Гомеостаз сообщение: Гомеостаз при физических нагрузках

Адаптационные изменения гомеостаза под влиянием высокоинтенсивных физических нагрузок

Адаптационные изменения в организме спорт­сменов под влиянием физических нагрузок являются важным звеном в повышении физической работоспособности. Вместе с тем отсутствие правильной организации тренировочного процесса в соответствии с индивидуальными возможностями спортсменов может являться причиной срыва адаптации.

Проблема оценки адаптации организма спорт­сменов к тренировочным нагрузкам имеет не только биологическую, но и социальную значимость в связи с тесной взаимосвязью адаптационных процессов к физическим нагрузкам и сохранением здоровья спортсменов, поэтому поиск надежных методов оценки адаптации является актуальным. Один из векторов поиска таких методов лежит в области изучения динамики клеточного состава периферической крови спортсменов под влиянием физических нагрузок [1-4]. Значительный вклад в разработку данной проблемы внесли Л.Х. Гаркави и соавт. [1, 2], которые высказали и обосновали предположение, что в ответ на действие различных по интенсивности раздражителей развиваются различные по качеству неспецифические адаптационные реакции организма (НАРО), являющиеся неспецифическими, комплексными и характеризующиеся автоматизмом.

Изучение типа ответа организма спортсменов на выполняемую физическую нагрузку важно в практике спорта, поскольку на каждом уровне реактивности формируется различный комплекс изменений в функционировании важнейших систем организма.

В зарубежных исследованиях также уделяется значительное внимание изучению динамики количества лимфоцитов и нейтрофилов под влиянием физических нагрузок. В отдельных работах отражена идея целесообразности использования коэффициента соотношения нейтрофилы-лимфоциты для оценки стрессорности воздействия физических нагрузок и скорости последующего восстановления у спортсменов [5-8], а также лиц, не занимающихся профессиональным спортом [9, 10], и животных [11]. Вместе с тем в настоящее время в литературе недостаточно сведений о взаимосвязи типа адаптационных реакций и характера метаболических изменений под влиянием физических нагрузок.

Цель исследования — оценка состояния метаболизма при различных типах адаптационных реакций, определяемых на основании соотношения нейтрофилов и лимфоцитов в периферической крови, у спортсменов высокой квалификации (на примере биатлона и лыжных гонок).

Пациенты и методы

В исследовании приняли участие 11 высококвалифицированных спортсменок (мастера спорта — МС и мастера спорта международного класса — МСМК) в возрасте 21-29 лет, специализирующихся в биатлоне и лыжных гонках. Спортсменки многократно подвергались биохимическому и гематологическому обследованию в начале тренировочных микроциклов в подготовительном периоде. Исследования проводили с использованием гематологического анализатора XT 2000i («Sysmex», Япония), фотометра РМ 2111 («Солар», Республика Беларусь) и микропланшетного фотометра SUNRISE («Tecan», Австрия). Всего в проведенной работе обработаны результаты 1869 биохимических и гематологических обследований на протяжении подготовительного периода в нескольких циклах подготовки. Тип адаптационной реакции определяли по методике, разработанной Л.Х. Гаркави и соавт. [1-2] и адаптированной применительно к спортсменам Г.А. Макаровой [4], согласно которой в основу типа адаптационной реакции положено соотношение лимфоцитов и нейтрофилов периферической крови (

табл. 1).

В качестве статистических методов использованы методы описательной статистики и сравнительного анализа выборок с использованием U-критерия Манна-Уитни для независимых переменных.

На каждом уровне адаптационных реакций оценивали наличие отклонений биохимических показателей выше границ референтного диапазона.

Результаты и обсуждение

Частота встречаемости различных типов адаптационных реакций в подготовительном периоде была следующая: реакция хронического стресса — 3,8%, тренировки — 16,2%, спокойной активации — 28,6%, повышенной активации — 29,0%, переактивации — 22,4%. Доминирующим типом НАРО являлись реакции активации, как спокойной, так и повышенной. Анализируя последовательность возникновения адаптационных реакций с учетом этапа подготовительного периода, следует отметить более высокую встречаемость реакций стрессорного типа (хронического стресса и переактивации) на общеподготовительном этапе, по сравнению с этапом специальной подготовки, а также возрастание доли реакций, характеризующихся антистрессорным характером (реакции тренировки, спокойной и повышенной активации). Более высокая стрессорность нагрузок связана с особенностью задач общеподготовительного этапа, который отличается большим объемом тренировочных нагрузок и повышает способность спортсмена переносить нагрузки последующих этапов. На данном этапе закладывается основа для дальнейшей работы над повышением результата соревнований. На специально-подготовительном этапе совершенствуется соревновательная техника и тактические навыки на основе функциональной базы, созданной на первом этапе подготовительного периода.

В значительной степени при переходе от обще- к специально-подготовительному этапу отмечают снижение частоты возникновения реакции переактивации с 30,6 до 18,9%. При этом на специально-подготовительном этапе существенным образом увеличивается встречаемость реакции повышенной активации (21,0 и 32,4% на общем и специальном этапе соответственно) и тренировки (9,7 и 18,7% соответственно), которые по своей сути обладают антистрессорным характером и отличаются высокой функциональной активностью клеточного иммунитета, эндокринных желез и центральной нервной системы.

Метаболические процессы характеризуются анаболической направленностью. Отличительной особенностью энергетического обмена при этих типах реакции является сбалансированность процессов образования энергетических субстратов и их потребления. В табл. 2 представлен сравнительный анализ биохимических и гематологических показателей на различных уровнях НАРО.

Как видно из представленных в табл. 2 данных, реакции стресса и переактивации характеризуются большим напряжением метаболизма по сравнению с другими адаптационными реакциями. Например, активность креатининфосфокиназы (КФК) на этих уровнях адаптационных реакций составляет 226,8±28,3 Ед/л для реакции хронического стресса и 256,8±38,3 Ед/л для переактивации, что достоверно выше, чем при реакции тренировки (137,5±9,3 Ед/л) (p<0,05). Активность КФК при реакции хронического стресса и переактивации превышает верхнюю границу референтного интервала для данного фермента, что свидетельствует о наличии неблагоприятных процессов в мышечных клетках, приводящих к увеличению проницаемости их мембран и выходу фермента в периферическую кровь.

Несмотря на то что для реакции переактивации характерны отклонения в лейкоцитарной формуле, противоположные реакции хронического стресса, их объединяет наличие неблагоприятных для организма состояний, которые могут представлять собой неспецифическую основу различных заболеваний [1, 2]. Реакция переактивации сопровождается резким повышением глюкокортикоидов, минералокортикоидов, гормонов щитовидной железы. Это составляет основу для высокой напряженности метаболических процессов. При этом отсутствует сбалансированность в расходовании и воспроизводстве энергосубстратов, и скорость расхода энергоисточников превышает их образование, что приводит к истощению запасов энергосубстратов. Преобладают катаболические процессы. Биологический смысл реакции переактивации заключается в попытке сохранить напряженную реакцию в ответ на значительные физические нагрузки без перевода в стресс.

Для другого важного в мониторинге физических нагрузок фермента аспарагиновой трансаминазы (АСТ) также отмечаются достоверно более высокие значения его активности для реакций хронического стресса (35,2±2,9 Ед/л) и переактивации (34,2±2,0 Ед/л) по сравнению со спокойной (26,2±1,4 Ед/л) и повышенной активацией (29,0±1,5 Ед/л) (p<0,05), хотя выход за пределы референтных интервалов в данном случае не наблюдается. Реакции активации характеризуются оптимальными значениями фермента, что связано с высокой степенью сбалансированности метаболических процессов при этих типах НАРО. При реакции повышенной активации возрастает активность органов лимфатической системы, клеточного иммунитета, секреции гормонов щитовидной железы, половых желез, гормонов гипофиза. При реакции спокойной активации это повышение лежит в пределах верхней половины зоны нормы, а при реакции повышенной активации захватывает верхнюю треть зоны нормы, верхнюю границу нормы и несколько выше [1, 2]. При реакциях спокойной и повышенной активации преобладают процессы анаболической направленности, особенно при повышенной активации.

Реакции тренировки свойственны процессы накопления энергетических субстратов, которые превышают расходы на энергообеспечение мышечной деятельности. В нашем исследовании на протяжении длительного периода наблюдений содержание глюкозы в периферической крови при реакции тренировки было самым высоким (4,49±0,10 ммоль/л) и достоверно превышало аналогичный показатель при реакциях спокойной и повышенной активации (4,11±0,06 и 4,19±0,06 ммоль/л) (p<0,05).

Авторы адаптационной теории связывают биологический смысл реакции тренировки с сохранением гомеостаза в пределах нижней половины зоны нормы. В первую очередь это касается продукции половых гормонов, гормонов щитовидной железы и гипофиза. При этом продукция глюкокортикоидов соответствует верхней половине зоны нормы. В случае возникновения реакции тренировки наблюдается невысокая активность катаболических и анаболических процессов с незначительным преобладанием анаболизма.

Реакция хронического стресса и переактивации в нашем исследовании ассоциируется с более высокими значениями активности фермента аланиновой трансаминазы (АЛТ) по сравнению с другими типами адаптационных реакций. При реакции переактивации превышение носит достоверный характер по сравнению с реакциями спокойной и повышенной активации (26,3±1,3, 23,2±0,9 и 22,8±0,9 Ед/л соответственно) (p<0,05).

Что касается гормонального статуса, то следует отметить, что реакция повышенной активации характеризуется более низкими значениями кортизола (540,3±21,0 нмоль/л) по сравнению с переактивацией (648,2±45,1 ммоль/л) и реакцией тренировки (623,7±36,9 ммоль/л) (

p<0,05).

Важным аспектом в проведенном исследовании явилось наличие оптимального состояния метаболизма, характеризующегося соответствующими значениями биохимических показателей, при реакциях антистрессорного типа. При этих реакциях происходит самая быстрая и адекватная перестройка систем организма в ответ на тренировочное воздействие.

Детальный анализ отклонений биохимических показателей от референтных границ для спортсменов (в %), свидетельствующий об ухудшении переносимости тренировочных нагрузок, показал наибольшее количество отклонений при реакциях хронического стресса и переактивации по сравнению с реакциями антистрессорного типа. Например, самая высокая частота встречаемости возрастания содержания мочевины выше границ референтного интервала для спортсменов отмечалась при реакции хронического стресса, затем снижалась и достигала минимальных значений при реакции спокойной активации. При реакции хронического стресса также наблюдалась высокая встречаемость отклонений в активности ферментов КФК и АСТ. При реакциях тренировки и спокойной и повышенной активации, антистрессорный характер которых реализуется за счет оптимизации работы регуляторных и защитных систем организма, количество отклонений в состоянии метаболизма снижается. То есть возникновение напряженных НАРО у спортсменов ассоциируется с отклонениями от нормы биохимических показателей, отражающих снижение адаптации к тренировочным нагрузкам и возникновение элементов напряженности метаболизма. В этом случае возникновение реакций стрессорного типа в ответ на невысокие тренировочные нагрузки может снизить эффективность тренировочного процесса за счет ухудшения переносимости тренировочных нагрузок.

В свою очередь благоприятные НАРО создают предпосылки на метаболическом уровне для повышения резервов адаптации к тренировочным нагрузкам и, соответственно, возрастанию эффективности тренировочного процесса.

Выводы

1. Анализ результатов многолетних наблюдений показал, что возникновение неспецифических адаптационных реакций, характеризующихся антистрессорным характером, в биохимическом плане в значительной степени связано с адекватными метаболическими изменениями под влиянием тренировочных нагрузок и, соответственно, является условием для адекватной срочной и долговременной адаптации организма спортсмена к физической нагрузке и повышению его работоспособности.

2. Тип и характер напряженных адаптационных реакций характеризуется возрастанием «метаболической стоимости» выполненных физических нагрузок, что может служить фоном для снижения скорости течения адаптационных процессов к тренировочным нагрузкам. Кроме того, целенаправленное возникновение и поддержание антистрессорных реакций организма с оптимальным метаболизмом в ходе тренировочного процесса на определенном этапе может способствовать улучшению переносимости тренировочных нагрузок.

Конфликт интересов отсутствует.

Участие авторов:

Дизайн исследования, литературный обзор: И.Р.

Выполнение экспериментальных исследований, сбор эмпирических данных: А.Н.

Обработка и обобщение данных, научные выводы и рекомендации: А.М.

Показатели вегетативного гомеостаза как предикторы индивидуального риска развития инсульта и их динамика на фоне лечения актовегином

Международные крупномасштабные исследования демонстрируют тесную связь сердечно-сосудистой патологии с риском развития инсульта [1, 2]. Большинство авторов [3—7] среди основных этиопатогенетических факторов инсульта особо выделяют артериальную гипертензию (АГ), атеросклероз, аномалии строения и деформации артериального русла, гемореологические и кардиоаритмические расстройства.

В то же время накоплен значительный объем сведений о неотъемлемом участии автономной дизрегуляции в развитии АГ и нарушений сердечного ритма (СР), которые в свою очередь ведут к формированию так называемого кардиоцеребрального синдрома, усугубляющего течение не только острых нарушений мозгового кровообращения, но и хронической ишемии головного мозга (ХИГМ) [8—11].

Ряд авторов [12—15] утверждают, что именно вегетативно-сосудистая дисфункция как отдельное (первичное) заболевание вегетативной нервной системы (ВНС) является пусковым фактором в развитии кардиоваскулярных нарушений и возникновении начальных проявлений ХИГМ.

Существует и противоположная точка зрения. Часть исследователей склоняются к тому, что вегетативный гомеостаз у пациентов с ХИГМ изменяется вторично на фоне развивающихся сосудистых нарушений в образованиях промежуточного мозга, который является своеобразным «высшим вегетативным центром» [16—18].

В рамках формирования кардиоваскулярных расстройств при ХИГМ патологию ВНС традиционно связывают с избыточной активностью симпатоадреналовой системы [19—23]. Кроме того, в литературе имеются сведения о том, что функциональные и структурные изменения, приводящие к развитию АГ и аритмий, могут локализовываться не только в центральном, но и в афферентно-эфферентном звене нейрогенного контура регуляции кровообращения [24—27]. Таким образом, динамика показателей вегетативного гомеостаза на уровне центрального и периферического звеньев ВНС может выступать прогностическим маркером в развитии кардиоцеребрального синдрома при ХИГМ.

Как было упомянуто выше, наличие кардиоцеребрального синдрома усугубляет течение как хронической, так и острой цереброваскулярной патологии. Следовательно, можно говорить о том, что он служит предиктором индивидуального риска развития инсульта в первом случае и предиктором риска летального исхода — во втором. Однако необходимо подчеркнуть, что в то время как связь вегетативных расстройств с фатальными аритмиями и внезапной сердечной смертью при острой ишемии головного мозга имеет обширную доказательную базу, индивидуальный риск развития инсульта при ХИГМ с позиций изменения вегетативного гомеостаза до настоящего времени не изучался [1, 2, 28—30].

С учетом того, что при хронической ишемии в вертебрально-базилярной системе (ВБС) патологический процесс локализуется преимущественно в стволовых структурах головного мозга, предиктивными маркерами индивидуального риска развития инсульта у данной категории пациентов мы считали изменения показателей вегетативного гомеостаза, которые характеризуют работу центрального и автономного контуров вегетативной регуляции по барорефлекторному и рефлекторному каналам (рис. 1) [31]. Такой подход позволил комплексно оценивать степень кардиоваскулярной и кардиореспираторной дисфункций у каждого пациента на этапах до и после лечения путем сравнительного анализа параметров состояния центральных и периферических вегетативных компонентов.

Известно, что тяжесть течения ишемического процесса вне зависимости от страдания центральных или периферических структур нервной системы в конечном итоге определяется особенностями вторичных неспецифических метаболических расстройств, степенью дестабилизации клеточных мембран, а также возможностями реактивации структурных и ферментных белков в условиях гипоксии [32].

Руководствуясь общепринятыми классификациями, гипоксию при ХИГМ можно определить как вторичную тканевую гипоксию на фоне первичной циркуляторной [33]. Так как основным энергетическим субстратом для нервной системы является глюкоза, при циркуляторной гипоксии в первую очередь нарушаются углеводный и, как следствие, энергетический обмены (табл. 1). Дефицит макроэргов и уменьшение содержания АТФ в клетках приводят к компенсаторному усилению гликолиза, но за счет того, что он протекает в анаэробных условиях, в организме снижается содержание пировиноградной и повышается содержание молочной кислоты. Развивается метаболический ацидоз, который в свою очередь приводит к нарушению метаболизма липидов и белков. Нарушение обменных процессов обусловливает структурно-функциональные изменения и повреждение клеток с последующим развитием гипоксического и свободнорадикального некробиоза нейронов. На данном этапе начинается формирование вторичной тканевой гипоксии. Морфологическим субстратом при этом выступают снижение скорости окислительного фосфорилирования в митохондриях и дезинтеграция структуры митохондриальных мембран. Недостаточность АТФ в клетке ведет к утрате нормального калий-натриевого градиента, гипергидратации и набуханию клетки, в результате чего уменьшается потенциал покоя — клетки становятся менее возбудимыми и не способными к межклеточному взаимодействию. Прогрессирующий ацидоз вызывает денатурацию клеточных белков и помутнение цитоплазмы. «Мутное набухание» клетки — один из типичных признаков ранней обратимой стадии некробиоза при гипоксии [34, 35]. В случае усугубления ишемии, на глубоких стадиях гипоксического некробиоза, ключевую роль играет увеличение содержания ионизированного внутриклеточного кальция. При этом резко повышается проницаемость митохондриальных мембран, возникают набухание митохондрий, инактивация их ферментативных систем, стойкая утрата способности к продукции АТФ, даже при реперфузии и восстановлении притока кислорода. В результате происходят разобщение окислительного фосфорилирования и дыхания и соответственно подавление всех энергозависимых систем клетки: синтеза белка, трансмембранного переноса ионов, сопряжения процессов возбуждения и передачи импульсов, что неизбежно приводит к гибели клетки [34—37].

При развитии острой и ХИГМ в клинике используется целый ряд препаратов, оказывающих разнонаправленное действие. Выбор актовегина для лечения пациентов был продиктован влиянием данного препарата на вышеописанные патогенетические механизмы развития гипоксии при ХИГМ.

Актовегин — депротеинизированный гемодериват (лиофилизат и ультрафильтрат) плазмы крови молочных телят, обладающий антигипоксантным действием, активизирующий обмен веществ в тканях, улучшающий их трофику и стимулирующий процессы регенерации. Антигипоксантное действие актовегина имеет две основных точки приложения. На системном уровне актовегин стимулирует синтез и транспорт глюкозы в клетку, а также ее утилизацию за счет активации фосфорилирования в цитоплазме, тем самым «растормаживая» анаэробный гликолиз, что позволяет поставлять клетке энергию, минуя дыхательную цепь митохондрий. На клеточном уровне актовегин активирует транспорт глюкозы непосредственно к митохондриям за счет инсулиноподобных транспортеров фосфоинозитолов, что многократно повышает усвоение глюкозы клетками. Обменные процессы улучшаются за счет влияния актовегина на трофотропную регуляцию систем поддержания тканевого гомеостаза — препарат стимулирует внутриклеточный биосинтез аденозина, таурина и глицина за счет содержащихся в нем предшественников пуриновых и пиримидиновых оснований, а также увеличивает концентрацию пировиноградной кислоты, являющейся главным энергоносителем для поддержания адекватного углеводного, белкового и жирового обмена. Ферментные комплексы актовегина (гипоксантин и фосфорибозитрансфераза) обеспечивают энергетическую компоненту синаптической передачи. Кроме того, актовегин влияет на образование различных факторов роста и/или действует на их рецепторы, купируя прогрессирование апоптоза, а также блокирует запускающие его цистеиновые протеинкиназы (каспаз) [38].

Влияние актовегина на звенья патологического каскада при первичной циркуляторной и вторичной тканевой гипоксии представлено на рис. 2.

Таким образом, актовегин способен блокировать расстройства энергометаболизма на первых этапах как общей, так и тканевой гипоксии, поддерживая тем самым системный и внутриклеточный гомеостаз в организме пациентов с ХИГМ.

Мы полагаем, что опосредованно актовегин может благотворно влиять и на состояние симпатоадреналовой системы, которая, как известно, при гипоксических явлениях имеет тенденцию к чрезмерной активации с выбросом катехоламинов и глюкокортикостероидов, что изначально является реакцией адаптации, но затем довольно быстро трансформируется в дезадаптационный процесс [39].

Цель настоящей работы — определение индивидуального риска развития инсульта в ближайшие 10 лет у пациентов, страдающих ХИГМ с дисциркуляцией преимущественно в ВБС, выявление предикторов данного риска и оценка его динамики на фоне лечения актовегином, который нивелирует патологические процессы системной и тканевой гипоксии стволовых структур и корригирует проявления дезадаптационного синдрома опосредованным влиянием на центральные и периферические вегетативные структуры.

Материал и методы

В исследовании приняли участие 54 пациента в возрасте 62,1±8,6 года с ХИГМ преимущественно в ВБС с поражением в основном стволовых структур, что было подтверждено ультразвуковыми и нейровизуализационными методами. Были отобраны пациенты, не принимающие регулярной антигипертензивной терапии, и исключены лица, страдающие мерцательной аритмией, сахарным диабетом, а также имеющие снижение толерантности к глюкозе по данным биохимического анализа крови.

Клинические проявления у пациентов с ХИГМ с преимущественным поражением стволовых структур отличались характерными полисимптомностью и мозаичностью, обусловленными особенностями кровоснабжения головного мозга сосудами ВББ. Было выявлено сочетание атактического и кохлеовестибулярного синдромов со зрительными и/или глазодвигательными нарушениями.

По данным экстракраниального и транскраниального ультразвукового дуплексного сканирования, выполненного на ультразвуковой установке экспертного класса Vivid 7 PRO «GE Medical Systems» (США), у всех пациентов выявлялось сочетание гипоплазии и/или деформации позвоночных артерий в I и II сегментах с их атеросклеротическим стенозированием менее 50%. Аномалии развития позвоночных артерий представляли гемодинамическую значимость в 70% случаев, деформации позвоночных артерий — в 96% случаев. У 93% пациентов были положительны функциональные пробы с поворотами головы, что выражалось в снижении кровотока по ипсилатеральной позвоночной артерии.

На МР-томограммах головного мозга отмечались мелкоочаговые и диффузные постгипоксические изменения в мозжечке, стволе, зрительном бугре, затылочных долях и медиобазальных отделах височных долей. МРТ выполнялась на установках серии Magnetom фирмы «Siemens» (Германия) с напряженностью магнитного поля 1,5 и 2 Тл.

В рамках исследования предусматривалось 3 визита. При каждом визите выполнялся комплекс обследований: тестирование по модифицированной Фремингемской шкале (МФШ), суточное мониторирование АД, исследование вариабельности ритма сердца (ВРС).

Тестирование и анализ данных по МФШ проводились для определения индивидуального риска развития инсульта согласно коллегиальным рекомендациям Научного общества специалистов по проблемам женского здоровья, Всероссийского научного медицинского общества терапевтов, Общества специалистов по сердечной недостаточности, Всероссийского научного общества кардиологов, Антигипертензивной Лиги [40]. Для расчета риска развития инсульта в ближайшие 10 лет использовалась специальная таблица (табл. 2). Риск в пределах 1—10% условились считать низким, в пределах 11—15% — средним, в пределах 16—20% — высоким, а при значениях 21% и более — очень высоким.

Суточное мониторирование АД проводилось при помощи прибора BPLab фирмы ООО «Петр Телегин» (Нижний Новгород). Регистрировались среднесуточные значения АД. О наличии АГ судили по среднесуточному АД >130/80 мм рт.ст. [40, 41]. Характеристики полученных суточных профилей АД принимались во внимание при подборе индивидуальных дозировок и времени приема гипотензивных средств.

Исследование ВРС выполняли по стандартной методике при помощи прибора ВНС-Спектр фирмы ООО «Нейрософт» (Иваново) [11, 42]. Проводились фоновая проба, проба с глубоким управляемым дыханием, проба Вальсальвы и активная ортостатическая проба (АОП). Анализировались следующие показатели вегетативного гомеостаза: 1) соотношение величины высокочастотных колебаний к величине низкочастотных колебаний в фоновой пробе (LF/HFфон), характеризующее баланс симпатического и парасимпатического отделов ВНС в состоянии покоя [11, 43, 44]; 2) показатель кардиореспираторной синхронизации (KRS), отражающий особенности взаимодействия между дыхательным и сердечно-сосудистым центрами ствола головного мозга и позволяющий судить о регуляторно-адаптивных возможностях организма [45]; 3) коэффициент дыхания (Кдых), определяющий функцию дыхательного контура, опосредуемую через парасимпатическую часть барорефлекторной дуги [46]; 4) коэффициенты симпатических и парасимпатических барорецепторов (КБРс и КБРп/с), дающие представление о функциональных возможностях данных барорецепторов; 5) коэффициент 30/15 (К30/15), предназначенный для оценки реактивности блуждающего нерва; 6) соотношение LF/HF при выполнении АОП (LF/HFаоп), характеризующее баланс симпатического и парасимпатического отделов ВНС при предъявлении нагрузки; 7) показатель процента прироста/убыли соотношения LF/HF (% п/у LF/HF), являющийся мерой адаптационных резервов организма. Интерпретация полученных данных производилась на основе их сравнения с общепринятыми значениями соответствующих коэффициентов (табл. 3, 4, 5) [11, 42], а также со значениями оригинально разработанных нами коэффициентов, определенными в предыдущих работах у относительно здоровых испытуемых, сопоставимых по полу и возрасту с наблюдаемыми пациентами (табл. 6) [47].

После обследования при первом визите пациентам назначали антигипертензивную терапию по двум схемам: каждый нечетный по выборке пациент в ближайшие 2 нед должен был принимать селективный бета1-адреноблокатор метопролол, каждый четный — ингибитор ангиотензинпревращающего фер-мента (ИАПФ) эналаприл в индивидуально подобранных дозировках с учетом среднесуточных цифр АД. В среднем суточная доза метопролола колебалась по подгруппе в пределах 50—100 мг, эналаприла — 15—40 мг. Терапию антигипертензивными препаратами проводили с целью достичь у всех испытуемых желаемого уровня среднесуточного САД — 130—140 мм рт.ст., что должно было уменьшить вклад данного фактора в общую сумму риска по МФШ до 5—6 баллов.

Со второго (0+2 нед) визита подключали терапию актовегином. Актовегин назначали курсом продолжительностью 1,5 мес внутривенно в дозе 1000 мг/сут в течение 2 нед, затем в таблетках по 200 мг 3 раза в день в течение 4 нед. Для исключения влияния эффекта плацебо и контроля реальной эффективности терапии из каждой группы в случайном порядке при помощи средств пакета MS Excel отбирали 10 пациентов, получавших вместо актовегина чистый физиологический раствор внутривенно, а затем нейробион в таблетках.

Третий (0+8 нед) визит являлся контрольным.

Статистическая обработка полученных данных проводилась на персональном компьютере с применением программных продуктов Microsoft Office Excel 2007 и Statistica 6.0. Качественный анализ сводился к вычислению абсолютных и относительных частот для каждого изучаемого признака. Относительные величины представлены в виде целых чисел со знаком %. Тип распределения количественных признаков определялся при помощи критерия нормальности Шапиро—Уилка. В зависимости от типа распределения все данные представлены в виде М± s среднее (одно стандартное отклонение), либо в виде Ме (25;75) (медиана (25-й и 75-й квартили)). При сравнительном анализе для всех показателей использовали непараметрический тест Манна—Уитни. Различия считались достоверными при уровне значимости р<0,05.

Результаты и обсуждение

При первоначальной оценке риск развития инсульта в ближайшие 10 лет оказался очень высоким у 57% пациентов, высоким — у 13% пациентов, средним — у 21% пациентов и низким — лишь у 9% пациентов. При этом в группе с очень высоким риском вероятность развития инсульта в ближайшие 10 лет варьировала в пределах от 22 до 57%.

Среднесуточные значения САД свидетельствовали о наличии АГ у всех пациентов и колебались в пределах 157—197 мм рт.ст. При этом анализ МФШ при исключении других факторов показал прямую зависимость роста риска развития инсульта от величины САД как у мужчин, так и у женщин (рис. 3).

Анализ состояния периферической части барорефлекторно-рефлекторной (БР) дуги показал, что функция блуждающего нерва у всех обследованных пациентов оставалась сохранной, а показатели функций как симпатических (БРс), так и парасимпатических (БРп/с) барорецепторов находились в диапазоне пограничных значений у большей части и укладывались в интервал возрастной нормы у меньшей части пациентов без четкой обоюдной зависимости. В то же время при оценке реактивности дыхательного контура, которая опосредуется только через парасимпатические структуры БР дуги (блуждающий нерв и БРп/с), в большинстве случаев (91%) были получены адекватные значения показателя Кдых, что могло свидетельствовать о вторичном, преходящем характере БР несостоятельности, выявляемой при прицельном исследовании функции БРс и БРп/с в пробе Вальсальвы.

По профилю ВРС при проведении фоновой пробы относительный баланс определялся лишь у 7% пациентов, в то время как у 93% больных он имел гиперсимпатическую направленность со значениями показателя LF/HFфон по группе в диапазоне 1,36 (1,29; 1,47) у. е. При проведении АОП у всех пациентов наблюдалось выраженное смещение вегетативного баланса в сторону преобладания симпатических влияний (в 57% случаев увеличение показателя LF/HFаоп >7,5 у.е., в 35% — >9 у.е., в 8% — >10,5 у.е.), что было обусловлено не только гиперактивацией симпатических стволовых структур, но и снижением вклада парасимпатических влияний в модуляцию СР.

Состояние адаптационных резервов организма соответствовало перенапряжению адаптации у всех рандомизированных пациентов.

По истечении 2 нед гипотензивной терапии результаты анкетирования по МФШ выглядели следующим образом: 1) по всей выборке очень высокий риск — 50% пациентов, высокий риск — 13%, средний риск — 26%, низкий риск — 11% пациентов; 2) в подгруппе метопролола: очень высокий риск — 44% пациентов, высокий риск — 15%, средний риск  — 26%, низкий риск — 15%; 3) в подгруппе эналаприла: очень высокий риск — 56% пациентов, высокий риск — 11%, средний риск — 26%, низкий риск — 7%.

При этом среднесуточные величины САД, по данным суточного мониторирования АД, у пациентов, принимавших метопролол, укладывались в заданный целевой диапазон и колебались в пределах 126—141 мм рт. ст., а у пациентов, принимавших эналаприл, даже при назначении максимальной суточной дозы были несколько выше желаемых значений и находились в пределах 138—147 мм рт.ст. Сравнение категоризированных величин САД по группам также показало, что эффективность гипотензивной терапии метопрололом в целом была достоверно выше (U-критерий Манна—Уитни, p<0,01) (рис. 4). Учитывая картину вегетативных профилей, полученных при обследовании при первом визите, можно считать антигипертензивную терапию, проводимую в подгруппе метопролола, патогенетической, а антигипертензивную терапию, проводимую в подгруппе эналаприла, — симптоматической. Известно, что одним из механизмов гипотензивного действия метопролола является восстановление чувствительности барорецепторов дуги аорты, что, на наш взгляд, делает его назначение более обоснованным при выявлении вегетативной дисфункции по барорефлекторному каналу. Основной механизм действия эналаприла связан с прямым уменьшением образования ангиотензина II и секреции альдостерона. Принимая во внимание фармакодинамику представленных препаратов, мы полагаем, что преходящая барорефлекторная несостоятельность у пациентов нивелировалась на фоне приема метопролола и не ответила на терапию эналаприлом. Таким образом, полученные данные подтверждают обоснованность подбора патогенетической гипотензивной терапии с учетом особенностей вегетативной дизрегуляции, несмотря на то что ИАПФ признаны «золотым стандартом» в лечении АГ.

При исследовании вегетативного профиля статистически значимой динамики показателей вегетативного гомеостаза и адаптационных возможностей обнаружено не было. Однако все пациенты, получавшие метопролол, при проведении пробы Вальсальвы показали достаточную реактивность барорецепторов, в то время как у 71% пациентов, принимавших эналаприл, значения коэффициентов барорефлекторной функции по-прежнему оставались в пределах пограничных значений. Кроме того, интересными оказались данные, полученные при анализе кардиоритмограммы в пробе с глубоким управляемым дыханием и АОП у пациентов, принимавших эналаприл: в пограничном диапазоне находились значения показателя Кдых у всех испытуемых и значения показателя К30/15 в 74% случаев. Создавалось впечатление об угнетении вагусной реактивности, что, возможно, объяснялось истощением функциональных резервов блуждающего нерва на фоне повышения тонуса его чувствительной порции, опосредованного способностью ИАПФ увеличивать уровень брадикинина и субстанции Р, раздражающих парасимпатические афферентные волокна [48, 49].

Таким образом, к моменту назначения терапии актовегином при 2-м визите состояние ВНС у одной половины рандомизированных пациентов характеризовалось дисфункцией на стволовом уровне, а у другой половины первичной стволовой дисфункции сопутствовала вторичная несостоятельность периферических вегетативных структур (табл. 7). Данное обстоятельство давало возможность оценивать эффективность назначаемого препарата в модальностях как центрального, так и периферического фармакологического действия.

Повторное тестирование по МФШ через 6 нед терапии актовегином и плацебо показало следующие результаты: в подгруппе «актовегин + метопролол» очень высокий риск был у 41% пациентов, высокий риск — у 18%, средний риск — у 12%, низкий риск — у 29%; в подгруппе «плацебо + метопролол»: очень высокий риск — у 30%, высокий риск — у 30%, средний риск — у 30%, низкий риск — у 10%; в подгруппе «актовегин + эналаприл»: очень высокий риск — у 53% пациентов, высокий риск — у 6%, средний риск — у 6% пациентов, низкий риск — у 35%; в подгруппе «плацебо + эналаприл»: очень высокий риск — у 50% пациентов, высокий риск — у 30%, средний риск — у 10%, низкий риск — у 10%. Для наглядности полученные данные усреднены методом последовательных наложенных графиков и представлены в виде динамики риска развития инсульта у пациентов с ХИГМ преимущественно в ВБС в зависимости от получаемой ими терапии.

Ко 2-му визиту риск развития инсульта, согласно балльной оценке по МФШ, уменьшался значительнее у пациентов, принимавших метопролол. При 3-м визите, после курса терапии актовегином, заметное снижение риска наблюдалось как в группе метопролола, так и в группе эналаприла. В то же время к 3-му визиту риск развития инсульта оставался на прежнем уровне (по сравнению со 2-м визитом) у всех пациентов, получавших плацебо, вне зависимости от схемы гипотензивной терапии.

Риск развития инсульта имеет прямую зависимость от величины САД как у мужчин, так и у женщин. На фоне терапии актовегином цифры САД к моменту 3-го визита имели четкую тенденцию к снижению (U-критерий Манна—Уитни; p<0,01) как в группе метопролола, так и в группе эналаприла (рис. 5). При этом медианы САД в группах пациентов, получавших актовегин, статистически достоверно отличались от медиан САД в группах, получавших витаминотерапию нейробионом (U-критерий Манна—Уитни; p<0,01), что исключало возможность влияния эффекта плацебо на результаты, полученные в первом случае (табл. 8).

Мы полагаем, что опосредованный гипотензивный эффект актовегина обусловлен его эндотелиопротективным действием, которое включает гемодинамические и метаболические механизмы. Гемодинамические эффекты заключаются в повышении NO-опосредованной функции эндотелия с уменьшением тонуса и величины просвета прекапиллярных артериол; снижении уровня АД; уменьшении артериоло-венулярного шунтирования крови; увеличении скорости капиллярного кровотока. Метаболические эффекты проявляются улучшением фильтрационно-реабсорбционного механизма обмена веществ с уменьшением степени гидратации интерстициального пространства (т.е. скрытой задержки жидкости в тканях), что невозможно без улучшения функционального состояния самих эндотелиоцитов, которые являются единственным структурным элементом сосудистого русла на уровне капилляров и посткапиллярных венул [50].

Кроме того, немаловажную роль в снижении АД у наблюдаемых нами пациентов сыграло влияние актовегина на нейрогенные факторы регуляции сосудистого тонуса, что было доказано при анализе записей ВРС и кардиоваскулярных проб, произведенных при 3-м визите.

В группе пациентов, получавших метопролол, дисбаланс стволовых вегетативных центров с преобладанием симпатических влияний полностью нивелировался на фоне приема актовегина, и вегетативный профиль приобрел физиологичную парасимпатическую направленность у всех пациентов. В группе пациентов, получавших эналаприл, терапия актовегином способствовала изменению характера вегетативного профиля на смешанный симпато-парасимпатический в 94% случаев. В подгруппах плацебо каких-либо значимых изменений состояния стволовых вегетативных структур по сравнению со 2-м визитом не отмечено.

Актовегин показал эффективность терапевтического воздействия и на периферические вегетативные структуры у пациентов, получавших эналаприл. При повторном обследовании вторичная дисфункция блуждающего нерва выявлялась лишь у 12% пациентов, вторичная неселективная барорефлекторная несостоятельность — у 29% пациентов данной группы.

На фоне общей стабилизации состояния ВНС перенапряжение механизмов адаптации сменилось состоянием удовлетворительной адаптации у пациентов, лечившихся по схеме «актовегин + метопролол», и состоянием повышенного функционального напряжения механизмов адаптации у пациентов, получавших лечение по схеме «актовегин + эналаприл».

Таким образом, по результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1) ХИГМ с преимущественным поражением стволовых структур непосредственно коррелирует с индивидуальным риском развития инсульта в ближайшие 10 лет, что обусловлено особенностями кровоснабжения данной области и сопровождается значительной дизрегуляцией гомеостатических процессов даже при минимальной дисциркуляции; 2) предиктивными маркерами индивидуального риска развития инсульта у пациентов с ХИГМ преимущественно в ВБС могут служить изменения показателей вегетативного гомеостаза; 3) терапия актовегином нивелирует патологические эффекты системной и тканевой гипоксии стволовых структур и корригирует проявления дезадаптационного синдрома через опосредованное влияние на центральные и периферические вегетативные структуры, что в итоге снижает индивидуальный риск развития инсульта в ближайшие 10 лет у пациентов с ХИГМ преимущественно в ВБС.

Гомеостаз и петли обратной связи | Анатомия и физиология I

 

Введение в гомеостаз

Гомеостаз относится к динамическим физиологическим процессам, которые помогают нам поддерживать внутреннюю среду, подходящую для нормального функционирования. Гомеостаз — это , а не , как химическое или физическое равновесие. Такое равновесие возникает, когда не происходит чистых изменений: добавьте молоко в кофе, и, в конце концов, когда равновесие будет достигнуто, в кофейной кружке не будет чистой диффузии молока. Однако гомеостаз — это процесс, посредством которого внутренние переменные, такие как температура тела, артериальное давление и т. д., поддерживаются в диапазоне значений, соответствующих системе. Когда стимул изменяет одну из этих внутренних переменных, он создает обнаруженный сигнал, на который тело будет реагировать как часть своей способности поддерживать гомеостаз.

гомеостаз

• Гомеостаз – это тенденция биологических систем поддерживать относительно постоянные условия во внутренней среде, постоянно взаимодействуя и приспосабливаясь к изменениям, происходящим внутри или вне системы.

 

Учтите, что при понижении температуры наружного воздуха тело не просто «уравновешивается» (становится таким же) с окружающей средой. Несколько систем работают вместе, чтобы помочь поддерживать температуру тела: мы дрожим, у нас появляются «мурашки по коже», а приток крови к коже, который вызывает потерю тепла в окружающую среду, уменьшается.

Многие медицинские состояния и болезни возникают в результате изменения гомеостаза. В этом разделе будет рассмотрена терминология и объяснены физиологические механизмы, связанные с гомеостазом. Мы будем обсуждать гомеостаз в каждой последующей системе. Многие аспекты тела находятся в постоянном изменении — объем и место кровотока, скорость обмена веществ между клетками и окружающей средой, скорость роста и деления клеток — все это примеры. Но эти изменения на самом деле способствуют сохранению многих переменных организма и, следовательно, общего внутреннего состояния организма в относительно узких пределах. Например, приток крови к ткани увеличится, когда эта ткань станет более активной. Это гарантирует, что в ткани будет достаточно кислорода для поддержания более высокого уровня метаболизма.

Поддержание внутренних условий в организме называется гомеостазом (от гомео-, что означает подобный, и стазис, что означает стоять на месте). Может показаться, что корень «стазис» термина «гомеостаз» означает, что ничего не происходит. Но если подумать об анатомии и физиологии, даже поддержание тела в состоянии покоя требует большой внутренней активности. Ваш мозг постоянно получает информацию о внутренней и внешней среде и включает эту информацию в реакции, о которых вы, возможно, даже не подозреваете, такие как небольшие изменения частоты сердечных сокращений, характера дыхания, активности определенных групп мышц, движения глаз и т. д. Любое из этих действий, помогающих поддерживать внутреннюю среду, способствует гомеостазу.

Поддержание гомеостаза можно рассматривать на различных уровнях. Например, подумайте о том, что происходит, когда вы тренируетесь, что может представлять собой проблему для различных систем организма. Однако вместо того, чтобы эти проблемы наносили вред вашему телу, наши системы адаптируются к ситуации. На уровне всего тела вы замечаете некоторые специфические изменения: ваше дыхание и частота сердечных сокращений учащаются, ваша кожа может покраснеть, и вы можете потеть. Если вы продолжите заниматься спортом, вы можете почувствовать жажду. Все эти эффекты являются результатом того, что ваше тело пытается поддерживать условия, подходящие для нормального функционирования:

• Ваши мышечные клетки используют кислород для преобразования энергии, запасенной в глюкозе, в энергию, хранящуюся в АТФ (аденозинтрифосфат), которую они затем используют для сокращения мышц. Когда вы тренируетесь, ваши мышцы нуждаются в большем количестве кислорода. Поэтому, чтобы поддерживать адекватный уровень кислорода во всех тканях вашего тела, вы дышите более глубоко и с большей частотой, когда тренируетесь. Это позволяет вам получать больше кислорода. Ваше сердце также работает быстрее и сильнее, что позволяет ему доставлять больше крови, богатой кислородом, к вашим мышцам и другим органам, которым потребуется больше кислорода и АТФ.
• Поскольку ваши мышцы осуществляют клеточное дыхание для высвобождения энергии из глюкозы, они производят углекислый газ и воду в качестве отходов. Эти отходы должны быть устранены, чтобы помочь вашему телу поддерживать баланс жидкости и рН. Ваше учащенное дыхание и частота сердечных сокращений также помогают устранить большое количество углекислого газа и часть избыточной воды.
• Ваши мышцы используют энергию, запасенную в молекулах АТФ, для создания силы, необходимой им для сокращения. Побочным продуктом высвобождения этой энергии является тепло, поэтому физические упражнения повышают температуру тела. Чтобы поддерживать соответствующую температуру тела, ваше тело компенсирует дополнительное тепло, заставляя кровеносные сосуды возле вашей кожи расширяться и заставляя потовые железы в вашей коже выделять пот. Эти действия позволяют теплу легче рассеиваться в воздухе и за счет испарения воды с потом.
• По мере того, как вы тренируетесь в течение более длительных периодов времени, вы теряете все больше и больше воды и солей с потом (и, в меньшей степени, с увеличением дыхания). Если вы тренируетесь слишком долго, ваше тело может потерять достаточно воды и соли, что начнет влиять на другие его функции. Низкая концентрация воды в крови вызывает выброс гормонов, вызывающих чувство жажды. Ваши почки также производят более концентрированную мочу с меньшим количеством воды, если уровень жидкости низкий. Эти действия помогают поддерживать баланс жидкости.

Терминология гомеостаза

Поддержание гомеостаза в организме обычно происходит за счет использования петель обратной связи, которые контролируют внутренние условия организма.

Контур обратной связи определяется как система, используемая для управления уровнем переменной, в которой есть идентифицируемый рецептор (сенсор), центр управления (интегратор или компаратор), эффекторы и способы связи.

Мы используем следующую терминологию для описания петель обратной связи:

• Переменные — это параметры, которые отслеживаются и контролируются или на которые влияет система обратной связи.
• Рецепторы (сенсоры) обнаруживают изменения переменной.
• Центры управления (интеграторы) сравнивают переменную с заданным значением и сигнализируют эффекторам, чтобы они генерировали ответ. Центры управления иногда принимают во внимание информацию, отличную от уровня переменной, при принятии решений, такую ​​как время суток, возраст, внешние условия и т. д.
• Эффекторы выполняют необходимые изменения для корректировки переменной.
• Методы связи между компонентами контура обратной связи необходимы для его функционирования. Это часто происходит через нервы или гормоны, но в некоторых случаях рецепторы и центры управления являются одними и теми же структурами, так что в этой части петли нет необходимости в этих сигнальных режимах.

Терминология в этой области часто противоречива. Например, бывают случаи, когда компоненты цикла обратной связи нелегко идентифицировать, но переменные поддерживаются в определенном диапазоне. Такие ситуации по-прежнему являются примерами гомеостаза и иногда описываются как цикл обратной связи, а не как петля обратной связи.

Цикл обратной связи определяется как любая ситуация, в которой переменная регулируется и уровень переменной влияет на направление изменения переменной (т.е. увеличивается или уменьшается), даже если нет четко идентифицированных компонентов цикла.

Имея в виду эту терминологию, гомеостаз можно описать как совокупность петель обратной связи и циклов обратной связи, которые тело включает для поддержания надлежащего функционального состояния.

Кондиционирование воздуха представляет собой технологическую систему, которую можно описать в терминах цикла обратной связи. Термостат определяет температуру, электронный интерфейс сравнивает температуру с заданным значением (температурой, которую вы хотите). Если температура соответствует или ниже, то ничего не происходит. Если температура слишком высокая, то электронный интерфейс включает кондиционер. Как только температура понизится настолько, чтобы достичь заданного значения, электронный интерфейс выключит кондиционер. Для этого примера определите шаги цикла обратной связи.

Круиз-контроль — еще одна технологическая система обратной связи. Идея круиз-контроля заключается в поддержании постоянной скорости автомобиля. Скорость автомобиля определяется спидометром, а электронный интерфейс измеряет скорость автомобиля в зависимости от заданного значения, выбранного водителем. Если скорость слишком низкая, интерфейс стимулирует двигатель; если скорость слишком высока, интерфейс снижает мощность на шинах.

 

Термины, применяемые к температуре

Рассмотрим один из контуров обратной связи, который контролирует температуру тела.

Переменная

В данном случае переменной является температура тела.

Рецепторы

Терморецепторы обнаруживают изменения температуры тела. Например, терморецепторы во внутренних органах могут обнаруживать пониженную температуру тела и генерировать нервные импульсы, которые направляются в центр управления, гипоталамус.

Центр управления

Гипоталамус контролирует множество эффекторов, которые реагируют на снижение температуры тела.

Эффекторы

Существует несколько эффекторов, контролируемых гипоталамусом.

• кровеносные сосуды вблизи кожи сужаются, уменьшая приток крови (и, как следствие, потерю тепла) в окружающую среду.
• Скелетные мышцы также являются эффекторами в этой петле обратной связи: они быстро сокращаются в ответ на снижение температуры тела. Этот озноб помогает генерировать тепло, которое повышает температуру тела.

Петли обратной связи

Помните, что гомеостаз — это поддержание относительно стабильной внутренней среды. Когда присутствует стимул или изменение в окружающей среде, петли обратной связи реагируют, чтобы поддерживать работу систем вблизи заданного или идеального уровня.

Обратная связь — это ситуация, когда выход или отклик контура воздействует или влияет на вход или стимул.

 

Обычно мы делим петли обратной связи на два основных типа:

1. петли положительной обратной связи , в которых изменение в заданном направлении вызывает дополнительное изменение в том же направлении. Например, увеличение концентрации вещества вызывает обратную связь, которая приводит к постоянному увеличению концентрации.
2. петли отрицательной обратной связи , в которых изменение в заданном направлении вызывает изменение в противоположном направлении. Например, увеличение концентрации вещества вызывает обратную связь, которая в конечном итоге приводит к уменьшению концентрации вещества.

Петли положительной обратной связи по своей природе нестабильны. Поскольку изменение входных данных вызывает реакцию, которая приводит к постоянным изменениям в том же направлении, петли положительной обратной связи могут привести к неконтролируемым состояниям. Термин «положительная обратная связь» обычно используется до тех пор, пока переменная способна усиливать себя, даже если компоненты петли (рецептор, центр управления и эффектор) нелегко идентифицировать. В большинстве случаев положительная обратная связь вредна, но есть несколько случаев, когда положительная обратная связь при ограниченном использовании способствует нормальному функционированию. Например, при свертывании крови каскад ферментных белков активирует друг друга, что приводит к образованию фибринового сгустка, препятствующего кровопотере. Один из ферментов пути, называемый тромбином, не только действует на следующий белок пути, но также обладает способностью активировать белок, предшествующий ему в каскаде. Этот последний шаг приводит к циклу положительной обратной связи, где увеличение тромбина приводит к дальнейшему увеличению тромбина. Следует отметить, что существуют и другие аспекты свертывания крови, которые контролируют общий процесс, например, уровень тромбина не повышается без ограничений. Но если мы просто рассмотрим воздействие тромбина на самого себя, то это считается циклом положительной обратной связи. Хотя некоторые могут считать это положительной обратной связью, такая терминология не является общепринятой.

Петли отрицательной обратной связи по своей природе являются стабильными системами. Петли отрицательной обратной связи в сочетании с различными стимулами, которые могут воздействовать на переменную, обычно создают состояние, при котором переменная колеблется вокруг заданного значения. Например, петли отрицательной обратной связи, включающие инсулин и глюкагон, помогают удерживать уровень глюкозы в крови в узком диапазоне концентраций. Если уровень глюкозы становится слишком высоким, организм выбрасывает инсулин в кровоток. Инсулин заставляет клетки организма поглощать и накапливать глюкозу, снижая концентрацию глюкозы в крови. Если уровень глюкозы в крови становится слишком низким, организм высвобождает глюкагон, что вызывает высвобождение глюкозы из некоторых клеток организма.

Положительная обратная связь

В механизме положительной обратной связи выход системы стимулирует систему таким образом, чтобы еще больше увеличить выход. Общие термины, которые могут описывать петли или циклы положительной обратной связи, включают «снежный ком» и «цепную реакцию». Без уравновешивающей или «выключающей» реакции или процесса механизм положительной обратной связи может привести к неконтролируемому процессу. Как уже отмечалось, есть некоторые физиологические процессы, которые обычно считаются положительной обратной связью, хотя не все они могут иметь идентифицируемые компоненты петли обратной связи. В этих случаях петля положительной обратной связи всегда заканчивается встречной сигнализацией, которая подавляет первоначальный стимул.

Хорошим примером положительной обратной связи является усиление схваток. Схватки начинаются, когда ребенок занимает положение, растягивая шейку матки за ее нормальное положение. Обратная связь увеличивает силу и частоту сокращений, пока ребенок не родится. После рождения растяжение прекращается и петля прерывается.

Другой пример положительной обратной связи возникает при лактации, когда мать вырабатывает молоко для своего ребенка. Во время беременности повышается уровень гормона пролактина. Пролактин обычно стимулирует выработку молока, но во время беременности прогестерон подавляет выработку молока. При рождении, когда плацента выходит из матки, уровень прогестерона падает. В результате увеличивается производство молока. Когда ребенок сосет, его сосание стимулирует грудь, способствуя дальнейшему высвобождению пролактина, что приводит к еще большему производству молока. Эта положительная обратная связь гарантирует, что у ребенка будет достаточно молока во время кормления. Когда ребенка отнимают от груди и он больше не сосет грудь, стимуляция прекращается, и уровень пролактина в крови матери возвращается к уровню, существовавшему до грудного вскармливания.

Выше приведены примеры полезных механизмов положительной обратной связи. Однако во многих случаях положительная обратная связь может быть потенциально разрушительной для жизненных процессов. Например, артериальное давление может значительно упасть, если человек теряет много крови из-за травмы.

Артериальное давление является регулируемой величиной, которая приводит к увеличению частоты сердечных сокращений (т. е. увеличению частоты сердечных сокращений) и более сильному сокращению. Эти изменения в сердце заставляют его нуждаться в большем количестве кислорода и питательных веществ, но если объем крови в организме слишком низкий, сама ткань сердца не получит достаточного притока крови для удовлетворения этих повышенных потребностей. Дисбаланс между потребностью сердца в кислороде и подачей кислорода может привести к дальнейшему повреждению сердца, что фактически снижает артериальное давление, обеспечивая большее изменение переменной (артериальное давление). Петля реагирует, пытаясь стимулировать сердце еще сильнее, что приводит к дальнейшему повреждению сердца… и эта петля продолжается до тех пор, пока не наступает смерть.

 

Отрицательная обратная связь

Большинство систем биологической обратной связи являются системами отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь возникает, когда выход системы уменьшает или ослабляет процессы, которые приводят к выходу этой системы, что приводит к уменьшению выхода. Как правило, отрицательная обратная связь позволяет системам самостабилизироваться. Отрицательная обратная связь является жизненно важным механизмом контроля гомеостаза организма.

Вы видели пример петли обратной связи, примененной к температуре, и определили задействованные компоненты. Это важный пример того, как петля отрицательной обратной связи поддерживает гомеостаз в механизме терморегуляции организма. Тело поддерживает относительно постоянную внутреннюю температуру для оптимизации химических процессов. Нервные импульсы от теплочувствительных терморецепторов в теле сигнализируют гипоталамусу. Гипоталамус, расположенный в головном мозге, сравнивает температуру тела с заданным значением.

Когда температура тела падает, гипоталамус инициирует несколько физиологических реакций для увеличения выработки и сохранения тепла:

• Сужение поверхностных кровеносных сосудов (вазоконстрикция) снижает приток тепла к коже.
• Начинается дрожь, увеличивающая выработку тепла мышцами.
• Надпочечники выделяют стимулирующие гормоны, такие как норадреналин и адреналин, для увеличения скорости метаболизма и, следовательно, производства тепла.

Эти эффекты вызывают повышение температуры тела. Когда он возвращается к норме, гипоталамус больше не стимулируется, и эти эффекты прекращаются.

Когда температура тела повышается, гипоталамус инициирует несколько физиологических реакций, направленных на снижение выработки и потери тепла:

• Расширение поверхностных кровеносных сосудов (вазодилатация) увеличивает приток тепла к коже и вызывает покраснение.
• Потовые железы выделяют воду (пот), и испарение охлаждает кожу.

Эти эффекты вызывают снижение температуры тела. Когда он возвращается к норме, гипоталамус больше не стимулируется, и эти эффекты прекращаются.

Многие гомеостатические механизмы, такие как температура, по-разному реагируют, если переменная выше или ниже заданного значения. При повышении температуры мы потеем, при понижении – дрожим. Эти ответы используют разные эффекторы для настройки переменной. В других случаях петля обратной связи будет использовать тот же эффектор для регулировки переменной обратно к заданному значению, независимо от того, было ли первоначальное изменение переменной выше или ниже заданного значения. Например, диаметр зрачка регулируется, чтобы обеспечить попадание в глаз соответствующего количества света. Если света слишком мало, зрачок расширяется, если слишком много, зрачок сужается.

Это можно сравнить с вождением. Если ваша скорость выше заданного значения (значение, которое вы хотите, чтобы оно было), вы можете либо просто уменьшить уровень акселератора (т.е. выбег), либо активировать вторую систему — тормоз. В обоих случаях вы замедляетесь, но это можно сделать, либо просто «отступив» на одной системе, либо добавив вторую систему.

Давайте посмотрим, как эти два примера работают в отношении нормального гомеостаза кровяного давления.

Артериальное давление измеряется по мере того, как циркулирующая кровь оказывает давление на стенки артерий организма. Артериальное давление создается первоначально сокращением сердца. Изменения силы и скорости сокращения будут напрямую связаны с изменениями артериального давления. Изменения объема крови также будут напрямую связаны с изменениями артериального давления. Изменения диаметра сосудов, по которым движется кровь, изменяют сопротивление и оказывают противоположное изменение артериального давления. Гомеостаз артериального давления включает рецепторы, контролирующие артериальное давление, и центры управления, инициирующие изменения в эффекторах, чтобы поддерживать его в пределах нормы.

Диабет: Тип 1 и Тип 2

Важным примером отрицательной обратной связи является контроль уровня сахара в крови.

1. После еды тонкий кишечник всасывает глюкозу из переваренной пищи. Уровень глюкозы в крови повышается.
2. Повышение уровня глюкозы в крови стимулирует бета-клетки поджелудочной железы к выработке инсулина.
3. Инсулин заставляет клетки печени, мышц и жировой ткани поглощать глюкозу, где она хранится. По мере всасывания глюкозы уровень глюкозы в крови падает.
4. Как только уровень глюкозы падает ниже порогового значения, больше не существует достаточного стимула для высвобождения инсулина, и бета-клетки прекращают высвобождать инсулин.

Благодаря синхронизации высвобождения инсулина между бета-клетками базальная концентрация инсулина в крови колеблется после приема пищи. Колебания имеют клиническое значение, поскольку считается, что они помогают поддерживать чувствительность рецепторов инсулина в клетках-мишенях. Эта потеря чувствительности является основой резистентности к инсулину. Таким образом, сбой механизма отрицательной обратной связи может привести к повышению уровня глюкозы в крови, что имеет множество негативных последствий для здоровья.

Давайте поближе познакомимся с диабетом. В частности, мы обсудим диабет типа 1 и типа 2. Диабет может быть вызван недостатком инсулина, резистентностью к инсулину или тем и другим.

Диабет 1 типа возникает, когда бета-клетки поджелудочной железы разрушаются в результате иммунно-опосредованного процесса. Поскольку бета-клетки поджелудочной железы чувствуют уровень глюкозы в плазме и реагируют, высвобождая инсулин, у людей с диабетом 1 типа наблюдается полное отсутствие инсулина. При этом заболевании необходимы ежедневные инъекции инсулина.

Также страдают те, кто потерял поджелудочную железу. После удаления поджелудочной железы (например, из-за рака) всегда присутствует диабет 1 типа.

Диабет 2 типа встречается гораздо чаще, чем диабет 1 типа. Он составляет большинство случаев диабета. Обычно это происходит во взрослом возрасте, но все чаще это заболевание диагностируется у молодых людей. При диабете 2 типа поджелудочная железа все еще вырабатывает инсулин, но ткани не реагируют эффективно на нормальные уровни инсулина, что называется резистентностью к инсулину. Через много лет поджелудочная железа снизит уровень секретируемого ею инсулина, но это не главная проблема, когда начинается заболевание. Многие люди с диабетом 2 типа не знают, что у них он есть, хотя это серьезное заболевание. Диабет 2 типа становится все более распространенным из-за растущего ожирения и отказа от физических упражнений, которые способствуют резистентности к инсулину.

1.3: Гомеостаз и системы контроля

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

11099

цели обучения

• Дать определение гомеостаза
• Дайте определение системе управления и опишите ее компоненты
• Дайте определение отрицательной обратной связи и приведите один пример с использованием температуры тела
• Дайте определение положительным отзывам и приведите один пример; также сравните и сопоставьте положительную и отрицательную обратную связь с точки зрения взаимосвязи между ответом и результатом

Гомеостаз (гомео- = «подобный, похожий, такого же рода»; stasis = «стоять на месте») означает поддерживать функции организма в определенных приемлемых для жизни пределах, приспосабливаясь к внутренним и внешним изменениям. Температура, концентрация питательных веществ, кислотность, вода, натрий, кальций, кислород, а также кровяное давление, частота сердечных сокращений и частота дыхания — вот некоторые из внутренних переменных организма, которые должны оставаться в определенном диапазоне. Когда организму не удается поддерживать внутренние параметры тела в определенном диапазоне, нормальная функция нарушается, что может привести к заболеванию или заболеванию.

проверки понятий, терминов и фактов

Вопросы для изучения Напишите свой ответ в виде предложения (не используйте в ответе расплывчатые слова)

1. Какие внутренние переменные тела должны оставаться в определенном диапазоне?
2. Что происходит, когда внутренние переменные тела выходят за пределы определенного диапазона?
3. Что такое гомеостаз?

Все, что должно поддерживаться в организме в пределах нормы, должно иметь систему контроля . Система управления состоит из четырех компонентов:

Стимул или физиологическая переменная, которая изменяет , является предметом регулирования. Переменная в широком смысле — это значение, которое варьируется или изменяется. Двумя примерами изменяющихся переменных являются температура тела и уровень глюкозы в крови. Все, что можно измерить и изменить, является переменной.

Сенсор или сенсорный рецептор — это клетка, ткань или орган, воспринимающие изменение стимула или физиологической переменной. Например, окончания чувствительных нервных клеток в коже ощущают повышение температуры тела, а специализированные клетки поджелудочной железы ощущают падение уровня глюкозы в крови. Сенсорный рецептор или датчик обеспечивает вход в центр управления.

Центр управления — это структура тела, которая определяет нормальный диапазон переменной или заданное значение . Например, область мозга, называемая гипоталамусом, определяет уставку температуры тела (около 37 °C, или 98,6 °F), а специализированные клетки поджелудочной железы определяют уставку глюкозы в крови (около 70–100 мг/дл). ). Для поддержания гомеостаза центр управления реагирует на изменения стимула, полученного от сенсора, посылая сигналы эффекторам.

Эффектор — это клетка, ткань или орган, которые реагируют на сигналы из центра управления, тем самым обеспечивая реакцию на стимул (физиологическая переменная, которая изменилась) для поддержания гомеостаза. Например, потовые железы (эффекторы) по всему телу выделяют пот для снижения температуры тела; а клетки печени (эффекторы) выделяют глюкозу для повышения уровня глюкозы в крови. См. четыре компонента системы управления на рисунке \(\PageIndex{1}\) ниже.

Рисунок \(\PageIndex{1}\) Компоненты системы управления: изменяющийся стимул или физиологическая переменная, датчик или сенсорный рецептор, центр управления и эффектор

Проверка понятий, терминов и фактов

Учебные вопросы Напишите свой ответ в виде предложения (не используйте неразборчивые слова)

1. Каковы четыре компонента системы управления?
2. Дайте определение стимулу, используя два примера
3. Что такое сенсор (или сенсорный рецептор)?
4. Что такое центр управления?
5. Что такое уставка?
6. Что такое эффектор?

Большинство систем управления поддерживают гомеостаз с помощью процесса, называемого отрицательной обратной связью . Отрицательная обратная связь предотвращает выход физиологической переменной или функции организма за пределы нормального диапазона. Он делает это, обращая изменение физиологической переменной (стимула) после превышения нормального диапазона. Компонентами отрицательной обратной связи являются датчик (или сенсорный рецептор), центр управления (где находится заданная точка) и эффектор. См. рисунок \(\PageIndex{2}\) ниже.

Рисунок \(\PageIndex{2}\) В петле отрицательной обратной связи стимул — отклонение от заданного значения — сопротивляется физиологическому процессу, возвращающему организм к гомеостазу. (а) Петля отрицательной обратной связи состоит из четырех основных частей. (б) Температура тела регулируется отрицательной обратной связью.

проверки понятий, терминов и фактов

Вопросы для изучения Напишите свой ответ в виде предложения (не используйте в ответе неразборчивые слова)

1. Что такое негативная обратная связь?

Положительная обратная связь — это механизм, который усиливает изменение
физиологического состояния организма, а не обращает его вспять (как это делает механизм отрицательной обратной связи). Отклонение от нормального диапазона приводит к большим изменениям, и система отдаляется от нормального диапазона. Положительная обратная связь в организме нормальна только тогда, когда есть определенная конечная точка.

Роды — это пример петли положительной обратной связи, которая является нормальной, но активируется только при необходимости. Первые схватки (стимул) подталкивают ребенка к шейке (самой нижней части матки). Шейка матки содержит чувствительные к растяжению клетки (сенсоры), которые отслеживают степень растяжения. Эти нервные клетки посылают сообщения в мозг (центр управления), который, в свою очередь, заставляет гипофиз в основании мозга выделять гормон окситоцин в кровоток. Окситоцин вызывает более сильные сокращения гладких мышц (эффекторов) в матке, продвигая ребенка дальше по родовым путям. Это вызывает еще большее растяжение шейки матки. Цикл растяжения, выброса окситоцина и все более сильных сокращений прекращается только с рождением ребенка. В этот момент растяжение шейки матки прекращается, прекращая выброс окситоцина. Конец 9Результатом 0290 в цикле положительной обратной связи является достижение точки конца (доставка), а не достижение точки set , как при отрицательной обратной связи. См. рисунок \(\PageIndex{3}\) ниже в качестве примера и таблицу \(\PageIndex{1}\) для сравнения отрицательных и положительных отзывов.

Рисунок \(\PageIndex{3}\) Нормальные роды управляются положительной обратной связью. Петля положительной обратной связи приводит к изменению состояния организма, а не к возврату к заданной точке.

Таблица \(\PageIndex{1}\): Сравнение положительных и отрицательных отзывов.

	Отрицательный отзыв	Положительный отзыв
Пример	Регуляция температуры тела или уровня глюкозы в крови	Нормальные роды
Ответ	Обращает вспять изменение физиологического состояния	Усиливает изменение физиологического состояния
Результат	Возврат к заданному значению	Достичь конечной точки
Комбинезон	Обеспечить стабильность	Ускоряет процесс до завершения

Проверка понятий, терминов и фактов

Учебные вопросы Напишите свой ответ в виде предложения (не используйте в ответе неразборчивые слова)

1.