Neurofizjologia WYKŁAD 14 Ośrodkowa regulacja funkcji biologicznych kręgowców. Rola podwzgórza. Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego
Podwzgórze: układ integrujący wiele funkcji biologicznych całego organizmu Większość funkcji fizjologicznych organizmu pozostaje pod ścisłą, automatyczną kontrolą mózgu, której nie jesteśmy świadomi. Najważniejszym integratorem większości tych funkcji jest podwzgórze i powiązana z nim przysadka mózgu. Zawiaduje ono homeostazą całego organizmu. Są to struktury położone w dolnej części międzymózgowia, które jest drugą z kolei (od przodu licząc) częścią mózgu. Poprzez podwzgórze wszelkiego rodzaju procesy psychiczne mogą wpływać na funkcje fizjologiczne i biochemiczne organizmu.
Podwzgórze W rozwoju embrionalnym z drugiego pęcherzyka mózgowego powstaje śródmózgowie. Z jego górnej części powstaje wzgórze (thalamus), którego jadra przekazują bodźce sensoryczne do kory. Z dolnej części, a także z części podstawnej przodomózgowia powstają jądra podwzgórza (hypothalamus)
Połączenia funkcjonalne podwzgórza Podwzgórze wchodzi w skład układu limbicznego, który generuje i reguluje emocje i popędy. Podwzgórze jest ściśle powiązane z układami autonomicznymi, zarówno współczulnym jak i przywspółczulnym. Neurony podwzgórza wydzielają wiele ważnych neurohormonów oddziałujących na najważniejszy gruczoł dokrewny, przysadkę, która pod ich wpływem wydziela do krwioobiegu hormony wpływające na homeostazę organizmu i funkcje rozrodcze.
Podwzgórze i przysadka mózgu Część przednia przysadki produkuje własne hormony Część tylna przysadki uwalnia dwa hormony podwzgórza Podwzgórze i przysadka mają złożoną budowę. U człowieka objętość podwzgórza wynosi około 3 cm 3 (cały mózg ma średnio 1100-1200 cm 3 ).
Przysadka mózgowa Przysadka leży u podstawy międzymózgowia i łączy się z podwzgórzem za pośrednictwem lejka. Jest gruczołem dokrewnym, złożonym z dwóch różnych części. Przedni płat przysadki pochodzi od komórek endodermy gardła i sam produkuje wiele hormonów. Tylny płat przysadki (część nerwowa) gromadzi i uwalnia neurohormony produkowane przez podwzgórze - wazopresynę i oksytocynę.
Funkcje podwzgórza Podwzgórze zawiaduje: - rytmem dobowym, - psychicznym poczuciem głodu i sytości, - metabolizmem (tyreotropina, hormon lipotropowy) - rozwojem ciała (somatotropina) - termoregulacją (podwzgórze rejestruje zmiany temperatury dopływającej krwi i uruchamia mechanizmy zachowania/rozproszenia energii cieplnej), - całym układem hormonalnym związanym z płcią, rozmnażaniem, opieką nad potomstwem i wydzielaniem mleka. - hormonalna oś podwzgórzowo-przysadkowo-nadnerczowa zawiaduje reakcją na stres. - wydziela endorfiny zmniejszające odczucie bólu. Podwzgórze jest ściśle powiązane ze strukturami układu emocji oraz nerwowymi układami autonomicznymi.
Hormony części guzowatej (przyśrodkowej) podwzgórza regulują wydzielanie hormonów przedniego płata przysadki: Kortykoliberyna - uwalnianie ACTH, odpowiedź na stres Tyreoliberyna uwalnianie hormonu tyreotropowego Gonadoliberyna - uwalnianie gonadotropin Somatoliberyna - uwalnianie hormonu wzrostu Somatostatyna - blokuje wydzielanie hormonu wzrostu przez przysadkę mózgową oraz hamuje wydzielanie insuliny z trzustki. Prolaktoliberyna - uwalnia z przysadki prolaktynę Prolaktostatyna dopamina, hamuje wydzielanie prolaktyny Melanoliberyna pobudza szyszynkę do produkcji melatoniny Melanostatyna hamuje wydzielanie melanotropiny Liberyny pobudzają a statyny hamują uwalnianie hormonów z przedniego płata przysadki.
Przedni płat przysadki Przedni płat przysadki mózgowej i produkuje hormony tropowe (gonadotropowe, tyreotropowe i kortykotropowe) oddziałujące na inne gruczoły dokrewne (odpowiednio gonady, tarczycę, korę nadnerczy). Przedni płat przysadki oprócz hormonów tropowych produkuje też jeden hormon docelowy - somatotropinę (hormon wzrostu), oddziałujący na wszystkie komórki ciała. Część pośrednia przysadki wydziela intermedynę (melanotropinę) - hormon pobudzający wytwarzanie melaniny w skórze. Wszystkie te hormony są uwalniane z przysadki pod wpływem odpowiednich hormonów podwzgórza.
Obwodowy (autonomiczny) Przysadka reguluje aktywność układu autonomicznego na drodze nerwowej i hormonalnej Układ ten kontroluje reakcje niezależne od naszej woli (np. wydzielanie soku żołądkowego). Ośrodkowa część układu autonomicznego to podwzgórze, oraz niektóre jądra rdzenia przedłużonego i rdzenia kręgowego. Obwodowa część dzieli się na współczulną (adrenergiczną) i przywspółczulną (cholinergiczną). Wszystkie narządy wewnętrzne są unerwione przez oba te układy, działające antagonistycznie. Istnieją ponadto sploty nerwowe w narządach (jelito, macica). układ nerwowy
Przednia część podwzgórza: regulacja rytmu dobowego Jądro nadskrzyżowaniowe leży tuż nad skrzyżowaniem nerwów wzrokowych i dostaje projekcję z komórek zwojowych siatkówki (melanopsynowych - symbol RHT). Razem z listkiem ciała kolankowatego bocznego (IGL) tworzą ośrodkowy układ generujący rytm dobowy i dostosowujący go do rytmu dnia i nocy. Poprzez układ autonomiczny jądra te wpływają na wydzielanie melatoniny z szyszynki.
Gonadotropiny hormony płciowe Gonadoliberyna z podwzgórza powoduje uwalnianie z przysadki gonadotropin. Gonadotropiny są hormonami produkowanymi przez komórki przedniego płata przysadki, które sterują cyklem płciowym. - hormon folikulotropowy (FSH) Pobudza produkcję estrogenów w gonadach. U kobiet pobudza dojrzewanie pęcherzyków Graafa, u mężczyzn pobudza spermatogenezę. - hormon luteinizujący (LH) U kobiet powoduje pęknięcie pęcherzyka Graafa w jajniku i wytworzenie ciałka żółtego. U mężczyzn powoduje rozrost komórek śródmiąższowych jąder, które produkują testosteron. Niedobór gonadotropin prowadzi do niepłodności.
Determinacja płci Determinacja płci następuje w okresie płodowym. Dzieje się to pod wpływem testosteronu, wytwarzanego przez enzymy syntezowane na podstawie genów, które występują tylko w chromosomie Y, a więc tylko u mężczyzn. Początkowo budowa podwzgórza, gonad i narządów płciowych u obu płci jest typu żeńskiego. Już w pierwszym trymestrze płody męskie zaczynają wydzielać bardzo duże ilości testosteronu, którego działanie ukierunkowuje budowę ciała w kierunku męskim. Pewne jądra podwzgórza u mężczyzn są mniejsze niż u kobiet.
Zależne od płci różnice proporcji palców dłoni Dłoń mężczyzny Dłoń kobiety Różnice długości palców wskazującego i serdecznego u mężczyzn są zależne od poziomu testosteronu w okresie płodowym.
Testosteron, wygląd i zachowanie Poziom testosteronu u mężczyzn (i samców zwierząt) koreluje z: - poziomem agresji - skłonnością do ryzyka - potrzebą dominacji i terytorializmem - wyraźniejszymi cechami morfologicznymi płci męskiej (muskulatura, u niektórych ssaków i ptaków ubarwienie) - u ludzi z wyższymi wygranymi na giełdzie i prawdomównością Dla kobiet najbardziej atrakcyjni są mężczyźni, którzy mają wysoki poziom testosteronu i interesują się małymi dziećmi.
Hormony tylnego płata przysadki Wazopresyna i oksytocyna produkowane są w podwzgórzu i transportowane wzdłuż aksonów do tylnego płata przysadki
Oksytocyna Oksytocyna jest hormonem syntezowanym w podwzgórzu a wydzielanym do krwi z tylnego płata przysadki. Jej obecność we krwi powoduje wydzielanie mleka z gruczołów mlecznych. Jednocześnie wywołuje poczucie zadowolenia i przywiązania do potomstwa, oraz agresję w jego obronie. Oksytocyna jest też wydzielana u obu płci w czasie orgazmu, wzmagając poczucie przyjemności i wywołując poczucie wzajemnego przywiązania partnerów. W czasie porodu powoduje skurcze macicy. U ludzi obecność oksytocyny w krwioobiegu zwiększa też zaufanie do innych ludzi.
Wazopresyna Drugim hormonem syntezowanym w podwzgórzu a wydzielanym z tylnego płata przysadki jest wazopresyna. Jej głównym działaniem fizjologicznym jest podnoszenie ciśnienia krwi przez skurcz naczyń i zmniejszanie filtracji w nerkach. Ponadto, ma ona nie do końca jeszcze poznany udział w reakcjach społecznych i partnerskich (n.p. zwiększa zaufanie i wzajemne przywiązanie).
Boczna część podwzgórza ośrodek przyjemności Boczno-przednia część podwzgórza nazywana była ośrodkiem przyjemności, a także ośrodkiem nasycenia. Połączenia bocznego podwzgórza z płatami czołowymi i strukturami pnia mózgu pobudzają wydzielanie dopaminy. Ważną rolę w odczuwaniu przyjemności odgrywa jądro półleżące (n. accumbens), należące do jąder przodomózgowia, ale ściśle powiązane z jądrem bocznym podwzgórza. Jeśli zwierzęciu umożliwić wykonanie czynności, po której pobudzana będzie elektrycznie ta część mózgu, to zwierzę będzie wykonywało tą czynność aż do zupełnego wycieńczenia. Samodrażnienie jest skrajną formą nałogu). Wydzielanie dopaminy w jądrze półleżącym powoduje stan zadowolenia, euforii, a podczas stosunku seksualnego odczuwanie orgazmu. Także narkotyki działają na to jądro.
Jądro boczne podwzgórza: związki układu nagrody z gospodarką energetyczną Cały układ nagrody jest pod silnym wpływem nie tylko projekcji dopaminergicznej, ale i hormonów tkanki tłuszczowej (leptyny i ghreliny), wpływających na ogólny poziom metabolizmu i sterujących uczuciem głodu: wywołujących go (ghrelina) lub tłumiących (leptyna).
Regulacja pobierania wody i pokarmu W podwzgórzu istnieją receptory osmolarności osocza, których podrażnienie przez wysokie stężenie jonów wywołuje uczucie pragnienia. Hormon nadnerczy aldosteron, wydzielany pod wpływem hormonów podwzgórza reguluje wydzielanie jonów sodu i potasu w nerkach. Wpływ podwzgórza na obwodowy układ przywspółczulny (cholinergiczny) reguluje proces pocenia się, związany z termoregulacją. Ośrodek przyjemności w bocznym podwzgórzu pobudza pobieranie smacznych pokarmów. Poziom glukozy we krwi reguluje trzustka, wydzielając insulinę. Współdziała ona z systemem hormonów obwodowych (m. in. tkanki tłuszczowej). Aktywacja pewnych jader bocznego podwzgórza przez ghrelinę generuje psychiczne poczucie głodu.
Regulacja temperatury ciała W przedniej części podwzgórza znajduje się termostat organizmu. Temperatura termoneutralna, to temperatura, przy której zwierzę lub nieubrany człowiek nie zużywa energii ani na ochładzanie się, ani na ogrzewanie. Dla dorosłych ludzi zakres termoneutralny to najczęściej 24-28 o C Wcześniaki poniżej 1 kg nie mają termoregulacji i w pełni zależą od temperatury otoczenia. Dla noworodka zakres termoneutralny to 33-34 o C. Wiele zwierząt i ludzkie noworodki ma specjalny rodzaj tkanki tłuszczowej (brązowa z powodu dużej liczby mitochondriów), która gdy jest chłodno może generować dużą ilość energii, spalając tłuszcz. Dzieci szybciej się przechładzają i szybciej przegrzewają niż dorośli (proporcjonalnie wieksza powierzchnia ciała/kg).
Zależność temperatury ciała od cyklu dobowego i cyklu owulacji
Reakcja na temperaturę otoczenia Przy temperaturze zewnętrznej 35 0 C całe ciało ma temperaturę 37 0 C. Przy temperaturze zewnętrznej 19 0 C tylko wewnętrzne części tułowia i głowy utrzymują taką temperaturę. Zaciśnięcie tętniczek skórnych pod wpływem adrenaliny powoduje zmniejszony przepływ krwi i obniżenie temperatury kończyn, co zmniejsza straty ciepła. Jeśli temperatura krwi w podwzgórzu spadnie poniżej 36 o C, to pojawia się drżenie mięśni, którego nie można zahamować. LUDZIE ADAPTUJĄ SIĘ DO PRZECIĘTNEJ TEMPERATURY OTOCZENIA
Adaptacje ludzi do niskich temperatur otoczenia Inuici (Eskimosi) mają o 30% wyższy poziom metabolizmu, niż Europejczycy. Aborygeni z Tasmanii mogli spać bez odzieży na śniegu, który się pod nimi nie topił. W Kanadzie i Rosji ludzie regularnie kąpią się w przeręblach. Brytyjczyk Lewis Gordon Pugh przepłynął lodowcowe jezioro w masywie Mount Everestu (wysokość 5300 m, temperatura 2 o C) w spodenkach pływackich, okularach i czepku. Zajęło mu to około 23 minut. Poprzednio w 20 min. przepłynął kilometr w rejonie bieguna północnego.
Adaptacje ludzi do wysokich temperatur otoczenia Ludzie z krajów tropikalnych mogą mieć podstawowy poziom metabolizmu nawet o połowę niższy niż Europejczycy. Po przyjeździe do krajów tropikalnych zaczynamy się silnie pocić. Po 2 tygodniach adaptacji pocimy się jeszcze więcej (nawet do 2-4 litrów na godzinę), ale ten pot zawiera bardzo mało soli i białek. Pocenie się na twarzy ochładza krew żylną, która z okolic nasady nosa i powiek odpływa do układu żylnego u podstawy czaszki, ochładzając mózg. Zwiększenie zdolności pocenia się umożliwiło pierwotnym myśliwym długotrwałą pogoń za zwierzyną. Ważna rola behawioralnych mechanizmów regulacji temperatury.
Gorączka jest procesem czynnym Każde zakażenie lub uszkodzenie ciała wywołuje standardową odpowiedź obronną organizmu, znaną jako stan gorączkowy (gorączka). W początkowej fazie gorączki (kiedy następuje wzrost temperatury ciała), następuje wzrost metabolizmu i produkcji ciepła w organizmie przy jednoczesnym zahamowaniu jego utraty. Nie należy mylić gorączki z biernym wzrostem temperatury ciała, które może mieć miejsce z powodu ekspozycji organizmu na wzrost temperatury otoczenia, w którym się organizm znajduje.
Ogólne objawy choroby Powszechnie wiadomo, że objawami choroby są niechęć do wykonania nawet niewielkiego wysiłku i niechęć do jedzenia. Przez długi czas panowało przekonanie, że takie zachowanie chorych jest patologią, że nie ma charakteru przystosowawczego, a wynika z osłabienia spowodowanego chorobą lub efektów ubocznych choroby, takich jak niezdolność dopobierania pokarmu i płynów. Przekonanie to jest błędne.
Gorączka jest procesem czynnym Gorączka nie jest rezultatem niezdolności organizmu do regulacji temperatury ciała, ale jest raczej jej regulacją na wyższym poziomie. Carl von Liebermeister (1833 1901) Stwierdzenie, że gorączka jest innym sposobem regulacji temperatury ciała, opiera się na obserwacji, iż powraca ona do poziomu właściwego dla danego stadium gorączki, pomimo schładzania czy ogrzewania badanego organizmu. Regulacja ta odbywa się w podwzgórzu.
ELEMENTY SKŁADOWE SICKNESS BEHAVIOR NISKI POZIOM AKTYWNOŚCI FIZYCZNEJ REDUKCJA ZACHOWAŃ EKSPLORACYJNYCH I SPOŁECZNYCH, ZMNIEJSZONE POBIERANIE POKARMU, OSŁABIONE LUB ZNIESIONE ZACHOWANIA SEKSUALNE i MACIERZYŃSKIE, POGORSZENIE UCZENIE SIĘ I ZAPAMIĘTYWANIA, GORĄCZKA.
Zmiana zachowań pokarmowych Zmiana zachowania pokarmowego to najlepiej poznana i opisana zmiana w obrębie syndromu sickness behavior. Polega ona na zmniejszeniu łaknienia, a zatem ilości pobieranego pokarmu, często również zmniejszenia pragnienia i ilości pobieranych płynów, oraz zaprzestaniu pobierania pewnych pokarmów, na przykład wysokobiałkowych. Depresja zachowań pokarmowych występuje w większości jednostek chorobowych.
Zmiana zachowań pokarmowych Powszechność występowania objawu chorobowej depresji zachowań pokarmowych u zwierząt i ludzi świadczy o wczesnym powstaniu i silnym ugruntowaniu tego syndromu w ewolucji. Zmiana ta jest prawdopodobnie wynikiem rozwinięcia tzw. odporności alimentacyjnej, osiąganej za pomocą ograniczenia dostępności kluczowych dla bakterii i wirusów składników pokarmowych, szczególnie żelaza i aminokwasów, co limituje ich namnażanie.
Mechanizm zmian w zachowaniach pokarmowych Wszystkie poznane pirogeny egzogenne, np. LPS (lipopolisachardy błony komórkowej bakterii) czy białka wirusa grypy silnie hamują zachowania pokarmowe. Obecność pirogenów w organizmie sprawia, że komórki układu odpornościowego zaczynają produkować specjalne białka z grupy cytokin, interleukiny. Interleukiny działają na zakończenia nerwu błędnego i na specjalne receptory w mózgu, co prowadzi do przestawienia mechanizmu homeostazy w podwzgórzu, gdzie ponadto następuje dalsza synteza interleukin, dodatkowo zmieniając system kontroli metabolizmu i redukując zapotrzebowanie na pokarm.
Zahamowanie zachowań eksploracyjnych i społecznych. Zahamowanie aktywności lokomotorycznej, eksploracji i zachowań społecznych jest jednym ze strategicznych elementów sickness behavior. Często jest to określane jako osowiałość. Zmiana trybu życia z aktywnego na spoczynkowy umożliwia koncentrację sił organizmu na walce z czynnikami chorobotwórczymi. Wydłuża się czas spania z przewagą fazy snu wolnofalowego, co sprzyja przywróceniu homeostazy ogólnoustrojowej.
Unikanie zachowań eksploracyjnych i społecznych. Takie same zmiany zachowania rozwijają się po podaniu LPS lub innych czynników prozapalnych w iniekcji, również po szczepieniach. W obu przypadkach za depresję zachowań eksploracyjnych i społecznych odpowiada wzmożona produkcja cytokin, takich jak IL-1β czy TNF-α.
Redukcja zachowań seksualnych Te same czynniki prozapalne, które wywołują wzmożenie aktywności układu odpornościowego, na przykład interleukiny, działając na podwzgórze powodują też redukcję gotowości seksualnej samic. Depresja zachowań seksualnych (silniejsza u kobiet) istotnie zmniejsza częstotliwość kontaktów seksualnych. Gorączka osłabia także instynkt macierzyński. Redukcja zachowań seksualnych i macierzyńskich zmniejsza prawdopodobieństwo rozprzestrzeniania chorób.
Pogorszenie uczenia się i zapamiętywania Upośledzenie funkcji poznawczych jest ważnym aspektem zachowania w chorobie. Wydłużeniu ulegają reakcje orientacyjne i obronne, toteż w przyrodzie chore zwierzę jest łatwiejszym celem ataków drapieżników lub konkurentów. Chore osoby uczą się nawet prostych zadań po większej liczbie powtórzeń. Zmiany te są prawdopodobnie wynikiem zaburzeń procesów konsolidacji pamięci w formacji hipokampa. Hipokamp jest strukturą konsolidującą pamięć. Jest on bardzo wrażliwy na działanie wszelkich czynników patologicznych i stresu.
Gorączka nie zawsze jest zła 1. Gorączka i zachowania chorobowe są naturalną reakcją na czynniki chorobotwórcze. 2. Osłabianie gorączki najczęściej wydłuża chorobę i osłabia reakcję obronną organizmu. Należy natomiast obserwować, czy nie rozwija się poważna choroba 3. Chora osoba musi mieć ciepło i spokój, dużo spać. 4. Chory powinien jeść niewiele, należy też znacznie ograniczyć spożycie mięsa i innych pokarmów białkowych. 4. Chory powinien dużo pić.
Optymalne temperatury rozwoju niektórych mikroorganizmów Bakterie Neisseria meningitis 38.0 o C Treponema pallidum 35.0 o C Mycobacterium leprae 35.5 o C Wirusy Hepatovirus 38.0 o C Rhinowirus ludzki 34.5 o C Grzyby Cryptococcus neoformans Candida albicans - 36.0 o C 35.0 o C Pasożyty Toxoplasma gondi 39.5 o C Leishmania - 37.6 o C Wiele patogenów źle się rozwija w temperaturze wyższej, niż temperatura ciała. Ale niektóre z nich preferują wysokie temperatury. Zatem, obniżenie temperatury ciała może niekiedy podnieść skuteczność terapii.
Temperatura ciała i gorączka u niektórych kręgowców Gorączka występuje także u owadów i skorupiaków.
Gorączka koszty i zalety Metaboliczny koszt gorączki jest stosunkowo wysoki: przy podwyższeniu temperatury ciała o 1 C metabolizm zwiększa się o około 13%. Jednak podniesienie temperatury ciała nasila mechanizmy obronne organizmu: - zwiększa się tempo namnażania limfocytów i wytwarzania przeciwciał o około 10% na 1 C. Nasila się ich fagocytoza i pinocytoza. - zostaje uruchomiona produkcja białek defensyn (wewnątrzkomórkowych antybiotyków ) i nasila ich działanie. - wzmaga się także produkcja krążącego we krwi interferonu, antybiotyku kręgowców o szerokim spektrum działania. - nasila się przeciwwirusowe i przeciwnowotworowe działanie komórek NK. - zmniejsza się wchłanianie żelaza z jelita i jego uwalnianie z wątroby, co limituje namnażanie się bakterii i innych patogenów. - przyspieszona przemiana materii powoduje zwiększoną produkcję wolnych rodników, niszczących bakterie, lecz także własne tkanki. Zatem osłabianie gorączki najczęściej wydłuża chorobę i osłabia reakcję obronną organizmu.
Gorączka - podsumowanie 1. Gorączka i zachowania chorobowe są naturalną reakcją na czynniki chorobotwórcze. 2. Nie należy natychmiast obniżać temperatury ciała. Należy natomiast obserwować, czy nie rozwija się poważna choroba 3. Chora osoba musi mieć ciepło i spokój, dużo spać. 4. Chory powinien jeść niewiele, należy też znacznie ograniczyć spożycie mięsa i innych pokarmów białkowych. 4. Chory powinien dużo pić.
Pytania na egzamin 1. Jakie znasz funkcje podwzgórza i co o nich wiesz. 2. Co to jest zachowanie chorobowe, jakie są jego mechanizmy i skutki