NeurofizjologiaWYKŁAD 13

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 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 funkcjefizjologiczne 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)

Podwzgórze i przysadka mózgu

Podwzgórze i przysadka mają złożoną budowę. U człowieka objętość

podwzgórza wynosi około 3 cm3 (cały mózg ma średnio 1100-1200 cm3).

C

z

ę

ś

ć

Część przednia przysadki

produkuje własne hormony

Część tylna przysadki uwalnia

dwa hormony podwzgórza

Funkcje podwzgórza

Podwzgórze zawiaduje:

- rytmem dobowym,

- gospodarką wodno-elektrolitową,

- gospodarką energetyczną,

- poczuciem głodu i sytości,

- termoregulacją (rejestruje zmiany temperatury

dopływającej krwi),

- reguluje czynności układu krążenia.

- reaguje na zmiany stężenia glukozy.

- zawiaduje całym układem hormonalnym związanym z płcią i rozmnażaniem.

Hormonalna oś podwzgórzowo-przysadkowo-nadnerczowa zawiaduje reakcją na stres.

Podwzgórze jest ściśle powiązane z układem emocjonalnym oraz autonomicznym.

Połączenia funkcjonalne

podwzgórza

Podwzgórze wchodzi w skład układu limbicznego, który generuje i reguluje emocje i popędy.

Podwzgórze jest ściśle powiązane z układem autonomicznym, zarówno współczulnym jak i przywspółczulnym.

Równie ściśle funkcje podwzgórza są powiązane z przysadką, wydzielającą do krwioobiegu hormony wpływające na homeostazę organizm.

Także neurony podwzgórza wydzielają wiele ważnych hormonów.

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 które produkują wiele hormonów.

Tylny płat przysadki (część nerwowa) gromadzi i uwalnia neurohormony produkowane przez podwzgórze -wazopresynę i oksytocynę.

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 insulinyz trzustki.

Prolaktoliberyna - uwalnianie przysadki prolaktyny

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)

układ nerwowy Przysadka reguluje aktywność układu autonomicznego na drodze nerwowej i hormonalnej

Układ ten kontroluje reakcjeniezależne od naszej woli (np. wydzielanie soku żołądkowego).

Ośrodkowa część układuautonomicznego 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 układy,działające antagonistycznie.

Istnieją ponadto sploty nerwowe wnarządach (jelito, macica).

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 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 męskiezaczynają 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 kobietyRóżnice 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 z tylnego płata przysadki.

Jej obecność we krwi powoduje wydzielanie mleka z gruczołów mlecznych.

Jednocześnie wywołuje poczucie zadowolenia i przywiązania do potomstwa.

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 krwiobiegu 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”.

Połączenia bocznego podwzgórza z płatami czołowymi istrukturami pnia mózgu pobudzają wydzielanie dopaminy.

Ważną rolę w odczuwaniu przyjemności odgrywa jądropółleżące (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 termoregulacja.

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 24-28oC

Wcześniaki poniżej 1 kg nie mają termoregulacji i

w pełni zależą od temperatury otoczenia.

Dla noworodka zakres termoneutralny to 33-34oC.

Wiele zwierząt i ludzkie noworodki ma specjalny rodzaj tkanki tłuszczowej (brązowa – duża liczba mitochondriów), która gdy jest chłodno może generować dużą ilość energii, spalając tłuszcz.

Dzieci szybciej się przechładzają i szybciej przegrzewają niż dorośli.

Zależność temperatury ciała od

cyklu dobowego i cyklu owulacji

Reakcja na temperaturę otoczenia Przy temperaturze

zewnętrznej 350C całe ciało ma temperaturę 370C.

Przy temperaturze zewnętrznej 190C 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 36oC, 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 2oC) 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 następujewzrost temperatury ciała), następuje wzrostmetabolizmu i produkcji ciepła w organizmie przyjednoczesnym zahamowaniu jego utraty.

Nie należy mylić gorączki z biernym wzrostemtemperatury ciała, które może mieć miejsce z powodu ekspozycji organizmu na wzrosttemperatury 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 zosłabienia spowodowanego chorobą lubefektów 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 tonajlepiej poznana i opisana zmiana w obrębie syndromu „sickness behavior”.

Polega ona na zmniejszeniu łaknienia, a zatem ilości pobieranego pokarmu, często również 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 solnym ugruntowaniu tego syndromu w ewolucji.

Zmiana ta jest prawdopodobnie wynikiem rozwinięcia tzw. odporności alimentacyjnej, osiąganej za pomocą ograniczeniadostępności 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) czybiałka 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 jednymze strategicznych elementów „sicknessbehavior”. 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 przywróceniuhomeostazy 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 – 38.0o C

Treponema pallidum – 35.0o C

Mycobacterium leprae – 35.5o C

Grzyby

Cryptococcus neoformans –

36.0o C

Candida albicans - 35.0o C

Wirusy

Hepatovirus – 38.0o C

Rhinowirus ludzki – 34.5o C

Pasożyty

Toxoplasma gondi – 39.5o C

Leishmania - 37.6o 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 wytwarzaniaprzeciwciał – 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 natomiastobserwować, 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