеточной мембраны. Он проявляется в диэлектрической проницаемости и едва заметен в проводимости.
Дисперсия (0,1–10 МГц) . Релаксационные эффекты вызываются белками, менее протяженными аминокислотными остатками и биоимпедансом (емкость мембраны и сопротивление жидкости) органелл внутри клетки, клеточных ядер и митохондрий. Поскольку клеточные мембраны имеют незначительное сопротивление, зарядка клеточных мембран через внутриклеточные и внеклеточные процессы становится легче.Ток проходит через внеклеточную и внутриклеточную среды; следовательно, проводимость становится выше.
Дисперсия (выше 1 ГГц) . Область высокой проводимости в основном обусловлена разнообразием тканей (аминокислоты, нуклеиновые) и белковым раствором.
Основываясь на множестве опубликованных экспериментальных данных о тканях, уравнение Коула-Коула принято для прогнозирования изменения диэлектрических свойств ткани в зависимости от частоты: где — постоянная времени релаксации механизма поляризации в областях релаксации и — диэлектрическая проницаемость на частотах и соответственно.Уравнение (1) включает независимую от частоты часть, обусловленную ионной проводимостью, и зависящую от частоты часть, связанную с диэлектрической релаксацией. Однако из-за сложности как структуры, так и состава биологического материала область рассеяния может быть расширена многими механизмами. Таким образом, спектр ткани может быть более подходящим для описания множественной дисперсии Коула-Коула: где — статическая ионная проводимость. Комплексная проводимость и импеданс ткани рассчитываются по формуле
. На основании (2) и (3) электрические свойства ткани можно смоделировать эквивалентной схемой с обычными резисторами и конденсаторами, как показано на рисунке 5.

3.2. Модели распространения сигнала HBC
3.2.1. Модель цепи
Вегмюллер [41] разработал простую четырехполюсную модель цепи с шестью импедансами ткани тела и четырьмя импедансами электрод-кожа для низкочастотной (<1 МГц) гальванической связи HBC. Упрощенная схемная модель показана на рис. 6. Эта модель учитывает импедансы конечностей человека, такие как продольный () и поперечный () импедансы канала, а также электродно-кожный импеданс (), входной () и выходной импедансы ( ).Передаточная функция канала может быть описана следующим образом:

Помимо упрощенной схемной модели Вегмюллер [41] описал импеданс тела с помощью эквивалентной параллельной цепи сопротивления и емкости в соответствии с эталонной моделью Коула-Коула. Затем была разработана более сложная многослойная модель ткани (кожа, мышцы и кости). Каждая слоистая ткань состояла из поперечного и продольного импедансов с цепями Коула-Коула, соединенными в сетку. Сообщалось, что меньшая часть тока будет проходить через слой кожи между электродами, тогда как большая часть будет проводиться по более глубоким мышечным тканям.
Модель схемы кожи для емкостной и гальванической связи HBC была разработана Amparo Callejón et al. [37, 46]. В модели эквивалентная схема модели кожи может рассматриваться как линия передачи с потерями без индуктивного элемента. А для метода емкостной связи параметр модели (постоянная распространения и волновое сопротивление) также зависит от емкостного эффекта от внешнего пути возврата через землю [37]. Сообщалось, что затухание увеличивалось до 200 кГц и оставалось примерно постоянным для более высоких частот в ГВС с гальванической связью.Для емкостного HBC профиль полосы пропускания наблюдался в пределах 1~100 MHz. Модель схемы для этих двух методов связи также рассматривалась в [44], и было обнаружено, что схема с двумя электродами дает более высокий коэффициент усиления, чем схема с четырьмя электродами.
Недавно Kibret et al. [45] разработали модель эквивалентной схемы с конкретными антропометрическими показателями. Было обнаружено, что коэффициент усиления медленно растет по мере увеличения частоты с 200 кГц до 10 МГц, а фаза падает с 50° до 10° по мере увеличения частоты.
3.2.2. Метод конечных разностей во временной области (FDTD)
Fujii et al. использовали метод FDTD для расчета распределения электрического поля в теле человека [19, 49, 50]. Было обнаружено, что большая часть электрического поля сосредоточена вокруг кончика руки, а твердого фантома, эквивалентного биологической ткани, достаточно для имитации человеческого тела [19]. Аналогичные результаты были получены в работе [51] о том, что доминирующий сигнал находился на поверхности руки.
3.2.3. Метод конечных элементов (МКЭ) Метод
Xu et al.[35] предложил модель МКЭ с цепями для емкостной связи HBC. Человеческое тело рассматривалось как цепь резисторов с сосредоточенными параметрами, соединенных параллельно с конденсаторами с сосредоточенными параметрами. Усиление канала соответствовало профилю верхних частот, а емкость обратного тракта зависела от земли приемопередатчика, а также от внешней земли. Недавно Callejon и соавт. [20] исследовали распределение электрического поля и плотность тока с помощью МКЭ. Обнаружено, что электрическое поле сосредоточено в основном во внешнем слое плеча, а излучением можно пренебречь.Большая часть электрического тока в гальванической связи HBC проходит через мышцы.
3.2.4. Аналитическая электромагнитная модель
Аналитическая электромагнитная модель разработана путем решения уравнений Максвелла и конкретных граничных условий. Теоретическая модель, в которой предполагалось, что электрическое поле состоит из ближнего поля, индуктивного поля и дальнего поля, была предложена Bae et al. [52] для емкостной связи HBC. Моделирование квазистатического поля гальванической связи HBC было разработано Pun et al.[47, 53]. Усиление канала соответствует характеристике верхних частот в субМГц, а излучение сигнала в космос незначительно.
Сводка моделей распространения сигнала и их основные результаты представлены в таблице 2. Из таблицы модели распространения сигнала основаны на статическом поведении тела. В то время как для динамического поведения тела модель распространения сигнала еще не разработана.
9052 Модель FEM
Модель Метод связи Модель Модель Механизма Основные результаты
Эквивалентная цепная моделя, Hachisuka et al.[44] CAP-HBC & Gal-HBC модель четырехселенца модель четырехселенца с шестью импульсами более высокий прирост в Cap-HBC
Модель многослойной ткани, Wegmueller [41] Gal -HBC Эквивалентные цепи Коула-Коула Большинство токов мышечного поведения
Модель распределенной цепи, Amparo Callejón et al. [37] CAP-HBC & Gal-HBC Линия трансмиссии с потерями CAP-HBC: Bandpass Gain в 1-100 МГц
Gal-HBC: пиковое усиление в 20-50 кГц
Модель схемы, Kibret et al.[45] Gal-HBC Упрощенные многослойные схемы тканей Профиль высоких частот при усилении в диапазоне 0,2–10 МГц
Модель Distributed RC al. [31] Cap-HBC Каскадные блоки RC-цепи Профиль верхних частот по коэффициенту усиления в диапазоне 0,1–100 МГц
, Xet al. [35] Cap-HBC Корпус с моделью схемы Усиление верхних частот в диапазоне 10–100 МГц, корпус может уменьшить емкость обратного тракта[20] Gal-HBC Гармоническое уравнение непрерывности заряда, закон Гаусса Электрическое поле преимущественно во внешнем слое руки, электрический ток преимущественно в мышечном слое, затухание 20 дБ с дополнительным каналом длиной 5 см
Модель FDTD, Fujii et al. [19] Cap-HBC FDTD TX GND, усиленный сигнал электрода, электрическое поле ограничено кончиком плеча
Модель квазистатического поля, Pun et al.[47] Gal-HBC Квазистатическое поле,
Уравнение Максвелла Усиление верхних частот в субМГц
Электромагнитное поле, модель Bae et al. [52] Cap-HBC ХБЦ Гармоническое электромагнитное поле
Уравнение Максвелла Красно-полевой область: затухание сигнала зависит от, далекое приятное место: Удовлетворение сигнала Удовлетворение
66053
4.Характеристики канала и производительность связи систем HBC
Помимо модели распространения сигнала, одним из важных вопросов, связанных с передачей данных, является характеристика канала, которая обычно помогает нам выбрать подходящие параметры передачи, такие как полоса частот и методы модуляции. Далее обсуждаются характеристики канала.
4.1. Характеристики канала и параметры передачи
Из основных результатов модели распространения сигнала в целом анализируется усиление канала.Усиление канала обычно работает как полосовой [37] или высокочастотный [31, 45]. Кроме того, важны характеристики канала в статическом поведении тела, что и в динамическом поведении тела. Это связано с тем, что система HBC позволяет врачам или врачам получать доступ к физиологическим данным, не прерывая повседневную жизнь пациентов, в которой человеческое тело движется и совершает различные жесты (например, захват чашки, чтобы выпить), что, как ожидается, влияют на передачу данных. В результате экспериментального исследования было обнаружено, что крупномасштабное поведение тела, такое как ходьба, сидение и стояние, мало влияет на канал [54, 55].Поведение сустава, такое как сгибание или разгибание, может вызвать изменение усиления в пределах 2~5 дБ [56, 57], в то время как фаза практически не изменяется [57]. Анализ характеристик канала показан в Таблице 3. Как показано в Таблице 3, мало обсуждаются другие характеристики канала, такие как фаза, линейность канала и шум в канале. Согласно недавнему исследованию, фаза в канале HBC с гальванической связью имеет тенденцию к уменьшению [45, 58], в то время как шум в канале предполагается в основном из-за электронных компонентов [41] и интерфейса электрод-кожа [59], которые предполагается, что он следует свойству аддитивного белого гауссовского шума (AWGN).
9054
Прирост Фаза Линейность канала шума в канале Прирост
емкостную связь ЖСК
Статическое поведение тела Bandpass Профиль [31] Non NO NO 9053 9054 7 Влияние электрода [35]
Лучшие результаты в конечностях [54]
TX GND Electrode Укрепление сигнала [ 19]
Динамическое телосложение Чувствительный к движению [54, 55] Non Non Non
Совместное сгибание Причина Прирост Вариант в 2 дБ [96]
Гальваническая муфта HBC
Статическое поведение тела Большее усиление туловища и спины [54]
Профиль верхних частот [45]
Профиль верхних частот [59] Снижение [45] Линейный канал [59] GN 905 41, 59, 92]
Динамическое поведение тела Отсутствие чувствительности при сидении и ходьбе [54]
Увеличение при сгибании суставов [56] 553 70926 Большой эффект на суставы и бицепсы [70926] Уменьшение тенденции [57]
не чувствительный к движению [57] Non AWGN [57]
6
Параметры передачи, которые являются либо для испытаний условий экспериментов или спецификаций ( я.е. узкополосный или широкополосный), которые они выбрали для демонстрационной системы или для достижения наилучшей производительности, обычно выбираются на основе результатов профиля усиления канала. Выбор параметров в некоторых типичных литературных источниках обобщен в таблице 4. Параметры передачи, такие как несущая частота и метод модуляции, которые участвуют в разработке физического уровня, были выбраны на основе эмпирических результатов и анализа характеристик канала. Например, в [17] несущая частота и полоса пропускания определялись через частотную характеристику −3 дБ.В [32] 10 МГц было предложено в качестве подходящей несущей частоты из-за ее максимального усиления канала. Аналогичным образом в [60] определялся подходящий частотный диапазон (от 200 МГц до 600 МГц) для передачи, соответствующий наименьшим потерям на трассе. Из-за относительно плоского и высокого усиления канала в [41] была выбрана несущая частота 256 кГц и полоса пропускания 100 кГц; при этом мощность передачи в среднем распределялась в пределах этой полосы. Чтобы показать возможность достижения биомедицинских приложений в клинических испытаниях, BPSK и QPSK были выбраны для реализации в прототипе HBC [61].QPSK был выбран в качестве подходящего метода модуляции на основании результатов анализа аппаратной сложности [41]. На основании сравнительных измерений BPSK был выбран в качестве оптимального метода модуляции среди BPSK, QPSK, MSK и 16QAM [62]. Из Таблицы 4 выбор параметров передачи обычно основан на эмпирических результатах и результатах измерения рассеяния. Недавнее исследование [63] предлагает инновационный взгляд на выбор параметра передачи на основе теории пропускной способности канала; однако необходима дальнейшая экспериментальная проверка теории и анализа.
Литература Пригоден частота несущей Пригоден метод модуляции Цель селекции
Частота Руководство Модуляция Правило
Zimmerman [17] 300 кГц Диапазон −3 дБ OOK Простой Проверка узкополосной передачи
Hachisuka et.[32] 10.7 MHZ Максимальный прирост FSK Simight Минимизируйте потребление мощности
Ruiz и Shimamoto [65] 200 МГц Максимальный выигрыш MSK Эмпирические результаты Найти Подходящая модуляция метод
Wegmueller [41] 256 KHZ High Gain QPSK Сложность оборудования тест HBC трансивера
Wegmueller et al.[61]. [62]. [60] 200-600 MHZ Потеря низкой дорожки OOK AOK Экономия мощности Оптимизация чипа SOC
4.2. Коммуникационные характеристики систем HBC
Коммуникационные характеристики систем HBC исследовались с помощью моделирования [37] и экспериментов [17, 61, 64, 65]. Также было разработано множество прототипов [32, 41, 60] для достижения различных характеристик связи. Различные параметры передачи (несущая частота, схема модуляции и мощность передачи) были приняты для достижения различных скоростей передачи данных.
Для емкостной связи HBC в работе [17] исследовались узкополосная модуляционная двухпозиционная манипуляция (OOK) и широкополосная сигнализация с прямым расширением спектра (DSSS).OOK оказался более эффективным и простым в реализации, и была получена скорость передачи данных 2,4 кбит/с при несущей частоте 330 кГц и полосе пропускания 400 кГц. Скорость передачи данных была увеличена до 9,6 кбит/с за счет использования модуляции с частотной манипуляцией (FSK) в [66, 67]. Более высокая скорость передачи данных 38,4 кбит/с была достигнута при несущей частоте 160 кГц в [68]. С 2006 года начались эксперименты по получению скорости передачи данных около Мбит/с. Согласно Ruiz и Shimamoto [69], полученная мощность может быть смоделирована как нормальное распределение.Методы модуляции BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM и MSK обеспечивают диапазон скоростей передачи символов от 100 kps до 5 Msps при мощности передачи 15 dBm и несущей частоте 200 MHz [21, 65]. Хотя MSK достигла наилучшей производительности [65], это была наиболее разумная схема модуляции, так что качество модуляции снижалось по мере увеличения скорости передачи символов [21]. Скорость передачи данных 5 Мбит/с была достигнута в [70] с использованием модуляции OOK/FSK. При использовании демодулятора BPSK с автоподстройкой задержки скорость передачи данных составляет от 164 кбит/с до 1.Скорость 313 Мбит/с была достигнута при мощности передачи 1,4 мВт в приемопередатчике HBC, разработанном Cho et al. [71]. Позже эта исследовательская группа внедрила 65-нм КМОП-трансивер HBC [72] как для развлечений, так и для здравоохранения; в последнем случае скорость передачи данных 100 кбит/с была достигнута при низкой мощности передачи 21 μ Вт. С помощью широкополосной импульсной системы на кристалле (SOC) приемопередатчик был реализован Song et al. [73], и чип получил скорость передачи данных 2 Мбит/с в диапазоне частот от 10 кГц до 100 МГц.Используя DSSS и модуляцию FSK со скачкообразной перестройкой частоты, скорость передачи данных была увеличена до 10 Мбит/с в [74] и в [75]. При других широкополосных модуляциях, таких как частотно-селективное расширение Уолша и UWB, скорость передачи данных достигала 2 Мбит/с [76] и 5 Мбит/с [77, 78]. Недавно Chung et al. разработали широкополосный сигнальный приемопередатчик HBC с высокой скоростью передачи данных от 1 до 40 Мбит/с. [79].
Для гальванической связи HBC первый прототип достиг скорости всего 0,9 кбит/с за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [38].Скорость передачи данных 9,6 кбит/с была получена при использовании модуляции FSK с несущей частотой 10,7 МГц [32, 40]. Новый компонентный электрооптический датчик был введен в приемопередатчик Shinagawa et al. [80]; была достигнута скорость передачи данных 10 Мбит/с. Сравнение схем модуляции FSK и BPSK было проведено Wegmueller et al. [43]. Было обнаружено, что при входном токе 2 мА BPSK и FSK обеспечивают скорость передачи данных 255 и 128 кбит/с соответственно. При SNR 6 дБ [61] как BPSK, так и QPSK достигли скорости передачи данных 64 кбит/с и BER 0,000000000 бит/с.BPSK и QPSK были подходящими схемами модуляции среди PSK, FSK и QAM [41] в гальванической связи HBC. Согласно Zhu et al. [64], минимальная мощность передачи -17,8 дБм была использована для достижения скорости передачи данных 10 Мбит/с и BER . Прототип SOC от Lin et al. [60] получили скорость передачи данных 2 Мбит/с при использовании OOK с мощностью передачи -4 дБм.
Скорости передачи данных в экспериментах и прототипах представлены и сравнены в таблице 5. Существует общая тенденция увеличения скорости передачи данных с кбит/с до Мбит/с с 2000 года.Как правило, дальность передачи системы HBC с емкостной связью составляет от нескольких десятков до сотен сантиметров. Однако гальваническая связь HBC передает на более короткое расстояние около десятков сантиметров и с более низкой скоростью передачи данных, чем емкостная связь HBC. Отмечается, что емкостная связь HBC может передавать с широкополосной сигнализацией, которая может обеспечить высокую скорость передачи данных, но требует большой полосы пропускания.
W) 9
литература (авторы, год) TX мощность мощность скорость канала Данные TX расстояние Метод Modulation
емкостная связь HBC
Циммерман [17], 1995 — 417 кбит/с 2.4 кбит/с — OOK
Пост и др. [66]. [67], 2000 — — 9,6 кбит/с — FSK
Partridge et al. [68].[80]. [73], 2006 — — 2 Мбит/с — Широкополосный
Zhu et al. [64]. [75], 2009 −5 дБм — 10 Мбит/с 120 см Широкополосный
Zhang et al.[62]. [70]. [78], 2012 — — 2 Мбит/с 170 см Широкополосный
Cho et al. [71], 2014 1,4 дБм (или 1,4 мВт) — 164 кбит/с~1.313 Мбит/с — BPSK
Чо и др. [72], 2015 -16.7 дБм (или 21 μ W) — 100 кбит / с — OOK
Chung et al. [79], 2016 — — — — 1 Мбит / с ~ 40 Мбит / с —
Гэльваническая муфта HBC
Handa et al.[38], 1997 −21 дБм — 0,9 кбит/с 40 см ШИМ
Hachisuka al.et. [40]. [43], 2005 -3 DBM — 255 KBPS 10 ~ 15 см 10 ~ 15 см BPSK
Ruiz и Shimamoto [65], 2006 15 дБм — 2 Мбит / с 20 см QPSK
Вегмюллер [41], 2007 −6 дБм 1.23 Мбит/с 64 кбит/с 10~25 см QPSK
Lin et al. [60]. [92], 2013 -5 ДБМ — 200 Кбит / с 6 см QPSK
4.3. Применение HBC
Прототипы HBC применялись для передачи данных в здравоохранении.Например, Ханда и др. [38] разработали прототип гальванической связи HBC для передачи сигнала ЭКГ от грудной клетки к конечностям. Позже был применен прототип [40] гальванической связи HBC для передачи частоты сердечных сокращений и SpO2. Ю и др. [81] внедрили систему HBC для передачи ЭКГ и артериального давления. А микросхема SOC для передачи сигнала ЭКГ была разработана Lin et al. [60].
Недавно было обнаружено, что характеристики канала в HBC, такие как усиление и фаза, имеют большое значение для некоторых физиологических параметров, таких как сокращение или расслабление мышц, гидратация жидкости организма и обезвоживание.Основываясь на этих принципах, система HBC с гальванической связью была адаптирована для измерения некоторых физиологических параметров. Например, качественная скорость гидратации и обезвоживания, зависящая от физиологического состояния и метаболического равновесия, может быть получена с помощью гальванически связанного распространения сигнала HBC [82]. Этот механизм был использован для оценки жидкости организма [82] и помогает в диагностике и лечении заболеваний жидкости, таких как лимфедема. Согласно Чену и соавт. [57], вариация усиления имеет большое значение при сгибании сустава.Взаимосвязь между углом соединения и изменением коэффициента усиления в канале была установлена с использованием метода подгонки полиномиальной кривой [83]. Полученное соотношение затем используется для оценки угла сустава [83], которую можно применять для контроля протеза и анализа походки.
5. Соображения безопасности и экспериментальные вопросы
Во время эксперимента in vivo HBC электрические сигналы подаются в тело человека с помощью электродов, что может представлять потенциальный риск для здоровья человека, например опасность поражения электрическим током. и вопросы безопасности при использовании электродов.
5.1. Правила техники безопасности
Всякий раз, когда в организм человека подается любая форма энергии, важно понимать, какой риск может возникнуть в результате воздействия энергии на внутренние ткани. Самый очевидный эффект — нагрев. Поскольку при распространении сигнала значительная часть энергии поглощается и преобразуется в тепло, это потенциально может привести к повышению температуры. Что еще более важно, интенсивность индуцированного тока на определенной частоте определяет интенсивность электрического удара через тело.Приложенный электрический ток или напряжение на теле человека должны соответствовать стандарту IEEE Std. C95.1 2005 [84] и рекомендации Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) [85]. IEEE Std. C95.1 2005 более подробно описывает уровни безопасности в отношении воздействия на организм человека радиочастотного электромагнитного поля. Например, ограничение электрического поля между 100 кГц и 3 ГГц в локализованном человеческом теле, таком как конечности и ушные раковины, должно быть (где определяется как объем ткани в форме куба) [84].Максимальный безвредный индуцированный ток в СВЧ должен быть ниже 20 мА в диапазоне частот от 100 кГц до 110 МГц (облучение населения) [85].
5.2. Электроды
HBC работает без антенны; вместо этого электроды используются для передачи сигнала в тело человека. Согласно литературным данным, электроды Ag/AgCl обычно используются в системах HBC [44, 54, 60, 86]. Для электрода Ag/AgCl основным процессом, происходящим на границе электрод-кожа, является превращение носителей заряда между электронами и ионами.А превращение регулируется химической реакцией восстановления и окисления [87], которую можно описать следующим образом:
Также рекомендуются электроды из материалов, безопасных для человеческого организма, например, угольно-графитовые электроды [57, 59]. В работе [39] использовались платиновые электроды, так как платиновый электрод обычно используется для стимуляции сигналом [88]. Использовались некоторые другие электроды, такие как медь и алюминий [54].
5.3. Стратегии заземления
Результаты теоретических моделей или анализа HBC должны быть проверены с помощью экспериментов in vivo или in vitro , в которых система измерения обычно включает заземленные электрические устройства, такие как генератор сигналов, осциллограф, сеть анализатор и анализатор спектра.Более одного пути заземления между двумя частями оборудования (такими как генератор сигналов на передатчике и осциллограф на приемнике) ведут к разным местам точек «Земли», которые, как ожидается, будут иметь одинаковый потенциал, но на самом деле они могут иметь разные значения. потенциалы из-за ненулевого импеданса соединяемых кабелей. Разница импеданса заземления системы приводит к тому, что потенциал заземления на входе приемника BNC-разъема не совпадает с потенциалом заземления системы или передатчика.Эта разность потенциалов или нежелательный сигнал заземления может варьироваться от микровольт до сотен милливольт. Этот нежелательный сигнал наземного пути обычно существует параллельно с истинным обратным наземным путем сигнала HBC (обратите внимание, что этот нежелательный сигнал наземного пути не существует в реальной системе HBC с независимым приемопередатчиком с батарейным питанием). На рис. 7 показаны сигналы наземного тракта типичной системы измерения HBC с гальванической связью. Приемник относится к измерению от корпуса входного разъема BNC; отображаемая форма сигнала может не соответствовать реальному сигналу на входе пробника, что может привести к неправильным результатам измерения на приемнике.

Чтобы свести к минимуму или уменьшить нежелательный сигнал на пути заземления, необходимы соответствующие стратегии заземления. Как правило, следует использовать симметрирующий трансформатор или дифференциальный усилитель. Типичная измерительная система с балунами на передатчике и приемнике для гальванической связи HBC показана на рисунке 8(a). В измерительной системе с симметрирующим трансформатором на уменьшение нежелательного сигнала на землю влияет межобмоточная емкость (IWC) между первичной и вторичной обмотками [34, 89, 90].Чем ниже IWC, тем ниже измеренные результаты [89]. Согласно недавним исследованиям, на результат измерения также влияет симметрия симметрирующего трансформатора относительно земли [91]. Типичными измерительными системами, использующими балун, являются [54, 64]. Схема измерительной системы с дифференциальным датчиком показана на рис. 8(b). Обнаруженный потенциал на соответствующем выводе дифференциального пробника относится к одной и той же/общей точке заземления, что устраняет синфазное напряжение, воспринимаемое импедансом заземления системы.При использовании дифференциального пробника, который всегда содержит дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления в несколько дБ, можно получить удовлетворительные характеристики приема. Как правило, дифференциальный датчик всегда используется в системе HBC с гальванической связью, такой как [57, 59, 92].

(a) С балуном
(b) С дифференциальным датчиком
(a) С балуном
(b) С дифференциальным датчиком
были рассмотрены в этой статье.HBC — это метод беспроводной связи малого радиуса действия без радиочастот, определенный IEEE 802.15.6, использующий человеческое тело в качестве среды передачи. В этой работе мы рассмотрели текущие методы связи HBC, различные модели распространения сигнала и производительность связи. Наконец, вопросы эксперимента
in vivo , такие как типы электродов и проблемы с заземлением, были проработаны, чтобы сделать эксперимент in vivo безопасным и точным.
В последних системах HBC емкостная связь HBC работает в более высокой полосе частот, и, таким образом, может быть достигнута более высокая скорость передачи данных.Гальваническая связь HBC работает в относительно более низком диапазоне частот и обеспечивает меньшую скорость передачи данных, но ее преимущества заключаются в минимизации помех от окружающей среды. Усиление канала HBC ведет себя как полоса пропускания или фильтр верхних частот в другой полосе частот, что указывает на то, что необходимо предложить правило или руководство по выбору подходящей полосы частот для передачи данных. В своем нынешнем виде метод HBC потенциально предлагает более энергоэффективный и естественно безопасный метод связи для BAN.Сигнал в основном передается в мышечной ткани. Хотя HBC имеет много преимуществ, многие проблемы и будущие исследования еще предстоит решить.
6.1. Моделирование канала
Следует разработать подходящую модель канала, учитывающую влияние соединения (т. е. структуру и электрические свойства соединения). Кроме того, изменение угла соединения приводит к изменению коэффициента усиления канала; следовательно, разработка модели канала, которая может охватывать характеристики канала в динамическом поведении тела, была бы хорошей темой исследования.Также должна быть разработана подходящая модель канала для канала HBC с большим расстоянием передачи (т. е. вся верхняя конечность, от левой до правой руки). Помимо каналов на теле, модель канала для имплантируемой передачи данных должна стать темой будущих исследований. Более того, характеристики канала HBC были оценены в литературе на молодых субъектах. Однако расследование в отношении пожилых людей еще не проводилось. И разработка системы HBC для удовлетворения всех свойств отдельных каналов, таких как канал HBC толстого, худого, молодого и пожилого субъекта, является сложной задачей.Кроме того, исследуются модели распространения сигнала в одноканальных приложениях, таких как только ЭКГ или только артериальное давление. Однако то, как применять модель канала в многоканальных приложениях, еще не обсуждалось.
6.2. Конструкция системы
Принимая во внимание конструкцию системы HBC, достижение пропускной способности канала является сложной задачей. Несмотря на то, что система с несколькими несущими с оптимальным распределением мощности может обеспечить пропускную способность, система с несколькими несущими может привести к высокому отношению пиковой мощности к средней.Поэтому предпочтительнее разработать систему с одной несущей для приложений HBC. Затем, как спроектировать систему с одной несущей для достижения пропускной способности канала и удовлетворения особых требований к приложениям (высокое качество обслуживания, низкое энергопотребление и низкая аппаратная сложность), является темой будущих исследований.
6.3. Схема MAC-уровня
В основе создания BAN лежит двухточечная передача данных. Реальность BAN обычно представляет собой топологию «точка-многоточка». Как применить результаты на канале HBC (передача данных «точка-точка»), чтобы обеспечить анализ производительности «точка-многоточка», является темой будущих исследований.Помимо конструкции физического уровня, следует рассмотреть структуру протокола на более высоких уровнях, то есть на уровне MAC. Что касается проблемы с сетью, предлагается изучить вопросы безопасности и управления питанием.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов
Цзянь Фэн Чжао задумал исследование, помог составить черновик рукописи и занимался получением финансирования. Си Мэй Чен разработал и провел эксперименты, проанализировал данные и составил рукопись.Бо Дун Лян помог собрать данные и составить рукопись. Цю Ся Чен помогал собирать данные, занимался получением финансирования и обосновывал авторство. Все авторы прочитали и одобрили эту рукопись.
Благодарности
Авторы хотели бы выразить благодарность за финансовую поддержку Шэньчжэньского научно-технического комитета по инновациям (№ JCYJ201604214252, JCYJ20160527162817715 и JCYJ20160407160609492), научно-технического плана провинции Гуандун.2016A010101039) и Shenzhen Polytechnic (№№ 601522k30007 и 601522K30015).
Как клетки воспринимают внешний мир и реагируют на него
Обнаруженный ими механизм, известный как двухтактное управление, представляет собой способ «передачи точного символа через мешочки с липкой массой [т.
Как бы нелогично это ни казалось, существование двухтактного контроля в этих типах сигнальных путей может объяснить, почему некоторые лекарства от рака действуют так, как они, говорят исследователи.
«Кажется, ветхая» система
Брент, Эндрюс и их коллеги изучают определенный тип информационного каскада, в котором клетка должна сообщать своей ДНК не только о том, что происходит на ее поверхности, но и о величине этого внешнего события.
В наших клетках и у более простых существ существует много таких ситуаций, когда клетка должна по-разному реагировать на разное количество сигнала окружающей среды. Например: чувствительные к инсулину жировые клетки в нашем организме масштабируют преобразование сахара в запасы жира в ответ на повышение уровня гормона инсулина.Или, в случае с тем типом клеток, который изучают Брент, Эндрюс и их коллеги, одноклеточные дрожжи, ищущие себе пару, реагируют на самый высокий уровень брачного феромона в их окружении, растя в этом направлении, реакция окружающей среды, которая требует точного изменения примерно в 200 генах дрожжей.
Клетки крошечные, особенно клетки дрожжей, но расстояние в несколько дюймов между поверхностью клетки и ее генами огромно, если учесть, что любая передаваемая информация основана на случайном столкновении молекул, когда они проплывают сквозь жидкое содержимое клетки.
«Кажется, ветхий; это кажется хаотичным», — сказал Брент. «Ни один дизайнер-человек никогда не спроектирует такую систему».
Учитывая случайность, присущую сотовой передаче информации, неудивительно, что клетки не используют ту же технику, которую использовал бы человек-инженер. Но в предыдущем исследовании, опубликованном в журнале Nature в 2008 году, Брент и его коллеги нашли некоторые доказательства существования логического метода.
По словам Брента, для разработки системы передачи информации, которая точно передает как то, что представляет собой сигнал, так и его величину, люди обычно используют нечто, известное как управление с обратной связью с обратной связью.При управлении с обратной связью выходные данные системы, образно говоря, возвращаются назад, чтобы влиять на деятельность самой системы.
Подумайте о системе отопления в вашем доме, сказал Брент. Когда температура в помещении падает ниже определенного порога, печь включается и производит тепло. Когда в комнате становится достаточно тепло, термостат выключает печь.
У дрожжей при передаче информации через каскад феромон-реакция каждый участвующий белок активирует нижестоящего партнера — начиная с белка, который находится на поверхности клетки и распознает молекулы феромона в окружающей среде, и заканчивая белками, изменяющими активность гены, участвующие в спаривании.В своем исследовании 2008 года исследователи обнаружили, что одна часть этого пути демонстрировала то, что выглядело как контроль с отрицательной обратной связью, как печь и термостат.
«Мы нашли пример отрицательной обратной связи в системе и были так взволнованы, что решили, что это должно быть ключом ко вселенной», — сказал Брент.
Итак, Эндрюс решил смоделировать всю систему, чтобы более точно определить механизм. И вот тогда их теория замкнутой обратной связи развалилась.
Активность так называемых «неактивных» молекул
Чтобы понять механизм, Эндрюс разработал компьютерную программу, которая в целом имитирует систему реакции дрожжей на феромоны. Он спросил, какой тип сигнального каскада обеспечивает такое же согласование между входом и выходом, какое демонстрируют живые клетки. Основываясь на их прошлом исследовании, одной из первых моделей, которые они опробовали, была своего рода отрицательная обратная связь, для которой они видели доказательства.
«Это было удивительно — это должно было сработать, но не сработало, — сказал Эндрюс.
Получение ответа с этого момента заняло много лет и много вычислительной мощности, сказал он. Вместо того, чтобы ответить на относительно простой вопрос: «Может ли эта модель сделать это? Ответ — да или нет», — сказал Эндрюс, им нужно было спросить, какой механизм, выбранный из бесконечного числа возможных вариантов, соответствует экспериментальным данным. «Поэтому это была огромная проблема», — сказал он.
Перебирая разные механизмы, модели и параметры, исследователи протестировали 30 различных типов механизмов и миллионы различных моделей.
«Все они провалились. Кроме одного, — сказал Эндрюс.
Механизм выигрыша известен как двухтактное управление, и это немного необычно. В двухтактном режиме «неактивные» формы белков в информационном каскаде активно отключают предшествующие им шаги, в то время как активные формы включают эти шаги. Их открытие поднимает вопрос о том, правильно ли вообще называть эти белки неактивными, сказал Эндрюс.
«Активное вещество что-то делает, неактивное мало что делает, это предположение», — сказал он.«Здесь есть своего рода большой сдвиг. Мы говорим, подождите минутку, мы думаем, что неактивная форма на самом деле гораздо важнее, чем мы думаем».
Есть намеки на то, что двухтактное управление существует в природе. Есть доказательства этого в растениях, и сотрудники Фреда Хатча из Института физиологии, молекулярной биологии и неврологии в Буэнос-Айресе, Аргентина, подтвердили эти результаты вычислений на живых дрожжах, сказал Брент.
И их результаты также имеют биологическую связь с человеческим раком.Путь восприятия феромонов дрожжей тесно связан с сигнальной системой человека, известной как путь рецептора эпидермального фактора роста или EGFR. Мутации в белке EGFR обычно обнаруживаются при некоторых видах рака, включая немелкоклеточный рак легкого, глиобластому и рак головы и шеи — эти мутации переводят систему в режим перегрузки, заставляя клетки бесконтрольно расти и делиться и в конечном итоге превращаться в опухоли.
Некоторые противораковые препараты блокируют промежуточные этапы пути EGFR, такие как траметиниб, сорафениб и вемурафениб.И эти лекарства не работали бы так, как они работают, если бы в пути EGFR происходила замкнутая обратная связь. Поскольку мутации, вызывающие рак, приводят к гиперактивности белка EGFR, контроль обратной связи с обратной связью в пути перевешивает действие лекарств, блокирующих шаги ниже по течению от EGFR. Но лекарства работают, а это означает, что, возможно, двухтактный контроль может управлять и этой человеческой системой, сказал Брент.
Это просто предположение, сказал он, но, основываясь на их выводах о дрожжах, «это сильное предположение.
.

Первая сигнальная система человека: Первая сигнальная система — определение. Первая сигнальная система человека по Павлову

Первая сигнальная система — определение. Первая сигнальная система человека по Павлову

Как это происходит у животных?

Типы нервной деятельности

Что такое сигнальные системы?

Особенности первой сигнальной системы

Локализация сигнальных систем

Взаимосвязь между сигнальными системами

Стадии развития

Смена ролей

Значение

Что такое первая и вторая сигнальные системы — Биология человека

Первая сигнальная система. Формирование условных рефлексов.

6.5. Первая и вторая сигнальные системы. Возрастная анатомия и физиология

Читайте также

Аксиома вторая

Вторая натура

Стадия вторая: покорность

Часть вторая. ЧЕРДАК МИРА

Как действуют сигнальные факторы

Вторая интермедия: ископаемые в янтаре

Глава вторая Об отражении

Книга вторая

Глава вторая

Вторая интермедия: о сбруе и подковах

Результаты: часть вторая

что значит, чем представлены, характеристики

Особенности высшей нервной деятельности человека

Первая и вторая сигнальные системы

Чем представлены сигнальные системы в организме

Сравнение систем

Взаимодействие между первой и второй сигнальными системами

Особенности высшей нервной деятельности человека

Физиология нервной системы

1-я и 2-я сигнальная система кратко

Познавательная деятельность человека по психологии лекция краткое содержание

Первая и вторая сигнальные системы человека биология

Вторая сигнальная система доклад конспект

Вторая сигнальная система и познавательная деятельность

Докажите, что познавательная деятельность для человека не менее важная, чем удовлетворение биологических потреб­ностей.

Обоснуйте значение и особенности функ­ционирования первой сигнальной системы.

Про­анализируйте значение и особенности функциониро­вания второй сигнальной системы.

Приведите при­меры взаимодействия первой и второй сигнальных систем.

Ранние начинания — появление сложных сигнальных систем и межклеточных коммуникаций | Клеточная связь и сигнализация

В эволюции сигнала, что первично: сигнал или реакция? | Накопление глюков

Передача сигналов нервными клетками восходит к общему предку человека и актинии

Сигналы раннего предупреждения об изменении режима в сопряженных системах «человек-окружающая среда»

Сдвиги режима в связанных системах «человек-окружающая среда».

Сигналы раннего предупреждения.

Цель и обоснование.

Модель динамики окружающей среды

Модель социальной динамики

Модель связанной системы «человек-окружающая среда»

Richer Dynamics.

Неоднозначные и приглушенные сигналы раннего предупреждения.

Саморазвивающаяся критичность.

Обсуждение

Охотники за инопланетянами обнаруживают таинственный сигнал с Проксимы Центавра

Модель распространения сигнала, эффективность связи и экспериментальные вопросы

1. Введение

2. Развитие коммуникации человеческого тела

2.1. История электрических свойств и тканей человека

2.2. Методы связывания HBC и их первые попытки

2.2.1. Емкостная связь HBC

2.2.2. Гальваническая связь HBC

3. Электрические свойства тканей человека и модели распространения сигнала HBC

3.1. Электрические свойства тканей

3.2. Модели распространения сигнала HBC

3.2.1. Модель цепи

3.2.2. Метод конечных разностей во временной области (FDTD)

3.2.3. Метод конечных элементов (МКЭ) Метод

3.2.4. Аналитическая электромагнитная модель

4.Характеристики канала и производительность связи систем HBC

4.1. Характеристики канала и параметры передачи

4.2. Коммуникационные характеристики систем HBC

4.3. Применение HBC

5. Соображения безопасности и экспериментальные вопросы

5.1. Правила техники безопасности

5.2. Электроды

5.3. Стратегии заземления

Докажите, что познавательная деятельность для человека не менее важная, чем удовлетворение биологических потребностей.

Обоснуйте значение и особенности функционирования первой сигнальной системы.

Проанализируйте значение и особенности функционирования второй сигнальной системы.

Приведите примеры взаимодействия первой и второй сигнальных систем.