التغذية الأمامية (التحكم)

In control theory, an open system is a feed forward system that does not have any feedback loop to control its output. In contrast, a closed system uses on a feedback loop to control the operation of the system. In an open system, the output of the system is not fed back into the input to the system for control or operation.

In physiology, feed-forward control is exemplified by the normal anticipatory regulation of heartbeat in advance of actual physical exertion by the central autonomic network. Feed-forward control can be likened to learned anticipatory responses to known cues (predictive coding). Feedback regulation of the heartbeat provides further adaptiveness to the running eventualities of physical exertion. Feedforward systems are also found in biological control of other variables by many regions of animals brains.

Even in the case of biological feedforward systems, such as in the human brain, knowledge or a mental model of the plant (body) can be considered to be mathematical as the model is characterized by limits, rhythms, mechanics and patterns.^[9][17]

A pure feed-forward system is different from a homeostatic control system, which has the function of keeping the body's internal environment 'steady' or in a 'prolonged steady state of readiness.' A homeostatic control system relies mainly on feedback (especially negative), in addition to the feedforward elements of the system.

Feed-forward loops (FFLs), a three-node graph of the form A affects B and C and B affects C, are frequently observed in transcription networks in several organisms including E. coli and S. cerevisiae, suggesting that they perform functions that are important for the functioning of these organisms. In E. coli and S. cerevisiae transcription networks have been extensively studied, FFLs occur approximately three times more frequently than expected based on random (Erdös-Rényi) networks.^[20][21]

Edges in transcription networks are directed and signed, as they represent activation (+) or repression (-). The sign of a path in a transcription network can be obtained by multiplying the signs of the edges in the path, so a path with an odd number of negative signs is negative. There are eight possible three-node FFLs as each of the three arrows can be either repression or activation, which can be classified into coherent or incoherent FFLs. Coherent FFLs have the same sign for both the paths from A to C, and incoherent FFLs have different signs for the two paths.^[22]

The temporal dynamics of FFLs show that coherent FFLs can be sign-sensitive delays that filter input into the circuit. We consider the differential equations for a Type-I coherent FFL, where all the arrows are positive:

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

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

Where ${\displaystyle \beta _{y}}$ and ${\displaystyle \beta _{z}}$ are increasing functions in ${\displaystyle A}$ and ${\displaystyle B}$ representing production, and ${\displaystyle \gamma _{Y}}$ and ${\displaystyle \gamma _{z}}$ are rate constants representing degradation or dilution of ${\displaystyle B}$ and ${\displaystyle C}$ respectively. ${\displaystyle \beta _{C}(A,B)}$ can represent an AND gate where ${\displaystyle \beta _{C}(A,B)=0}$ if either ${\displaystyle A=0}$ or ${\displaystyle B=0}$, for instance if ${\displaystyle \beta _{C}(A,B)=\beta _{C}\theta _{A}(A>k_{AC})\theta _{A}(B>k_{ABC})}$ where ${\displaystyle \theta _{A}}$ and ${\displaystyle \theta _{B}}$ are step functions. In this case the FFL creates a time-delay between a sustained on-signal, i.e. increase in ${\displaystyle A}$ and the output increase in ${\displaystyle C}$. This is because production of ${\displaystyle A}$ must first induce production of ${\displaystyle B}$, which is then needed to induce production of ${\displaystyle C}$ومع ذلك، لا يوجد تأخير زمني لإشارة الإيقاف بسبب انخفاض${\displaystyle A}$ويؤدي ذلك مباشرة إلى انخفاض في مدة الإنتاج${\displaystyle \beta _{C}(A,B)}$لذا، يقوم هذا النظام بتصفية التقلبات في إشارة التشغيل، ويكشف الإشارات المستمرة. وهذا ذو أهمية خاصة في البيئات التي تتسم بإشارات متذبذبة عشوائياً. في البكتيريا، تُحدث هذه الدوائر تأخيرات زمنية تتراوح من بضع دقائق إلى بضع ساعات. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

وبالمثل، بوابة OR الشاملة التي${\displaystyle C}$يتم تفعيله إما بواسطة${\displaystyle A}$أو${\displaystyle B}$يُعدّ هذا تأخيرًا حساسًا للإشارة، حيث لا يوجد تأخير بعد خطوة التشغيل، ولكن يوجد تأخير بعد خطوة الإيقاف. ويعود ذلك إلى أن نبضة التشغيل تُفعّل B وC فورًا، بينما لا تؤدي خطوة الإيقاف إلى تعطيل C فورًا لأن B قد يظل نشطًا. وهذا يحمي النظام من التقلبات التي تؤدي إلى فقدان مؤقت لإشارة التشغيل، كما يوفر نوعًا من الذاكرة. وقد أظهر كالير، مانجان، وألون (2005) أن النظام التنظيمي للأسواط في بكتيريا الإشريكية القولونية يُنظّم بواسطة حلقة تغذية أمامية متماسكة من النوع الأول. ^{[ 24 ]}

على سبيل المثال، يمكن التحكم في تنظيم التحول من مصدر كربون إلى آخر في النمو ثنائي الطور في بكتيريا الإشريكية القولونية عبر حلقة تغذية أمامية متماسكة من النوع الأول. في النمو ثنائي الطور، تنمو الخلايا باستخدام مصدرين للكربون عن طريق استهلاك المصدر المفضل بسرعة في البداية، ثم يتباطأ النمو في مرحلة كمون قبل استهلاك المصدر الثاني الأقل تفضيلاً. في بكتيريا الإشريكية القولونية، يُفضل الجلوكوز على كل من الأرابينوز واللاكتوز . ويُعبر عن غياب الجلوكوز بجزيء صغير يُسمى cAMP. يُنظم النمو ثنائي الطور في وجود الجلوكوز واللاكتوز بواسطة نظام تنظيمي بسيط يشمل cAMP ومجموعة جينات اللاكتوز ( lac operon) . مع ذلك، يُنظم النمو في وجود الأرابينوز بواسطة حلقة تغذية أمامية مع بوابة AND، مما يُحدث تأخيرًا زمنيًا يبلغ حوالي 20 دقيقة بين خطوة التشغيل (ON)، التي يزداد فيها تركيز cAMP عند استهلاك الجلوكوز، وخطوة التعبير عن ناقلات الأرابينوز. لا يوجد تأخير زمني مع إشارة الإيقاف (OFF)، التي تحدث عند وجود الجلوكوز. هذا يمنع الخلية من التحول إلى النمو على الأرابينوز بناءً على تقلبات قصيرة المدى في توافر الجلوكوز. ^{[ 25 ]}

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لحلقات التغذية الأمامية أن تُسهّل الذاكرة الخلوية. وقد أظهر دونتشيتش وسكوتهايم (2003) هذا التأثير في تنظيم تزاوج الخميرة، حيث يحفز فرمون التزاوج الخارجي سلوك التزاوج، بما في ذلك منع الخلايا من دخول دورة الخلية. ^{[ 26 ]} يُنشّط فرمون التزاوج مسار MAPK، الذي بدوره يُنشّط مثبط دورة الخلية Far1 وعامل النسخ Ste12، مما يزيد بدوره من تخليق Far1 غير النشط. في هذا النظام، يعتمد تركيز Far1 النشط على التكامل الزمني لدالة تركيز فرمون التزاوج الخارجي. ويُعد هذا الاعتماد على المستويات السابقة لفرمون التزاوج شكلاً من أشكال الذاكرة الخلوية. ويسمح هذا النظام في آنٍ واحد بالاستقرار وقابلية الانعكاس.

تؤدي حلقات التغذية الأمامية غير المتماسكة، التي يكون فيها مسارا الإشارة من المدخل إلى عقدة المخرج مختلفي الإشارة، إلى نبضات قصيرة استجابةً لإشارة التشغيل. في هذا النظام، يزيد المدخل A بشكل مباشر ويقلل بشكل غير مباشر من تخليق عقدة المخرج C. إذا كان المسار غير المباشر إلى C (عبر B) أبطأ من المسار المباشر، تُنتج نبضة خرج في الفترة الزمنية التي تسبق ارتفاع مستويات B إلى مستوى كافٍ لتثبيط تخليق C. تُعد الاستجابة لعامل نمو البشرة (EGF) في خلايا الثدييات المنقسمة مثالًا على حلقة تغذية أمامية غير متماسكة من النوع الأول. ^{[ 27 ]}

يشير التكرار الملحوظ لحلقات التغذية الأمامية في سياقات بيولوجية متنوعة وعلى مستويات متعددة إلى امتلاكها خصائص بنيوية قابلة للتكيف بدرجة عالية في العديد من السياقات. وتُظهر العديد من الدراسات النظرية والتجريبية، بما في ذلك تلك التي نناقشها هنا، أن حلقات التغذية الأمامية تُنشئ آلية للأنظمة البيولوجية لمعالجة المعلومات وتخزينها، وهو أمر بالغ الأهمية للسلوك التنبؤي والبقاء في بيئات معقدة متغيرة ديناميكيًا.

في مجال الحوسبة ، يشير مصطلح "التغذية الأمامية" عادةً إلى شبكة الإدراك التي تنتقل فيها مخرجات جميع الخلايا العصبية إلى الطبقات اللاحقة دون السابقة ، وبالتالي لا توجد حلقات تغذية راجعة . يتم إنشاء هذه الاتصالات خلال مرحلة التدريب، وهي المرحلة التي يكون فيها النظام في الواقع نظام تغذية راجعة.

في أوائل سبعينيات القرن الماضي، استخدمت أنظمة النقل المحورية بين المدن، بما في ذلك نظام L-carrier ، مضخمات التغذية الأمامية لتقليل التشوه الخطي. وقد أتاحت هذه الطريقة الأكثر تعقيدًا نطاقًا تردديًا أوسع من أنظمة التغذية الراجعة السابقة. إلا أن الألياف الضوئية جعلت هذه الأنظمة قديمة قبل أن يتم بناء العديد منها.

التحكم التنبؤي هو أحد فروع التحكم الآلي المستخدم في الأتمتة.

إن هذه الطريقة هي تقنية جديدة إلى حد ما تعمل على تغيير طور دالة نقل الحلقة المفتوحة لنظام ذي طور غير أدنى إلى طور أدنى . ^{[ 3 ]}