Розглянуто кооперативний механізм підвищення селективності хеморецепторного нейрона порівняно з селективністю рецепторних молекул, інкорпорованих у мембрану нейрона. Встановлено, що селективність нейрона може значно перевищувати селективність його рецепторних молекул, якщо хімічний стимул наявний у малих концентраціях. Обговорюється можливість дії розглянутого механізму в інших сенсорних системах.

Подано елементи теорії стохастичних процесів з точки зору їх практичного застосування до задач нанотехнології, хімічної кінетики, сенсорних систем, нейрофізики. Матеріал базується на прямих і зворотних балансних рівняннях (Master Equations) для систем зі скінченною множиною детерміністичних станів. Виклад зосереджено навколо формул для обчислення середніх часів перебування над і під заданим порогом. Застосування цих формул проілюстровано на прикладах оцінки селективності хеморецепторного нейрона та хімічного наносенсора. Розглянуто сучасні моделі нейронів, досліджено їх стохастичні властивості. Методом граничного переходу виведено рівняння Фоккера - Планка для броунівського руху. Наведено програми мовою С для числового моделювання стохастичних процесів і результати їх тестування.

Представлены элементы теории стохастических процессов с точки зрения их практического применения для задач нанотехнологий, химической кинетики, сенсорных систем, нейрофизики. Материал базируется на прямых и обратных балансных уравнениях (Master Equations) для систем с конечным множеством детерминистических состояний. Изложение сосредоточено вокруг формул для исчисления средних времен пребывания над и под порогом. Примение этих формул проиллюстрировано на примерах оценки селективности хеморецепторного нейрона и химического наносенсора. Рассмотрены современные модели нейронов, исследованы их стохастические свойства. Методом граничного перехода выведено уравнение Фоккера - Планка для броуновского движения. Приведены программы языком С для числового моделирования стохастических процессов и результаты их тестирования.

Зазначено, що хімічні сенсори малих геометричних розмірів піддаються значному впливу флуктуацій адсорбції-десорбції, які звичайно розглянуто як шум, що забруднює корисний сигнал. Базуючись на часових властивостях цього шуму, показано, що його можна використати для підвищення селективності хемосенсора, а саме зашумлений сигнал, який характеризує загальну кількість адсорбованої речовини, повинен піддаватись амплітудній дискримінації з певним порогом. Коли величина сигналу рівна або більша у порівнянні з пороговим значенням, результатом дискримінації є стандартний сигнал, інакше він дорівнює нулю. Хімічний аналіз має здійснюватись за низької концентрації речовини - середня адсорбована її кількість є підпороговою. Поріг досягається лише час від часу завдяки флуктуаціям адсорбції. Сигнал після дискримінації усереднено в часі і розглянуто як вихідний сигнал цілого пристрою. Селективність цього пристрою порівнюється з селективністю його первинних адсорбуючих елементів (центрів зв'язування окремих молекул), базуючись на точному описанні статистики перетину порога. Зроблено висновок, що в цілому сенсор може мати значно кращу селективність, ніж його поодинокі центри зв'язування.

Розроблено модель взаємодії аналіту з хеморезистивним сенсором, згідно з якою рецепторна молекула здатна проводити струм після приєднання до неї чотирьох молекул аналіту. Враховано процес проникнення аналіту в об'єм сенсора, а також характерне для використаної експериментальної конфігурації немиттєве заповнення камери, у якій знаходиться сенсор. Виведено систему нелінійних диференціальних рівнянь, яка описує кінетику процесів у досліджуваній системі аналіт - хемосенсор. Використовуючи запропоновану теоретичну модель та експериментальні дані для системи ацетон - хемосенсор на основі поліаніліну, знайдено значення для невідомих раніше структурно-функціональних характеристик хемосенсора (повна кількість рецепторів у полімері, струм через один провідний рецептор, константи швидкостей реакцій адсорбції та десорбції молекул ацетону з рецепторними молекулами, константи швидкості обміну ацетоном між полімером і зовнішнім простором). Розроблена теоретична модель задовільно відтворює експериментальну кінетичну криву струму через сенсор у тій її частині, для якої є надійні експериментальні дані.

Для связывающего нейрона с порогом 2, стимулированного пуассоновским потоком, вычислена интенсивность выходного потока и плотность распределения вероятности длин выходных межимпульсных интервалов. Для порога 3 вычислена интенсивность выходного потока.

Дисертацію присвячено проблемі ідентифікації і дослідженню динамічних механізмів дії зовнішніх нетривіальних стимулів на об'єкти складної природи з метою фізичного пояснення відомих експериментів з впливу електромагнітних полів на біологічні об'єкти. Розроблено новий напрямок, в рамках якого експериментальні ефекти зумовлені структурою об'єктів, їх нелінійною динамікою та нетривіальним характером зовнішнього впливу. Запропоновано і досліджено нові фізичні механізми, з метою забезпечення специфічності, високої чутливості та селективності під час електричних стимулів проміжних та низьких частот на складні об'єкти.

Обчислено в явному вигляді розподіл імовірності довжин вихідних міжімпульсних інтервалів для інтегруючого нейрона з втратами, стимульованого процесом Пуассона. Не застосовується дифузійне наближення.