Neurofizjologia

Neurofizjologia
WYKŁAD 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 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)
Podwzgórze i przysadka mózgu
Część tylna przysadki uwalnia
Część przednia przysadki
dwa hormony podwzgórza
produkuje
własne
hormony
C
zPodwzgórze i przysadka mają złożoną budowę. U człowieka objętość
ępodwzgórza wynosi około 3 cm3 (cały mózg ma średnio 1100-1200 cm3).
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-przysadkowonadnerczowa 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 insuliny
z 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)
 Przysadka reguluje aktywność
układu autonomicznego na drodze układ nerwowy
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 układy,
działające antagonistycznie.
 Istnieją ponadto sploty nerwowe w
narządach (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 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 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 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
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 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 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 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.
obu przypadkach za „depresję”
zachowań eksploracyjnych i społecznych
odpowiada wzmożona produkcja cytokin,
takich jak IL-1β czy TNF-α.
W
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 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