Control de anticipación

En teoría de control , un sistema abierto es un sistema de alimentación directa que no cuenta con un bucle de retroalimentación para controlar su salida. Por el contrario, un sistema cerrado utiliza un bucle de retroalimentación para controlar su funcionamiento. En un sistema abierto, la salida no se realimenta a la entrada para su control u operación.

En fisiología , el control anticipatorio se ejemplifica con la regulación normal del ritmo cardíaco antes del esfuerzo físico real por parte de la red autonómica central . El control anticipatorio puede compararse con las respuestas anticipatorias aprendidas a señales conocidas ( codificación predictiva ). La regulación por retroalimentación del ritmo cardíaco proporciona una mayor adaptabilidad a las eventualidades del esfuerzo físico durante la carrera. Los sistemas de control anticipatorio también se encuentran en el control biológico de otras variables por parte de muchas regiones del cerebro de los animales .

Incluso en el caso de sistemas biológicos de retroalimentación anticipada, como en el cerebro humano , el conocimiento o un modelo mental de la planta (cuerpo) puede considerarse matemático, ya que el modelo se caracteriza por límites, ritmos, mecánica y patrones. ^{[ 9 ] [ 17 ]}

Un sistema de retroalimentación positiva pura es diferente de un sistema de control homeostático , cuya función es mantener el ambiente interno del cuerpo "estable" o en un "estado de preparación prolongado y estable". Un sistema de control homeostático se basa principalmente en la retroalimentación (especialmente negativa), además de los elementos de retroalimentación positiva del sistema.

Los bucles de retroalimentación positiva (FFL, por sus siglas en inglés), un grafo de tres nodos de la forma A afecta a B y C, y B afecta a C, se observan con frecuencia en las redes de transcripción de varios organismos, incluyendo E. coli y S. cerevisiae , lo que sugiere que desempeñan funciones importantes para el funcionamiento de estos organismos. En las redes de transcripción de E. coli y S. cerevisiae , que han sido ampliamente estudiadas, los FFL ocurren aproximadamente tres veces más frecuentemente de lo esperado según las redes aleatorias ( Erdös-Rényi ). ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Las aristas en las redes de transcripción son dirigidas y tienen signo, ya que representan activación (+) o represión (-). El signo de una ruta en una red de transcripción se obtiene multiplicando los signos de las aristas que la componen; por lo tanto, una ruta con un número impar de signos negativos es negativa. Existen ocho posibles FFL de tres nodos, ya que cada una de las tres flechas puede representar represión o activación, las cuales se pueden clasificar en FFL coherentes o incoherentes. Las FFL coherentes tienen el mismo signo para ambas rutas de A a C, mientras que las FFL incoherentes tienen signos diferentes para ambas rutas. ^{[ 22 ]}

La dinámica temporal de los FFL muestra que los FFL coherentes pueden ser retardos sensibles al signo que filtran la entrada al circuito. Consideramos las ecuaciones diferenciales para un FFL coherente de tipo I, donde todas las flechas son positivas:

${\displaystyle {\frac {\delta B}{\delta t}}=\beta _{B}(A)-\gamma _{B}B}$

${\displaystyle {\frac {\delta C}{\delta t}}=\beta _{C}(A,B)-\gamma _{C}C}$

Dónde${\displaystyle \beta _{y}}$y${\displaystyle \beta _{z}}$son funciones crecientes en${\displaystyle A}$y${\displaystyle B}$representando la producción y${\displaystyle \gamma _{Y}}$y${\displaystyle \gamma _{z}}$son constantes de velocidad que representan la degradación o dilución de${\displaystyle B}$y${\displaystyle C}$respectivamente.${\displaystyle \beta _{C}(A,B)}$puede representar una puerta AND donde${\displaystyle \beta _{C}(A,B)=0}$si alguno de los dos${\displaystyle A=0}$o${\displaystyle B=0}$, por ejemplo si${\displaystyle \beta _{C}(A,B)=\beta _{C}\theta _{A}(A>k_{AC})\theta _{A}(B>k_{ABC})}$dónde${\displaystyle \theta _{A}}$y${\displaystyle \theta _{B}}$son funciones escalón . En este caso, el FFL crea un retardo de tiempo entre una señal de encendido sostenida, es decir, un aumento en${\displaystyle A}$y el aumento de la producción en${\displaystyle C}$Esto se debe a la producción de${\displaystyle A}$primero debe inducir la producción de${\displaystyle B}$, que luego se necesita para inducir la producción de${\displaystyle C}$Sin embargo, no hay retardo de tiempo para una señal apagada debido a una reducción de${\displaystyle A}$inmediatamente resulta en una disminución en el término de producción${\displaystyle \beta _{C}(A,B)}$Este sistema, por lo tanto, filtra las fluctuaciones en la señal activa y detecta señales persistentes. Esto es particularmente relevante en entornos con señales que fluctúan estocásticamente. En las bacterias, estos circuitos crean retrasos temporales que van desde unos pocos minutos hasta unas pocas horas. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

De manera similar, una puerta OR inclusiva en la que${\displaystyle C}$se activa por cualquiera de las${\displaystyle A}$o${\displaystyle B}$es un retardo sensible al signo sin retardo después del paso ON pero con retardo después del paso OFF. Esto se debe a que un pulso ON activa inmediatamente B y C, pero un paso OFF no resulta inmediatamente en la desactivación de C porque B aún puede estar activo. Esto puede proteger al sistema de fluctuaciones que resultan en la pérdida transitoria de la señal ON y también puede proporcionar una forma de memoria. Kalir, Mangan y Alon, 2005 muestran que el sistema regulador de flagelos en E. coli está regulado con un bucle de realimentación directa coherente de tipo 1. ^{[ 24 ]}

Por ejemplo, la regulación del cambio de una fuente de carbono a otra en el crecimiento diaúxico en E. coli puede controlarse mediante un bucle de retroalimentación positiva coherente de tipo 1. En el crecimiento diaúxico, las células crecen utilizando dos fuentes de carbono consumiendo primero rápidamente la fuente de carbono preferida y luego ralentizando el crecimiento en una fase de latencia antes de consumir la segunda fuente de carbono menos preferida. En E. coli, la glucosa es preferida sobre la arabinosa y la lactosa . La ausencia de glucosa se representa mediante una pequeña molécula de AMPc. El crecimiento diaúxico en glucosa y lactosa está regulado por un sistema regulador simple que involucra el AMPc y el operón lac . Sin embargo, el crecimiento en arabinosa está regulado por un bucle de retroalimentación positiva con una compuerta AND que confiere un retraso de aproximadamente 20 minutos entre el paso ON, en el que aumenta la concentración de AMPc cuando se consume glucosa, y el momento en que se expresan los transportadores de arabinosa. No hay retraso con la señal OFF, que se produce cuando hay glucosa presente. Esto evita que la célula cambie al crecimiento en arabinosa en función de fluctuaciones a corto plazo en la disponibilidad de glucosa. ^{[ 25 ]}

Además, los bucles de retroalimentación positiva pueden facilitar la memoria celular. Doncic y Skotheim (2003) muestran este efecto en la regulación del apareamiento de la levadura, donde la feromona de apareamiento extracelular induce el comportamiento de apareamiento, incluyendo la prevención de que las células entren en el ciclo celular. ^{[ 26 ]} La feromona de apareamiento activa la vía MAPK, que luego activa el inhibidor del ciclo celular Far1 y el factor de transcripción Ste12, que a su vez aumenta la síntesis de Far1 inactivo. En este sistema, la concentración de Far1 activo depende de la integral temporal de una función de la concentración de la feromona de apareamiento externa. Esta dependencia de los niveles pasados ​​de feromona de apareamiento es una forma de memoria celular. Este sistema permite simultáneamente la estabilidad y la reversibilidad.

Los bucles de realimentación directa incoherentes, en los que las dos rutas desde el nodo de entrada al nodo de salida tienen signos diferentes, dan como resultado pulsos cortos en respuesta a una señal ON. En este sistema, la entrada A aumenta directamente y disminuye indirectamente la síntesis del nodo de salida C de forma simultánea. Si la ruta indirecta a C (a través de B) es más lenta que la ruta directa, se produce un pulso de salida en el período de tiempo anterior a que los niveles de B sean lo suficientemente altos como para inhibir la síntesis de C. La respuesta al factor de crecimiento epidérmico (EGF) en células de mamíferos en división es un ejemplo de un bucle de realimentación directa incoherente de tipo 1. ^{[ 27 ]}

La frecuente observación de bucles de retroalimentación en diversos contextos biológicos y a múltiples escalas sugiere que poseen propiedades estructurales altamente adaptativas en muchos contextos. Varios estudios teóricos y experimentales, incluidos los aquí analizados, demuestran que los bucles de retroalimentación crean un mecanismo para que los sistemas biológicos procesen y almacenen información, lo cual es fundamental para el comportamiento predictivo y la supervivencia en entornos complejos y dinámicamente cambiantes.

En informática , el término "feed-forward" (alimentación directa) se refiere normalmente a una red perceptrón en la que las salidas de todas las neuronas se dirigen a las capas siguientes, pero no a las anteriores , por lo que no existen bucles de retroalimentación . Las conexiones se establecen durante una fase de entrenamiento, que es, en efecto, cuando el sistema funciona con retroalimentación.

A principios de la década de 1970, los sistemas de transmisión coaxial interurbanos, incluido el de portadora L , utilizaban amplificadores de prealimentación para reducir la distorsión lineal. Este método, más complejo, permitía un ancho de banda mayor que los sistemas de realimentación anteriores . Sin embargo, la fibra óptica dejó obsoletos dichos sistemas antes de que se construyeran muchos.

El control de anticipación es una disciplina dentro del campo de los controles automáticos utilizados en la automatización.

El método es más bien una técnica nueva que cambia la fase de una función de transferencia de lazo abierto de un sistema de fase no mínima a fase mínima . ^{[ 3 ]}