Эндокринология и гомеостаз

Некоторые фундаментальные концепции традиционной эндокринологии тесно связаны с представлением о гомеостазе. Секреция некоторых гормонов, например тироксина, регулируется очень жестко. Однако концентрации большинства других гормонов могут в широких пределах изменяться для поддержания постоянства ряда физиологических параметров при непрерывном изменении сиюминутных потребностей организма. Например, скорости секреции инсулина и глюкагона сильно колеблются, чтобы удерживать концентрацию глюкозы в крови в допустимых пределах. Изменения уровней альдостерона (см. выше табл. 4.1) и вазопрессина отражают необходимость сохранять постоянный объем крови путем регуляции водно-солевого баланса. Концентрации адреналина и норадреналина зависят от степени общей активности организма и могут быть разными в различных локальных сосудистых сетях. Это позволяет им регулировать силу и частоту сердечных сокращений, а также избирательно воздействовать на сосуды, чтобы обеспечивать приток крови к определенным системам органов в соответствии с потребностями.

Однако оставим в стороне изменчивость гормональных уровней и рассмотрим нейроэндокринные воздействия как способ поддержания «заданных значений», определяющих постоянство системы.

Физиологические «заданные значения»

Температура тела, уровень глюкозы в крови, кровяное давление, концентрация солей - таковы лишь некоторые из тщательно регулируемых физиологических параметров здорового организма. Концепция «заданных значений» помогает понять, каким образом ЦНС, вегетативная нервная система и нейроэндокринные компоненты совместно участвуют в регуляции этих и иных параметров.

Представим себе, что организм функционирует таким, например, образом, чтобы сохранять постоянные значения температуры тела и концентраций глюкозы, солей и кислорода в крови. Если соответствующие датчики улавливают какое-нибудь отклонение, они приводят в действие адаптивные механизмы, с тем чтобы вернуть величину к заданному уровню. Такие системы работают по принципу отрицательной обратной связи между периферийными датчиками и центральным управляющим звеном. На примере трех физиологических систем - регуляции температуры тела, давления и аппетита - мы проиллюстрируем основные особенности такого рода обратной связи.

Терморегуляция
За температурой тела следят наружные терморецепторы кожи и внутренние терморецепторы в перивентрикулярной зоне гипоталамуса. Внутренние рецепторы, измеряющие истинную температуру крови, по-видимому, наиболее существенны для автоматической регуляции температуры тела. Эксперименты с введением небольших зондов прямо в гипоталамус подопытных животных показали, что нейроны, расположенные около переднего края перивентрикулярной зоны гипоталамуса, могут активироваться в результате подъема или падения температуры артериальной крови. Одновременно по приказу гипоталамуса вегетативная нервная система приводит в действие механизмы сохранения, выработки или отдачи тепла.

Если гипоталамус ощутит снижение температуры тела, периферические вегетативные ганглии осуществят переброску крови от кожи к более глубоким структурам; под их воздействием шерсть или перья встанут дыбом, чтобы увеличить слой прилегающего к коже теплого воздуха. Так называемая гусиная кожа, которая появляется у вас на теле, если вы замерзли, - остаток этого механизма. Для согревания тела служит также дрожь, при которой образуется дополнительное тепло. Если гипоталамические датчики улавливают подъем температуры артериальной крови, включаются механизмы, повышающие теплоотдачу: кровь приливает к коже и тепло быстрее переходит во внешнюю среду; может начаться потоотделение, еще более эффективно охлаждающее тело.

Даже при «эмоциональном перегреве» у вас возможно потоотделение (физически ненужное!), которое должно будто бы охладить ваш пыл. Во время сильной тревоги у вас «леденеют» руки и ноги - вам хочется как бы сжаться, спрятаться внутрь себя от вызывающих беспокойство мыслей. Сегодня, однако, умозрительные рассуждения о психологическом «значении» физиологических реакций при отклонениях от комфортного эмоционального состояния так и остаются рассуждениями. Повышение тонуса симпатической нервной системы в напряженных ситуациях - вот вполне достаточное объяснение тому, почему у вас холодеют руки и ноги, сильнее бьется сердце, сохнет во рту, а глаза, не мигая, смотрят в одну точку.

Когда температура тела выходит за рамки нормальных колебаний - например, при инфекционных заболеваниях - это означает, что механизмы выработки и сохранения тепла действуют чересчур активно. Белые кровяные тельца (лейкоциты) у заболевшего выделяют пока еще мало изученное вещество - лейкоцитарный пироген, который активизирует эти механизмы удержания тепла, тем самым повышая температуру тела. Быстрый подъем температуры у больного часто парадоксальным образом сочетается с ощущением холода. Так возникает всем известный озноб, сопровождающий наступление лихорадочного состояния.

«Цель» лихорадки неясна. Некоторые, но далеко не все болезнетворные бактерии действительно плохо переносят высокую температуру, и в этом случае жар может облегчать организму борьбу с инфекцией. В качестве одного из примеров назовем бледную спирохету, возбудитель сифилиса. (Вирусы, вызывающие катар верхних дыхательных путей, не погибают, так как вдыхаемый через нос воздух снижает местную температуру до 37°С.) Повышенная температура тела способствует также усилению активности некоторых клеток, вырабатывающих антитела, и может ускорять продвижение белых кровяных телец к инфицированной области, где они участвуют в уничтожении болезнетворных агентов.

Повышенная способность приводить в действие механизмы сохранения или отдачи тепла - один из аспектов процесса адаптации. Вы, вероятно, замечали, что зимой легче переносить холод, а летом - жару. Ваш организм в буквальном смысле предугадывает требования окружающей среды. Если человек часто занимается физкультурой, он намного легче потеет, так как его мозг учится все быстрее и быстрее приводить в действие координированные программы, связанные с преодолением физических нагрузок.

Регуляция давления и объема крови
Каждый уровень центральной и периферической нервной системы в какой-то мере участвует в поддержании постоянства кровообращения. Рецепторы давления, или барорецепторы, регистрируют фактическое давление крови в крупных артериях, расположенных выше сердца, - сонных артериях и в дуге главной артерии - аорты. При избыточном давлении происходит активация рецепторных нейронов в стенках этих артерий. Отростки этих нейронов передают соответствующую информацию первичному передаточному ядру в продолговатом мозге, откуда идут тормозные сигналы к вазомоторным центрам, а также к периферической симпатической нервной системе, в результате чего снижается ее активность. Одновременно усиливаются парасимпатические влияния на сердечно-сосудистую систему.

Нормальное кровяное давление - это результат непрерывной борьбы за контроль над сердечно-сосудистой системой. Симпатические нервы контролируют крупные кровеносные сосуды, а частота и сила сердечных сокращений регулируется как симпатическим, так и парасимпатическим отделами. Чувствительные к давлению барорецепторы, по-видимому, ответственны в первую очередь за установление нормальной точки отсчета, около которой происходят колебания при координации деятельности сердечнососудистой системы. Барорецепторы наиболее чувствительны к изменениям, выходящим за пределы нормальных средних величин давления крови (которые соответствуют давлению столбика ртути высотой 100-120 мм).

Помимо барорецепторов аорты и сонных артерий в верхних отделах сердца - предсердиях - имеются другие рецепторы растяжения, чувствительные к давлению крови. Поскольку давление крови, поступающей в правое предсердие из венозной системы, более точно отражает объем крови, чем среднее давление, рецепторы предсердий действуют на иной информационной основе. Они активируются в случае чрезмерного увеличения объема крови, как это бывает при задержке соли в организме или при ранних явлениях застойной сердечной недостаточности. Это приводит к тому, что клетки, расположенные в стенках самого предсердия, выделяют гормон, действующий на почечные канальцы и ускоряющий выведение солей.

На более высоких уровнях управления относительную концентрацию солей в плазме регулируют нейроны гипоталамуса: они приводят в действие механизмы задержки воды или ее ускоренного выведения. Если концентрация солей в плазме превышает определенный уровень, крупные нейроны медиальной зоны гипоталамуса выделяют вазопрессин, который переходит из их аксонов прямо в венозную кровь задней доли гипофиза. Вазопрессин с кровью достигает клеток дистальных почечных канальцев и заметно усиливает обратное всасывание ими воды. Это приводит к задержке жидкости и снижению концентрации солей.

В регуляции объема крови участвует еще одно взаимодействие между мозгом и почками. В почках есть специальные клетки, называемые юкстагломерулярными. Они активируются при падении кровяного давления, например вследствие сильной кровопотери, особенно при повышении активности симпатической нервной системы. Эти почечные клетки выделяют в кровь фермент ренин, который воздействует на синтезируемый печенью низкомолекулярный белок ангиотензиноген. Процесс его расщепления продолжается при участии других ферментов в легких и мозге и в конце концов приводит к образованию белкового фрагмента ангиотензина II.

Ангиотензин II вызывает сокращение мускулатуры артерий и тем самым - быстрое и сильное повышение кровяного давления. Он воздействует также на некоторые рецепторные клетки гипоталамуса. Через еще не вполне изученные клеточные механизмы ангиотензин стимулирует усиленное потребление воды, что, конечно, ведет к увеличению количества жидкости в организме. Действительно, после прямой инъекции ничтожно малых доз (одной миллионной доли микрограмма) ангиотензина II в желудочки мозга животное, незадолго до того уже удовлетворившее жажду, снова начинает жадно пить, чем бы оно в тот момент ни занималось. Потребность в питье часто наблюдается у раненых солдат и других людей, потерявших много крови.

Информация поступает и в сердечно-сосудистые центры нижней части продолговатого мозга от сосудистых рецепторов давления, а также от хеморецепторов, которые реагируют на концентрации кислорода и СО₂ в циркулирующей крови. Эти центры усиливают импульсную активность нейронов в системах, управляющих дыхательными и сердечнососудистыми функциями. Активация центров, расположенных в боковых частях продолговатого мозга, приводит к возбуждению периферической симпатической системы и повышению кровяного давления, а центров средней части - к возбуждению парасимпатических отделов и снижению кровяного давления. Первичные передаточные нейроны продолговатого мозга передают информацию о давлении и токе крови центрам более высокого уровня, находящимся в гипоталамусе и ретикулярной активирующей системе (см. ниже), которые связаны с корой больших полушарий и мозжечка. Эти структуры в свою очередь принимают существенное участие в регуляции кровоснабжения мышц в соответствии с текущими потребностями.

У лиц с хронически повышенным давлением крови, по-видимому, слишком высоки «заданные значения» этого показателя. Первопричину такой аномалии в большинстве случаев очень трудно установить. Здесь могут играть роль все уровни контроля над сосудистой системой. В одних случаях к повышению давления приводят заболевания почек, в других - чрезмерная активность симпатической нервной системы. В зависимости от вероятной причины врач выбирает наиболее подходящий путь лечения болезни: хирургическое вмешательство, мочегонные для воздействия на почки или другие лекарства.

Регуляция аппетита
Условия, при которых возникает чувство голода, - это до некоторой степени индивидуальная особенность. Есть или не есть, что есть и когда - решение этих вопросов в сильной степени зависит от высших интегративных функций коры больших полушарий. На наш выбор оказывают влияние и социальные моменты. При обилии и разнообразии доступных пищевых продуктов люди, по крайней мере в большинстве развитых стран, решают не только когда следует начинать есть, но и что именно есть, как долго и когда нужно остановиться. Эти часто неосознаваемые решения, связанные с принятием пищи, нередко бывают причиной таких нарушений аппетита, как его полная потеря (анорексия) или, наоборот, «волчий аппетит» (гипербулимия). Подобные расстройства не наблюдаются у лабораторных или диких животных, хотя чрезмерное потребление пищи можно иногда вызвать в эксперименте с помощью слабого хронического болевого раздражения (источником его может быть, например, скрепка на хвосте у крысы) или наблюдать у крыс и мышей с наследственной формой ожирения.

Структурные компоненты системы, регулирующей аппетит, выделить гораздо труднее, чем элементы систем терморегуляции или поддержания нормального кровяного давления. Пока неизвестно даже, от какого именно фактора (или факторов) зависит установление «заданного уровня» аппетита.

Рецепторы растяжения в стенках желудка обеспечивают один из видов информации о пустом желудке. Наряду с урчащими звуками и осознанием того, что подошло время принимать пищу, импульсы от механорецепторов, возникающие при пустом желудке, служат отчетливым сигналом к началу еды. Однако животные и после перерезки сенсорных нервов желудка едят нормально и не страдают потерей или избытком веса, несмотря на отсутствие у них обратной связи от периферии.

При снижении концентрации глюкозы в крови изменяется активность некоторых нейронов вентрикулярной зоны гипоталамуса. Таким образом, эти нейроны, по-видимому, чувствительны к уровню глюкозы. Другие гипоталамические нейроны чувствительны к содержанию в крови жирных кислот, а возможно, и инсулина. Действуя совместно с рецепторами глюкозы, эти нейроны могут активировать «системы аппетита» в латеральной зоне гипоталамуса и побуждать к приему пищи. При электрической или химической стимуляции вентромедиального ядра боковой области гипоталамуса животные едят чаще и дольше, чем контрольные, а животные с обширными повреждениями этой области мозга могут вообще прекратить потребление пищи. Однако очень небольшие повреждения в непосредственной близости от вентромедиального ядра вызывают, наоборот, постоянное переедание у крыс и кошек, что приводит к чрезвычайно сильному ожирению.

До сих пор не было обнаружено гормонов или медиаторов, которые возбуждали бы или подавляли аппетит. Исключение, возможно, составляет холецистокинин - локальный гормон, выделяемый слизистой кишечника на ранних стадиях пищеварительного процесса: он действует как мощный фактор, сдерживающий аппетит. Этот гормон, по-видимому, активирует сенсорные волокна тех ветвей блуждающего нерва, которые передают висцеральную информацию обратно в продолговатый мозг. При перерезке этих ветвей сигналы обратной связи о процессе пищеварения утрачиваются. Холецистокинин выполняет также важные медиаторные функции во многих участках головного мозга, но связан ли какой-либо из этих участков с регуляцией потребления пищи, пока неизвестно.

У большинства организмов потребление пищи хорошо сбалансировано с расходом энергии, но как обеспечивается этот баланс, еще не ясно.