Взаимодействие гипоталамуса с другими отделами головного мозга

С другими отделами подкорки и корой головного мозга гипоталамус находится в непрерывных циклических взаимодействиях. Благодаря тому что к гипоталамическим ядрам адресуется нервная и гуморальная сигнализация о различных внутренних потребностях, они и приобретают значение пускового механизма мотивационных возбуждений.

Введение нейротропных веществ специфического действия может избирательно блокировать различные гипоталамические механизмы, участвующие в формировании таких состояний организма, как страх, голод, жажда и т. д.

Гипоталамус находится под регулирующим влиянием коры головного мозга. Получая информацию об исходном состоянии организма и окружающей среды, нейроны коры оказывают нисходящее влияние на все подкорковые структуры, в том числе и гипоталамус, регулируя уровень их возбуждения. Корковые механизмы подавляют многие эмоции и первичные возбуждения, формирующиеся с участием гипоталамических ядер. Поэтому удаление коры нередко приводит к развитию реакций мнимой ярости, выражающейся в расширении зрачков, тахикардии, саливации, повышении внутричерепного давления и т.д.

Таким образом, гипоталамус, обладая хорошо развитой и сложной системой связей, занимает ведущее место в регуляции многих функций организма и прежде всего в постоянстве внутренней среды. Под его контролем находится функция автономной нервной системы и эндокринных желез. Он участвует в регуляции пищевого и полового поведения, смены сна и бодрствования, эмоциональной деятельности, поддержания температуры тела и т.д.

Нейрохимия В регуляции пищевого поведения участвуют несколько медиаторных систем. Так, серотонин вызывает чувство сытости, поэтому высокий уровень серотонина приводит к прекращению приема пищи. Продолжительность приема пищи регулируют, видимо, и другие медиаторы, например полипептиды (холецистокинин и др.). Адренергические вещества могут как усилить, так и подавить пищевое влечение, в зависимости от состояния организма. Опиоидные и дофаминергические вещества обеспечивают чувство удовольствия от еды.

Поскольку механизмы регуляции пищевого поведения многочисленны, то на него могут влиять самые разные психотропные препараты. Так, фенотиазины вызывают прибавку в весе — частое и неприятное осложнение терапии у больных шизофренией, которым фенотиазиновые нейролептики иногда требуются годами. Резкую прибавку в весе могут вызвать трициклические антидепрессанты — видимо, за счет усиления аппетита. В то же время при расстройствах пищевого поведения эти средства, как ни странно, часто снижают аппетит. Бензодиазепины могут повышать потребление пищи, иногда приводя к ожирению. Амфетамины, используемые в основном при синдроме нарушения внимания с гиперактивностью, реже — при стойкой депрессии, снижают аппетит, вызывая похудание. Это их свойство используют для лечения ожирения (применяют, в частности, фенфлурамин — амфетамин, усиливающий выброс серотонина из центральных синапсов и не вызывающий физическую зависимость).

Пищевое поведение регулируется комплексом физиологических реакций, включая центральные и периферические механизмы. Лептин и инсулин - это важнейшие медиаторы, выделяющиеся на периферии. В контроль этой функции вовлечены также регуляторы ЦНС: нейропептид Y, КРФ, галанин, орексин, моноамины и многое другое. Эти факторы контролируют потребление пищи и, как следствие, массу тела и рост.

Лептин — пептидный гормон, который секретируется жировыми клетками и, как предполагается, участвует в регуляции энергетического обмена организма и массы тела. Он уменьшает аппетит, повышает расход энергии, изменяет метаболизм жиров и глюкозы, а также нейроэндокринную функцию либо прямым влиянием, либо активацией специфических структур в центральной нервной системе.

Содержание лептина в крови возрастает с увеличением тучности и снижается при уменьшении количества жировой ткани. В норме повышение уровня лептина подавляет секрецию в гипоталамусе нейропептида Y, участвующего в формировании чувства голода, и стимулирует активность симпатической нервной системы. Снижение уровня лептина после значительного похудания вызывает повышение аппетита и последующее восстановление веса (массы тела).

Инсулин Общие сведения

По своему химическому строению инсулин представляет собой белок, который вырабатывается в бета- клетках поджелудочной железы и выделяется в кровь. Инсулин является основным регулятором углеводного обмена в организме человека. У пациентов с сахарным диабетом имеет место снижение выработки этого гормона или полное ее отсутствие. Единственным способом лечения таких пациентов является введение инсулина извне. До того как инсулин был впервые выделен из поджелудочной железы животных и начал использоваться в терапии сахарного диабета многие пациенты умирали от смертельных осложнений этого заболевания, таких как диабетическая кома. Первые препараты инсулина получали из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота. В последние годы в основном используют препараты человеческого инсулина, которые получают генно-инженерным путем. Преимуществом человеческого инсулина является то, что организм не воспринимает его как чужеродное вещество.

Инсулин обладает несколькими свойствами, которые определяют принципы инсулинотерапии. Во-первых, при приеме через рот инсулин разрушается в кишечнике, проще говоря переваривается. Поэтому, основной способ введения инсулина – подкожные инъекции. Второй особенностью инсулина является наличие суточных колебаний его концентрации в крови человека. Существует постоянный, базальный уровень инсулина и пики концентрации связанные с повышением глюкозы в крови после приема пищи. При терапии инсулином необходимо не только обеспечить этот базальный уровень, но и имитировать физиологические пики концентрации с помощью дополнительных введений инсулина перед едой.

Нейропептид Y (Neuropeptide Y) выделен в 1982-84 гг. как представитель семейства панкреатических пептидов. Обнаружен также в гипоталамической и кортикальной областях мозга. Имеет отношение к регуляции пищевого и сексуального поведения, а также к неврологическим и психическим нарушениям у человека. Влияет на высвобождение гипофизарных гормонов, участвует в модуляции центральных кардиоваскулярных ответов. В надпочечниках обнаружен совместно с VIP и норадреналином. Участвует в модуляции холинэргических процессов.

Гипоталамический нейропептид Y является мощным стимулятором пищевой активности. Лептин подавляет синтез или секрецию нейропептида Y. Серотонин, возможно, играет роль связующего звена между секрецией лептина и подавлением секреции нейропептида Y.

Избыточная секреция нейропептида Y в ядре воронки - одна из возможных причин гипоталамического ожирения. Нейропептид Y усиливает потребление пищи, т. к. вызывает голод: чувство голода, действуя на гипоталамические центр насыщения и центр голода. Кроме того, нейропептид Y понижает симпатический и повышает парасимпатический тонус, а также нарушает половую функцию.

ОРЕКсин(orexin) – нейропептид, вырабатываемый латеральным участком гипоталамуса, где формируется ощущение голода. Крысы, которым давали орексин, съедали в 10 раз больше обычного, а в крови крыс, голодавших 48 ч, обнаружена вдвое большая концентрация этого нейропептида. Для этих двух типов орексина имеются два специфических рецептора, что позволяет разрабатывать лекарственные препараты, способные стимулировать или уменьшать аппетит.

 

Таблица 11.12. Роль отдельных гормонов ЖКТ и стимуляторы их секреции.

Гастрин - Стимулирует секрецию соляной кислоты и

пролиферацию желудочного эпителия -Пептиды и аминокислоты впросвете желудка

Холецистокинин - Стимулирует секрецию панкреатическихферментов, сокращение и эвакуацию содержимого желчного пузыря-Жирные кислот и аминокислоты в тонкой кишке

Секретин -Стимулирует секрецию воды и бикарбоната поджелудочной железой и желчнымипротоками

- Низкие значения pH в просвете тонкой кишки

Мотилин- Регулирует перистальтику желудка и тонкого кишечника -Голодное состояние

Желудочный ингибиторгый пептид-Ингибирует желудочную секрецию и перистальтику, потенцирует выделение инсулина В клетками в ответ на увеличение концентрации глюкозы крови -Липиды и глюкоза в тонкой кишке

Другие структуры

В регуляции пищевого поведения большое значение имеет работа головного мозга. Прежде всего, этот центры голода и насыщения в гипоталамусе и соответствующие им образования в лимбической системе и коре больших полушарий. При этом, роль основного звена, с точки зрения формирования пищевой мотивации, принадлежит гипоталамусу, который не только обеспечивает вегетативную основу эмоционально – поведенческих реакций, но и управляет всеми основными гомеостатическими процессами, в том числе липостатом - системой, контролирующей постоянство веса.

В 60-70 годах ХХ века ученые пришли к единому мнению локализации центра голода (аппетита) и центра насыщения, соответственно, в вентролатеральных и вентромедиальных ядрах гипоталамуса. Повреждение вентромедиального нервного центра гипоталамуса вызывает переедание, а повреждение латеральной зоны гипоталамуса приводит к потере аппетита.

В регуляции пищевого поведения кроме гипоталамических ядер участвуют и другие отделы центральной нервной системы. Практически во всех вышележащих отделах среднего мозга, а также в коре обнаружены зоны, при разрушении или при стимуляции которых возникают изменения пищевого поведения. Из этого следует, что пищевой центр, как таковой, это совокупность ядер, расположенных на разных уровнях центральной нервной системы.

Пищевой центр очень тонко и сложно реагирует изменениями пищевого поведения нате или иные изменения внешней и внутренней среды. В результате пищевые стимулы, приобретая сложную эмоциональную окраску, возникают как в условиях дефицита метаболитов, так и в условиях, на первый взгляд не связанных с необходимостью есть, например, при волнениях, при виде пищевых деликатесов или богато сервированного обеденного стола и т.д.

Позднее было выявлено большое количество веществ, регулирующих пищевое поведение, 2 группы пептидов: стимулирующие (орексигенные) и подавляющие (анорексигенные) процесс потребления пищи. Так, в частности, установлено, что при повышении активности катехоламинов в центральной нервной системе пищевое поведение подавляется.

Исследована роль и другого вещества – серотонина. Доказано, что при повышении его уровня в структурах гипоталамуса возникает чувство сытости, и пищевое поведение подавляется. При уменьшении, наоборот, - активизируется. Установлено, что особенно выраженное повышение уровня серотонина наблюдается после употребления пищи, богатой углеводами или белками. Это связано с особенностями обмена предшественника серотонина – аминокислоты триптофана.

Полагают, что со снижением уровня мозгового серотонина связаны и такие пищевые нарушения, как гиперфагическая реакция на стресс и предменструальная гиперфагия, а также гиперфагия, развивающаяся у курильщиков при отказе от курения.

Наряду с катехоламинами и серотонином известно еще ряд веществ, так или иначе влияющих на пищевое поведение: нейропептид – Y, холецистокинин, лептин, кортикотропит релизинг – фактор, эндорфины, некоторые аминокислотные последовательности (фрагменты молекулы АКТГ) и др. Их влияние на потребление пищи различно. Снижение пищевой активности связывают с лептином и холецистокинином, а ее повышение – с нейропептидом – Yи эндогенными опиатами (эндорфинами).

Кроме того, сама пища, вернее, нутриенты, содержащиеся в ней, являются мощными регуляторами аппетита и пищевого поведения. Установлено, что чувство голода возникает при уменьшении содержания глюкозы в крови и в спинномозговой жидкости, а также гликогена в печени. При восстановлении нормального содержания глюкозы наступает насыщение, и потребление пищи прекращается. Другими словами, организм довольно жестко контролирует потребеление углеводоа и их баланс.

Обусловлено это, скорей всего, малой емкостью депо гликогена. Действительно, по оценкам разных авторов, возможности накопления гликогена в организме не превышает 120 – 170 г.

Иначе обстоят дела с потреблением жира. Увеличение количества жира в пище не приводит к адекватному уменьшению потребления других питательных веществ, и в целом потребление калорий возрастает. Эти исследования позволяют сделать вывод о том, что регуляция потребления энергии на фоне диеты с большим содержанием жира нарушается, что может привести к перееданию.

При этом избирательное удаление жира из диеты не ведет к адекватному увеличению потребления других нутриентов и к полной энергетической компенсации дефицита жира. В отличие от углеводов возможности накопления жира намного выше: его запасы могут достигать десятки килограммов. Видимо, этим обусловлено отсутствие тесной связи между потреблением жира и массой его запасов.

Механизмы возникновения пищевых нарушений до конца не установлены. Полагают, что они связаны с нарушением передачи серотонина в структурах головного мозга, отвечающих за регуляцию пищевого поведения.

Этиология ожирения

Если количество потребляемых калорий превышает их затраты, то избыток откладывается в жировой ткани и при сохранении положительного калорического баланса в течение продолжительного периода развивается ожирение; другими словами в балансе массы тела различают два компонента (потребление или затраты) и к ожирению может привести нарушение любого из них.

 

Рис. 317-1. Регуляция пищевого поведения (схема).

Центр насыщения в вентромедиальной части гипоталамуса (ВМГ) считается ингибиторным, а центр голода в вентролатеральной части (ВЛГ)— стимуляторным. Подробности см. в тексте.

Регуляция пищевого поведения недостаточно выяснена. В какой-то степени аппетит регулируется определенными областями гипоталамуса: центром голода, расположенным в вентролатеральном ядре гипоталамуса, и центром сытости в вентромедиальном гипоталамусе. Кора головного мозга получает из центра голода сигналы, стимулирующие поиск пищи и аппетит (рис.317-1), но этот процесс модулируется центром сытости, который посылает в центр голода ингибиторные импульсы. У животных разрушение центра голода сопровождается снижением потребления пищи, а центра сытости — перееданием и ожирением. На эти гипоталамические центры влияет целый ряд регулирующих факторов. Так, центр сытости активируется при повышении в плазме уровня глюкозы и/или инсулина, которое наступает после еды. В этой связи представляет интерес тот факт, что в вентромедиальном гипоталамусе содержатся рецепторы инсулина и он чувствителен к нему. Другим возможным фактором, ингибирующим аппетит, может служить вызываемое пищей растяжение желудка. На активность гипоталамических центров влияет и общая масса жировой ткани в организме. Другими словами, существует относительно фиксированная точка настройки аппарата, регулирующего содержание жира. Сдвиг этой точки вверх может определять частые рецидивы ожирения у лиц, уменьшивших массу тела. Каким образом устанавливается эта точка и как гипоталамус ощущает общие запасы жира в организме, неизвестно. Сигналами о количестве жировой ткани могли бы служить высвобождение глицерина из жировых клеток и восходящие нервные импульсы. Кроме того, гипоталамические центры чувствительны к катехоламинам и бета-адренергическая стимуляция ингибирует пищевое поведение. Это служит по крайней мере одним из объяснений анорексических эффектов амфетаминов.

В конечном счете, пищевое поведение контролируется корой головного мозга, причем импульсация, приходящая в кору из центра голода,— это только один из входов. На потребление пищи влияют также психологические, социальные и генетические факторы. У многих тучных лиц эти влияния имеют преобладающее значение; действительно, тучный человек обычно реагирует на внешние сигналы (такие, как время дня, социальное положение, запас и вкус пищи) сильнее, чем человек с нормальной массой тела.

Регуляция пищевого поведения многоуровневая, в этом процессе участвует, в частности, головной мозг, его отделы — гипоталамус, височные и лобные доли. В гипоталамусе обнаружены центры голода и сытости, которые соответственно побуждают организм добывать пищу или, наоборот, тормозят поиски еды. Значительная роль в формировании пищевого поведения у высших животных (и человека) принадлежит коре больших полушарий головного мозга. Его многогранная деятельность в определенной (и немалой) степени зависит от информации, получаемой из внешней (окружающей) и внутренней среды организма. И, как пишет А.И.Уголев, "Потребление пищи, ее переработка и всасывание в пищеварительном канале, депонирование и расход — все эти процессы трансформируются в разнообразные потоки информации, которые в конечном итоге определяют повышение или понижение (вплоть до прекращения) пищевой активности".

Регуляция пищеварения

Регуляция процессов пищеварения обеспечивается местным и центральным уровнями.
Местный уровень регуляции осуществляется нервной системой, которая представляет комплекс связанных между собой сплетений, расположенных в толще стенок желудочно-кишечного тракта. В их состав входят чувствительные (сенсорные), эффекторные и вставочные нейроны симпатической и парасимпатической вегетативной нервной системы. Кроме того, в желудочно-кишечном тракте находятся нейроны, вырабатывающие нейропептиды, которые влияют на процессы пищеварения. К ним относятся холецистокинин, гастриносвобождающий пептид, соматостатин, вазоактивный интестинальный пептид, энфекалин и др. Вместе с нейронной сетью в желудочно-кишечном тракте находятся эндокринные клетки (диффузная эндокринная система), расположенные в эпителиальном слое слизистой оболочки и в поджелудочной железе. Они содержат гастроинтестинальные гормоны и другие биологически активные вещества и освобождаются при механическом и химическом воздействии пищи на эндокринные клетки просвета желудочно-кишечного тракта. Важную роль в регуляции функций желудочно-кишечного тракта играют и простогландины группы Е и F.

Центральный уровень регуляции пищеварительной системы включает ряд структур центральной нервной системы (спинного мозга и ствола мозга), которые входят в состав пищевого центра. Последний, кроме координирующей деятельности желудочно-кишечного тракта, осуществляет регуляцию пищевых отношений. В формировании целенаправленных пищевых отношений принимают участие гипоталамус, лимбическая система и кора головного мозга. Компоненты пищевого центра, несмотря на то что располагаются на разных уровнях центральной нервной системы, имеют функциональную связь. Действие пищевого центра многостороннее. За счет его активности формируется пищедобы-вающее поведение (пищевая мотивация), при этом происходит сокращение скелетной мускулатуры (необходимо найти пищу и приготовить ее).

Пищевой центр регулирует моторную, секреторную и всасывающую активность желудочно-кишечного тракта. Функция пищевого центра обеспечивает появление сложных субъективных ощущений, таких как голод, аппетит, чувство сытости.

Контроль водного баланса

Вода составляет около 70% массы клетки. У отдельных организмов, например медуз, содержание превышает 95%. У растений очень прочное сцепление молекул воды способствует переносу растворенных питательных веществ из корней в листья при транспирации. На молекулярном уровне у наземных и водных животных, равно как и у растений, вода определяет ряд важных свойств макромолекул.

В теле человека вода составляет 60%, из которой 40% приходится на внутриклеточную, а 20% – на экстраклеточную воду. Плазма крови содержит 5% экстраклеточной воды.

Вода имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности клеток, представляя собой среду, в которой осуществляются важнейшие реакции, лежащие в основе синтеза и распада веществ. В воде хорошо растворяются хлористый натрий, сахара, простые спирты, альдегиды, катионы. Эта особенность воды имеет очень важное биологическое значение.

Для воды характерно то, что она обладает некоторой способностью к обратимой ионизации, в ходе которой она распадается на ионы водорода (Н*) и ионы гидроксила (ОН¯). Величины рН всех жидкостей организмов исключительно постоянны. Их изменения чрезвычайно неблагоприятны для организмов, поскольку даже небольшие сдвиги рН характеризуются значительным падением каталитической активности ферментов.

В воде под влиянием ферментов происходят реакции гидролиза белков и других соединений. Вода принимает участие также в выведении из клеток продуктов обмена. Наконец, она поддерживает тепловой режим клетки.

Участие в терморегуляции

Вследствие своей большой теплоемкости — 4200 Дж/(кг*К) — вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая ее там, где температура тканей ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, что много энергии тратится на разрыв водородных связей при переходе из одного агрегатного состояния (жидкость) в другое (газ).