Указания места дисциплины в структуре образовательной программы

Цель дисциплины

Целью изучения дисциплины «физиологическая кибернетика» является овладение знаниями и умениями анализа функционирования физиологических систем организма с кибернетической точки зрения на основе современных представлений протекания информационных и энергетических процессов в организме человека в норме и патологии, получения, накопления и анализа информации в ходе медико-биологических исследований, математического и компьютерного моделирований и прогнозирования с помощью интеллектуальных систем поддержки принятия решений.

Задачи дисциплины.

- приобретение знаний об основных принципах и методах математического моделирования процессов, происходящих в организме человека в физиологических системах различного уровня организации в норме, патологии и под воздействием терапевтических процедур, с кибернетических методологических подходов;

- освоение практических методов компьютерной реализации и исследования математических моделей физиологических систем и процессов;

- изучение примеров использования математических моделей кибернетического характера физиологических систем и процессов для решения задач в различных областях медицинской науки и практики,

- формирование представлений об использовании приобретенных компетенций при разработке новых диагностических и лечебных технологий.

- формирование у студентов навыков исследовательской работы с научной литературой, различных информационных источников (включая статистические обзоры и медицинские базы данных), умений представлять результаты проведенных исследований (включая оформление презентаций и публичные выступления в коллективе).

 

1.3Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине, соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы.

Обучающиеся должны:

-Знать: Представление о живых организмах как кибернетические системах. Система «человек-машина». Структурные и функциональные особенности организации биологических систем. Макро- и микроуровни. Функциональные основы самоорганизации. Роль обратных связей в живых системах. Нейрофизиологические предпосылки принятия решения. Физиология формирования и развития функциональных состояний оператора. Внутренняя среда организма как кибернетическая система. Нервные механизмы передачи информации. Механизмы памяти. Агробиоценоз. Живые организмы в магнитном поле. Система индивидуального контроля физиологических функций. Развитие двигательной функции в живых системах. Мышечное движение. Биоэнергетика мышечного сокращения. Система регуляции двигательными актами. Устойчивое термодинамическое равновесие. Иерархическая организация. Активность живых систем. Целесообразность саморегуляции. Классификация механизмов саморегуляции. Сущность психической формы отражения действительности. Методы описания функционального состояния. Эволюция рефлекторного управления. Клетка как система целесообразного саморегулирования. Гомеостаз. Поглощение, синтез, выделение вещества и энергии у растений. Влияние биотропных гелиогеофизических факторов на живые системы. Колебания (автоколебания) биологических объектов. Регуляция позы человека. Механизмы эволюции и саморегуляции жизни. Биокибернетическое определение эволюции. Управление дифференцировкой клеток. Регулирование процесса онтогенеза. Деструктивная форма видовой саморегуляции. Функциональное состояние и окружающая среда. Условно-рефлекторноесамопрограммирование поведения. Нейронная организация центральных нервных механизмов управления и связи. Функциональная организация нейрона. Растения: транспорт вещества.

Хаос и фракталы в физиологии человеческого организма. Неспецифические реакции живого вещества на изменения в среде. Действия вибрации и звука на биологические объекты. Информационные воздействия на индивидуальное и массовое сознание. Регуляция изображения на сетчатке. Системы регуляции метаболизма у растений. Принципы функционирования физиологических систем: целесообразности; эволюционный; регуляции физиологических функций; адаптивности. Системный подход и его значение. Функциональные системы – как аппарат саморегуляции – универсальный принцип изучения уровней биологической организации. Система и результат. Результат как критерий для оценки кибернетической закономерности. Интегративная деятельность мозга. Афферентный синтез, стадии афферентного синтеза. Формирование действия и аппарат предсказания. Обратная афферентация. Результат функционирования акцепторов результата действия. Функциональные системы как логические модели. Классификация функциональных состояний по: уровню адаптированности к условиям внешней среды, критериям надежности и цены деятельности, критерию адекватности формируемого состояния человека требованиям выполняемой деятельности, степени напряженности регуляторных механизмов гомеостаза, активности.

Самоорганизация в системе клеточного метаболизма. Гуморальное управление. Эндокринные регуляторы. Многоконтурное регулирование на примере гипофиза. Модели нейронов. Модели прироста и регуляции биомассы. Регуляция фотосинтеза и дыхания растений. Правила анализа физиологических систем: АСС – анализ системы структурный, АСФ – анализ системы функциональный, САС – сравнительный анализ систем, АРР-ВС – анализ различных результатов взаимодействия систем. Моделирование функциональных систем. Функциональные состояния оператора в профессиональной деятельности: оперативный покой, тревожность, монотония, психоэмоциональный стресс, психическая напряженность, утомление. Логическая деятельность мозга. Метаболические осцилляторы и циклы. Нейронная организация проекционных структур анализаторов. Нейронные ансамбли. Модели нейронной организации аналитико-статистических процессов в коре мозга. Моделирование деятельности сердечно-сосудистой системы. Математические модели регуляции дыханием. Моделирование и объективная оценка системных механизмов психической деятельности. Обучающие матрицы. Самообучающие системы. «Биологические часы». Виды гемостатов. Понятие об эритроне. Сравнение искусственных и естественных нейронных сетей. Модель роста биомассы (на примере травы). Модели взаимодействия внутренних структур организма с поверхностными проекционными зонами. Показатели качества диагностики. Концептуальная схема стабилизации функционального состояния оператора системы «человек-машина». Модели и программные средства расчета прироста и регуляции биомассы. Человек – как звено эргатической системы. Управление в системе кровообращения. Управление искусственным кровообращением. Регуляция в системе органов дыхания. Регуляция обменом веществ. Терморегуляция. Синергия оплодотворения. Способность организма к регенерации. Искусственные иммунные сети. Экспериментальные исследования биологического действия электромагнитных полей.одели дыхательного хемостата на аналоговых вычислительных машинах. Базовые принципы диагностики и контроля функционального состояния. Система искусственного управления движениями (программные и аппаратные средства). Врожденные пороков развития – как лакмус реакции человеческого организма на длительное влияние окружающей среды на социум. Информационный эквивалент функциональных систем. Исполнительные механизмы функциональных систем. Системогенез. Моделирование и анализ: управление в системе кровообращения, управление искусственным кровообращением, регуляция в системе органов дыхания, регуляция обменом веществ, терморегуляция. Целенаправленный случайный поиск, эвристическое принятие решений и программы поведения. Алгоритм управления системы поддержки врача рефлексотерапевта. Возможности внешнего и внутреннего антропогенного управления региональной заболеваемостью. Проблемы моделирования когнитивной эволюции. Трудовая деятельность человека. Теория функциональных систем и системная психофизиология. Субъект деятельности и обратная связь. Реакция сообщества людей в регионе на экологический статус. Информационная микропроцессорная аппаратура регистрации и сигнализации состояний жизненно важных физиологических функций: устройство непрерывного индивидуального слежения за деятельностью сердца, устройство индивидуального самоконтроля эмоционального стресса у человека, устройство контроля фаз сна, устройство автоматического контроля оптимального питания, миниатюрные приборы измерения артериального давления и гигроскопических измерений изменения положения биообъекта. Реакция сообщества людей в регионе на экологический статус. Структура и саморегуляция биологических макросистем. Экзоскелеты – как кибернетические биотехнические системы.

- Уметь:анализировать условия гомеостаза физиологических систем; выделять автоколебательные процессы в ходе анализа биомедицинских сигналов, проводить эксперименты по исследованию рефлексов организма; составлять структурные схемы индивидуального контроля физиологических функций организма, анализировать кибернетику двигательных функций и мышечного сокращения; составлять кибернетические (информационно-аналитические) модели физиологических систем организма и агробиоценоза; использовать методологии самоорганизации и системного анализа в исследовании поведения физиологических и функциональных систем организма; представлять в виде информационно-аналитических моделей различные механизмы памяти; синтезировать и анализировать в ходе имитационного моделирования кибернетического представления физиологических процессов у растений, исследовать реакцию биообъекта на физическую среду; моделировать информационное воздействие на сознание; описывать процесс регуляции изображения на сетчатке; задавать параметры и ограничения, коэффициенты подобия и правила верификации математических и логических кибернетических моделей, отражающих функционирование физиологических систем организма и в растительном мире; осуществлять классификацию функциональных состояний организма, моделировать прирост биомассы, анализировать самоорганизационные модели клеточного метаболизма, гуморального и эндокринного управления, описывать модель гипофиза; Анализировать на основе имитационных моделей механизм действия лекарственных веществ (компартментальные модели), выявлять информативные признаки (параметры) кибернетической модели типа «черный ящик»; проводить качественный анализ пактов прикладных программ для анализа кибернетических моделей физиологических систем на устойчивость и реакцию на внешнее воздействие; обрабатывать экспериментальные и клинико-диагностические данные, характеризующие поведение физиологического прототипа кибернетических моделей; ставить задачи на применение ИНС и методов мягких вычислений при моделировании процессов управления кровообращения дыхания, обмена веществ, терморегуляции; планировать и осуществлять эксперименты по анализу влияния электромагнитных полей на функционирование отдельных физиологических систем и организма в целом; оптимизировать параметры моделей дыхательного хемостата, синтезировать прогностические кибернетические модели физиологических систем; планировать и проводить эксперименты по исследованию систем управления искусственного кровообращения, органов дыхания («задержка дыхания»), терморегуляции; планировать и осуществлять эксперименты анализа открытых, сложных и живых систем на основе методологий целенаправленного случайного поиска и эвристик; разрабатывать информационно-аналитические модели кибернетического характера функциональных и физиологических систем организма; анализировать иерархические кибернетические модели саморегуляции биологических макросистем; ставить задачи и определять эксплуатационные характеристики экзоскелетов как составляющих кибернетических БТС.

-Владеть: пакетами прикладных программ, позволяющих моделировать элементы управляющих систем основных физиологических систем организма; методами синтеза решающих диагностических правил для экспертных систем на основе математических моделей «вход-выход» и классификационных; пакетами прикладных программ для решения задач оптимизации терапевтического воздействия на регуляторные механизмы физиологических систем по анализу кибернетических моделей различных иерархических уровней; возможностями пакета Fuzzy LogicToolbox имитационного моделирования кибернетических структур физиологических систем»; средствами (программным инструментарием) проектирования систем экспериментального исследования характеристик человека как звена эргатической системы; средствами интеллектуального имитационного моделирования (пакеты MatCad, MathLab) для обработки; методами клинико-диагностической информации о функционировании физиологических систем организма в электромагнитном поле; методами моделирования на аналоговых элементах, пакетами статического и анализа данных и моделирования (Excel, MatCad, MathLab); методами вычислительного моделирования регуляции обмена веществ и терморегуляции; навыками оценки качественных характеристик диагностических и прогностических моделей прогнозирования состояния физиологических процессов и систем в норме и патологии; методами подготовки аннотаций, резюме, реферата докладываемого материала; методами коррекции объема содержания авторского текста в докладываемом материале; методами оценки значений качественных показателей автоматизированных рабочих мест врачей различной специализации; основами ТРИЗ (в области проектирования автоматизированных информационных систем различных иерархических уровней).

 

В процессе освоения дисциплины у обучающегося формируются следующие компетенции:

- ОПК-5: готовностью к использованию основных физико-химических, математических и иных естественнонаучных понятий и методов при решении профессиональных задач;

- ПК-4: готовностью к оценке результатов лабораторных, инструментальных, патолого-анатомических и иных исследований в целях распознавания состояния или установления факта наличия или отсутствия заболевания;

- ПК-8: готовностью к созданию математических и эвристических моделей физиологических систем для исследования свойств и поведения систем организма, внедрения их в автоматизированных системах слежения, анализа механизма действия лекарственных средств и немедикаментозных способов лечения, экспертных систем, решения задач идентификации параметров по экспериментальным и клиническим данным, выявления информативных признаков при установке диагноза и прогнозировании течения заболеваний.

 

Указания места дисциплины в структуре образовательной программы.

Дисциплина Б1.Б.28.1 «Физиологическая кибернетика» относится к разделу Б1.Б Медико-кибернетические дисциплины базового цикла Б1. Освоению дисциплины предшествуют курсы: информатика, медицинская информатика, общая биофизика, математическая статистика, дифференциальное и интегральное исчисление, биология, моделирование биологических процессов и систем, теория алгоритмов и программирование для медико-биологических систем, методы обработки биомедицинских сигналов и данных, первая часть курса «Теоретические основы кибернетики». Приобретенные в ходе освоения дисциплины знания, умения и навыки используются студентами по специальности «Медицинская кибернетика» в ходе освоения курсов: медицинские базы данных и экспертные системы, информационные медицинские системы, системный анализ в организации здравоохранения, клиническая кибернетика, учебно и научно исследовательская работы, итоговая государственная аттестация.

Дисциплина изучается на 4 курсе в 7,8 семестрах.

Объем дисциплины в зачетных единицах с указанием количества академических или астрономических часов, выделенных на контактную работу обучающихся с преподавателем (по видам учебных занятий) и на самостоятельную работу обучающихся

Общая трудоемкость (объем) дисциплины составляет 10 зачетных единиц (10Е), 360 часа

Таблица 3.1 – Объем дисциплины по видам учебных занятий

Объем дисциплины	Всего, часов
Общая трудоемкость дисциплины
Контактная работа обучающихся с преподавателем (по видам учебных занятий) (всего)	162,25
в том числе:
Лекции
лабораторные занятия
практические занятия
Экзамен (8 семестр)	0,15
Зачет (7 семестр)	0,1
курсовая работа (проект)	-
расчетно-графическая (контрольная) работа	-
Аудиторная работа (всего):
в том числе:
Лекции
лабораторные занятия
практические занятия
Самостоятельная работа обучающихся (всего)
Контроль/экз (подготовка к экзамену)