Значение гомеостаза: Недопустимое название — Викисловарь

ГОМЕОСТАЗ — это… Что такое ГОМЕОСТАЗ?

ГОМЕОСТАЗ

гомеостазис (от гомео… и греч. stasis — неподвижность, состояние), способность биол. систем противостоять изменениям и сохранять динамич. относит, постоянство состава и свойств. Термин «Г.» предложил У. Кен-нон в 1929 для характеристики состояний п процессов, обеспечивающих устойчивость организма. Однако идея о существовании физиол. механизмов, направленных на поддержание постоянства внутр. среды организма, была высказана ещё во 2-й пол. 19 в. К. Бернаром, к-рый рассматривал стабильность физико-химич. условий во внутр. среде как основу свободы н независимости живых организмов в непрерывно меняющейся внеш. среде. Явления Г. наблюдаются на разных уровнях биол. организации. Г. физиологический. Возникновение жизни на Земле, появление одноклеточных организмов было связано с формированием и непрестанным поддержанием в клетке в течение всей жизни специфич. физико-химич. условий, отличающихся от условий окружающей среды.

У многоклеточных организмов появляется внутр. среда, в к-рой находятся клетки разл. органов и тканей, происходит развитие и совершенствование механизмов Г. В ходе эволюции формируются специа-лизир. органы кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения и др., участвующие в поддержании Г. У мор. беспозвоночных имеются гомеостатич. механизмы стабилизации объёма, ионного состава и рН жидкостей внутр. среды. Для животных, перешедших к жизни в пресных водах и на суше, а также у позвоночных, мигрировавших из пресных вод в море, сформированы механизмы осморегуля-ции, обеспечивающие постоянство концентрации осмотически активных веществ внутри организма. Наиб, совершенен Г. у млекопитающих, что способствует расширению возможностей их приспособления к окружающей среде. Благодаря Г. обеспечивается постоянство объёма крови (и з о в о л е м и я) и др. внеклеточных жидкостей, концентрации в них ионов, осмотически активных веществ (и з о о с м и я), постоянство рН крови, состава в ней белков, липидов и углеводов. У птиц и млекопитающих в узких пределах регулируется темп-ра тела (и з о т е р м и я). Дополнит, физиол. механизмы обеспечивают стабилизацию внутр. среды отд. органов (напр., гематоэнцефалич. и гематоофтальмич. барьеры определяют особые свойства жидкостей, окружающих клетки мозга и глаза). Г. достигается системой физиол. регу-ляторных механизмов. Наиб, важную, интегрирующую функцию выполняет ЦНС и особенно кора головного мозга, большое значение имеют влияние симпатич. нервной системы, состояние гипофиза, надпочечников и др. эндокринных желёз, степень развития эффекторных органов. Примером сложной гомеостатич. системы, включающей разл. механизмы регуляции, является система обеспечения оптимального уровня артериального давления, к-рая регулируется по принципу цепных реакций с обратными связями: изменение давления крови воспринимается барорецепторами сосудов, сигнал передаётся в сосудистые центры, изменение состояния к-рых ведёт к изменению тонуса сосудов и сердечной деятельности; одновременно включается система нейрогуморальной регуляции и кровяное давление возвращается к норме. Нарушения механизмов, лежащих в основе гомеостатич. процессов, рассматриваются как «болезни Г.». С нек-рой условностью к ним можно отнести функц. нарушения нормальной деятельности организма, связанные с вынужденной перестройкой биол. ритмов и т. д. Познание закономерностей Г. человека имеет большое значение для выбора эффективных и рациональных методов лечения мн. заболеваний. У растений осн. значение для поддержания Г. на клеточном уровне имеют плазмалемма и тонопласт. Первая регулирует приток в клетку питат. ионов и воды из внешней среды и выделение баластных и избыточных ионов Н+, Na+, Са2+, второй — поступление в протоплазму запасных субстратов из вакуолей при их недостатке и удаление в вакуоль — при избытке. Стабилизация осмотич. потенциала клеток осуществляется гл. обр. за счёт поддержания определ. внутриклеточной концентрации К+ и анионов. На тканевом уровне в поддержании Г. участвуют плазмодесмы, к-рые регулируют межклеточные потоки углеводов и др. субстратов.

Г. генетический, или п о п у-ляционный, способность популяции поддерживать относит, стабильность и целостность генотипич. структуры в изменяющихся условиях среды. Достигается посредством сохранения генетич. равновесия частоты аллелей при свободном скрещивании особей в популяциях путём поддержания гетерозиготности и полиморфизма, определ. темпа и направления мутационного процесса. Изучение Г.— актуальная задача при исследовании закономерностей микроэволюции. Г. развития — способность данного генотипа создавать определ. фенотип в широком диапазоне условий. Понятие «Г.» широко используется в экологии при характеристике состояния экосистем и их устойчивости. Благодаря Г. поддерживается постоянство видового состава и численности особей в биоценозах.

.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — 2-е изд., исправл. — М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)

гомеоста́з

способность живых организмов сохранять относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций в условиях изменяющейся внешней среды. Предположение о существовании физиологических механизмов, обеспечивающих подобное равновесие, было высказано французским физиологом К. Бернаром в сер. 19 в. В 1930-х гг. американский физиолог У. Кеннон ввёл термин «гомеостаз».
У человека и высших животных гомеостаз обеспечивает постоянство объёма, клеточного и гуморального состава крови, тканевой жидкости и лимфы, температуры тела, кровяного давления и других показателей, что достигается за счёт взаимодействия

нервной системы и желёз внутренней секреции (нейрогуморальная регуляция). Особо важную роль играют кора больших полушарий головного мозга, гипоталамус, гипофиз, эндокринные железы. К наиболее совершенным механизмам гомеостаза относятся процессы терморегуляции. Нарушения механизмов, обеспечивающих постоянство внутренней среды человека, расцениваются как «болезни гомеостаза».
Механизм гомеостаза у растений изучен слабо. Одним из доказательств его существования служит избирательное поступление катионов и анионов при всасывании воды из почвы в корень и распределение их по органам растений. У некоторых растений (полынь, джузгун) в течение суток водный режим меняется 5—8 раз. В критический период у них увеличиваются концентрация клеточного сока и осмотическое давление при снижении транспирации листьев. Неодинаков механизм поддержания водного баланса у

галофитов (накопление солей в организме; выделение их наружу через специальные железы; ограничение их поступления). Только благодаря срабатыванию механизмов поддержания гомеостаза достигается жизнеобеспечение растений в неблагоприятных условиях существования.

.(Источник: «Биология. Современная иллюстрированная энциклопедия.» Гл. ред. А. П. Горкин; М.: Росмэн, 2006.)

.

Что такое гомеостаз в медицине. Гомеостаз его биологическое значение

В биологии – это поддержание постоянства внутренней среды организма.
В основе гомеостаза лежит чувствительность организма к отклонению определённых параметров (гомеостатических констант) от заданного значения. Пределы допустимых колебаний гомеостатического параметра (гомеостатической константы

) могут быть широкими и узкими. Узкие пределы имеют: температура тела, рН крови, содержание глюкозы в крови. Широкие пределы имеют: давление крови, масса тела, концентрация аминокислот в крови.
Специальные внутриорганизменные рецепторы (интерорецепторы ) реагируют на отклонение гомеостатических параметров от заданных пределов. Такие интерорецепторы имеются внутри таламуса, гипоталамуса, в сосудах и в органах. В ответ на отклонение параметров они запускают восстановительные гомеостатические реакции.

Общий механизм нейроэндокринных гомеостатических реакций для внутренней регуляции гомеостаза

Параметры гомеостатической константы отклоняются, интерорецепторы возбуждаются, затем возбуждаются соответствующие центры гипоталамуса, они стимулируют выброс гипоталамусом соответствующих либеринов. В ответ на действие либеринов происходит выброс гормонов гипофизом, а затем под их действием идёт выброс гормонов других эндокринных желёз.

Гормоны, выделившись из желёз внутренней секреции в кровь, изменяют обмен веществ и режим работы органов и тканей. В итоге установившийся новый режим работы органов и тканей смещает изменившиеся параметры в сторону прежнего заданного значения и восстанавливает величину гомеостатической константы. Таков общий принцип восстановления гомеостатических констант при их отклонении.

2. В этих функциональных нервных центрах определяется отклонение данных констант от нормы. Отклонение констант в заданных пределах устраняется за счёт регуляторных возможностей самих функциональных центров.

3. Однако при отклонении любой гомеостатической константы выше или ниже допустимых пределов функциональные центры передают возбуждение выше: в «потребностные центры» гипоталамуса. Это необходимо для того, чтобы переключиться с внутренней нейрогуморальной регуляции гомеостаза на внешнюю — поведенческую.

4. Возбуждение того или иного потребностного центра гипоталамуса формирует соответствующее ему функциональное состояние, которое субъективно переживается как потребность в чём-то: пище, воде, тепле, холоде или сексе.

Возникает активирующее и побуждающее к действию психоэмоциональное состояние неудовлетворённости.

5. Для организации целенаправленного поведения необходимо выбрать только одну из потребностей в качестве первоочередной и создать для её удовлетворения рабочую доминанту. Считается, что главную роль в этом играют миндалины мозга (Сorpus amygdoloideum). Получается, что на основе одной из потребностей, которые формирует гипоталамус, миндалина создаёт ведущую мотивацию, организующую целенаправленное поведение для удовлетворения только одной этой избранной потребности.

6. Следующим этапом можно считать запуск подготовительного поведения, или драйв-рефлекса, который должен повысить вероятность для запуска исполнительного рефлекса в ответ на пусковой стимул. Драйв-рефлекс побуждает организм к созданию такой ситуации, в которой будет повышена вероятность обнаружения объекта, подходящего для удовлетворения текущей потребности. Это может быть, например, перемещение в место, богатое пищей, или водой, или сексульными партнёрами, в зависимости от ведущей потребности.

Когда же в достигнутой ситуации обнаруживается конкретный объект, подходящий для удовлетворения данной доминантной потребности, то он запускает исполнительное рефлекторное поведение, направленное на удовлетворение потребности с помощью именно этого объекта.

© 2014-2018 Сазонов В.Ф. © 2014-2016 kineziolog.bodhy.ru..

Системы гомеостаза — подробный образовательный ресурс по гомеостазу.

Обратная связь.

Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два основных типа обратной связи, на которые реагирует система:

Отрицательная обратная связь , выражающаяся в реакции, при которой система отвечает так, чтобы изменить направление изменения на противоположное. Так как обратная связь служит сохранению постоянства системы, это позволяет соблюдать гомеостаз.

Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, лёгким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количество углекислого газа.

Терморегуляция — другой пример отрицательной обратной связи. Когда температура тела повышается (или понижается) терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ — понижение температуры (или повышение).

Положительная обратная связь , которая выражается в усилении изменения переменной. Она оказывает дестабилизирующий эффект, поэтому не приводит к гомеостазу. Положительная обратная связь реже встречается в естественных системах, но также имеет своё применение.

Например, в нервах пороговый электрический потенциал вызывает генерацию намного большего потенциала действия . Свёртывание крови и события при рождении можно привести в качестве других примеров положительной обратной связи.

Устойчивым системам необходимы комбинации из обоих типов обратной связи. Тогда как отрицательная обратная связь позволяет вернуться к гомеостатическому состоянию, положительная обратная связь используется для перехода к совершенно новому (и, вполне может быть, менее желанному) состоянию гомеостаза, — такая ситуация называется «метастабильность». Такие катастрофические изменения могут происходить, например, с увеличением питательных веществ в реках с прозрачной водой, что приводит к гомеостатическому состоянию высокой эвтрофикации (зарастание русла водорослями ) и замутнению.

Биофизические механизмы гомеостаза .

С точки зрения химической биофизики, гомеостаз — это состояние, при котором все процессы, ответственные за энергетические превращения в организме, находятся в динамическом равновесии. Это состояние обладает наибольшей устойчивостью и соответствует физиологическому оптимуму. В соответствии с представлениями термодинамики, организм и клетка могут существовать и приспосабливаться к таким условиям среды, при которых в биологической системе возможно установление стационарного течения физико-химических процессов, т.е. гомеостаза. Основная роль в установлении гомеостаза принадлежит клеточным мембранным системам, которые ответственны за биоэнергетические процессы и регулируют скорость поступления и выделения веществ клетками.

С этих позиций основными причинами нарушения являются необычные для нормальной жизнедеятельности неферментативные реакции, протекающие в мембранах; в большинстве случаев это цепные реакции окисления с участием свободных радикалов, возникающие в фосфолипидах клеток. Эти реакции ведут к повреждению структурных элементов клеток и нарушению функции регулирования. К факторам, являющимся причиной нарушения гомеостаза, относятся также агенты, вызывающие радикалообразование (ионизирующие излучения, инфекционные токсины, некоторые продукты питания, никотин, а также недостаток витаминов и т.д.).

К факторам, стабилизирующим гомеостатическое состояние и функции мембран, относятся биоантиокислители, которые сдерживают развитие окислительных радикальных реакций.

Экологический гомеостаз .

Экологический гомеостаз наблюдается в климаксовых сообществах с максимально возможным биоразнообразием при благоприятных условиях среды.

В нарушенных экосистемах, или субклимаксовых биологических сообществах — как, например, остров Кракатау, после сильного извержения вулкана в 1883 — состояние гомеостаза предыдущей лесной климаксовой экосистемы было уничтожено, как и вся жизнь на этом острове.

Кракатау за годы после извержения прошёл цепь экологических изменений, в которых новые виды растений и животных сменяли друг друга, что привело к биологической вариативности и в результате климаксовому сообществу. Экологическая сукцессия на Кракатау осуществилась за несколько этапов. Полная цепь сукцессий, приведшая к климаксу, называется присерией. В примере с Кракатау на этом острове образовалось климаксовое сообщество с восемью тысячами различных видов, зарегистрированных в 1983, спустя сто лет с того времени, как извержение уничтожило на нём жизнь. Данные подтверждают, что положение сохраняется в гомеостазе в течение некоторого времени, при этом появление новых видов очень быстро приводит к быстрому исчезновению старых.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного. В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии — произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии.

Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне.

К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву. В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами.

Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

Биологический гомеостаз .

Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.

Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.

Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно. Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии. Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

Клеточный гомеостаз.

Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое значение имеет изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Авторегуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия некоторых макро- и микроэлементов.

Гомеостаз в организме человека.

Разные факторы влияют на способность жидкостей организма поддерживать жизнь. В их числе такие параметры, как температура, солёность, кислотность и концентрация питательных веществ — глюкозы, различных ионов, кислорода, и отходов — углекислого газа и мочи. Так как эти параметры влияют на химические реакции, которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.

Гомеостаз нельзя считать причиной процессов этих бессознательных адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений, которые не подходят под эту модель — например, анаболизм.

Гомеостаз I Гомеоста́з (греч. homoios подобный, одинаковый + греч. stasis стояние, неподвижность)

способность организма поддерживать функционально значимые переменные в пределах, обеспечивающих его оптимальную жизнедеятельность. Регуляторные механизмы, поддерживающие физиологическое состояние или свойства клеток, органов и систем целостного организма на уровне, соответствующем его текущим потребностям, называются гомеостатическими.

Первоначально термин «гомеостаз» означал только поддержание постоянства внутренней среды, т.е. крови, лимфы, межклеточной жидкости (см. Водно-солевой обмен , Кислотно-щелочное равновесие). В дальнейшем к функционально значимым показателям Г. стали относить различные биохимические и структурные субстраты на разных уровнях их организации (клетки, органы и их системы).

В широком понимании Г. охватывает вопросы течения реакций компенсации (см. Компенсаторные процессы), регулирования и саморегулирования физиологических функций (см. Саморегуляция физиологических функций), характер и динамику взаимоотношений нервных, гуморальных и других компонентов регуляторного процесса в целостном организме. Границы Г могут меняться в зависимости индивидуальных возрастных, половых, социальных, профессиональных и других условий.

Библиогр.: Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. М., 1975; Гомеостаз, под ред. П.Д. Горизонтова, М., 1976; Регуляция висцеральных функций. Закономерности и механизмы, под ред. Н.П. Бехтеревой, с. 129, Л., 1987; Саркисов Д.С. Очерки по структурным основам гомеостаза, М., 1977; вегетативной нервной системы, под ред. О.Г. Баклаваджяна, с. 536, Л., 1981.

II Гомеоста́з (Гомео- + греч. stasis стояние, неподвижность; . гомеостазис)

в физиологии — относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и т.д.) организма.

1. Малая медицинская энциклопедия. — М.: Медицинская энциклопедия. 1991-96 гг. 2. Первая медицинская помощь. — М.: Большая Российская Энциклопедия. 1994 г. 3. Энциклопедический словарь медицинских терминов. — М.: Советская энциклопедия. — 1982-1984 гг .

Синонимы :

Смотреть что такое «Гомеостаз» в других словарях:

Гомеостаз … Орфографический словарь-справочник

гомеостаз — Общий принцип саморегулирования живых организмов. Перлз настоятельно указывает на важность этого понятия в своей работе The Gestalt Approach and Eye Witness to Therapy . Краткий толковый психолого психиатрический словарь. Под ред. igisheva. 2008 … Большая психологическая энциклопедия

Гомеостазис (от греч. подобный, одинаковый и состояние), свойство организма поддерживать свои параметры и физиоло гич. функции в определ. диапазоне, основанное на устойчивости внутр. среды организма по отношению к возмущающим воздействиям … Философская энциклопедия

ГОМЕОСТАЗ — (от греч. homoios тот же самый, похожий и греч. stasis неподвижность, стояние), гомеостазис, способность организма или системы организмов поддерживать устойчивое (динамическое) равновесие в изменяющихся условиях среды. Гомеостаз в популяции… … Экологический словарь

Гомеостазис (от гомео… и греч. stasis неподвижность, состояние), способность биол. систем противостоять изменениям и сохранять динамич. относит, постоянство состава и свойств. Термин «Г.» предложил У. Кен нон в 1929 для характеристики состояний … Биологический энциклопедический словарь

— (от гомео… и греч. stasis неподвижность состояние), относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма. Понятие гомеостаз применяют и к биоценозам (сохранение… … Большой Энциклопедический словарь

— (от греч. homoios подобный и stasis неподвижность) процесс, за счет которого достигается относительное постоянство внутренней среды организма (постоянство температуры тела, кровяного давления, концентрации сахара в крови). В качестве отдельного… … Психологический словарь

ГОМЕОСТАЗ(ИС) [Словарь иностранных слов русского языка

гомеостаз — Состояние динамически подвижного равновесия экосистемы гомеостаз гомеостазис Устойчивое состояние равновесия открытой системы в ее взаимодействии со средой. Это понятие пришло в экономику … Справочник технического переводчика

ГОМЕОСТАЗ, в биологии процесс поддержания постоянных условий внутри клетки или организма независимо от внутренних или внешних изменений … Научно-технический энциклопедический словарь

ГОМЕОСТАЗ, гомеостазис (греч. homois подобный, одинаковый и stasis неподвижный, состояние) свойство биологических систем сохранять относительную динамическую устойчивость параметров состава и функций. Основой данной способности выступает умение… … Новейший философский словарь

Книги

• Гомеостаз и питание. Учебное пособие , Мезенова Ольга Яковлевна. Рассмотрены исторические аспекты и национальные особенности науки о питании, строение и функции пищеварительной системы, биохимические основы гомеостаза организма, значение различных…

Организм как открытая саморегулирующаяся система.

Живой организм – открытая система, имеющая связь с окружающей средой посредством нервной, пищеварительной, дыхательной, выделительной систем и др.

В процессе обмена веществ с пищей, водой, при газообмене в организм поступают разнообразные химические соединения, которые в организме подвергаются изменениям, входят в структуру организма, но не остаются постоянно. Усвоенные вещества распадаются, выделяют энергию, продукты распада удаляются во внешнюю среду. Разрушенная молекула заменяется новой и т.д.

Организм – открытая, динамичная система. В условиях непрерывно меняющейся среды организм поддерживает устойчивое состояние в течение определенного времени.

Понятие о гомеостазе. Общие закономерности гомеостаза живых систем.

Гомеостаз – свойство живого организма сохранять относительное динамическое постоянство внутренней среды. Гомеостаз выражается в относительном постоянстве химического состава, осмотического давления, устойчивости основных физиологических функций. Гомеостаз специфичен и обусловлен генотипом.

Сохранение целостности индивидуальных свойств организма один из наиболее общих биологических законов. Этот закон обеспечивается в вертикальном ряду поколений механизмами воспроизведения, а на протяжении жизни индивидуума – механизмами гомеостаза.

Явление гомеостаза представляет собой эволюционно выработанное, наследственно-закрепленное адаптационное свойство организма к обычным условиям окружающей среды. Однако эти условия могут кратковременно или длительно выходить за пределы нормы. В таких случаях явления адаптации характеризуются не только восстановлением обычных свойств внутренней среды, но и кратковременными изменениями функции (например, учащение ритма сердечной деятельности и увеличение частоты дыхательных движений при усиленной мышечной работе). Реакции гомеостаза могут быть направлены на:

поддержание известных уровней стационарного состояния;

устранение или ограничение действия вредностных факторов;

выработку или сохранение оптимальных форм взаимодействия организма и среды в изменившихся условиях его существования. Все эти процессы и определяют адаптацию.

Поэтому понятие гомеостаза означает не только известное постоянство различных физиологических констант организма, но и включает процессы адаптации и координации физиологических процессов, обеспечивающих единство организма не только в норме, но и при изменяющихся условиях его существования.

Основные компоненты гомеостаза были определены К. Бернаром, и их можно разделить на три группы:

А. Вещества, обеспечивающие клеточные потребности:

Вещества, необходимые для образования энергии, для роста и восстановления – глюкоза, белки, жиры.

NaCl, Ca и другие неорганические вещества.

Кислород.

Внутренняя секреция.

Б. Окружающие факторы, влияющие на клеточную активность:

Осмотическое давление.

Температура.

Концентрация водородных ионов (рН).

В. Механизмы, обеспечивающие структурное и функциональное единство:

Наследственность.

Регенерация.

Иммунобиологическая реактивность.

Принцип биологического регулирования обеспечивает внутреннее состояние организма (его содержание), а также взаимосвязь этапов онтогенеза и филогенеза. Этот принцип оказался широко распространненым. При его изучении возникла кибернетика – наука о целенаправленном и оптимальном управлении сложными процессами в живой природе, в человеческом обществе, промышленности (Берг И.А., 1962).

Живой организм представляет сложную управляемую систему, где происходит взаимодействие многих переменных внешней и внутренней среды. Общим для всех систем является наличие входных переменных, которые в зависимости от свойств и законов поведения системы преобразуются в выходные переменные (Рис. 10).

Рис. 10 — Общая схема гомеостаза живых систем

Выходные переменные зависят от входных и законов поведения системы.

Влияние выходного сигнала на управляющую часть системы называется обратной связью , которая имеет большое значение в саморегуляции (гомеостатической реакции). Различают отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь уменьшает влияние входного сигнала на величину выходного по принципу: «чем больше (на выходе), тем меньше (на входе)». Она способствует восстановлению гомеостаза системы.

При положительной обратной связи величина входного сигнала увеличивается по принципу: «чем больше (на выходе), тем больше (на входе)». Она усиливает возникшее отклонение от исходного состояния, что приводит к нарушению гомеостаза.

Однако все виды саморегуляции действуют по одному принципу: самоотклонение от исходного состояния, что служит стимулом для включения механизмов коррекции. Так, в норме рН крови составляет 7,32 – 7,45. Сдвиг рН на 0,1 приводит к нарушению сердечной деятельности. Этот принцип был описан Анохиным П.К. в 1935 году и назван принципом обратной связи, который служит для осуществления приспособительных реакций.

Общий принцип гомеостатической реакции (Анохин: «Теория функциональных систем»):

отклонение от исходного уровня → сигнал → включение регуляторных механизмов по принципу обратной связи → коррекция изменения (нормализация).

Так, при физической работе концентрация СО 2 в крови увеличивается → рН сдвигается в кислую сторону → сигнал поступает в дыхательный центр продолговатого мозга → центробежные нервы проводят импульс к межреберным мышцам и дыхание углубляется → снижение СО 2 в крови, рН восстанавливается.

Механизмы регуляции гомеостаза на молекулярно-генетическом, клеточном, организменном, популяционно-видовом и биосферном уровнях.

Регуляторные гомеостатические механизмы функционируют на генном, клеточном и системном (организменном, популяционно-видовом и биосферном) уровнях.

Генные механизмы гомеостаза. Все явления гомеостаза организма генетически детерминированы. Уже на уровне первичных генных продуктов существует прямая связь – «один структурный ген – одна полипептидная цепь». Причем между нуклеотидной последовательностью ДНК и последовательностью аминокислот полипептидной цепи существует коллинеарное соответствие. В наследственной программе индивидуального развития организма предусмотрено формирование видоспецифических характеристик не в постоянных, а в меняющихся условиях среды, в пределах наследственно обусловленной нормы реакции. Двуспиральность ДНК имеет существенное значение в процессах ее репликации и репарации. И то и другое имеет непосредственное отношение к обеспечению стабильности функционирования генетического материала.

С генетической точки зрения можно различать элементарные и системные проявления гомеостаза. Примерами элементарных проявлений гомеостаза могут служить: генный контроль тринадцати факторов свертывания крови, генный контроль гистосовместимости тканей и органов, позволяющий осуществить трансплантацию.

Пересаженный участок называется трансплантатом. Организм, у которого берут ткань для пересадки, является донором , а которому пересаживают – реципиентом . Успех трансплантации зависит от иммунологических реакций организма. Различают аутотрансплантацию, сингенную трансплантацию, аллотрасплантацию и ксенотрансплантацию.

Аутотрансплантация – пересадка тканей у одного и того же организма. При этом белки (антигены) трансплантата не отличаются от белков реципиента. Иммунологическая реакция не возникает.

Сингенная трансплантация проводится у однояйцовых близнецов, имеющих одинаковый генотип.

Аллотрансплантация – пересадка тканей от одной особи к другой, относящихся к одному виду. Донор и реципиент отличаются по антигенам, поэтому у высших животных наблюдается длительное приживление тканей и органов.

Ксенотрансплантация – донор и реципиент относятся к разным видам организмов. Этот вид трансплантации удается у некоторых беспозвоночных, но у высших животных такие трансплантанты не приживаются.

При трансплантации большое значение имеет явление иммунологической толерантности (тканевой совместимости). Подавление иммунитета в случае пересадки тканей (иммунодепрессия) достигается: подавлением активности иммунной системы, облучением, введением антилимфотической сыворотки, гормонов коры надпочечников, химических препаратов – антидепрессантов (имуран). Основная задача подавить не просто иммунитет, а трансплантационный иммунитет.

Трансплантационный иммунитет определяется генетической конституцией донора и реципиента. Гены, ответственные за синтез антигенов, вызывающих реакцию на пересаженную ткань, называются генами тканевой несовместимости.

У человека главной генетической системой гистосовместимости является система HLA (Human Leukocyte Antigen). Антигены достаточно полно представлены на поверхности лейкоцитов и определяются с помощью антисывороток. План строения системы у человека и животных одинаков. Принята единая терминология для описания генетических локусов и аллелей системы HLA. Антигены обозначаются: HLA-A 1 ; HLA-A 2 и т.д. Новые антигены, окончательно не идентифицированные обозначают – W (Work). Антигены системы HLA делят на 2 группы: SD и LD (Рис. 11).

Антигены группы SD определяются серологическими методами и детерминируются генами 3-х сублокусов системы HLA: HLA-A; HLA-B; HLA-C.

Рис. 11 — HLA главная генетическая система гистосовместимости человека

LD – антигены контролируются сублокусом HLA-D шестой хромосомы, и определяются методом смешанных культур лейкоцитов.

Каждый из генов, контролирующих HLA – антигены человека, имеет большое число аллелей. Так сублокус HLA-A – контролирует 19 антигенов; HLA-B – 20; HLA-C – 5 «рабочих» антигенов; HLA-D – 6. Таким образом, у человека уже обнаружено около 50 антигенов.

Антигенный полиморфизм системы HLA является результатом происхождения одних от других и тесной генетической связи между ними. Идентичность донора и реципиента по антигенам системы HLA необходима при трансплантации. Пересадка почки, идентичной по 4 антигенам системы, обеспечивает приживаемость на 70%; по 3 – 60%; по 2 – 45%; по 1 – 25%.

Имеются специальные центры, ведущие подбор донора и реципиента при трансплантации, например в Голландии – «Евротрансплантат». Типирование по антигенам системы HLA проводится и в Республике Беларусь.

Клеточные механизмы гомеостаза направлены на восстановление клеток тканей, органов в случае нарушения их целостности. Совокупность процессов, направленных на восстановление разрушаемых биологических структур называется регенерацией. Такой процесс характерен для всех уровней: обновление белков, составных частей органелл клетки, целых органелл и самих клеток. Восстановление функций органов после травмы или разрыва нерва, заживление ран имеет значение для медицины с точки зрения овладения этими процессами.

Ткани, по их регенерационной способности, делят на 3 группы:

Ткани и органы, для которых характерны клеточная регенерация (кости, рыхлая соединительная ткань, кроветворная система, эндотелий, мезотелий, слизистые оболочки кишечного тракта, дыхательных путей и мочеполовой системы.

Ткани и органы, для которых характерна клеточная и внутриклеточная регенерация (печень, почки, легкие, гладкие и скелетные мышцы, вегетативная нервная система, эндокринная, поджелудочная железа).

Ткани, для которых характерна преимущественно внутриклеточная регенерация (миокард) или исключительно внутриклеточная регенерация (клетки ганглиев центральной нервной системы). Она охватывает процессы восстановления макромолекул и клеточных органелл путем сборки элементарных структур или путем их деления (митохондрии).

В процессе эволюции сформировалось 2 типа регенерации физиологическая и репаративная .

Физиологическая регенерация – это естественный процесс восстановления элементов организма в течении жизни. Например, восстановление эритроцитов и лейкоцитов, смена эпителия кожи, волос, замена молочных зубов на постоянные. На эти процессы влияют внешние и внутренние факторы.

Репаративная регенерация – это восстановление органов и тканей, утраченных при повреждении или ранении. Процесс происходит после механических травм, ожогов, химических или лучевых поражений, а также в результате болезней и хирургических операций.

Репаративная регенерация подразделяется на типичную (гомоморфоз) и атипичную (гетероморфоз). В первом случае регенерирует орган, который был удален или разрушен, во втором – на месте удаленного органа развивается другой.

Атипичная регенерация чаще встречается у беспозвоночных.

Регенерацию стимулируют гормоны гипофиза и щитовидной железы . Различают несколько способов регенерации:

Эпиморфоз или полная регенерация – восстановление раневой поверхности, достраивание части до целого (например, отрастание хвоста у ящерицы, конечности у тритона).

Морфоллаксис – перестройка оставшейся части органа до целого, только меньших размеров. Для этого способа характерна перестройка нового из остатков старого (например, восстановление конечности у таракана).

Эндоморфоз – восстановление за счет внутриклеточной перестройки ткани и органа. Благодаря увеличению числа клеток и их размеров масса органа приближается к исходному.

У позвоночных репаративная регенерация осуществляется в следующей форме:

Полная регенерация – восстановление исходной ткани после ее повреждения.

Регенерационная гипертрофия , характерная для внутренних органов. При этом раневая поверхность заживает рубцом, удаленный участок не отрастает и форма органа не восстанавливается. Масса оставшейся части органа увеличивается за счет увеличения числа клеток и их размеров и приближается до исходной величины. Так у млекопитающих регенерирует печень, легкие, почки, надпочечники, поджелудочная, слюнные, щитовидная железа.

Внутриклеточная компенсаторная гиперплазия ультраструктур клетки. При этом на месте повреждения образуется рубец, а восстановление исходной массы происходит за счет увеличения объема клеток, а не их числа на основе разрастания (гиперплазии) внутриклеточных структур (нервная ткань).

Системные механизмы обеспечиваются взаимодействием регуляторных систем: нервной, эндокринной и иммунной .

Нервная регуляция осуществляется и координируется центральной нервной системой. Нервные импульсы, поступая в клетки и ткани, вызывают не только возбуждение, но и регулируют химические процессы, обмен биологически активных веществ. В настоящее время известно более 50 нейрогормонов. Так, в гипоталамусе вырабатывается вазопрессин, окситоцин, либерины и статины, регулирующие функцию гипофиза. Примерами системных проявлений гомеостаза являются сохранение постоянства температуры, артериального давления.

С позиций гомеостаза и адаптации, нервная система является главным организатором всех процессов организма. В основе приспособления, уравновешивания организмов с окружающими условиями, по Н.П. Павлову, лежат рефлекторные процессы. Между разными уровнями гомеостатического регулирования существует частная иерархическая соподчиненность в системе регуляции внутренних процессов организма (Рис. 12).

кора полушарий и отделы головного мозга

саморегуляция по принципу обратной связи

периферические нервно-регуляторные процессы, местные рефлексы

Клеточный и тканевой уровени гомеостаза

Рис. 12. — Иерархическая соподчиненность в системе регуляции внутренних процессов организма.

Самый первичный уровень составляют гомеостатические системы клеточного и тканевого уровня. Над ними представлены периферические нервные регуляторные процессы типа местных рефлексов. Далее в этой иерархии располагаются системы саморегуляции определенных физиологических функций с разнообразными каналами «обратной связи». Вершину этой пирамиды занимает кора больших полушарий и головной мозг.

В сложном многоклеточном организме как прямые, так и обратные связи осуществляются не только нервными, но и гормональными (эндокринными) механизмами. Каждая из желез, входящая в эндокринную систему, оказывает влияние на прочие органы этой системы и, в свою очередь, испытывает влияние со стороны последних.

Эндокринные механизмы гомеостаза по Б.М. Завадскому, это – механизм плюс-минус взаимодействия, т.е. уравновешивание функциональной активности железы с концентрацией гормона. При высокой концентрации гормона (выше нормы) деятельность железы ослабляется и наоборот. Такое влияние осуществляется путем действия гормона на продуцирующую его железу. У ряда желез регуляция устанавливается через гипоталамус и переднюю долю гипофиза, особенно при стресс-реакции.

Эндокринные железы можно разделить на две группы по отношению их к передней доле гипофиза. Последняя считается центральной, а прочие эндокринные железы – периферическими. Это разделение основано на том, что передняя доля гипофиза продуцирует так называемые тропные гормоны, которые активируют некоторые периферические эндокринные железы. В свою очередь, гормоны периферических эндокринных желез действуют на переднюю долю гипофиза, угнетая секрецию тропных гормонов.

Реакции, обеспечивающие гомеостаз, не могут ограничиваться какой-либо одной эндокринной железой, а захватывает в той или иной степени все железы. Возникающая реакция приобретает цепное течение и распространяется на другие эффекторы. Физиологическое значение гормонов заключается в регуляции других функций организма, а потому цепной характер должен быть выражен максимально.

Постоянные нарушения среды организма способствуют сохранению его гомеостаза в течение длительной жизни. Если создать такие условия жизни, при которых ничто не вызывает существенных сдвигов внутренней среды, то организм окажется полностью безоружен при встрече с окружающей средой и вскоре погибает.

Объединение в гипоталамусе нервных и эндокринных механизмов регуляции позволяет осуществлять сложные гомеостатические реакции, связанные с регуляцией висцеральной функции организма. Нервная и эндокринная системы являются объединяющим механизмом гомеостаза.

Примером общей ответной реакции нервных и гуморальных механизмов является состояние стресса, которое развивается при неблагоприятных жизненных условиях и возникает угроза нарушения гомеостаза. При стрессе наблюдается изменение состояния большинства систем: мышечной, дыхательной, сердечно-сосудистой, пищеварительной, органов чувств, кровяного давления, состава крови. Все эти изменения являются проявлением отдельных гомеостатических реакций, направленных на повышение сопротивляемости организма к неблагоприятным факторам. Быстрая мобилизация сил организма выступает как защитная реакция на состояние стресса.

При «соматическом стрессе» решается задача повышения общей сопротивляемости организма по схеме, приведенной на рисунке 13.

Рис. 13 — Схема повышения общей сопротивляемости организма при

В организме высших животных выработались приспособления, противодействующие многим влияниям внешней среды, обеспечивающие относительно постоянные условия существования клеток. Это имеет важнейшее значение для жизнедеятельности целостного организма. Иллюстрируем это примерами. Клетки организма теплокровных животных, т. е. животных, обладающих постоянной температурой тела, нормально функционируют лишь в узких температурных границах (у человека в пределах 36-38°). Сдвиг температуры за пределы этих границ приводит к нарушению жизнедеятельности клеток. Вместе с тем организм теплокровных животных может нормально существовать при значительно более широких колебаниях температуры внешней среды. Например, полярный медведь может жить при температуре — 70° и +20-30°. Это связано с тем, что в целостном организме регулируется его теплообмен с окружающей средой, т. е. теплообразование (интенсивность, химических процессов, происходящих с освобождением тепла) и теплоотдача. Так, при низкой температуре внешней среды теплообразование увеличивается, а теплоотдача уменьшается. Поэтому при колебаниях внешней температуры (в некоторых пределах) сохраняется постоянство температуры тела.

Функции клеток организма нормальны лишь при относительном постоянстве осмотического давления, обусловленного постоянством содержания в клетках электролитов и воды. Изменения осмотического давления — его уменьшение или его увеличение — приводят к резким нарушениям функций и структуры клеток. Организм же как целое может некоторое время существовать и при избыточном поступлении и при лишении его воды, и при больших и малых количествах солей в пище. Это объясняется наличием в организме приспособлений, способствующих поддержанию
постоянства количества воды и электролитов в теле. В случае избыточного поступления воды значительные ее количества быстро выделяются из организма выделительными органами (почками, потовыми железами, кожей), а при недостатке воды она удерживается в теле. Равным образом выделительные органы регулируют содержание электролитов в организме: они быстро выводят избыточные их количества или удерживают их в жидкостях организма при недостаточном поступлении солей.

Концентрация отдельных электролитов в крови и в тканевой жидкости, с одной стороны, и в протоплазме клеток — с другой, различна. В крови и в тканевой жидкости содержится больше ионов натрия, а в протоплазме клеток больше ионов калия. Различие концентрации ионов внутри клетки и вне ее достигается специальным механизмом, удерживающим ионы калия внутри клетки и не позволяющим накапливаться в клетке ионам натрия. Этот механизм, природа которого еще не ясна, назван натрий-калиевым насосом и связан с процессом обмена веществ клетки.

Клетки организма весьма чувствительны к сдвигам концентрации водородных ионов. Изменение концентрации этих ионов в ту или другую сторону резко нарушает жизнедеятельность клеток. Для внутренней среды организма характерно постоянство концентрации водородных ионов, зависящее от наличия в крови и тканевой жидкости так называемых буферных систем (стр. 48) и от деятельности органов выделения. При увеличении содержания кислот или щелочей в крови они быстро выводятся из организма и таким путем поддерживается постоянство концентрации водородных ионов внутренней среды.

Клетки, особенно нервные, очень чувствительны к изменению уровня сахара в крови, служащего важным питательным веществом. Поэтому большое значение для процесса жизнедеятельности имеет постоянство содержания сахара в крови. Оно достигается тем, что при повышении в крови уровня сахара в печени и мышцах синтезируется из него откладывающийся в клетках полисахарид — гликоген, а при понижении уровня сахара в крови гликоген расщепляется в печени и мышцах и освобождается виноградный сахар, поступающий в кровь.

Постоянство химического состава и физико-химических свойств внутренней среды является важной особенностью организмов высших животных. Для обозначения этого постоянства У. Кеннон предложил термин, получивший широкое распространение, — гомеостаз. Выражением гомеостаза является наличие ряда биологических констант, т. е. устойчивых количественных показателей, характеризующих нормальное состояние организма. Такими постоянными по величине показателями являются: температура тела, осмотическое давление крови и тканевой жидкости, содержание в них ионов натрия, калия, кальция, хлора и фосфора, а также белков и сахара, концентрация водородных ионов и ряд других.

Отмечая постоянство состава, физико-химических и биологических свойств внутренней среды, следует подчеркнуть, что оно является не абсолютным, а относительным и динамическим. Это постоянство достигается непрерывно совершаемой работой ряда органов и тканей, в результате которой выравниваются происходящие под влиянием изменений внешней среды и в результате жизнедеятельности организма сдвиги в составе и физико-химических свойствах внутренней среды.

Роль разных органов и их систем в сохранении гомеостаза различна. Так, система органов пищеварения обеспечивает поступление в кровь питательных веществ в том виде, в каком они могут быть использованы клетками организма. Система органов кровообращения осуществляет непрерывное движение крови и транспорт различных веществ в организме, в результате чего питательные вещества, кислород и различные химические соединения, образующиеся в самом организме, поступают к клеткам, а продукты распада, в том числе углекислота, выделяемые клетками, переносятся к органам, которые их выводят из организма. Органы дыхания обеспечивают поступление кислорода в кровь и удаление углекислого газа из организма. Печень и ряд других органов осуществляют значительное число химических превращений — синтез и расщепление многих химических соединений, имеющих значение в жизнедеятельности клеток. Органы выделения — почки, легкие, потовые железы, кожа — удаляют из организма конечные продукты распада органических веществ и поддерживают постоянство содержания воды и электролитов в крови, а следовательно, в тканевой жидкости и в клетках организма.

В поддержании гомеостаза важнейшая роль принадлежит нервной системе. Чутко реагируя на различные изменения внешней или внутренней среды, она так регулирует деятельность органов и систем, что предупреждаются и выравниваются сдвиги и нарушения, которые происходят или могли бы произойти в организме.

Благодаря развитию приспособлений, обеспечивающих относительное постоянство внутренней среды организма, его клетки менее подвержены изменчивым влияниям внешней среды. Согласно Кл. Бернару, «постоянство внутренней среды является условием свободной и независимой жизни».

Гомеостаз имеет определенные границы. При пребывании, особенно длительном, организма в условиях, которые значительно отличаются от тех, к которым он приспособлен, гомеостаз нарушается и могут произойти сдвиги, несовместимые с нормальной жизнью. Так, при значительном изменении внешней температуры в сторону как ее повышения, так и понижения, температура тела может повыситься или понизиться и может наступить перегревание или охлаждение организма, приводящее к гибели. Равным образом, при значительном ограничении поступления в организм воды и солей или полном лишении его этих веществ относительное постоянство состава и физико-химических свойств внутренней среды через некоторое время нарушается и жизнь прекращается.

Высокий уровень гомеостаза возникает лишь на определенных этапах видового и индивидуального развития. Низшие животные не обладают достаточно развитыми приспособлениями для смягчения или устранения влияний изменений внешней среды. Так, например, относительное постоянство температуры тела (гомойотермия) поддерживается лишь у теплокровных животных. У так называемых холоднокровных животных температура тела близка к температуре внешней среды и представляет переменную величину (пойкилотермия). У новорожденного животного нет такого постоянства температуры тела, состава и свойств внутренней среды, как у взрослого организма.

Даже небольшие нарушения гомеостаза приводят к патологии, и потому определение относительно постоянных физиологических показателей, таких, как температура тела, артериальное давление крови, состав, физико-химические и биологические свойства крови и т. п., имеет большое диагностическое значение.

Исследование системы гемостаза (коагулограмма) в диагностическом центре «МедиСкан» в Домодедово

Значение анализа: коагулограмма (лат. coagulatio свертывание, сгущение + греч, gramma линия, изображение) или гемостазиограмма — сложный комплексный анализ. Врач оценивает не столько каждый конкретный показатель в отдельности, сколько цельную картину свертывания крови.

Забор крови

Не допускается в течение 8 часов (желательно 12) до сдачи анализов прием пищи, в том числе, сок, чай, кофе, алкоголь. Можно пить воду. Забор крови на гемостазиограмму проводится в специальные пробирки с голубой крышкой, содержащие цитрат натрия. Цитрат натрия связывает ионы кальция и предотвращает процесс свертывания крови. Кровь необходимо набирать точно до метки, нанесенной на пробирку. При нарушении соотношения кровь-цитрат интерпретация тестов затруднительна. После забора кровь тщательно и аккуратно перемешивается с цитратом без резкого встряхивания. При сдаче гемостазиограммы на фоне или после приема лекарственных препаратов влияющих на свертывание крови, их необходимо обязательно указывать в направительном бланке.

Тесты коагулограммы

АЧТВ

АЧТВ (активированное частичное тромбопластиновое время). Тест на внутренний путь свертывания крови. В свертывании крови по внутреннему пути участвуют 3 витамин К- зависимых фактора (II, IX, X), фактор XII, высокомолекулярный кининоген (ВМК), прекалликреин (ПК), а также антигемофильные глобулины А (фактор VIII:C), В (фактор X) и С (фактор XI). Активация внутреннего пути в организме происходит при повреждении сосудистой стенки, контакте с чужеродной поверхностью, при избытке адреналина, биогенных аминов, циркулирующих иммунных комплексов и др. Снижение активности — при недостаточности факторов, в том числе антгемофильных глобулинов, избытке антикоагулянтов (гепарин, волчаночные антикоагулянты и др.).

Показания к исследованию:

• Скрининговый тест состояния свертывающей системы.
• Исследование патологии свертывания крови.
• Контроль гемостаза при лечении гепарином.
• Диагностика гемофилии.
• Диагностика антифосфолипидного синдрома.

Клиническая интерпретация

Укрочение АЧТВ — признак тромбофилии или синдрома ДВС. Удлинение АЧТВ: ДВС, снижение синтеза факторов свертывания при заболеваниях печени, массивные гемотрансфузии, введение гепарина (удлинение АЧТВ в 1,5-2 раза), дефицит факторов внутреннего пути, дефицит витамина К, присутствие ингибиторов свертывания, наличие волчаночного антикоагулянта (ВА), наличие гемофилии.

Протромбиновый тест (ПТ)

ПТ является тестом на внешний (быстрый) механизм гемокоагуляции. В свертывании крови по внешнему пути участвуют витамин К-зависимые факторы VII, Х, фактор V, и тканевой фактор (ТФ) или тканевой тромбопластин, который запускает реакцию свертывания крови. При физиологических условиях ТФ попадает в кровь из поврежденных или разрушенных клеток, в том числе лейкоцитов, макрофагов, клеток опухолей, и активирует процесс свертывания крови. Снижение активности наблюдается при недостатке факторов свертывания крови из-за естественного или индуцированного лекарствами снижения синтеза.

Проторомбиновый тест в коагулограмме выражается двумя показателями:

• Активность факторов протромбинового комплекса по Квику в %.

  Это принятый в мире способ выражения ПТ. Расчет проводится по калибровочному графику, построенному при разведении донорской (контрольной) плазмы. Не соответствует принятому только в России протромбиновому индексу (ПТИ).

  Показания к исследованию:

  • Скриниговый тест исследования свертывающей системы крови.
  • Исследование патологии свертывания крови.
  • Контроль гемостаза при лечении антикоагулянтами непрямого действия.
  • Оценка синтеза в печени факторов протромбинового комплекса.

  Клиническая интерпретация:

  Повышение активности (увеличение %) — склонность к тромбофилии.

  Снижение активности (снижение %):

  • Наследственный или приобретенный дефицит I, II, V, VII и X факторов.
  • Идиопатическая семейная гипопротромбинемия.
  • Приобретенная и наследственная гипофибриногенемия.
  • Дефицит витамина К в диете (II, VII, IХ и X факторы образуются в гепатоцитах в присутствии витамина К).
  • Дефицит витамина К у матери (геморрагический диатез у новорожденного).
  • Прием лекарственных средств — антагонистов витамина К (антикоагулянтов непрямого действия — варфарина и др.), и усиливающих их действие препаратов: анаболических стероидов, клофибрата, глюкагона, тироксина, индометацина, неомицина, оксифенбутазона, салицилатов; гепарина, урокиназы и др.).

• МНО (международное нормализованное отношение).

  Используется только при лечении антикоагулянтами непрямого действия (варфарин и др.). Для скринига и оценки функции печени не используется.

  Оптимальные пределы МНО, которые должны быть достигнуты в ходе лечения антикоагулянтами непрямого действия, зависят от терапевтических целей и определяются лечащим врачом.

  МНО и протромбин по Квику коррелируют отрицательно — снижение протромбина по Квику соответствует повышению МНО.

  При применении варфарина рекомендуется выполнять следующие правила:

  • Применять варфарин в соответствии со сроком годности.
  • При приеме варфарина ограничивать потребление витамина К.
  • Отодвигать прием варфарина от приема пищи, т. к. препарат сорбируется пищей.
  • Помнить, что ряд лекарственных средств тормозит действие препарата: барбитураты, кортикостероиды, пероральные контрацептивы, мепробамат и др.

Тромбиновое время

Тромбиновое время — это срок, в течение которого происходит превращение фибриногена в фибрин в цитратной плазме после добавления к ней тромбина. Скорость образования фибринового сгустка зависит, главным образом, от количества и функциональной полноценности фибриногена и присутствия в крови антикоагулянтов. Тест на конечный этап свертывания крови.

Показания к назначению исследования.

• Скриниговый тест исследования свертывающей системы крови.
• Определение дефицита или дефективности фибриногена.
• Оценка состояния пациента при диссеминированном внутрисосудистом свертывании (ДВС-синдроме).
• Снижение синтетической функции печени.
• Выявление присутствия в крови вторичных антикоагулянтов — продуктов деградации фибрина/фибриногена (ПДФ).

Клиническая интерпретация.

Укорочение — склонность к тромбофилии, риск тромбозов.

Удлинение: гипо- и дисфибриногенемия, наличие физиологических (гепарин) и патологических (ПДФ, моноклональные антитела) ингибиторов тромбина, парапротеинемия, уремия, иногда волчаночные антикоагулянты (ВА).

Фибриноген

Фибриноген — по международной номенклатуре фактор I (первый) свертывающей системы крови. Вырабатывается печенью и поступает в кровь. Под действием тромбина растворимый фибриноген превращается в нерастворимый фибрин, который и составляет основу сгустка. Образование фибрина проходит несколько этапов (образование мономеров фибрина, полимеризация, стабилизация сгустка).

Фибриноген является белком острой фазы воспаления, поэтому повышается при воспалительных и некротических процессах, влияет на величину СОЭ (с повышением концентрации фибриногена скорость оседания эритроцитов увеличивается). Рост концентрации фибриногена в плазме повышает вязкость крови и коррелирует с увеличением риска тромботических осложнений сердечно-сосудистых заболеваний. В ходе беременности происходит физиологическое увеличение содержание фибриногена плазмы крови.

Показания к назначению анализа:

• Патология свертывания крови.
• Предоперационное обследование.
• Обследование при беременности.
• Наличие сердечно-сосудистой патологии.

Клиническая интерпретация.

Увеличение: воспаление, некроз, курение, заболевания почек, коллагенозы, новообразования, атеросклероз, введение эстрогенов (в том числе пероральных контроцептивов), беременность, др.

Снижение: врожденный дефицит, ДВС, печеночно-клеточная недостаточность, острый фибринолиз, лейкозы, инфекционный мононуклеоз, токсикоз беременности, змеиные яды, введение некоторых лекарственных препаратов (рептилаза, фибраты, фенобарбитал, анаболические гормоны, андрогены, вальпроевая кислота и др.) и фибринолитиков (стрептокиназа, урокиназа, актилизе и др.).

Антитромбин III (АТ III)

Антитромбин III — основной фермент противосвертывающей системы крови, на долю которого приходится до 75% антикоагулянтной активности. Это гликопротеин, который синтезируется в клетках печени. Без гепарина инактивация тромбина антитромбином III протекает медленно. При наличии гепарина процесс инактивации развертывается очень быстро. Поэтому АТ III называют плазменным кофактором гепарина. В случае значительного снижения уровня АТ III гепарин почти не оказывает своего антикоагулянтного действия. При уровне АТ III в плазме ниже 60% резко возрастает риск тромбозов.

Показания к применению.

• Наследственный дефицит АТ III.
• Лечение гепарином профилактическое и при ДВС-синдроме.
• Хирургические вмешательства.
• Беременность и роды.

Клиническая интерпретация.

Повышение уровня: воспалительные процессы; острый гепатит; холестаз; дефицит витамина К; прием варфарина, острый панкреатит; менструация; прием анаболических стероидов.

Снижение уровня: нарушение синтеза в печени, быстрое потребление при введении гепарина в больших дозах, массивное образование тромбина (ДВС-синдром), врожденный дефицит, лечение L-аспарагиназой поздних гестозов, прием пероральных контроцептивов, 3 триместр беременности.

Фибринолитическая активность (ХЗФ)

Фибринолитическая активность — это скорость растворения фибринового сгустка плазмином и другими фибринолитиками, содержащимися в плазме крови. При определение фибринолиза традиционным эуглобулиновым методом тест у здорового человека длится 3-5 часов, что несовместимо с современными требованиями к лабораторным исследованиям. Поэтому в качестве теста для оценки скорости растворения фибрина отечественными производителями был предложен так называемый XIIа-зависимый или Хагеман-зависимый фибринолиз (фактор XII — это фактор Хагемана). Он проходит при активации контактной фазы каолином и у здорового человека длится всего 4-12 мин. Метод является базовым, так как чувствителен к различной патологии в плазменных протеолитических системах. При ДВС-синдроме начинается закономерное угнетение данного вида фибринолиза уже на 1 стадии. Тест также может применяться для оценки эффективности тромболитической терапии.

Клиническая интерпретация.

Активация фибринолиза (укорочение времени растворения сгустка) встречается достаточно редко и связано, как правило, со снижением уровня фибриногена или увеличением содержания плазминогена и его активаторов (панкреатит, онкологические заболевания, шок, цирроз печени, патология беременности, терминальные состояния и др.).

Угнетение фибринолиза (удлинение времени растворения сгустка) отмечается при гиперфибриногенемии, врожденном снижении и дефекте плазминогена, гепаринотерапии, дефиците плазминогена и его факторов (рецидивирующие венозные тромбозы, системные васкулиты, сепсис, нефротический синдром, снижение синтеза плазминогена в печени), при нарушении активности плазменной калликреин-кининовой системы.

Оценка уровня тромбинемии (активации внутрисосоудистой системы свертывания крови)

У здорового человека в крови присутствует преимущественно фибриноген. Остальные промежуточные продукты превращения фибриногена в фибрин находятся в минимальном количестве. При ряде форм патологии, характеризующихся внутрисосудистым свертыванием крови (ДВС, тромбозы, тромбофилии) под действием свободного тромбина идет постоянный процесс трансформации фибриногена в фибрин и накопление фибрин-мономерных комплексов.

Активация фибринолиза сопровождается образованием продуктов деградации фибрина/фибриногена (ПДФ), которые взаимодействуют с фибрин-мономерами, увеличивая количество растворимых фибрин-мономерных комплексов (РФМК).

Специфическими продуктами деградации фибрина под действием плазмина и других фибринолитиков являются Д-димеры. Их концентрация в крови пропорциональна активности фибринолиза и количеству лизируемого фибрина.

Используемые лабораторные тесты

РФМК

Тест позволяет оценить количественно уровень растворимого фибрина плазмы, или, другими словами, уровень тромбинемии. Рост количества РФМК наблюдается при тромбозе, тромбофилими, на поздних сроках беременности в соответствии с ростом содержания фибриногена. Тест также может использоваться для оценки эффективности и достаточности антикоагулянтной терапии по конечному ее результату — ликвидации тромбинемии (полученные величины в пределах референтных значений).

Этаноловый тест

При повышении уровня тромбинемии и наличии в исследуемой плазме комплексов фибрин-мономеров с продуктами фибринолиза и фибриногеном под влиянием этанола образуется желеобразный сгусток (положительный результат, 1). Коррелирует с РФМК. У здорового человека сгустка не образуется (тест отрицательный, 0).

Д-димеры

Повышенный уровень D-димера обнаруживается при многочисленных состояниях, связанных с активацией коагуляции (синдром диссеминированного внутрисосудистого свертывания крови, тромбоз глубоких вен, тромбоэмболия легочной артерии, массивные повреждения тканей или хирургические операции, сердечная недостаточность, инфекции, воспаления, неопластические состояния).

Несмотря на ограниченную специфичность теста (около 50%), определение D-димера имеет преимущества по сравнению с измерением других маркеров коагуляции и фибринолиза, так как D-димер образуется только из конечного продукта превращения фибриногена в фибрин — нерастворимого фибрина, то есть он является продуктом лизиса тромба. При первичном фибринолизе и дисфибриногенемиях уровень D-димера не меняется.

На концентрацию D-димера в крови влияют такие факторы как величина тромба, время от начала клинических проявлений до назначения антикоагулянтной терапии и др. На фоне приема антикоагулянтов уровень D-димера постепенно снижается, а тромболитическая терапия вызывает повышение уровня D-димера.

Для теста наиболее характерна отрицательная диагностическая значимость (около 100%), т. е. отрицательный результат с высокой долей вероятности позволяет исключить диагноз тромбоза.

У беременных женщин, начиная с ранних сроков беременности, уровень D-димера в крови постепенно повышается. К концу срока беременности значения его могут быть в 3-4 раза выше исходного уровня. Значительно более высокие показатели D-димера отмечаются у женщин с осложненным течением беременности (с гестозом, преэклампсией), а также у беременных, больных диабетом, заболеваниями почек.

Повышение уровня D-димера установлено у лиц старше 80 лет.

Показания к назначению анализа.

• Диагностика тромботических состояний. Тромбоз глубоких вен (тест исключения). Тромбэмболия легочной артерии (ТЭЛА).
• Синдром диссеминированного внутрисосудистого свертывания крови (ДВС).
• Осложненное течение беременности.
• Мониторинг тромболитической терапии.

Повышение уровня.

• Артериальные и венозные тромбы (в т. ч. тромбоз глубоких вен, тромбоэмболия легочной артерии).
• ДВС-синдром.
• Инфекции, сепсис.
• Воспаление (небольшое повышение).
• Болезни печени.
• Обширные гематомы.
• Наличие ревматоидного фактора.
• Беременность.
• Хирургические вмешательства.
• Возраст старше 80 лет.
• Онкологические заболевания.
• Тромболитическая терапия.

Суммарный средний индекс тромбогенности

Суммарный средний индекс тромбогенности (ССИТ) — это расчетный показатель, который позволяет оценить направление сдвига в системе гемостаза пациента, результат взаимодействия всех систем гемостаза: свертывающей, противосвертывающей, фибринолитической, антифибринолитической. При превышении референтных пределов (ССИТ > 1,1) пациент склонен к гиперкоагуляции, при снижении (ССИТ < 0,8) — к гипокоагуляции. Оценка результатов конкретных тестов позволяет определить, за счет каких механизмов гемостаза нарушилось равновесие и какие меры необходимо предпринять для его восстановления.

Исследование системы гомеостаза – Другие методы диагностики – диагностическое отделение в МЦОЗ

Слово «гомеостаз» означает по-русски «равновесие». Применительно к системе крови под гомеостазом подразумевается адекватное соотношение электролитов плазмы. Кислотно-щелочное равновесие (КЩР) поддерживается функциями буферных систем организма.

Слово «гомеостаз» означает по-русски «равновесие». Применительно к системе крови под гомеостазом подразумевается адекватное соотношение электролитов плазмы. Кислотно-щелочное равновесие (КЩР) поддерживается функциями буферных систем организма.

Отклонения от физиологического баланса определяются сдвигами в кислотную (ацидоз) или щелочную (алкалоз) сторону.

В процессе тканевого дыхания образуются ионы водорода, углекислый газ и вода. Чем выше обмен веществ в организме, тем больше образуется ионов водорода, которые предопределяют сдвиг КЩР в кислую сторону. Следовательно, значения рН понижаются. При изменении рН плазмы крови на 0,1 единицы дыхание учащается в два раза. То есть, возникает состояние ацидоза.

Исследование системы гомеостаза предусматривает определение следующих параметров:

• рН плазмы крови;
• парциального давления кислорода;
• парциального давления углекислого газа.

Исследование проводится методом Струпа на специальном аппарате, с помощью которого производится подсчет всех необходимых параметров кислотно-щелочного состояния плазмы крови. Для этого берется обычный анализ крови из пальца в количестве 0,1 миллилитр. Электрометрическое определение рН капиллярной крови предполагает проведение трех проб (из одного анализа):

1. Начальной — при исходном содержании углекислоты.
2. Промежуточной — при низком содержании СО2;
3. Завершающей — при высоком парциальном давлении углекислого газа.

Данные калибруются и обрабатываются на специальном приборе и переносятся на монограмму Сигарда-Андерсена, при помощи которой рассчитываются все показатели кислотно-щелочного состояния системы крови. В соответствии с полученными результатами производится коррекция кислотно-щелочного гомеостаза.

Фактор свертываемости крови 2, протромбин (F2). Выявление мутации G20210A (регуляторная область гена)

Маркер связан с изменением уровня фактора II (протромбина) системы свертываемости крови. Исследуется для выявления генетической предрасположенности к тромбоэмболии, тромбозам, инфаркту миокарда, ишемической болезни сердца, тромбоэмболическим осложнениям во время беременности. Имеет прогностическое значение при приеме оральных контрацептивов и гормональной заместительной терапии.

Метод исследования

Полимеразная цепная реакция в режиме реального времени.

Какой биоматериал можно использовать для исследования?

Венозную кровь, буккальный (щечный) эпителий.

Как правильно подготовиться к исследованию?

Специальной подготовки не требуется.

Название гена  — F2

OMIM *176930

Локализация гена на хромосоме — 11p11.2

Функция гена

Ген F2 кодирует свертывающий фактор II (F2), или протромбин, — гликопротеин, в неактивной форме присутствующий в плазме крови и являющийся предшественником тромбина – важнейшего компонента системы свертывания крови.

Генетический маркер F2 G20210А

Мутация гена F2 проявляется в замене гуанина (G) на аденин (А) в позиции 20210 регуляторной области гена и обозначается как генетический маркер G20210А.

Возможные генотипы

Встречаемость в популяции

Встречаемость аллеля А в европейской популяции составляет от 1,7 до 3 %.

Ассоциация маркера с заболеваниями

• Тромбоз
• Тромбоэмболия
• Преэклампсия
• Тромбоэмболические осложнения во время беременности
• Ишемической инсульт
• Риск тромбоэмболических осложнений при приеме оральных контрацептивов и гормональной заместительной терапии

Общая информация об исследовании

Система гемостаза представляет собой совокупность биохимических процессов, обеспечивающих жидкое состояние крови, поддержание ее нормальных реологических свойств (вязкости), предупреждение и остановку кровотечений. В нее входят факторы свертывающей, естественной противосвертывающей и фибринолитической систем крови. В норме процессы в ней уравновешены, что обеспечивает жидкое состояние крови. Смещение этого равновесия вследствие внутренних или внешних факторов может повышать риск кровотечений или тромбообразования.

Наследственная тромбофилия (патология, обуславливающая повышенную склонность к тромбообразованию) – одно из самых распространенных генетических нарушений. Она часто остается недиагностированной и проявляется обычно в форме тромбоза глубоких вен и венозной тромбоэмболии. Нарушение свертываемости крови при наследственной тромбофилии в большинстве случаев вызывается изменениями в генах факторов свертывания крови II и V, связанными с известными генетическими маркерами (F2 G20210A, F5 G1691A). Именно они играют главную роль в развитии тромбофилии и ассоциированных с ней заболеваний.

Протромбин (фактор II) – витамин-К-зависимый гликопротеин, синтезируемый в печени и циркулирующий в крови в неактивной форме. При недостатке витамина К уровень протромбина в крови уменьшается, что может приводить к кровотечениям.

Протромбин активируется в тромбин комплексом  фосфолипидов, ионов кальция, фактора Va (F5 активированного) и фактора Хa (F10, активированного). Активированный фермент тромбин играет важную роль в гемостазе – он преобразует фибриноген в фибрин при формировании сгустка крови, стимулирует агрегацию клеток и активирует свертывающие факторы F5, F8 и F13A1. Также тромбин ингибирует коагуляцию, активируя естественный антикоагулянт — протеин С.

Протромбин, или коагуляционный фактор II, является одним из главных компонентов свертывающей системы крови. При мутации гена протромбина повышается экспрессия гена, что в свою очередь приводит к повышению уровня протромбина в плазме. Мутация гена F2 проявляется в замене гуанина (G) на аденин (А) в позиции 20210 и обозначается как генетический маркер G20210А. Изменение происходит в регуляторном участке гена, поэтому нарушения структуры белка не происходит, но это влияет на регуляцию синтеза белка. У носителей аллеля А  в крови обнаруживается повышенный уровень протромбина. Соответственно, риск образования тромбов возрастает.

Мутация в гене F2 наследуется по аутосомно-доминантному типу, поэтому патологический эффект реализуется даже при наличии одной копии поврежденного гена (генотип G/A).

Сочетание мутации гена протромбина и мутации Лейден увеличивает риск тромбофилии с ранним началом. Наряду с повышенным риском тромбозов наличие наследственной тромбофилии может быть связано с повышенным риском развития акушерских и гинекологических осложнений (привычное невынашивание, задержка внутриутробного развития плода, гестозы и др.).

Например, спонтанные аборты  в первом триместре беременности чаще наблюдаются у пациенток с генотипом G/A. Поэтому для безопасного течения беременности необходимо своевременно выявить генетическую составляющую риска тромбоэмболических осложнений и начать их профилактику.

Проявление носительства тромбофилических  генетических мутаций зависит также от возраста, факторов окружающей среды и наличия других мутаций. Носители аллеля, предрасполагающего к тромбофилии, могут не иметь никакой клинической симптоматики заболевания до появления внешних провоцирующих факторов. Негенетические факторы, такие как беременность, прием оральных контрацептивов, гормональная заместительная терапия, длительная иммобилизация, курение и другие, могут  значительно увеличивать риск. 

Особенно важна генетическая диагностика при наличии наследственной тромбофилии. Наследственный дефект коагуляции следует предполагать при отсутствии тромбоза в возрасте до 45 лет при отсутствии дополнительных факторов риска, например хирургического вмешательства или иммобилизации, при частых тромбозах у взрослых или тромбозе в детском возрасте. Генетическое исследование будет иметь профилактическое значение для человека в случае, если у его кровных родственников имелись тромботические заболевания в молодом возрасте.

Своевременная диагностика генетической предрасположенности к повышенной свертываемости крови поможет избежать серьезных последствий для сердечно-сосудистой системы и развития ассоциированных тяжелых заболеваний при проведении ранних профилактических и/или лечебных мероприятий.

Интерпретация результатов

• G/G – генотип, не предрасполагающий к повышению свертывания крови
• G/A – генотип, предрасполагающий к повышению свертывания крови, в гетерозиготной форме
• A/A – генотип, предрасполагающий к повышению свертывания крови, в гомозиготной форме

Интерпретация результатов исследования должна проводиться врачом в комплексе с другими генетическими, анамнестическими, клиническими и лабораторными данными.

 Скачать пример результата

Исследование рекомендуется проводить в комплексах:

Гомеостаз и факторы его определяющие; биологическое значение гомеостаза. Роль нервной и гуморальной систем в регуляции функций организма и обеспечении его целостности

Гомеостаз (греч. homoios — такой же, сходный, stasis -стабильность, равновесие) — это совокупность скоординированных реакций, обеспечивающих поддержание или восстановление постоянства внутренней среды организма. В середине ХIХ в французский физиолог Клод Бернар ввел понятие о внутренней среде , которую рассматривал как совокупность жидкостей организма. Это понятие расширил американский физиолог Уолтер Кэннон, который подразумевал под внутренней средой всю совокупность жидкостей (кровь, лимфа, тканевая жидкость), которые участвуют в обмене веществ и поддержании гомеостаза. Организм человека приспосабливается к постоянно меняющимся условиям внешней среды, однако при этом внутренняя среда остается постоянной и ее показатели колеблются в очень узких границах. Поэтому человек может жить в различных условиях окружающей среды. Некоторые физиологические параметры регулируются особенно тщательно и тонко, например температура тела, артериальное давление, содержание глюкозы, газов, солей, ионов кальция в крови, кислотно-щелочное равновесие, объем крови, ее осмотическое давление, аппетит многие другие. Регуляция осуществляется по принципу отрицательной обратной связи между рецепторами ф , улавливающими изменения указанных показателей и управляющих системами. Так, уменьшение одного из параметров улавливается соответствующим рецептором, от которого импульсы направляются в ту или иную структуру мозга, по команде которого вегетативная нервная система включает сложные механизмы выравнивания наступивших изменений. Мозг использует для поддержания гомеостаза две основные системы: вегетативную и эндокринную . Напомним, что главная функция вегетативной нервной системы — это сохранение постоянства внутренней среды организма, которое осуществляется благодаря изменению активности симпатической и парасимпатической частей вегетативной нервной системы. Последняя, в свою очередь, контролируется гипоталамусом , а гипоталамус — корой головного мозга . Эндокринная система регулирует функцию всех органов и систем посредством гормонов . Причем сама эндокринная система находится под контролем гипоталамуса и гипофиза . Гомеостаз (греч. homoios — одинаковый и stasis — состояние, неподвижность)

По мере усложнения наших представлений о нормальной, а тем более патологической, физиологии это понятие уточнили как гомеокинез, т.е. подвижное равновесие, баланс постоянно меняющихся процессов. Организм соткан из миллионов «гомеокинезиков». Эта огромная живая галактика определяет функциональный статус всех органов и клеток, которые связуются регуляторными пептидами. Как мировая экономическая и финансовая системы — множество фирм, производств, заводов, банков, бирж, рынков, магазинов… А между ними — «конвертируемая валюта» — нейропептиды . Все клетки организма постоянно синтезируют и поддерживают определенный, функционально необходимый, уровень регуляторных пептидов. Но когда случаются отклонения от «стационарности», их биосинтез (в организме в целом или в отдельных его «локусах») либо усиливается, либо ослабевает. Такие колебания возникают постоянно, если речь идет об адаптивных реакциях (привыкании к новым условиям), выполнении работы (физических или эмоциональных действиях), состоянии предболезни — когда организм «включает» повышенную защиту от нарушения функционального баланса. Классический случай поддержания равновесия — регуляция артериального давления крови. Есть группы пептидов, между которыми существует постоянная конкуренция — повысить/понизить давление. Для того чтобы бежать, подниматься в гору, париться в сауне, выступать на сцене, наконец, думать — необходимо функционально достаточное увеличение артериального давления. Но как только работа закончилась, вступают в действие регуляторы, обеспечивающие «успокоение» сердца и нормальное давление в сосудах. Вазоактивные пептиды постоянно взаимодействуют, чтобы «разрешить» повысить давление до такого-то уровня (не более, иначе сосудистая система пойдет «вразнос»; общеизвестный и горький пример — инсульт) и чтобы после окончания физиологически необходимой работы

Среди свойств, присущих живым существам, упоминают гомеостаз. Этим понятием называют относительное постоянство, характерное для организма. Стоит разобраться детально, для чего нужен гомеостаз, что это такое, и как он проявляется.

Под гомеостазом подразумевают свойство живого организма, позволяющее сохранять важные характеристики в пределах допустимых норм. Для нормального функционирования необходимо постоянство внутренней среды и отдельных показателей.

Внешнее влияние и неблагоприятные факторы приводят к изменениям, что негативно сказывается на общем состоянии. Но организм способен самостоятельно восстанавливаться, возвращая свои характеристики к оптимальным показателям. Это происходит благодаря рассматриваемому свойству.

Рассматривая понятие гомеостаз и выясняя, что это такое, необходимо определить, как реализуется это свойство. Проще всего в этом разобраться на примере клеток. Каждая представляет собой систему, которая характеризуется подвижностью. Под влиянием определенных обстоятельств ее особенности могут меняться.

Для нормальной жизнедеятельности клетка должна обладать теми свойствами, которые оптимальны для ее существования. Если показатели отклоняются от нормы, жизнеспособность снижается. Чтобы не допустить гибели, все свойства должны возвращаться в исходное состояние.

В этом и заключается гомеостаз. Он нейтрализует любые перемены, возникшие вследствие воздействия на клетку.

Определение

Дадим определение, что это за свойство живого организма. Первоначально этим термином называли способность к поддержанию постоянства внутренней среды. Ученые предполагали, что этот процесс затрагивает только межклеточную жидкость, кровь и лимфу.

Именно их постоянство позволяет поддерживать организм в устойчивом состоянии. Но в дальнейшем была обнаружено, что такая способность присуща любой открытой системе.

Определение гомеостаза изменилось. Теперь так называется саморегуляция открытой системы, которая заключается в поддержании динамического равновесия через осуществление скоординированных реакций. Благодаря им, система сохраняет относительно постоянными параметры, необходимые для нормальной жизнедеятельности.

Этот термин стали употреблять не только в биологии. Он нашел применение в социологии, психологии, медицине и других науках. В каждой из них имеется своя трактовка этому понятию, но суть у них общая — постоянство.

Характеристики

Чтобы разобраться, что именно называется гомеостазом, следует выяснить, каковы характеристики этого процесса.

Явлению присущи такие особенности, как:

1. Стремление к равновесию. Все параметры открытой системы должны находиться в соответствии друг с другом.
2. Выявление возможностей к адаптации. Прежде, чем параметры будут изменены, система должна установить, есть ли возможность адаптироваться к изменившимся условиям жизнедеятельности. Это происходит путем анализа.
3. Непредсказуемость результатов. Регуляция показателей не всегда приводит к положительным изменениям.

Рассматриваемое явление представляет собой сложный процесс, осуществление которого зависит от разных обстоятельств. Его протекание обусловлено свойствами открытой системы и особенностями условий ее функционирования.

Применение в биологии

Этот термин употребляется не только в отношении живых существ. Его используют в разных сферах. Чтобы лучше понять, что такое гомеостаз, нужно выяснить, какой смысл в него вкладывают биологи, поскольку именно в этой области его употребляют чаще всего.

Эта наука приписывает данное свойство всем существам без исключения, независимо от их устройства. Оно характерно одноклеточным и многоклеточным. У одноклеточных проявляется в сохранении постоянства внутренней среды.

У организмов с более сложным строением эта особенность касается отдельных клеток, тканей, органов и систем. Среди параметров, которые должны быть постоянными, можно назвать температуру тела, состав крови, содержание ферментов.

В биологии гомеостаз — это не только сохранение постоянства, но и способность организма приспосабливаться к меняющимся условиям среды.

Биологи различают два типа существ:

1. Конформационные, у которых организменные показатели сохраняются, независимо от условий. К числу таких относятся теплокровные животные.
2. Регуляторные, реагирующие на изменения внешней среды и адаптирующиеся к ним. К таким принадлежат земноводные.

При нарушениях в этой сфере восстановление или адаптация не наблюдаются. Организм становится уязвимым и может погибнуть.

Как происходит у человека

Человеческое тело состоит из большого числа клеток, которые взаимосвязаны и образуют ткани, органы, системы органов. Вследствие внешних воздействий в каждой системе и органе могут возникать изменения, которые влекут за собой перемены во всем организме.

Но для нормального функционирования тело должно сохранять оптимальные особенности. Соответственно, после любого воздействия ему нужно вернуться в исходное состояние. Это происходит благодаря гомеостазу.

Это свойство затрагивает такие параметры, как:

• температура,
• содержание питательных веществ,
• кислотность,
• состав крови,
• выведение отходов.

Все эти параметры влияют на состояние человека в целом. От них зависит нормальное протекание химических реакций, способствующих сохранению жизни. Гомеостаз позволяет восстановить прежние показатели после любого воздействия, но не является причиной адаптационных реакций. Это свойство — общая характеристика большого количества процессов, действующих одновременно.

Для крови

Гомеостаз крови является одной из основных характеристик, влияющих на жизнеспособность живого существа. Кровь представляет собой его жидкую основу, поскольку находится в каждой ткани и каждом органе.

Благодаря ей осуществляется снабжение отдельных частей тела кислородом, и производится отток вредных веществ и продуктов обмена.

Если имеются нарушения в крови, то выполнение этих процессов ухудшается, что сказывается на работе органов и систем. От постоянства ее состава зависят все другие функции.

Эта субстанция должна сохранять относительно постоянными следующие параметры:

• уровень кислотности;
• осмотическое давление;
• соотношение электролитов в плазме;
• количество глюкозы;
• клеточный состав.

Благодаря наличию способности к поддержанию этих показателей в пределах нормы, они не изменяются даже под влиянием патологических процессов. Незначительные колебания им присущи, и это не вредит. Но они редко превышают нормальные значения.

Это интересно! Если в данной сфере возникают нарушения, то параметры крови не возвращаются в исходное положение. Это указывает на присутствие серьезных проблем. Организм оказывается неспособным к поддержанию равновесия. В результате возникает риск развития осложнений.

Использование в медицине

Данное понятие широко употребляется в медицине. В этой области его сущность почти аналогична биологическому смыслу. Этот термин в медицинской науке охватывает компенсаторные процессы и способность организма к саморегуляции.

В это понятие входят взаимоотношения и взаимодействия всех компонентов, участвующих в реализации регуляторной функции. Оно охватывает обменные процессы, дыхание, кровообращение.

Отличие медицинского термина заключается в том, что наука рассматривает гомеостаз как вспомогательный фактор лечения. При заболеваниях организменные функции нарушаются из-за повреждений органов. Это отражается на всем теле целиком. Восстановить деятельность проблемного органа удается с помощью терапии. Повышению ее эффективности способствует рассматриваемая способность. Благодаря процедурам организм сам направляет усилия на ликвидацию патологических явлений, стремясь восстановить нормальные параметры.

При отсутствии возможностей для этого включается механизм адаптации, который проявляется в снижении нагрузок на поврежденный орган. Это позволяет снизить ущерб и не допустить активного прогрессирования болезни. Можно сказать, что такое понятие, как гомеостаз, в медицине рассматривают с практической стороны.

Википедия

Значение любого термина или характеристику любого явления чаще всего узнают из Википедии. Она рассматривает это понятие достаточно подробно, но в самом простом смысле: называет его стремлением организма к адаптации, развитию и выживанию.

Объясняется такой подход тем, что при отсутствии данного свойства живому существу будет трудно приспособиться к меняющимся условиям среды и развиваться в нужном направлении.

А при возникновении нарушений в функционировании существо просто погибнет, поскольку не сумеет вернуться в нормальное состояние.

Важно! Для того, чтобы процесс осуществлялся, необходимо чтобы все органы и системы работали слаженно. Это обеспечит сохранение всех жизненно важных параметров в нормальных пределах. Если отдельный показатель не поддается регуляции, это указывает на проблемы с реализацией данного процесса.

Примеры

Понять, что собой представляет гомеостаз в организме, помогут примеры этого явления. Одним из них является сохранение постоянной температуры тела. Некоторые изменения ей присущи, но они незначительны. Серьезное повышение температуры наблюдается лишь при наличии заболеваний. Еще одним примером называют показатели артериального давления. Существенное повышение или понижение показателей возникает при нарушениях здоровья. При этом организм стремится вернуть нормальные характеристики.

Полезное видео

Подведем итоги

Изучаемое свойство является одним из ключевых для нормального функционирования и сохранения жизни, заключается в способности восстанавливать оптимальные показатели жизненно важных параметров. Изменения в них могут возникать под влиянием внешних воздействий или патологий. Благодаря этой способности живые существа могут сопротивляться внешним факторам.

Гомеостаз — это способность человеческого организма подстраиваться под изменяющиеся условия внешней и внутренней среды. Стабильная работа процессов гомеостаза гарантирует человеку комфортное самочувствие в любой ситуации, поддерживая постоянство жизненно важных показателей организма.

Гомеостаз с биологической и экологической точки зрения

В гомеостаз применяют к любым многоклеточным организмам. При этом экологи зачастую обращают внимание на сбалансированность внешней среды. Считается, что это гомеостаз экосистемы, которая также подвергается изменениям и постоянно перестраивается для дальнейшего существования.

Если баланс в какой-либо системе нарушен и она не в состоянии его восстановить, то это приводит к полному прекращению функционирования.

Человек не исключение, гомеостатические механизмы играют важнейшую роль в ежедневной жизнедеятельности, а допустимая степень изменения основных показателей у человеческого организма очень невелика. При необычных колебаниях внешней или внутренней среды сбой в работе гомеостаза может привести к летальным последствиям.

Для чего нужен гомеостаз и его виды

Ежедневно человек подвергается воздействию различных факторов окружающей его среды, но для того, чтобы основные биологические процессы в организме продолжали стабильно работать, их условия не должны измениться. Именно в поддержании этой стабильности и заключается основная роль гомеостаза.

Принято выделять три основных вида:

1. Генетический.
2. Физиологический.
3. Структурный (регенерационный или клеточный).

Для полноценного существования человеку необходима работа всех трех видов гомеостаза в комплексе, если один из них выходит из строя, то это приводит к неприятным последствиям для здоровья. Слаженная работа процессов позволит не замечать или же переносить с минимальными неудобствами наиболее распространенные изменения и чувствовать себя уверенно.

Такой вид гомеостаза — это способность сохранения единого генотипа внутри одной популяции. На молекулярно-клеточном уровне поддерживается единая генетическая система, которая несет в себе определенный набор наследственной информации.

Механизм позволяет особям скрещиваться между собой, сохраняя при этом равновесие и единообразие условно закрытой группы людей (популяции).

Физиологический гомеостаз

Данный вид гомеостаза отвечает за поддержание в оптимальном состоянии основных жизненно важных показателей:

• Температуры тела.
• Артериального давления.
• Стабильность пищеварения.

За его правильную работу отвечают иммунная, эндокринная и нервная система. В случае возникновения непредвиденного сбоя в работе одной из систем, это незамедлительно отражается на самочувствии всего организма, приводит к ослаблению защитных функций и развитию заболеваний.

Клеточный гомеостаз (структурный)

Этот вид носит также название «регенерационный», что, вероятно, лучше всего описывает функциональные особенности.

Основные силы такого гомеостаза направлены на восстановление и излечение поврежденных клеток внутренних органов человеческого организма. Именно такие механизмы при правильной работе позволяют организму восстановиться после болезней или травм.

Основные механизмы гомеостаза развиваются и эволюционируют вместе с человеком, лучше подстраиваясь под изменения внешней среды.

Функции гомеостаза

Для того чтобы правильно понимать функции и свойства гомеостаза, лучше всего рассматривать его действие на конкретных примерах.

Так, например, при занятиях спортом человеческое дыхание и пульс учащаются, что говорит о стремлении организма сохранить внутреннее равновесие при измененных окружающих условиях.

При переезде в страну с климатом, значительно отличающимся от привычного, какое-то время можно испытывать недомогание. В зависимости от общего здоровья человека, механизмы гомеостаза позволяют адаптироваться в новых условиях жизни. У кого-то акклиматизация не чувствуется и внутренний баланс оперативно подстраивается, кому-то приходится немного подождать, прежде чем организм настроит свои показатели.

В условиях повышенной температуры человеку становится жарко и начинается потоотделение. Такое явление считается прямым доказательством функционирования механизмов саморегуляции.

Во многом работа основных гомеостатических функций зависит от наследственности, генетического материала, переданного от старшего поколения семьи.

Опираясь на приведенные примеры, четко можно проследить основные функции:

• Энергетическая.
• Адаптационная.
• Репродуктивная.

Важно обратить внимание на то, что в старости, а также в младенческом возрасте стабильная работа гомеостаза требует особенного внимания, из-за того, что реакция основных систем регуляции в эти периоды жизни замедленна.

Свойства гомеостаза

Зная об основных функциях саморегуляции, полезно также понимать, какими свойствами она обладает. Гомеостаз — это сложная взаимосвязь процессов и реакций. Среди свойств гомеостаза выделяют:

• Нестабильность.
• Стремление к равновесию.
• Непредсказуемость.

Механизмы находятся в постоянном изменении, тестируют условия, чтобы выбрать оптимальный вариант приспособления к ним. В этом проявляется свойство нестабильности.

Равновесие — это основная цель и свойство любого организма, он стремится к нему постоянно, как структурно, так и функционально.

В некоторых случаях реакция организма на изменения внешней или внутренней среды может стать неожиданной, привести к перестройкам жизненно важных систем. Непредсказуемость гомеостаза может вызывать определенный дискомфорт, что не говорит о дальнейшем пагубном воздействии на состоянии организма.

Как улучшить работу механизмов гомеостатической системы

С точки зрения медицины любое заболевание является доказательством сбоя в работе гомеостаза. Внешние и внутренние угрозы постоянно оказываются воздействие на организм, и только слаженность в работе основных систем поможет с ними справиться.

Ослабление иммунитета не происходит беспричинно. Современная медицина обладает большим диапазоном средств, которые способны помочь человеку сохранить свое здоровье, вне зависимости от того, что стало причиной сбоя.

Изменение погодных условий, стрессовые ситуации, травмы — все это способно привести к развитию заболеваний разной тяжести.

Для того чтобы функции гомеостаза работали правильно и максимально быстро, необходимо следить за общим состоянием своего здоровья. Для этого можно обратиться к врачу за обследованием, чтобы определить свои уязвимые места и выбрать комплекс терапии для их устранения. Регулярная диагностика поможет лучше контролировать основные процессы жизнедеятельности.

При этом важно самостоятельно следовать нехитрым рекомендациям:

• Избегать стрессовых ситуаций, чтобы защитить нервную систему от постоянного перенапряжения.
• Следить за рационом питания, не перегружать себя тяжелыми продуктами, не допускать бессмысленного голодания, что позволит пищеварительной системе легче справляться со своей работой.
• Выбрать подходящие витаминные комплексы, чтобы снизить влияние сезонных изменений погоды.

Бдительное отношение к собственному здоровью поможет гомеостатическим процессам своевременно и правильно реагировать на любые изменения.

Внутренняя среда организма – совокупность жидкостей организма, находящихся внутри него, как правило, в определенных резервуарах и естественных условиях и никогда не соприкасающихся с внешней окружающей средой. Термин предложен франц.физиологом Клод Бернаром.
Клетки могут функционировать только в жидко среде. Кровь, тканевая жидкость и лимфа образуют внутреннюю среду организма. Основой внутренней среды организма является кровь, которая доставляет клеткам кислород, питательные вещества и удаляется продукты обмена. Однако кровь непосредственно не соприкасается с клетками организма. В тканях часть плазмы крови покидает кровеносные капилляры и превращается в тканевую жидкость. Избыток тканевой жидкости всасывается лимфотическими капиллярами и в виде лимфы оттекает по лимфатическим сосудам снова в кровь. Таким образом, кровь, тканевая жидкость и лимфа непосредственно циркулируют внутри организма, обеспечивая обмен веществ между клетками тела и окружающей средой. Ученые многих стран мира старались выяснить природу механизмов поддерживающих постоянство внутренней среды человека и высших животных.

Совокупность факторов и механизмов, обеспечивающих это постоянство, получило название – гомеостаза. Гомеостаз – способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое постоянство состава и свойств организма.

Гомеостаз – относительно динамическое постоянство внутренней среды организма, обеспечивающее устойчивость его основных физиологических функций.

Клод Бернар (1878 год) – формулировка понятия гомеостаза.

Уолтер Кеннон ввел термин гомеостаз, его гипотеза – отдельные части организма устойчивы, так как устойчива окружающая их внутренняя среда.

Живой организм – открытая саморегулирующаяся система, которая развивается в тесном взаимодействии с окружающей средой. Изменения среды прямо или косвенно воздействуют на компоненты, вызывая в них соответствующие изменения.

Благодаря механизмам саморегуляции, эти изменения происходят в пределах нормы реакции и не вызывают серьезных нарушений физиологических функций.

Нарушение регуляторных механизмов приводят к срыву компенсаторных возможностей организма, снижению его устойчивости к постоянно меняющимся условиям среды, нарушениям условий гомеостаза и развитию патологий.

Механизмы гомеостаза должны быть направлены на поддержание уровня стационарного состояния, координацию процессов для устранения или ограничения влияния вредных факторов, оптимальное взаимодействие организма и среды в изменившихся условиях существования.

Компоненты гомеостаза:

 Компоненты, обеспечивающие клеточные потребности: белки, жиры, углеводы; неорганические вещества; вода, кислород, внутренняя секреция.

 Компоненты, влияющие на клеточную активность: осмотическое давление, температура, концентрация водородных ионов.

Виды гомеостаза:

 Генетический гомеостаз . Генотип зиготы при взаимодействии с факторами окружающей среды определяет весь комплекс изменчивости организма, его адаптивной способности, то есть гомеостаз. Организм реагирует на изменения условий среды специфически, в пределах наследственно обусловленной нормы реакции. Постоянство генетического гомеостаза поддерживается на основе матричных синтезов, а стабильность генетического материала обеспечивается рядом механизмов (см. мутагенез).

 Структурный гомеостаз. Поддержание постоянства состава и целостности морфологической организации клеток, тканей. Полифункциональность клеток повышает компактность и надежность всей системы, увеличивая ее потенциальные возможности. Формирование функций клеток происходит благодаря регенерации.

Регенерация:

1. Клеточная (прямое и непрямое деление)

2. Внутриклеточная (молекулярная, внутриорганоидная, органоидная)

 Физико-химический гомеостаз.

Газовый гомеостаз: концентрация кислорода и углекислого газа в организме, обеспечивается системой внешнего дыхания. Факторы, регулирующие внешнее дыхание: минутный объем дыхания альвеолярного воздуха, зависти от активности дыхательного центра; содержание газов в крови и легочных капиллярах; диффузия газов через мембрану клеток крови, равномерный легочный кровоток адекватной вентиляции.

Кислотно-щелочной баланс организма:pH крови = 7.32-7.45 соотношение водородных и гидроксильных ионов зависит от содержания кислот, выступающих в качестве доноров протонов, и амфотерных оснований, являющихся акцепторами. Регуляция его обеспечивается буферными системами, тканевыми белками, коллагеновой субстанцией соединительной ткани, которая способна адсорбировать кислоты.

Осмотические свойства крови: осмотическое давление крови зависит от концентрации раствора и температуры, но не зависит от природы растворенного вещества и растворителя. Постоянство осмотических свойств крови обеспечивается водным балансом. Водный баланс организма поддерживается механизмами поступления воды и солей. Перераспределение воды и солей между клетками и внутриклеточными органоидами, выделение воды и солей в окружающую среду. Основой интеграции всего физико-химического гомеостаза является нейроэндокринная регуляция.

 Физиологический гомеостаз.

Тепловой гомеостаз: поддержание содержание тепла. Важным условием теплового баланса служит движение среды, омывающей тело и его части, в котором происходит тепловой обмен, регуляция теплоизоляции обеспечивается за счет притока теплой крови из глубоких областей тела к его поверхности

Система гемостаза: активация свертывающей системы крови, необходимый уровень форменных элементов крови, восстановление свойств стенки сосудов.

Биохимический гомеостаз: поддержание на уровне обменных процессов, в частности анаболизма и катаболизма, баланс процессов синтеза и распада осуществляется путем изменения активности ферментов, скорости ферментативных реакций, индукцией биосинтеза белков и ферментов и регуляцией скорости распада биологически активных веществ.

 Иммунологический гомеостаз.

Иммунная система защищает организм от экзогенных веществ, инфекционных агентов, несущих в себе генетически чужеродную информацию, а так же от патологически измененных клеток. Распознавание — разрушение — элиминация. Центральные органы иммунной системы – костный мозг и тимус. Периферические органы – селезенка и лимфоидная ткань. Костный мозг вырабатывает стимулятор антитела продуцентов, который активирует систему B-лимфоцитов, обеспечивающих гуморальное звено иммунитета, а тимус вырабатывает тимозин, активирующий выработку т-лимфоцитов. Поддержание иммунологического гомеостаза должно быть обеспечено необходимой концентрацией Т- и В-лимфоцитов.

Эндокринный гомеостаз: синтез и секреция гормонов, транспорт гормонов, специфический метаболизм гормонов на периферии и их экскреция, взаимодействие гормонов с клетками-мишенями, регуляция и саморегуляция функций желез внутренней секреции.

Все гомеостазы в целом составляют биологический гомеостаз , целостную систему разнообразных функций и показателей, обеспечивающих сохранение и поддержание нормальной жизнедеятельности организма в изменяющихся условиях среды.

Регуляция биологического гомеостаза:

Местная : осуществляется посредством положительных и отрицательных обратных связей, когда изменение одного показателя приводит к изменению другого, характеризуется автономностью, это свойство присуще любому компоненту живой системы.

Гуморальная регуляция , связана с поступлением во внутреннюю среду организма гуморальных факторов — медиаторов, гормонов, биологически активных веществ и т.д. гуморальная система реагирует на внешние воздействия медленно, т.к. не имеет связи с окружающей средой, но дает более стабильный и продолжительный эффект, обеспечивается железами внутренней секреции. На основе гуморальной регуляции развиваются приспособительные реакции на изменение внутренней среды организма.

Нервная регуляция: главный координатор всех биологических процессов, что обусловлено структурными и функциональными особенностями нервной системы: присутствие во всех органах и тканях, непосредственный контакт с внешней средой через рецепторы, высокая возбудимость, лабильность и точная направленность нервных импульсов и большая скорость проведения информации. В основе регуляции приспособительных реакций лежат рефлекторные процессы. Нервная регуляция обеспечивает изменение функциональной активности органов или функций в ответ на внешнее воздействие и адаптацию организма с внешней средой.

Уровни нейроэндокринной регуляции:

1. Мембрана клетки

2. Эндокринные железы

3. Гипофиз

4. Гипоталамус

Включение различных уровней нейрогуморальной регуляции определяется интенсивностью влияния фактора, степенью отклонения физиологических параметров и лабильностью адаптивных систем.

Вопрос 54.

В своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов , которые поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы . Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром .

Общие сведения

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии . Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде. Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.

Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Свойства гомеостаза

Гомеостатические системы обладают следующими свойствами:

• Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.
• Стремление к равновесию : вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.
• Непредсказуемость : результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.

• Регуляция количества микронутриентов и воды в теле — осморегуляция . Осуществляется в почках .
• Удаление отходов процесса обмена веществ — выделение. Осуществляется экзокринными органами — почками, лёгкими , потовыми железами и желудочно-кишечным трактом .
• Регуляция температуры тела. Понижение температуры через потоотделение , разнообразные терморегулирующие реакции.
• Регуляция уровня глюкозы в крови. В основном осуществляется печенью , инсулином и глюкагоном , выделяемыми поджелудочной железой .

Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим. Во многих организмах наблюдаются эндогенные изменения в форме циркадного , ультрадианного и инфрадианного ритмов. Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление , частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

Механизмы гомеостаза: обратная связь

Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два основных типа обратной связи, на которые реагирует система:

1. Отрицательная обратная связь , выражающаяся в реакции, при которой система отвечает так, чтобы изменить направление изменения на противоположное. Так как обратная связь служит сохранению постоянства системы, это позволяет соблюдать гомеостаз.
   • Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, лёгким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количество углекислого газа.
   • Терморегуляция — другой пример отрицательной обратной связи. Когда температура тела повышается (или понижается) терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ — понижение температуры (или повышение).
2. Положительная обратная связь , которая выражается в усилении изменения переменной. Она оказывает дестабилизирующий эффект, поэтому не приводит к гомеостазу. Положительная обратная связь реже встречается в естественных системах, но также имеет своё применение.
   • Например, в нервах пороговый электрический потенциал вызывает генерацию намного большего потенциала действия. Свёртывание крови и события при рождении можно привести в качестве других примеров положительной обратной связи.

Устойчивым системам необходимы комбинации из обоих типов обратной связи. Тогда как отрицательная обратная связь позволяет вернуться к гомеостатическому состоянию, положительная обратная связь используется для перехода к совершенно новому (и, вполне может быть, менее желанному) состоянию гомеостаза, — такая ситуация называется «метастабильность». Такие катастрофические изменения могут происходить, например, с увеличением питательных веществ в реках с прозрачной водой, что приводит к гомеостатическому состоянию высокой эвтрофикации (зарастание русла водорослями) и замутнению.

Экологический гомеостаз

В нарушенных экосистемах, или субклимаксовых биологических сообществах — как, например, остров Кракатау , после сильного извержения вулкана в — состояние гомеостаза предыдущей лесной климаксовой экосистемы было уничтожено, как и вся жизнь на этом острове. Кракатау за годы после извержения прошёл цепь экологических изменений, в которых новые виды растений и животных сменяли друг друга, что привело к биологической вариативности и в результате климаксовому сообществу. Экологическая сукцессия на Кракатау осуществилась за несколько этапов. Полная цепь сукцессий, приведшая к климаксу, называется присерией. В примере с Кракатау на этом острове образовалось климаксовое сообщество с восемью тысячами различных видов, зарегистрированных в , спустя сто лет с того времени, как извержение уничтожило на нём жизнь. Данные подтверждают, что положение сохраняется в гомеостазе в течение некоторого времени, при этом появление новых видов очень быстро приводит к быстрому исчезновению старых.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного. В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии — произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии .

Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии , в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне. К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву . В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями , насекомыми , грибами . Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома .

Биологический гомеостаз

Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу , межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость . Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

Гомеостаз в организме человека

Разные факторы влияют на способность жидкостей организма поддерживать жизнь. В их числе такие параметры, как температура, солёность , кислотность и концентрация питательных веществ — глюкозы , различных ионов , кислорода , и отходов — углекислого газа и мочи . Так как эти параметры влияют на химические реакции , которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.

Гомеостаз нельзя считать причиной процессов этих бессознательных адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений , которые не подходят под эту модель — например, анаболизм .

Другие сферы

Понятие «гомеостаз» используется также и в других сферах.

Актуарий может говорить о рисковом гомеостазе , при котором, к примеру, люди, у которых на машине установлены незаклинивающие тормоза , не находятся в более безопасном положении по сравнению с теми, у кого они не установлены, потому что эти люди бессознательно компенсируют более безопасный автомобиль рискованной ездой. Это происходит потому, что некоторые удерживающие механизмы — например, страх — перестают действовать.

Социологи и психологи могут говорить о стрессовом гомеостазе — стремлении популяции или индивида оставаться на определённом стрессовом уровне, зачастую искусственно вызывая стресс, если «естественного» уровня стресса недостаточно.

Примеры

• Терморегуляция
  • Может начаться дрожание скелетных мышц, если слишком низкая температура тела.
  • Иной вид термогенеза включает расщепление жиров для выделения тепла .
  • Потоотделение охлаждает тело посредством испарения .
• Химическая регуляция
  • Поджелудочная железа секретирует инсулин и глюкагон для контроля уровня глюкозы в крови.
  • Лёгкие получают кислород, выделяют углекислый газ .
  • Почки выделяют мочу и регулируют уровень воды и ряда ионов в организме.

Многие из этих органов контролируются гормонами гипоталамо-гипофизарной системы.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое «Гомеостаз» в других словарях:

Гомеостаз … Орфографический словарь-справочник

гомеостаз — Общий принцип саморегулирования живых организмов. Перлз настоятельно указывает на важность этого понятия в своей работе The Gestalt Approach and Eye Witness to Therapy . Краткий толковый психолого психиатрический словарь. Под ред. igisheva. 2008 … Большая психологическая энциклопедия

Гомеостазис (от греч. подобный, одинаковый и состояние), свойство организма поддерживать свои параметры и физиоло гич. функции в определ. диапазоне, основанное на устойчивости внутр. среды организма по отношению к возмущающим воздействиям … Философская энциклопедия

— (от греч. homoios тот же самый, похожий и греч. stasis неподвижность, стояние), гомеостазис, способность организма или системы организмов поддерживать устойчивое (динамическое) равновесие в изменяющихся условиях среды. Гомеостаз в популяции… … Экологический словарь

Гомеостазис (от гомео… и греч. stasis неподвижность, состояние), способность биол. систем противостоять изменениям и сохранять динамич. относит, постоянство состава и свойств. Термин «Г.» предложил У. Кен нон в 1929 для характеристики состояний … Биологический энциклопедический словарь

Взгляд физиолога на гомеостаз

Abstract

Гомеостаз — это основная концепция, необходимая для понимания многих регуляторных механизмов в физиологии. Клод Бернар первоначально предложил концепцию постоянства «среды интерьера», но его обсуждение было довольно абстрактным. Уолтер Кэннон ввел термин «гомеостаз» и расширил понятие Бернара о «постоянстве» внутренней среды явным и конкретным образом. В 1960-х годах механизмы гомеостатической регуляции в физиологии начали описывать как дискретные процессы после применения анализа технических систем управления к физиологическим системам.К сожалению, во многих студенческих текстах по-прежнему подчеркиваются абстрактные аспекты концепции, а не акцентируется внимание на общей модели, которая может быть конкретно и всесторонне применена ко всем гомеостатическим механизмам. В результате как студенты, так и преподаватели часто не могут разработать четкую и лаконичную модель, с помощью которой можно было бы думать о таких системах. В этой статье мы представляем стандартную модель гомеостатических механизмов, которая будет использоваться на уровне бакалавриата. Мы обсуждаем общие источники путаницы («острые моменты»), которые возникают из-за несоответствий в словарном запасе и иллюстрациях, которые можно найти в популярных текстах для студентов.Наконец, мы предлагаем упрощенную модель и набор словаря, чтобы помочь студентам бакалавриата построить эффективные ментальные модели гомеостатической регуляции в физиологических системах.

Ключевые слова: гомеостаз, отрицательная обратная связь, регуляция, основные концепции

В 2007 году группа из 21 биолога из различных дисциплин согласилась с тем, что «гомеостаз» является одним из восьми ключевых понятий в биологии (14). Два года спустя Американская ассоциация медицинских колледжей и Медицинский институт Говарда Хьюза в своем отчете (1) о научных основах для будущих врачей аналогичным образом определили способность применять знания о «гомеостазе» как одну из основных компетенций (компетенция M1 ).

С нашей точки зрения физиологов очевидно, что гомеостаз — это основная концепция нашей дисциплины. Когда мы спросили инструкторов физиологии из широкого круга учебных заведений, что, по их мнению, являются «большими идеями» (концепциями) физиологии, мы обнаружили, что они тоже определили «гомеостаз» и «клеточные мембраны» как две наиболее важные большие идеи в физиологии. (15). В последующем опросе (16) преподаватели физиологии назвали гомеостаз одним из ключевых понятий, критически важных для понимания физиологии.

Если, как показывают эти исследования, концепция гомеостаза является центральной для понимания физиологических механизмов, можно ожидать, что преподаватели и учебники представят согласованную модель этой концепции. Однако изучение 11 широко используемых учебников по физиологии и биологии для бакалавров показало, что это не всегда так (17). Пояснения к концепции гомеостаза и последующие ссылки на эту концепцию страдают рядом недостатков. Хотя эти тексты определяют некоторые термины, относящиеся к гомеостатическим регуляторным системам, многие авторы не используют эти термины последовательно.Более того, они не всегда используют последовательные визуальные представления концепции. Кроме того, объяснение концепции часто противоречит нынешнему пониманию механизмов регуляции гомеостаза. Эти ограничения учебников, скорее всего, распространяются и на обучение в классе, тем самым ослабляя силу концепции как объединяющей идеи для понимания физиологии.

Цели этой статьи — разработать правильное описание и визуальное представление общего гомеостатического механизма, который может служить инструментом обучения для преподавателей и студентов.Мы ограничим наше обсуждение гомеостатическими механизмами, обнаруженными в системах организма, которые поддерживают постоянный внеклеточный компартмент, и не будем рассматривать другие типы гомеостаза. Хотя этот инструмент может быть полезен на любом академическом уровне, наша основная цель — его применение на уровне бакалавриата, когда студенты впервые знакомятся с концепцией. Мы также кратко обсудим историю концепции, а затем обратимся к «сложным моментам», которые могут привести в замешательство как преподавателей, так и студентов при попытке применить концепцию к физиологии организма млекопитающих.В заключение мы приводим предложения по улучшению инструкции по гомеостазу и его применению.

История концепции гомеостаза

Клод Бернар утверждал, что сложные организмы способны поддерживать свою внутреннюю среду [внеклеточную жидкость (ECF)] довольно постоянной перед лицом вызовов внешнего мира (8). Далее он сказал, что «свободное и независимое существование возможно только благодаря стабильности внутренней среды» (3). Уолтер Кэннон ввел термин «гомеостаз» с намерением предоставить термин, который передал бы общую идею, предложенную Бернаром 50 лет назад (8).Взгляд Кэннона был сосредоточен на поддержании устойчивого состояния в организме независимо от того, были ли задействованные механизмы пассивными (например, движение воды между капиллярами и интерстицией, отражающее баланс между гидростатическими и осмотическими силами) или активными (например, хранение и высвобождение внутриклеточной глюкозы). (6). Признавая действительность как пассивных, так и активных механизмов гомеостаза, наше рассмотрение будет сосредоточено исключительно на активных регуляторных процессах, участвующих в поддержании гомеостаза.

Ранние учебники физиологии отражали это широкое определение, вкратце упоминая концепцию Бернара о постоянстве внутренней среды, но термин «гомеостаз» не использовался при обсуждении конкретных регуляторных механизмов (9, 11, 4).

Эта ситуация начала меняться в середине 1960-х годов, когда появилась отрасль биомедицинской инженерии, которая сосредоточилась на применении анализа технических систем управления к физиологическим системам (18, 19, 2, 20). Артур Гайтон был первым крупным автором учебников по физиологии, включившим в свой учебник подход, основанный на теории систем управления, а в его книге подробно рассматриваются многие регуляторные механизмы организма (10).Таким образом, Гайтон познакомил многих студентов с концепцией гомеостаза как активного регулирующего механизма, который стремится минимизировать нарушения внутренней среды.

Теория инженерных систем управления описывает множество других механизмов для поддержания стабильности системы. Хотя многие из этих механизмов можно найти в биологических системах (7), не все они являются компонентами гомеостатических механизмов. Например, баллистическая система, используемая нервной системой для броска мяча, просто заранее рассчитывает последовательность команд, необходимых для достижения определенного результата, на основе предыдущего опыта (7).Здесь нет элемента, регулирующего внутреннюю среду.

Гомеостатические механизмы возникли для поддержания регулируемой переменной во внутренней среде в пределах диапазона значений, совместимых с жизнью, и, как было недавно предложено, для уменьшения шума во время передачи информации в физиологических системах (22). Чтобы подчеркнуть процесс стабилизации, мы различаем «регулируемую (воспринимаемую) переменную» и «нерегулируемую (управляемую) переменную» (5, 23). Регулируемая (воспринимаемая) переменная — это переменная, для которой в системе существует датчик и которая поддерживается в ограниченном диапазоне физиологическими механизмами (5).Например, измеряемыми переменными являются артериальное давление и температура тела. Барорецепторы и терморецепторы существуют внутри системы и передают значение давления или температуры регулирующему механизму. Мы называем переменные, которые могут быть изменены системой, но для которых нет датчиков в системе, нерегулируемыми (контролируемыми) переменными. Нерегулируемые переменные управляются или модулируются для достижения регулирования переменной, которая остается постоянной. Например, вегетативная нервная система может изменять частоту сердечных сокращений для регулирования кровяного давления, но в системе нет датчиков, которые непосредственно измеряют частоту сердечных сокращений.Следовательно, частота сердечных сокращений не регулируется.

Простая модель, иллюстрирующая фундаментальные концепции инженерных систем управления, относящиеся к механизмам гомеостатического регулирования, показана на рис.

Схема общей гомеостатической регуляторной системы. Если значение регулируемой переменной нарушается, эта система функционирует, чтобы восстановить его до заданного значения и, следовательно, также упоминается как система отрицательной обратной связи.

Эта модель, некоторые версии которой встречаются во многих современных текстах по физиологии, включает следующие пять важнейших компонентов, которые должна содержать регуляторная система для поддержания гомеостаза:

• 1 .Он должен содержать датчик, измеряющий значение регулируемой переменной.

• 2 . Он должен содержать механизм для установления «нормального диапазона» значений регулируемой переменной. В модели, показанной на, этот механизм представлен «уставкой», хотя этот термин не означает, что этот нормальный диапазон на самом деле является «точкой» или что он имеет фиксированное значение. В следующем разделе мы подробнее обсудим понятие уставки.

• 3 .Он должен содержать «детектор ошибок», который сравнивает сигнал, передаваемый датчиком (представляющий фактическое значение регулируемой переменной), с заданным значением. Результатом этого сравнения является сигнал ошибки, который интерпретируется контроллером.

• 4 . Контроллер интерпретирует сигнал ошибки и определяет значение выходов эффекторов.

• 5 . Эффекторы — это те элементы, которые определяют значение регулируемой переменной.

Такая система работает таким образом, чтобы противодействовать любому изменению регулируемой переменной, возмущению, изменением выходного сигнала эффектора, чтобы восстановить регулируемую переменную до ее заданного значения. Системы, которые ведут себя подобным образом, называются системами с отрицательной обратной связью.

Хотя модель, показанная на рисунке, относительно проста, существует много информации, которая может быть упакована в каждую из коробок, составляющих модель. Гомеостаз также можно описать как иерархически организованный набор утверждений, концептуальную основу, которая содержит любое дыхание и глубину информации, подходящую для определенной группы студентов в курсе.Мы разработали и описали такую ​​«распаковку» основной концепции гомеостаза (12, 13). Модель и концептуальная основа предоставляют студентам различные инструменты для размышлений о гомеостазе.

Темы, которые вызывают путаницу у студентов и преподавателей: важные моменты

Сложные моменты — это любые концептуальные трудности, которые делают ментальную модель любого явления неточной и, следовательно, менее полезной. Есть ряд факторов, которые способствуют возникновению проблем как для преподавателей, так и для студентов:

• Речь идет о сложном явлении.

• Есть аспекты этого явления, которые противоречат здравому смыслу.

• Язык или терминология, используемые для описания явления или концепции, несовместимы.

• Понимание этого явления дисциплиной является неопределенным или неполным.

В этом разделе мы опишем некоторые острые моменты, касающиеся механизмов регуляции гомеостаза, которые мы обнаружили в ходе общения с преподавателями и студентами по поводу их понимания гомеостаза.Мы рассмотрим эти проблемные моменты в виде серии вопросов и ответов.

В какой среде регулируется гомеостаз организма?

Органический гомеостаз, как первоначально определил Кэннон (6), относится к физиологическим механизмам, которые поддерживают относительно постоянными переменные, связанные с внутренней средой организма. Сюда входят переменные, относящиеся ко всему отсеку ЭКФ или его подкомпартментам (например, плазма). Мы не будем обсуждать внутриклеточные гомеостатические механизмы.

Все ли системы отрицательной обратной связи гомеостатичны?

Хотя отрицательная обратная связь является важным элементом механизмов гомеостатической регуляции, наличие отрицательной обратной связи в системе не означает, что система является гомеостатической по функциям. Отрицательная обратная связь существует во многих системах, которые не связаны с регуляцией гомеостаза. Например, отрицательная обратная связь играет роль в рефлексе растяжения мышц, но этот рефлекс не участвует в поддержании постоянства внутренней среды.В других случаях наличие отрицательной обратной связи может минимизировать колебания переменной, даже если сама эта переменная не поддерживается относительно постоянной (т. Е. Не является регулируемой переменной). Контроль уровня кортизола в крови является примером осциллирующего демпфирующего эффекта отрицательной обратной связи (см. Дальнейшее обсуждение ниже).

Могут ли другие типы механизмов контроля (например, прямая связь) поддерживать гомеостаз?

Механизмы упреждающего или упреждающего контроля позволяют организму предсказать изменение физиологии организма и инициировать реакцию, которая может уменьшить движение регулируемой переменной за пределы ее нормального диапазона (7, 23).Таким образом, механизмы прямой связи могут помочь минимизировать эффекты нарушения и могут помочь поддерживать гомеостаз. Например, упреждающее увеличение частоты дыхания сократит временной ход реакции на гипоксию, вызванную физической нагрузкой. По этой причине были предприняты попытки расширить определение гомеостаза, включив в него ряд упреждающих механизмов (23).

Однако мы решили ограничить нашу общую модель гомеостатической регуляторной системы () моделью, которая иллюстрирует отрицательную обратную связь и демонстрирует минимизацию сигнала ошибки.Мы сделали это, потому что наша модель предназначена, чтобы помочь преподавателям преподавать, а студенты усвоить основную концепцию гомеостаза во вводной физиологии (12, 13). В системах обратной связи есть дополнительные сложные функции, которые здесь не рассматриваются, потому что наша цель — сначала помочь студентам понять основную концепцию гомеостатической регуляции. Поскольку возникают ситуации, когда эта базовая модель больше не подходит для прогнозирования поведения системы (7, 23), в модель могут быть добавлены дополнительные элементы, такие как механизмы прямой связи.

Что такое уставка?

Понимание концепции уставки является центральным для понимания функции гомеостатического механизма. Уставка в инженерной системе управления легко определяется и понимается; это значение регулируемой переменной, которое разработчик или оператор системы хочет получить в качестве выходных данных системы. Механизм круиз-контроля в автомобиле — это пример системы с легко понятной уставкой. Водитель определяет желаемую скорость автомобиля (заданное значение).В регулирующем механизме используются доступные исполнительные механизмы (исполнительные механизмы дроссельной заслонки) и система отрицательной обратной связи для поддержания постоянной скорости при изменении условий местности и ветра. В такой системе мы можем представить себе электронную схему, расположенную в модуле управления двигателем, которая сравнивает фактическую путевую скорость с заданной скоростью, запрограммированной водителем, и использует сигнал ошибки для надлежащего управления приводом дроссельной заслонки.

В физиологических системах уставка концептуально аналогична.Однако одна из причин трудностей заключается в том, что в большинстве случаев мы не знаем молекулярных или клеточных механизмов, которые генерируют сигнал определенной величины. Ясно то, что определенные физиологические системы ведут себя так, как будто есть сигнал уставки, который используется для регулирования физиологической переменной (23).

Еще одна проблема для нашего понимания уставок возникает из-за того факта, что уставки явно изменяемы либо физиологически, либо в результате патологического изменения в системе (23).Механизмы, вызывающие изменения уставки, могут работать временно, постоянно или циклически. Физиологически это может происходить в результате дискретных физиологических явлений (например, лихорадки), работы иерархических гомеостатов (например, регуляции ECF Pco ₂ ) (см. Ссылку 7) или под влиянием биологических часов (например, , суточные или суточные ритмы температуры тела). Наблюдение за тем, что заданные значения могут быть изменены, усложняет наше понимание гомеостатической регуляции и может привести к путанице в отношении того, является ли измеренное изменение регулируемой переменной результатом изменения физиологического стимула или изменения заданного значения (23).В этих случаях важно проводить такие различия между изменением стимула и модуляцией заданного значения, чтобы получить точную картину того, как работает конкретная гомеостатически регулируемая система.

Работают ли гомеостатические механизмы как переключатель включения / выключения?

Управляющие сигналы присутствуют ВСЕГДА, и они постоянно определяют выход исполнительных механизмов. Изменения в управляющих сигналах изменяют выходы исполнительных механизмов и, следовательно, изменяют регулируемую переменную.Амплитуда этих управляющих сигналов изменяется при наличии сигнала ошибки (т. Е. Когда регулируемая переменная не совпадает с заданным значением). Таким образом, гомеостатическое регулирование — это постоянный, непрерывный процесс, который обычно не работает как переключатель включения / выключения, который приводит к ответу «все или ничего».

В чем разница между эффекторной и физиологической реакцией?

Схемы и повествования в учебниках могут стирать различие между эффектором и реакцией, генерируемой эффектором, что затрудняет построение студентами правильной ментальной модели.Эта проблема может возникнуть, если при визуальном представлении гомеостатического механизма (см.) Физиологический ответ помещен в тот же блок «концепции», что и эффектор. Например, «повышенная секреция потовых желез» и «расширение кровеносных сосудов кожи» могут быть определены как эффекторы в системе контроля терморегуляции. Однако только «потовые железы» и «кровеносные сосуды» являются эффекторами, тогда как «повышенная секреция» и «расширение сосудов» являются ответами эффекторов.Всестороннее понимание гомеостатических механизмов требует, чтобы мы и студенты четко различали эффекторы и реакции. Термин «эффектор» следует применять только к физическому объекту, такому как клетка, ткань или орган, тогда как такие реакции, как секреция и расширение сосудов, являются действиями, а не физическими объектами.

Студенты также могут быть сбиты с толку, если только изменение регулируемой переменной рассматривается как реакция эффектора. Изменение регулируемой переменной обычно является следствием изменений функции, вызванных эффекторами, которые определяют значение регулируемой переменной.При применении термина «реакция» только к изменению регулируемой переменной промежуточные этапы между действием эффектора и изменением регулируемой переменной не подтверждаются явно. В этих обстоятельствах для студентов было бы разумно заключить, что промежуточные шаги в некотором роде являются аспектами эффекторов, а не следствием действий эффекторов. Эта практика также может отражать непонимание разницы между регулируемой переменной, например.ж., температура тела и все нерегулируемые переменные, которые изменяются (например, диаметр артериолы и скорость потоотделения) на этапах между действием эффектора и изменением регулируемой переменной.

Что означает «относительно постоянный во времени»?

В предыдущих разделах мы подчеркнули, что гомеостатические механизмы работают, чтобы поддерживать регулируемую переменную во внутренней среде «относительно постоянной». Это обычная фраза, используемая для описания того, что обычно происходит со значением регулируемой переменной с течением времени.Потенциальная неприятная проблема возникает из-за использования этой фразы. Сколько изменений может произойти с регулируемой переменной, которая остается относительно постоянной? Необходимо уточнить три момента. Говоря относительно постоянным, мы имеем в виду, что:

• 1 . Регулируемые переменные удерживаются в более узком диапазоне значений, чем если бы они не регулировались.

• 2 . Регулируемое значение поддерживается в диапазоне, который соответствует жизнеспособности организма.

• 3 . Существуют различия в диапазоне значений, разрешенных для различных регулируемых переменных.

Второй момент является ключом к пониманию диапазона, в котором могут изменяться регулируемые переменные; гомеостатические механизмы действуют, чтобы предотвратить потенциально летальные изменения во внутренней среде. В самом деле, как это часто используется, «относительно постоянный» по существу служит суррогатным выражением в пределах диапазона, совместимого с жизнеспособностью организма.Для некоторых регулируемых переменных диапазон довольно узкий (например, внеклеточная концентрация H ⁺ или внеклеточная осмолярность). Для других переменных диапазон может быть широким при некоторых обстоятельствах (например, концентрация глюкозы в крови во время состояния питания) и узким в других ситуациях (например, уровень глюкозы в крови во время состояния натощак). Факторы, которые способствуют нормальному диапазону или, в нашей модели, уставке конкретной переменной, несомненно, сложны и, в большинстве случаев, не выяснены.

Какие физиологические параметры регулируются гомеостатически?

Для определения конкретных переменных, которые могут регулироваться гомеостатически, должны присутствовать пять критических компонентов, проиллюстрированных в модели, показанной на. То есть должна существовать система регулирования для этой переменной, содержащая пять критических компонентов, описанных в. На основе этого теста мы составили частичный список физиологических переменных, которые регулируются гомеостатически (). Список широко признанных и четко установленных регулируемых переменных у человека включает ряд неорганических ионов (например,g., H ⁺ , Ca ²⁺ , K ⁺ и Na ⁺ ), переносимые с кровью питательные вещества (например, глюкоза), артериальное давление, объем крови, осмолярность крови и внутренняя температура тела.

Таблица 1.

Гомеостатически регулируемые переменные, обычно встречающиеся в учебниках по физиологии для студентов

Эффекторный ответ Поджелудочная железа и скелетные мышцы Почки Кровь осмоляльность

Регулируемая переменная	Нормальный диапазон или значение	Датчик (расположение, если известно)	Центр управления (расположение)	Эффекторы
Артериальное Po 2	75–100 мм рт.	Артериальный Pco 2	34–45 мм рт. + концентрация	3.5–5,0 мэкв / л	Хемосенсоры (кора надпочечников)	Кора надпочечников	Почки	Изменение реабсорбции / секреции K +
Ca 2+ концентрация 4,3 л	мэкв. ионизированный)	Хемосенсоры (паращитовидная железа)	Паращитовидная железа	Кость, почки и кишечник	Изменяют реабсорбцию Са 2+ , изменяют резорбцию / строение кости и изменяют всасывание Са 2+
H + концентрация (pH)	35–45 нМ (pH 7.35–7.45)	Хемосенсоры (каротидные тела, тело аорты и дно четвертого желудочка)	Ствол головного мозга	Диафрагма и дыхательные мышцы	Измените частоту дыхания и дыхательный объем и измените секрецию / реабсорбцию H + / бикарбонат-ионы
		Хемосенсоры (почки)	Почки	Почки
Концентрация глюкозы в крови	70–110 мг / дл	Состояние кормления: хемосенсоры (поджелудочная железа)	Изменение хранения / метаболизма / высвобождения глюкозы и родственных ей соединений
		Состояние натощак: химиосенсоры (гипоталамус, поджелудочная железа)		Гипоталамус
Основная температура тела	98.6 ° F. / потери
		Среднее артериальное давление	93 мм рт.
Объем крови (эффективный циркулирующий объем)	5 литров	Механодатчики	Медулла	Сердце	Изменение частоты сердечных сокращений, периферического сопротивления и инотропного состояния сердца
		(кровеносные сосуды)	Гипоталамус	Кровеносные сосуды	Alter Na + и вода r абсорбция
		(Сердце: предсердие и желудочек)	Предсердия	Почки	Изменение водопоглощения
		(Почки: юкстагломерулярный аппарат и почечные афферентные артериолы)		Почки	280–296 мосМ / кг	Осмосенсоры (гипоталамус)	Гипоталамус	Почки	Изменение реабсорбции воды

Потенциальная «липкая точка», даже если в учебниках не указано, что есть потенциальная «липкая точка». есть все необходимые компоненты.Утверждение о том, что некоторые метаболические отходы (например, азотсодержащие отходы, билирубин и креатинин) регулируются гомеостатически, иллюстрирует такую ​​неудачу. Мы не предполагаем, что уровни этих веществ не поддерживаются относительно постоянными за счет устойчивых процессов в организме. Скорее, концентрации этих веществ не поддерживаются системой, которая соответствует определению гомеостатического механизма, перечисленному выше. Организм не обладает физиологическим датчиком для обнаружения этих веществ в ECF и, следовательно, не может гомеостатически регулировать концентрацию этих веществ в ECF.

И наоборот, некоторые механизмы контроля уровня физиологической переменной включают один компонент модели (например, отрицательную обратную связь) и могут создавать видимость гомеостатической регуляции, но, в конечном итоге, не соответствуют всем критериям и не должны считается гомеостатическим. Например, диаграммы из учебников, иллюстрирующие контроль уровня кортизола в крови, показывают несколько петель отрицательной обратной связи. Это может заставить студентов думать, что кортизол — это регулируемая переменная. Однако воспринимаемая (ые) переменная (ые) в этой системе (ые) являются (являются) переменными (например,g., глюкоза в крови или «стресс»), значения которых обрабатываются высшими мозговыми центрами или гипоталамусом и приводят к высвобождению кортикотропин-рилизинг-гормона. Результатом отрицательной обратной связи с участием адренокортикотропного гормона и кортизола является модуляция скорости высвобождения соответствующих гормонов. Следовательно, кортикотропин-рилизинг-гормон, адренокортикотропный гормон и кортизол не следует рассматривать как гомеостатически регулируемые переменные. Они являются сигнальными элементами, контролирующими эффекторы, определяющие значение регулируемой (ых) переменной (ов).

Другой возможный источник путаницы при идентификации регулируемых переменных возникает, когда физиологическая переменная регулируется при одном наборе обстоятельств, но ведет себя как регулируемая переменная при других обстоятельствах. Это может произойти, если регулируемая переменная находится под контролем двух разных гомеостатических систем или если регулируемая переменная может быть «координирована» другой гомеостатической системой. Это часто случается, если физиологическая переменная играет роль более чем в одной функции организма.

Именно здесь может оказаться полезной концепция вложенного гомеостаза или иерархий гомеостатов. Карпентер (7) указал, что существуют обстоятельства, при которых поддержание одной регулируемой переменной на ее заданном значении более важно для непрерывной жизнеспособности организма, чем одновременное регулирование другой переменной.

Одним из примеров этого является значение Pco ₂ в ECF. Как переменная во внутренней среде, которая влияет на жизнеспособность клеток, Pco ₂ отвечает всем критериям гомеостатически регулируемой переменной.Pco ₂ в ECF зависит от действия дыхательных мышц, которые изменяют частоту и глубину вентиляции. Таким образом, Pco ₂ в ECF поддерживается в определенных пределах регулирующей системой, которая определяет Pco ₂ и действует посредством отрицательной обратной связи. Однако, как знает любой студент, изучающий кислотно-щелочную физиологию, Pco ₂ в ECF не поддерживается относительно постоянным во время компенсирующих корректировок кислотно-щелочного баланса тела. С точки зрения гомеостаза H ⁺ , Pco ₂ функционирует как контролируемая переменная.

Здесь некоторые из наших студентов могут спросить: «Что это? Pco ₂ — регулируемая переменная или это регулируемая переменная? » Наш ответ состоит в том, что Pco ₂ — это «оба», и мы можем объяснить это, используя идею вложенных гомеостатических механизмов. Существуют обстоятельства, при которых более важно поддерживать концентрацию H ⁺ в артериальной крови (pH) в нормальном диапазоне, чем поддерживать постоянное значение Pco ₂ , возможно, из-за особого влияния концентрации H ⁺ на выживаемость клеток.Следовательно, эффективное регулирование концентрации H ⁺ в ECF может быть достигнуто только путем разрешения Pco ₂ резко отклоняться от его нормального диапазона во время кислотно-щелочных нарушений. Введя концепцию вложенных гомеостатических механизмов, мы уточнили, как мы рассматриваем Pco ₂ как гомеостатически регулируемую переменную, и предложили другой способ разрешения других, «липких» ситуаций, когда подлинность гомеостатически регулируемой переменной может быть названа под вопросом.

Лучшие практики в обучении гомеостазу

Учитывая центральное значение концепции гомеостаза (15, 16), можно было бы ожидать, что как учебные ресурсы, так и преподаватели предоставят согласованную модель концепции и применит эту модель к соответствующим системам, в которых переменные воспринимаются и поддерживаются относительно постоянными.

Однако проверка учебников для бакалавриата показала, что это не так (17). Обнаруженные проблемы включают, помимо прочего, противоречивый язык, используемый для описания явления, а также неполные или неадекватные графические представления модели.Кроме того, тексты часто определяют гомеостаз на ранних этапах повествования, но не подкрепляют применение модели при обсуждении конкретных регуляторных механизмов (17).

Кроме того, наша работа, направленная на разработку инвентарного списка понятий для гомеостатической регуляции (12, 13), выявила значительную путаницу среди преподавателей в отношении этой концепции. Мы думаем, что эта путаница может частично происходить из-за уровня неуверенности преподавателей в концепции и степени сложности механизмов гомеостатической регуляции.Наше обсуждение проблемных моментов, связанных с гомеостазом, является попыткой предположить потенциальные источники этой путаницы и указать способы, которыми инструкторы могут справиться с этими трудностями.

Как нам улучшить эту ситуацию? Мы предлагаем пять стратегий, которые помогут подойти к проблеме.

1 . Члены факультета должны принять стандартный набор терминов, связанных с моделью. Внутри учебников и среди них существует несоответствие в названиях важнейших компонентов модели.Мы предлагаем использовать приведенную терминологию при обсуждении механизмов регуляции гомеостаза.

Таблица 2.

Определения терминов для бумаги гомеостаза

Срок
Центр управления (или интегратор)	Центр управления состоит из детектора ошибок и контроллера. Он принимает сигналы (информацию) от датчиков, сравнивает информацию (значение регулируемой переменной) с заданным значением, объединяет информацию со всех датчиков и отправляет выходные сигналы (отправляет инструкции или команды) для увеличения или уменьшения активности эффекторов.Центр управления определяет и инициирует соответствующий физиологический ответ на любое изменение или нарушение внутренней среды
Контроллер	Компонент центра управления, который принимает сигналы (информацию) от детектора ошибок и отправляет выходные сигналы (инструкции или команды). ) для увеличения или уменьшения активности эффекторов. Контроллер инициирует соответствующий физиологический ответ на сигнал ошибки, возникающий в результате изменения или нарушения регулируемой (воспринимаемой) переменной.
Эффектор	Компонент, активность или действие которого способствует определению значения любой переменной системы. В этой модели эффекторы определяют значение регулируемой (воспринимаемой) переменной.
Детектор ошибок	Компонент в центре управления, который определяет (вычисляет) разницу между заданным значением и фактическим значением регулируемой (считываемой) переменной. Детектор ошибок генерирует сигнал ошибки, который используется для определения выходного сигнала центра управления.
Сигнал ошибки	Сигнал, который представляет разницу между заданным значением и фактическим значением регулируемой переменной. Сигнал ошибки — это один из входных сигналов для контроллера.
Внешняя среда	Мир вне тела и его «состояние». Состояние или условия внешнего мира могут определять состояние многих внутренних свойств организма.
Интегратор	Это еще один термин для центра управления.Интегратор обрабатывает информацию от датчика и тех компонентов, которые определяют уставку, определяет любой присутствующий сигнал ошибки и отправляет выходные сигналы (инструкции или команды) для увеличения или уменьшения активности эффекторов.
Внутренняя среда	Внутренняя среда — это отделение внеклеточной жидкости. Это среда, в которой живут клетки организма. Это то, что Бернар имел в виду под «внутренней средой».
Гомеостаз	Поддержание организмом относительно стабильной внутренней среды перед лицом изменяющейся внешней среды и изменяющейся внутренней активности с использованием механизмов отрицательной обратной связи для минимизации сигнала ошибки.
Отрицательная обратная связь	Механизм управления, в котором действие эффектора (ответ) препятствует изменению регулируемой переменной и возвращает ее обратно к значению уставки.
Нерегулируемая переменная (управляемая переменная)	Переменная, значение которой изменяется в ответ на эффекторную активность, но значение которой не воспринимается системой напрямую. Контролируемые переменные способствуют определению регулируемой переменной. Например, частота сердечных сокращений и ударный объем (контролируемые переменные) способствуют определению сердечного выброса (еще одна контролируемая переменная), который влияет на артериальное кровяное давление (регулируемая переменная).
Возмущение (возмущение)	Любое изменение во внутренней или внешней среде, которое вызывает изменение гомеостатически регулируемой переменной. Изменения заданного значения, вызванные физиологическими факторами, не считаются возмущением.
Регулируемая переменная (воспринимаемая переменная)	Любая переменная, для которой датчики присутствуют в системе и значение которой поддерживается в определенных пределах системой отрицательной обратной связи перед лицом возмущений в системе.Регулируемая переменная — это любое свойство или состояние внеклеточной жидкости, которое поддерживается относительно постоянным во внутренней среде для обеспечения жизнеспособности (выживания) организма.
Ответ	Изменение функции или действия эффектора.
Датчик (рецептор)	«Устройство», которое измеряет величину некоторой переменной, генерируя выходной сигнал (нервный или гормональный), пропорциональный величине стимула.Датчик — это измерительный «прибор». Для некоторых регулируемых переменных сенсорами являются специализированные сенсорные клетки или «сенсорные рецепторы», например терморецепторы, барорецепторы или осморецепторы. Для других регулируемых переменных сенсоры представляют собой клеточные компоненты, например, рецептор, воспринимающий Ca 2+ (рецептор, связанный с G-белком, который воспринимает Ca 2+ в крови в паращитовидной железе).
Уставка	Диапазон значений (диапазон величин) регулируемой переменной, которую система пытается поддерживать.Уставка относится к «желаемому значению». Уставка обычно не является единичным значением; это диапазон значений.

2 . Стандартное стандартное графическое изображение модели должно быть принято при первоначальном объяснении гомеостаза, и оно должно использоваться для обсуждения конкретной рассматриваемой системы. показывает такую ​​диаграмму.

Можно утверждать, что эта диаграмма может быть трудной для понимания студентами бакалавриата.Это может быть основанием для представления значительно упрощенных диаграмм, которые встречаются в большинстве текстов для студентов бакалавриата (17). Однако, поскольку эти простые диаграммы не включают в явном виде все компоненты гомеостатической регуляторной системы (например, заданное значение), они могут быть источником заблуждений, обсуждаемых как проблемные точки. В результате студенты могут не осознавать, что важной особенностью гомеостатических регуляторных систем является минимизация сигнала ошибки. Упрощенное представление модели, которая включает критические компоненты системы регулирования, показано на.В зависимости от содержания курса и уровня учащегося, эта модель может быть расширена для добавления дополнительных уровней сложности по мере необходимости.

Упрощенное представление гомеостатической регуляторной системы. В этом представлении объединены несколько компонентов, показанных на. Читателю следует обратиться к, чтобы найти соответствие между компонентами физиологически значимых гомеостатических регуляторных систем и этим упрощенным представлением. Например, хемосенсоры в теле сонной артерии и тела аорты являются «датчиками», ствол мозга является «центром управления», а диафрагма и другие дыхательные мышцы являются «эффекторами» в гомеостатической системе регуляции артериального Po ₂ .

3 . Преподаватели должны вводить концепцию гомеостатической регуляции на ранних этапах курса и продолжать применять и, следовательно, укреплять модель при обнаружении каждой новой гомеостатической системы. Важно продолжать использовать стандартную терминологию и визуальное представление, как рекомендовано в первом и втором пунктах выше. Учащиеся не склонны ни спонтанно, ни с готовностью обобщать использование основных понятий. Таким образом, инструктор должен создать среду обучения, в которой будет поощряться такое поведение при передаче.Члены факультета могут способствовать этому, предоставляя студентам множество возможностей проверить и уточнить свое понимание основной концепции гомеостатической регуляции.

Один из способов усилить широкое применение модели гомеостаза и помочь студентам продемонстрировать, что они понимают любой конкретный гомеостатический механизм, — это попросить их задать (и ответить) ряд вопросов о каждой из гомеостатически регулируемых систем, с которыми они сталкиваются (см.). Тем самым они демонстрируют, что могут определить основные компоненты ментальной модели, необходимой для определения гомеостатической системы.Попытка полностью и точно ответить на эти вопросы поможет учащимся выявить пробелы в своем понимании и выявить неточности в информации о ресурсах, которые они используют.

Таблица 3.

Вопросы, которые студенты должны задать о любой гомеостатически регулируемой системе

Что такое гомеостатически регулируемая переменная? Это свойство или состояние внеклеточной жидкости?

Что и где датчик?

Что и где находится центр управления?

Что и где находится эффектор (ы)? Как они изменяют свою деятельность, чтобы вызвать реакцию?

Приводит ли реакция к изменению регулируемой переменной / стимула в соответствии с уменьшением сигнала ошибки (отрицательная обратная связь)?

4 .Преподаватели должны проявлять осторожность при выборе и объяснении физиологических примеров или аналогичных моделей, которые они выбрали для представления и иллюстрации гомеостаза в классе. В частности, преподаватели должны убедиться, что репрезентативные примеры, которые они используют, не вносят дополнительных заблуждений в мышление учащихся. Это особенно верно, когда терморегуляцию можно рассматривать как пример гомеостатической регуляции.

Неофициальный обзор учебников физиологии показал, что терморегуляция почти повсеместно используется в качестве примера гомеостатического механизма.Наиболее вероятные причины этого выбора заключаются в том, что 1 ) существует повседневный, казалось бы, простой для понимания процесс, связанный с регулированием температуры воздуха в помещении или здании (например, работа печи и кондиционера) и 2 ) физиологические реакции организма обычно и очевидно наблюдаются и / или переживаются учащимся (потоотделение, дрожь и изменения цвета кожи). Однако, основываясь на нашем описании типичной системы регуляции гомеостаза, есть веские причины рекомендовать соблюдать осторожность, если терморегуляция используется в качестве начального и репрезентативного примера гомеостаза.

Самое главное, что типичная домашняя система отопления и охлаждения работает совершенно иначе, чем механизмы терморегуляции человека. Исполнительные органы в большинстве домов, печь и кондиционер, работают в режиме полного включения / выключения. Например, когда температура на термостате падает ниже установленного значения (заданная температура), печь включается и остается включенной на максимальной мощности до тех пор, пока температура не вернется к заданному значению.Однако это не так, как функционирует система терморегуляции человека или как работают другие гомеостатические механизмы. Одним из возможных последствий использования этой модельной системы для иллюстрации гомеостатической системы является создание распространенного среди студентов заблуждения о том, что гомеостатические механизмы работают по принципу включения / выключения (12, 24), и это проблема, о которой мы говорили выше. Преподаватели должны помочь студентам преодолеть эту проблемную область, если они решили использовать терморегуляцию в качестве репрезентативного примера гомеостаза.

Какие альтернативы можно порекомендовать? Мы предлагаем автомобильный круиз-контроль как полезный небиологический аналог гомеостаза. Использование круиз-контроля — не редкость для студентов, и, как мы описали ранее, работу круиз-контроля теоретически легко понять. А как насчет физиологического примера для представления гомеостаза? Обзор предполагает, что инсулино-опосредованная система регуляции уровня глюкозы в крови во время сытости может многое порекомендовать.Студенты, как правило, знакомы с особенностями системы либо из предыдущих курсовых работ, либо из личного опыта. Другие системы, вероятно, будут менее доступны для начинающих студентов физиологии.

Тем не менее, преподаватели должны знать, что регуляция уровня глюкозы в крови не лишена недостатков как репрезентативный пример регуляции гомеостаза. Непросто идентифицировать или объяснить работу датчика глюкозы, уставки и контроллера, участвующих в гомеостазе глюкозы.Кроме того, вероятно, не существует широко понятного аналога регуляции глюкозы, который можно было бы легко извлечь из повседневной жизни. Ни круиз-контроль, ни навигационные системы на самолетах, ни автофокусы на камерах, ни другие распространенные, ни повседневные примеры сервомеханизмов полностью не соответствуют работе системы обратной связи, участвующей в регулировании уровня глюкозы в крови во время сытого состояния. Это указывает на компромиссы, которые должны быть сделаны, когда какой-либо конкретный пример или модель применяется для представления гомеостатического регулирования.Признавая это, использование системы физиологического контроля, такой как регулирование уровня глюкозы во время сытости, когда эффекторы работают непрерывно, кажется предпочтительным по сравнению с терморегуляцией в качестве репрезентативного примера для обучения концепции гомеостатической регуляции.

5 . Обсуждая физиологию организма, ограничьте использование термина «гомеостатическая регуляция» механизмами, связанными с поддержанием согласованности внутренней среды (т.е. ECF).

Принятие этих пяти стратегий предоставит студентам последовательную основу для построения их собственных ментальных моделей конкретных гомеостатических механизмов и поможет им распознать функциональное сходство между различными гомеостатическими регуляторными системами на уровне организма.Из-за широкого применения в различных системах биологии организма гомеостаз является одной из важнейших объединяющих идей в физиологии (15, 16). Чтобы сформировать прочное и устойчивое понимание этой концепции, учащимся нужны соответствующие инструменты. Предоставляя им точную и последовательную терминологию и поощряя их использовать стандартизированное графическое представление гомеостатической модели, мы даем им возможность построить надлежащую основу для понимания гомеостатических систем. Информируя студентов о потенциальных источниках путаницы вокруг концепции гомеостаза, т.е., в трудных точках, мы помогаем предотвратить их неправильное или неправильное мышление. Поступая таким образом, мы создаем основу для наших учеников, чтобы развить точное понимание широкого спектра физиологических явлений и прийти к целостному ощущению «мудрости тела».

Физиология, гомеостаз Артикул

Введение

Гомеостаз — это термин, который впервые был введен физиологом Уолтером Кэнноном в 1926 году, чтобы прояснить «внутреннюю среду», о которой физиолог Клод Бернар говорил в 1865 году.[1] «Homeo», латинизированное от греческого слова «homio», означает «подобный», а в сочетании с греческим словом «stasis», означающим «стоять на месте», дает нам термин, который является краеугольным камнем физиологии. Карл Рихтер предположил, что поведенческие реакции также ответственны за поддержание гомеостаза в дополнение к ранее предложенной системе внутреннего контроля, в то время как Джеймс Харди дал нам концепцию уставки или желаемого физиологического диапазона значений, достигаемого гомеостазом [2].

Многие функции организма, начиная с клеточного уровня, действуют так, чтобы не отклоняться от узкого диапазона внутреннего баланса, состояния, известного как динамическое равновесие, несмотря на изменения во внешней среде.Эти изменения во внешней среде изменяют состав внеклеточной жидкости, окружающей отдельные клетки тела, но необходимо поддерживать узкий диапазон, чтобы предотвратить гибель клеток, тканей и органов.

Сотовая связь

На клеточном уровне гомеостаз наблюдается в протекающих биохимических реакциях. Регулирование pH, температуры, концентрации кислорода, ионов и концентрации глюкозы в крови необходимо для оптимального функционирования ферментов в среде клетки, а образование продуктов жизнедеятельности необходимо контролировать, чтобы не нарушать внутреннюю среду клеток. также.Клетка будет оставаться живой до тех пор, пока внутренняя среда благоприятна и может быть функционирующей частью ткани, к которой она принадлежит. [3]

Клетки реагируют на изменения объема, активируя метаболический транспорт молекул, необходимый для возврата к нормальному объему. [4] В обоих случаях, при гиперосмолярных или гипоосмолярных внешних клеточных состояниях, перенос молекул должен приводить к регулированию объема, чтобы не нарушать максимальную функцию содержимого клетки. Все ткани тела составляют органы, состоящие из систем органов, которые не работают независимо и должны работать вместе для достижения гомеостаза.Каждая клетка извлекает выгоду из гомеостатического контроля, а также способствует его поддержанию, обеспечивая непрерывную автоматизацию организма.

Развитие

Гомеостаз был бы невозможен без заданных значений, обратной связи и регулирования. Человеческое тело состоит из тысяч систем управления, которые обнаруживают изменения, вызванные разрушителями, и задействуют эффекторы, чтобы опосредовать это изменение. Уставка имеет неоценимое значение при разработке системы гомеостатического контроля и представляет собой значение, на которое система рассчитывает выходной сигнал.[5] Гомеостатическая регуляция включает как местный контроль (паракринные или аутокринные реакции), так и рефлекторный контроль (вовлекающий нервную и эндокринную системы).

Хотя гомеостаз является центральным для понимания внутренней регуляции, аллостаза или поддержания стабильности посредством изменений, он заслуживает упоминания, так как он также необходим для адаптации организмов к окружающей среде. [6] Аллостазис рассматривает обычные ежедневные изменения, существующие во внутренней системе. Таким образом, разница между гомеостазом и аллостазом состоит в том, что, хотя цель гомеостаза состоит в уменьшении изменчивости и поддержании согласованности, аллостаз способствует изменчивости, поскольку внутренняя среда может адаптироваться к различным воздействиям окружающей среды.[7] Хотя эти две концепции могут различаться, важно отметить существование каждой из них и их вклад в физиологию.

Вовлеченные системы органов

Гомеостаз задействован во всех системах органов тела. Точно так же ни одна система органов тела не действует в одиночку; регулирование температуры тела не может происходить без взаимодействия как минимум покровной системы, нервной системы, опорно-двигательного аппарата и сердечно-сосудистой системы.Хемосенсоры в каротидных телах и теле аорты измеряют артериальное PCO2 и PO2, отправляют информацию в ствол мозга (центр управления), чтобы сообщить эффекторам (диафрагме и дыхательным мышцам), чтобы они изменили частоту дыхания и дыхательный объем, чтобы они вернулись к равновесию. Изменение реабсорбции и секреции неорганических ионов является результатом работы хемосенсоров в коре надпочечников (для определения концентрации калия), паращитовидных желез (для определения концентрации кальция), а также в почках, каротидных и аортальных телах (для определения концентрации натрия), которые помогают вернуть эти регулируемые параметры. к нормальному диапазону.

Функция

Короче говоря, цель гомеостаза — поддерживать установленную внутреннюю среду без преодоления внешних стимулов, которые существуют для нарушения баланса.

Механизм

Предлагаемый механизм гомеостаза представлен регулирующей системой, в которой пять критических компонентов должны работать вместе в рефлекторной петле: датчик, уставка, детектор ошибок, контроллер и эффектор.[5] Регулируемая (воспринимаемая) переменная имеет в системе датчик для измерения изменения ее значения, примером чего является концентрация глюкозы в крови. С другой стороны, контролируемая (нерегулируемая) переменная, значение которой изменяется для поддержания регулируемой переменной в узком диапазоне, примером чего может быть роль глюконеогенеза, гликолиза и гликогенолиза в концентрации глюкозы в крови. [2]

Роль контроллера состоит в том, чтобы интерпретировать сигнал ошибки и определять выходы эффекторов, чтобы гомеостаз снова стал достижимым.Таким образом, в организме контроллерами обычно являются эндокринные клетки и сенсорные нейроны вегетативной нервной системы, мозгового вещества и гипоталамуса. Эффекторы производят реакцию, которая возвращает переменную в нормальный диапазон. Рецепторы отслеживают изменение окружающей среды, стимул, который передается в центр интеграции (например, в мозг в случае центральной нервной системы или железу в эндокринной системе). Если установлено, что стимул отличается от заданного значения, он генерирует ответ и отправляется в эффекторный орган.Система, в которой используются эти компоненты, известна как система отрицательной обратной связи, хотя обратное неверно: отрицательная обратная связь не означает, что система является гомеостатической по функциям [5].

Отрицательная обратная связь относится к реакции, противоположной стрессу: компенсирующее действие увеличит значения, если они станут слишком низкими, или уменьшатся, если они станут слишком высокими. Существуют упреждающие (упреждающие) средства управления, чтобы минимизировать нарушение прогнозируемого изменения в окружающей среде при ожидании изменения.[8] В этом типе обратной связи средства управления активируются не при возникновении возмущения в системе, а, скорее, до того, как оно произойдет, чтобы подготовиться к эффектам, которые может иметь возмущение. Наконец, хотя и не так часто, как петли отрицательной обратной связи, в некоторых случаях также необходима положительная обратная связь, в которой стимул усиливается, а не уменьшается. Один из наиболее известных примеров положительной обратной связи происходит во время родов, когда высвобождение окситоцина стимулирует сокращения матки, заставляя голову ребенка прижиматься к шейке матки, что стимулирует высвобождение большего количества окситоцина, которое циклически повторяется до завершения родов.

Сопутствующие испытания

Основные показатели жизнедеятельности пациента (артериальное давление, внутренняя температура тела, частота сердечных сокращений, частота дыхания и сатурация кислорода) являются первым измерением, указывающим на наличие гомеостатического дисбаланса. Базовая метаболическая панель — это быстрый анализ крови, позволяющий выявить нарушения электролитного баланса, если таковые имеются, для постановки диагноза и лечения. Измерение неорганических ионов, функции почек (соотношение АМК / креатинин) и глюкозы позволяет нам исправить эти отклонения, а также их первопричину.

Патофизиология

Гомеостаз лежит в основе многих, если не всех, болезненных процессов. Такие заболевания, как диабет, гипертония и атеросклероз, включают как нарушение гомеостаза, так и наличие воспаления. [2] Потеря чувствительности рецепторов с возрастом увеличивает риск заболевания, поскольку допускается существование нестабильной внутренней среды. [9] Пожилые люди более восприимчивы к нарушению регуляции температуры и имеют нарушенные механизмы жажды, что способствует повышенному риску обезвоживания, наблюдаемому в этой популяции.Кислотно-щелочной дисбаланс лежит в основе кислотно-основных нарушений и электролитных нарушений, которые возникают из-за множества заболеваний или побочных эффектов лекарств. Кроме того, водный баланс с точки зрения поддержания жидкости имеет решающее значение, чтобы не перегружать пациента или не обезвоживать клетки пациента. Перегрузка может нанести вред человеку с сердечно-сосудистыми или респираторными заболеваниями. Таким образом, необходим индивидуальный подход для корректировки жидкостного баланса пациента, особенно у хирургических пациентов.[10]

Уставка должна ограничиваться строгим диапазоном в некоторых функциях тела, но не обязательно статична для других. Например, отклонение значений газов артериальной крови от допустимого диапазона может нанести ущерб живой системе. Однако, когда организм лишен пищи, необходимо приспособить «новую норму» для функционирования с меньшим количеством энергии и более медленным метаболизмом. [9] Без этой адаптации клетки организма были бы лишены необходимых питательных веществ и быстро умирали бы, что не так, поскольку живой организм может выжить при меньшем потреблении, пока сохраняется энергия.Нарушение терморегуляции может привести к переохлаждению, если внутренняя температура тела упадет ниже порога для оптимального функционирования клеток, или к гипертермии, если внутренняя температура тела превышает самый высокий. Лихорадка — еще один пример того, как уставка может увеличиваться, не обязательно убивая человека. [2] Повышение внутренней температуры тела необходимо для борьбы с захватчиком, но в случае гипертермии адаптивная функция температуры не работает, и уставка не может вернуться к норме.

Клиническая значимость

В целом, каждое медицинское состояние может быть прослежено до отказа в какой-то момент в системе гомеостатического контроля, будь то неспособность обнаружить начальное внешнее изменение, неспособность инициировать цикл обратной связи, неспособность принять ответ на возврат. до заданного значения или сбой в самом заданном значении. Цель врача должна состоять в том, чтобы восстановить внутреннюю среду организма, не нанося дальнейшего вреда, и сделать это быстро, чтобы избежать гибели клеток из-за нарушения регуляции и непоправимого отказа систем органов.

---

Ограниченная ценность оценки модели гомеостаза для прогнозирования инсулинорезистентности у пожилых мужчин с нарушенной толерантностью к глюкозе

Реферат

ЦЕЛЬ — Инсулинорезистентность (ИР) у пожилых людей является связаны с факторами риска ишемической болезни сердца. Зажим для глюкозы измеряет IR напрямую, но модель оценки гомеостаза (HOMA) IR, обозначаемый здесь как HOMA-IR, основан на глюкозе и инсулине натощак и является менее инвазивный и трудоемкий.Этот метод требует проверки в пожилой.

ДИЗАЙН И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ — Мы оценили достоверность HOMA-IR как показатель IR при сравнении его со скоростью инфузии глюкозы (GIR) измеряется зажимом для глюкозы (600 пмоль · м ^-2 · min ^-1 ) у 45 мужчин с ожирением (61 ± 8 лет, среднее ± SD) с нормальной толерантностью к глюкозе (NGT) ( n = 21) или нарушенной глюкозой допуск (IGT) ( n = 24). Мы также оценили отношения между состав тела, физическая нагрузка и IR.

РЕЗУЛЬТАТЫ — Субъекты с NGT имели более низкий ИМТ (28 ± 3 против 31 ± 3 кг / м ² ), окружность талии (97 ± 9 против 105 ± 9 см), соотношение талии и бедер (WHR) (0,93 ± 0,06 против 0,97 ± 0,05) и процент жира в организме (25 ± 6 против 30 ± 6), чем у испытуемых с IGT. Субъекты с NGT также имели более низкие области над базальной в течение 2-х часов. пероральный тест толерантности к глюкозе (274 ± 95 против 419 ± 124 ммоль · мин / л) и инсулина (38 142 ± 18 206 против 58 383 ± 34 408 пмоль · мин / л) и более низкие значения HOMA-IR (2.2 ± 0,8 против 4,2 ± 2,6), чем испытуемые с IGT. GIR (мкмоль · кг ^-1 FFM · min ^-1 ) была выше у субъектов с NGT, чем у испытуемые с НТГ (53 ± 11 против 43 ± 14). HOMA-IR коррелировал с GIR у субъектов с NGT ( r = -0,59), но не у субъектов с IGT ( r = -0,13). GIR коррелировал с Vo _2max у субъектов с NGT ( r = 0,58) и IGT ( r = 0,42), но с WHR только в субъекты с NGT ( r = -0,53).HOMA-IR коррелировал с Vo _2max ( r = -0,57) и окружность талии ( r = 0,54) у субъектов с НГТ, но с процентным содержанием жира в организме у субъектов с НТГ. ( r = 0,54).

ВЫВОДЫ — Эти результаты показывают, что HOMA-IR не должен использоваться в качестве индекса IR у пожилых людей, которые могут быть подвержены риску IGT, и предполагают, что изменения образа жизни, которые увеличивают Vo _2max и уменьшают жировые отложения могут снизить ИР у пожилых людей.

Старение связано с ожирением и недостаточной физической активностью, оба из которых повышают риск инсулинорезистентности (ИР), ишемической болезни сердца и диабет 2 типа (1,2,3). Диагноз ИР у пожилых людей имеет клиническое значение, потому что эффективное лечение путем похудания и регулярных упражнений может уменьшить риск осложнений сердечно-сосудистых заболеваний, связанных с ИР-синдромом. Хотя зажим для гиперинсулинемии-эугликемии измеряет ИР напрямую и является «Золотой стандарт» (4) модель гомеостаза оценка (HOMA) требует только концентрации глюкозы и инсулина натощак (5,6).Эта математическая модель основана на теории обратной связи. между печенью и β-клетками, который регулирует уровень глюкозы натощак и концентрации инсулина и могут использоваться для оценки β-клеток поджелудочной железы функция и степень ИР. Следовательно, это может быть полезным неинвазивным инструментом для клиницисты для диагностики ИР у пожилых людей.

HOMA для IR — здесь просто HOMA-IR — коррелирует высоко и значительно с действием инсулина на все тело у недиабетических и диабетики 2 типа (6,7).Тем не менее, похоже, что HOMA-IR не дает адекватного прогнозирования IR во всех случаях. частные лица. Действительно, несколько исследователей сообщают, что HOMA-IR и инсулин действия не имеют высокой или значительной корреляции, особенно у людей с нарушением толерантности к глюкозе (НТГ) (8,9,10). Эти предыдущие исследования специально не изучали взаимосвязь между HOMA-IR и прямые измерения действия инсулина с помощью эугликемического зажима в пожилые люди с IGT. Это особенно важно, потому что 20% люди старше 50 лет имеют IGT, а 10% — диабет 2 типа (11).Это исследование определяет является ли HOMA-IR хорошим предиктором ИР у мужчин среднего и старшего возраста с либо нормальная толерантность к глюкозе (NGT), либо IGT. Кроме того, второстепенное назначение этого исследования заключается в изучении взаимосвязей между индексами IR, body состав и физическая нагрузка.

ДИЗАЙН И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Субъекты

Мы набрали 45 здоровых некурящих европеоидов с малоподвижным ожирением (ИМТ> 25). кг / м ² ) мужчин (47-74 лет) из общины для участие.Письменное информированное согласие было получено от всех лиц. в соответствии с руководящими принципами институциональных наблюдательных советов по человеческим учится в Бэйвью Джона Хопкинса и в Медицинской школе Университета Мэриленда в Балтиморе. Все испытуемые прошли тщательный медицинский осмотр. включая анамнез и физический осмотр, профиль крови натощак и перед включением в исследование дифференцированный тест на беговой дорожке с физической нагрузкой. Все зажимы данные ранее приводились в других публикациях (12,13,14).

Состав тела

ИМТ был рассчитан путем деления веса испытуемого на рост. в квадрате (килограммы, разделенные на квадратные метры). Плотность тела определялась по гидростатическое взвешивание, и был рассчитан процент жира в организме (15) после поправки на остаточный объем легких. Масса без жира (FFM) рассчитывалась как масса тела минус масса жира. Соотношение талии и бедер (WHR), индекс модели региональных Распределение жира в организме было рассчитано путем деления размера талии (минимальная окружность живота) по окружности ягодиц на максимальный ягодичный бугор (измерение бедра).

Измерение Vo

_2max

Тест на беговой дорожке Vo _2max проводился на каждом испытуемом на минимум 2 отдельных дня, как описано ранее (12). Настоящий Vo _2max считалось достигнутым, если выполнялись два из следующих трех критериев: 1 ) коэффициент респираторного обмена при максимальной нагрузке> 1,10, 2 ) максимальная частота сердечных сокращений> 90% от прогнозируемого максимума (220 — возраст), и 3 ) плато в Vo ₂ (изменение <200 мл / мин Vo ₂ ) на последних этапах учений.Обычно истинный Vo _2max был достигнут во втором тесте, но если результаты для две пробы с физической нагрузкой отличались на> 200 мл / мин, дополнительный Vo _2max Тест был проведен для соответствия этим критериям.

Метаболическое тестирование

В течение 3 дней перед каждым метаболическим тестом и во время тестирования испытуемые обеспечен диетой для поддержания веса фазы 1 Американской кардиологической ассоциации (16). Если масса тела варьировалась на > 0,25 кг в периоды испытаний, исследовательские испытания были отложены на 48 ч, и испытуемым были предоставлены дополнительные дни еды до стабилизации веса. было достигнуто.Все метаболические тесты проводились утром через 12 ч. ночное голодание.

Пероральный тест на толерантность к глюкозе

Были взяты образцы крови для измерения уровня глюкозы и инсулина в плазме до и с 30-минутными интервалами в течение 2 ч после приема 40 г глюкоза / м ² площадь поверхности тела (17). Области под кривые реакции глюкозы и инсулина во время 2-часового перорального приема глюкозы тест на толерантность (OGTT) был рассчитан выше базального уровня с использованием трапециевидная модель.

Гиперинсулинемический-эугликемический зажим глюкозы

Действие инсулина на все тело измеряли с помощью одноступенчатого гиперинсулинемический-эугликемический зажим глюкозы (4). Вкратце, внутривенное катетер вводили в антекубитальную вену для инфузии инсулина и глюкозы, и второй катетер был введен в дорсальную вену руки для крови отбор проб. Затем руку поместили в термостатический бокс. контролировали при 70 ° C для артериализации крови и позволяли уравновеситься для За 30 мин до получения исходных образцов глюкозы и инсулина.После начальная доза инсулина, инсулина Хумулина (Eli Lilly, Indianapolis, IN) была вводится с постоянной скоростью 600 пмоль · м ^-2 · мин ^-1 . Уровни глюкозы в плазме измеряли с 5-минутными интервалами с использованием метод глюкозооксидазы (Beckman Instruments, Фуллертон, Калифорния) и поддерживаемый на базальных уровнях с переменной инфузией 20% глюкозы, которая была скорректирована по компьютеризированному алгоритму. Образцы получали через 10 мин. интервалы во время клэмп-теста для последующего измерения уровня инсулина в плазме радиоиммуноанализом (18).

Расчеты

Средние скорости инфузии глюкозы (GIR), нормализованные для FFM (мкмоль · кг ^-1 FFM · мин ^-1 ), рассчитаны на 10 мин. интервалы и усредненные за последние 30 мин зажима. Стационарная плазма Уровни инсулина были усреднены за тот же интервал. HOMA-IR рассчитывался как описано ранее (19): [(инсулин натощак (мкЕд / мл) × глюкоза натощак [ммоль / л]) / 22,5].

Статистический анализ

Данные были проанализированы с использованием стандартных пакетов статистического программного обеспечения (20).Плазменный инсулин концентрации и значения HOMA-IR были преобразованы в логарифмическую форму для получения нормального раздача до анализов. Различия между группами определялись т пробы. Коэффициенты корреляции Пирсона рассчитывались между выбранные переменные и GIR и HOMA-IR. Когда несколько независимых переменных коррелирует с GIR и HOMA-IR, переменные со статистически значимыми корреляции были введены в пошаговый множественный регрессионный анализ, чтобы определить лучшие предикторы GIR и HOMA-IR. P значений <0,05 считались статистически значимыми. Все данные представлены как средние ± SD.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Характеристики субъектов

45 субъектов были сгруппированы в соответствии со статусом толерантности к глюкозе, а именно: определяется OGTT (21). Не было различий в возрасте, массе тела или Vo _2max между 21 мужчина с NGT по сравнению с 24 мужчинами с IGT (Таблица 1). Группа с NGT имела значительно более низкий процент жира в организме, окружность талии, WHR и ИМТ в сравнение с группой с IGT (таблица 1).

Метаболические различия также наблюдались между двумя группами. NGT группа имела значительно более низкие концентрации глюкозы и инсулина натощак и 2-часовые области глюкозы и инсулина OGTT (выше базальных) по сравнению с IGT группа (таблица 2). В течение гиперинсулинемический-эугликемический зажим, группа NGT имела значительно более высокий GIR по сравнению с группой IGT, несмотря на отсутствие разницы в концентрациях инсулина во время 600 пмоль · м ^-2 · мин ^-1 инсулин настой (таблица 2).HOMA-IR была значительно ниже в группе NGT, чем в группе IGT (Таблица 2).

Взаимосвязь индексов IR, предметных характеристик и толерантность к глюкозе

Была значительная взаимосвязь между HOMA-IR и GIR, когда оба группы были объединены ( r = -0,39, P <0,05; Рисунок 1). Однако когда анализ проводился отдельно для каждой группы, HOMA-IR и GIR коррелировали высоко и значительно в группе NGT ( r = -0.59, -п. < 0,01; Рис.1), но не в Группа IGT ( r = -0,13, NS), что свидетельствует о значительном корреляция во всей группе была связана с группой NGT. Один предмет в Группа NGT имела высокий GIR (72,7 мкмоль · кг ^-1 FFM · min ^-1 ) и низкий HOMA-IR (0,64, логарифм -0,19), указывающий на высокий чувствительность к инсулину. На рис. 1, эта тема отображается как выброс с отрицательным значением для преобразование журнала HOMA-IR (-0,19). Когда эта тема будет удалена из анализ, взаимосвязь между HOMA-IR и GIR для всего население ( r = -0.31, P <0,05) и только группа NGT ( r = -0,46, P <0,05) остается значимым.

Рисунок 1

— Связь HOMA-IR с GIR у субъектов с NGT (• и сплошная линия; r = -0,59, P <0,01) и в испытуемые с IGT (▵ и пунктирная линия; r = -0,13).

Связь между GIR и Vo _2max была статистически значимы как в группах NGT, так и в IGT, тогда как корреляция между GIR и WHR были значительными только в группе NGT. (Таблица 3).Не было значимая взаимосвязь между GIR и процентом жира в организме, ИМТ или талией окружность в любой группе. В пошаговой множественной регрессии с обоими группы объединены, только Vo _2max прогнозируемая GIR ( r ² = 0,14, P <0,05).

Обнаружены значимые корреляции между HOMA-IR и окружностью талии. и Vo _2max только в группе NGT (Таблица 3). Отношение между HOMA-IR и процентом жира в организме был значительным в группе IGT и приблизился к статистической значимости в группе NGT (Таблица 3, P = 0.09). Не было значимой связи между HOMA-IR и BMI или WHR ни в одном из них. группа. В пошаговой множественной регрессии с объединением обеих групп HOMA-IR был предсказан только процентным содержанием жира в организме ( r ² = 0,25, P <0,05). Только для группы NGT, оба Vo _2max ( r ² = 0,29, P <0,05) и окружность талии ( r ² = 0,12, P <0,05) прогнозируемый HOMA-IR ( r ² _итого = 0.41, P <0,05).

Связь между областями инсулина 2-часового OGTT и GIR была статистически значимы как для групп NGT, так и для IGT. Связь между 2-х Площадь инсулина OGTT и HOMA-IR были статистически значимыми в группе IGT. только и приблизился к статистической значимости в группе NGT ( P = 0,06). При ступенчатой ​​множественной регрессии 2-часовая инсулиновая зона OGTT была предсказано обоими HOMA-IR ( r ² = 0,32, P < 0.05) и GIR ( r ² = 0,09, P <0,05).

ВЫВОДЫ

Результаты этого исследования показывают, что HOMA-IR является статистически значимый предиктор ИР у мужчин среднего и старшего возраста с NGT, но не у мужчин с IGT. Хотя модель HOMA-IR относительно неинвазивный и удобный способ оценки IR, его использования и достоверности в старых могут быть ограничены, так как распространенность IGT увеличивается с возрастом. В напротив, инсулиновый ответ во время OGTT коррелировал с измеренным IR. во время зажима глюкозы, а также с HOMA-IR у субъектов с любым NGT или IGT.Эти результаты показывают, что HOMA-IR не следует использовать в качестве индекса ИР у пожилых людей с ожирением или у лиц с высоким риском развития НТГ. Скорее, инсулиновый ответ во время OGTT может быть лучшим показателем IR у пожилых субъекты, когда зажимы глюкозы не могут быть выполнены для непосредственной оценки инсулина действие.

Отсутствие связи между HOMA-IR и GIR у лиц с IGT в этом исследовании поддерживает выводы Anderson et al. (8), но отличается от Мацуда и ДеФронзо (7).С в обоих исследованиях участвовали испытуемые, средний возраст которых составлял 40 лет. не применимы к пожилым людям. Отсутствие корреляции у предметов с IGT в нашем исследовании может быть вызван тем, что отношения между HOMA-IR и GIR нелинейный, особенно на верхних границах значений HOMA-IR, которые могут быть чаще встречается у пожилых людей с НТГ. Неточные предположения, которые могут ограничивают способность HOMA-IR точно прогнозировать IR. (22). К ним относятся факт что HOMA-IR основан на концентрациях глюкозы и инсулина натощак, как которые отражают чувствительность к инсулину в базовом состоянии, когда большая часть поглощения глюкозы происходит в инсулиннезависимых тканях.Таким образом, это может не обеспечивать адекватного измерения действия инсулина в чувствительных к инсулину тканях, например, мышцы, в постпрандиальной фазе. Кроме того, состояние поста неточно представляют как печеночные, так и периферические компоненты инсулина действия, что ограничивает его способность оценивать IR. Кроме того, один из предположения HOMA заключаются в том, что концентрации глюкозы и инсулина натощак отражают нормальную секреторную реакцию инсулина после введения глюкозы. Этот может не обязательно быть верным для всех людей, особенно с IGT.Кроме того, HOMA предполагает, что инсулин натощак напрямую связан с ИК всего тела. Поскольку мало исследований изучали действие инсулина при низком уровне инсулина. концентрации, было бы трудно экстраполировать значения на базовые условия по результатам зажима глюкозы, обычно выполняемого в физиологические уровни инсулина. ИР в первую очередь проявляется в постпрандиальном периоде. состояние и, следовательно, не может быть точно представлено в моделях ИР натощак, таких как как HOMA-IR (22). Наши результаты подтвердите, что HOMA-IR не является действительным индексом IR у пожилых людей с IGT и предполагают, что ответы на инсулин во время OGTT могут быть лучшим суррогатом мера.К аналогичному выводу пришли в исследовании Ени-Комшян и соавт. (10), который показал примерно две трети вариабельности действия инсулина объясняется общая площадь инсулина во время OGTT.

Мы обнаружили значительную корреляцию между GIR и Vo _2max в лица с NGT или IGT и между GIR и WHR у лиц с NGT. Эти результаты аналогичны результатам, полученным в наших лабораториях. как и другие исследователи (23,24,25). В настоящем исследовании была выявлена ​​значительная корреляция между HOMA-IR и окружность талии и Vo _2max у лиц с НГТ и между HOMA-IR и процентом жира в организме у людей с IGT.Поскольку эти исследования проводились на мужчинах среднего и старшего возраста, ожирение и WHR могут быть связаны, потому что пожилые мужчины склонны откладывать лишний жир централизованно. Это поддерживает предположение, что низкий уровень Vo _2max и центральное ожирение связаны с ИР у пожилым людям и предлагает, чтобы методы лечения увеличивались Vo _2max и уменьшение жировых отложений может снизить риск развитие ИР у здоровых пожилых мужчин с ожирением. Это мнение поддерживается нашими Недавние данные о том, что интенсивные аэробные упражнения и потеря веса увеличивают действие инсулина, что увеличивает чувствительность к инсулину у мужчин с ожирением и гипертонией с метаболическими нарушениями, связанными с синдромом ИР (14).Кроме того, другие исследования наблюдали улучшение чувствительности к инсулину у пожилых людей после регулярная программа аэробных упражнений (26,27).

Хотя настоящее исследование может быть одним из первых, изучающих взаимосвязь между действием инсулина, измеренным зажимом для глюкозы, и HOMA-IR с измерениями состава тела и переносимости физических упражнений у людей среднего возраста и пожилые люди, в него входили только мужчины европеоидной расы, ни у одного из которых не было типа 2 диабет. Таким образом, полученные данные могут относиться только к пожилым людям с ожирением, не страдающим диабетом. Кавказские мужчины, не пожилые женщины, пожилые люди с диабетом 2 типа или пожилые мужчины из других этнических групп.Кроме того, наши результаты показывают, что Vo _2max и процент жира в организме являются лучшими независимыми предикторами GIR и HOMA-IR. Этот результат предполагает, что изменения в образе жизни, которые увеличивают Vo _2max и уменьшение центрального ожирения могут предотвратить ИР и уменьшить риск диабета 2 типа и осложнений сердечно-сосудистых заболеваний ассоциированный с ИР-синдромом у пожилых мужчин.

Благодарности

Эта работа была поддержана грантом на обучение T3200219, учебный дом престарелых. Гранты P01AG4402, R07AG00608 и R01AG07660 (Национальный институт старения, Национальные институты здравоохранения), Программа рассмотрения заслуг по делам ветеранов грант и Центр общих клинических исследований Джона Хопкинса Бэйвью (M01-RR-02719).

Мы благодарим всех добровольцев, медперсонал Центр клинических исследований Бэйвью и GRECC в Балтиморских ветеранах Медицинский центр по делам за помощь в исследованиях и упражнениях техников для выполнения упражнений и измерений состава тела.

Сноски

• Сокращения: FFM, масса без жира; GIR — скорость инфузии глюкозы; HOMA, оценка модели гомеостаза; IGT, нарушение толерантности к глюкозе; ИР, инсулин сопротивление; NGT, нормальная толерантность к глюкозе; OGTT, пероральный тест на толерантность к глюкозе; WHR, соотношение талии и бедер.

• В таблице в другом месте этого выпуска показаны обычные и Единицы Système International (SI) и коэффициенты пересчета для многих веществ.

• • Принято 12 октября 2000 г.
  • Получено 20 июля 2000 г.
• Американской диабетической ассоциацией, Inc.

Ссылки

1. ↵

   Андрес Р: Старение и диабет. Мед Клин Норт Am 55: 835-846,1971

2. ↵

   ДеФронцо Р.А.: Непереносимость глюкозы и старение: данные о тканях. нечувствительность к инсулину.Диабет28 : 1095-1101,1979

3. ↵

   Ривен GM: Патофизиология инсулинорезистентности при болезнях человека. Physiol Rev 75: 473 -486, 1995

4. ↵

   DeFronzo RA, Tobin JD, Andres R: Техника зажима глюкозы: a метод количественной оценки чувствительности бета-клеток к глюкозе и тканям нечувствительность к инсулину. Am J Physiol237 : E214-E223,1979

5. ↵

   Turner RC, Holman RR, Matthews D, Hockaday TDR, Peto J: инсулин дефицит и взаимодействие инсулинорезистентности при диабете: оценка их относительный вклад анализа обратной связи от базального инсулина плазмы и концентрации глюкозы.Обмен веществ 28 : 1086-1096,1979

6. ↵

   Matthews DR, Hosker JP, Rudenski AS, Naylor BA, Treacher DF, Turner RC: Оценка модели гомеостаза: инсулинорезистентность и функция B-клеток из концентрации глюкозы в плазме крови и инсулина натощак у человека. Диабетология 28: 412 -419, 1985

7. ↵

   Matsuda M, DeFronzo RA: индексы чувствительности к инсулину, полученные из пероральное тестирование толерантности к глюкозе. Уход за диабетом22 : 1462-1470,1999

8. ↵

   Anderson RL, Hamman RF, Savage PJ, Saad MF, Laws A, Kades WW, Sands RE, Cefalu W: Исследование простых показателей чувствительности к инсулину, полученных из часто отбираемые пробы внутривенных тестов на толерантность к глюкозе (FSIGT).Являюсь J Эпидемиол 142: 724 -732, 1995

9. ↵

   Saad MF, Anderson RL, Laws A, Watanabe RM, Kades WW, Chen Y-D, Sands RE, Pei D, Savage PJ, Bergman RN: Сравнение минимальной модели и зажим глюкозы в оценке чувствительности к инсулину через спектр толерантности к глюкозе. Диабет43 : 1114-1121,1994

10. ↵

    Ени-Комшян Х, Карантони М, Аббаси Ф, Ривен ГМ: Взаимоотношения между несколькими суррогатными оценками инсулинорезистентности и количественной оценкой инсулино-опосредованной утилизации глюкозы у 490 здоровых добровольцев без диабета.Уход за диабетом 23: 171 -175, 2000

11. ↵

    Американская диабетическая ассоциация: Скрининг диабета 2 типа (Заявление о позиции). Уход за диабетом23 (Дополнение 1): S20-S23,2000

12. ↵

    Pratley RE, Hagberg JM, Rogus EM, Goldberg AP: Улучшенный инсулин чувствительность и более низкое соотношение талии и бедер у спортсменов-мастеров. Am J Physiol 268 ( Эндокринол Метаб ) 31): E484-E490, 1995

13. ↵

    Pratley RE, Coon PJ, Muller DC, Rogus EM, Goldberg AP: Эффекты однократных и последовательных инфузий инсулина для удаления глюкозы у пожилых мужчин.Опыт Геронтола 28: 381 -391, 1993

14. ↵

    Dengel DR, Hagberg JM, Pratley RE, Rogus EM, Goldberg AP: Улучшение артериального давления, метаболизма глюкозы и липопротеиновых липидов. после аэробных упражнений плюс потеря веса у страдающих ожирением, гипертонией людей среднего возраста мужчины. Метаболизм 47: 1075 -1082, 1998

15. ↵

    Siri WE: Состав тела на основе жидких пространств и плотности: анализ методов. В методах измерения тела Состав. Вашингтон, округ Колумбия, Национальный совет академических наук, 1961 г. , п.223-244

16. ↵

    Руководящий комитет Американской кардиологической ассоциации: Диетические рекомендации для здоровых взрослых американцев. Тираж77 : 721-724,1988

17. ↵

    Coon PJ, Bleecker ER, Drinkwater DT, Meyers DA, Goldberg AP: Влияние состава тела и переносимости физической нагрузки на толерантность к глюкозе, инсулин и липопротеиновые липиды у здоровых пожилых мужчин: поперечный и длительное обучение. Обмен веществ38 : 1201-1209,1989

18. ↵

    Захарко Д.С., Бек Л.В.: Исследования упрощенного плазменного инсулина. иммуноанализ с использованием порошка целлюлозы.Диабет17 : 444-447,1968

19. ↵

    Haffner SM, Miettinen H, Stern MP: Модель гомеостаза в Сан Антонио Исследование сердца. Уход за диабетом20 : 1087-1092,1997

20. ↵

    Институт SAS: Справочное руководство Statview. Кэри, Северная Каролина, Институт SAS, 1998

21. ↵

    Комитет экспертов по диагностике и классификации диабета Mellitus: Отчет экспертной комиссии по диагностике и классификации сахарного диабета.Уход за диабетом21 (Дополнение 1): S5-S19, 1998

22. ↵

    Matsuda M, DeFronzo RA: Измерение чувствительности к инсулину in vivo в людях. В клинических исследованиях диабета и Ожирение. Vol. 1. Дразнин Б., Рицца Р., Ред. Тотова, штат Нью-Джерси, Humana Press, 1997, стр.23. -65

23. ↵

    Rosenthal M, Haskell WL, Solomon R, Widstrom A, Reaven GM: Демонстрация взаимосвязи между уровнем физической подготовки и инсулино-стимулированная утилизация глюкозы у нормальных людей.Диабет 32: 408 -411, 1983

24. ↵

    Кун П.Дж., Рогус Е.М., Дринкуотер Д., Мюллер Д.К., Голдберг А.П.: роль распределение жира в организме при снижении чувствительности к инсулину и глюкозы терпимость с возрастом. J Clin Endocrinol Metab75 : 1125-1132,1992

25. ↵

    Kohrt WM, Kirwan JP, Staten MA, Bourey RE, King DS, Holloszy JO: Инсулинорезистентность при старении связана с абдоминальным ожирением. Диабет 42: 273 -281, 1993

26. ↵

    Dengel DR, Pratley RE, Hagberg JM, Rogus EM, Goldberg AP: Distinct влияние аэробных упражнений и потери веса на гомеостаз глюкозы в полные малоподвижные мужчины.J Appl Physiol81 : 318-325,1996

27. ↵

    Ivy JL: Роль физических упражнений в профилактике и лечении инсулинорезистентности и NIDDM. Спорт Med24 : 321-336,1997

Тест холодного отжима — смешанный курс на основе исследовательского подхода к физиологии человека

Холодное напряжение и испытание холодным отжимом

Поддержание гомеостаза требует, чтобы организм постоянно следил за своими внутренними условиями. От температуры тела до артериального давления и уровней определенных питательных веществ каждое физиологическое состояние имеет определенную уставку.Уставка — это физиологическое значение, вокруг которого колеблется нормальный диапазон. Нормальный диапазон — это ограниченный набор значений, который является оптимально здоровым и стабильным. Например, уставка нормальной температуры человеческого тела составляет приблизительно 37 ° C (98,6 ° F). Физиологические параметры, такие как температура тела и артериальное давление, имеют тенденцию колебаться в пределах нормы на несколько градусов выше и ниже этой точки. Центры управления в мозгу и других частях тела отслеживают отклонения от гомеостаза и реагируют на них с помощью отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь — это механизм, который устраняет отклонение от заданного значения. Следовательно, отрицательная обратная связь поддерживает параметры тела в пределах нормы. Поддержание гомеостаза за счет отрицательной обратной связи происходит во всем теле постоянно.

Человеческое тело регулирует температуру тела посредством процесса, называемого терморегуляцией, при котором тело может поддерживать свою температуру в определенных границах, даже когда окружающая температура сильно отличается. Внутренняя температура тела остается стабильной на отметке 36.5–37,5 ° C (или 97,7–99,5 ° F). В процессе производства АТФ клетками по всему телу примерно 60 процентов производимой энергии находится в форме тепла, используемого для поддержания температуры тела. Терморегуляция — пример отрицательной обратной связи.

Гипоталамус в головном мозге — это главный выключатель, который работает как термостат для регулирования внутренней температуры тела (рис. 1). Если температура слишком высока, гипоталамус может инициировать несколько процессов для ее понижения. К ним относятся усиление циркуляции крови к поверхности тела, чтобы позволить рассеивать тепло через кожу и инициировать потоотделение, чтобы позволить испарению воды на коже для охлаждения ее поверхности.И наоборот, если температура опускается ниже установленной внутренней температуры, гипоталамус может инициировать дрожь для выделения тепла. Тело потребляет больше энергии и выделяет больше тепла. Кроме того, гормон щитовидной железы будет стимулировать большее использование энергии и выработку тепла клетками по всему телу. Окружающая среда считается термонейтральной, когда тело не расходует и не выделяет энергию для поддержания своей внутренней температуры. Для голого человека это температура окружающего воздуха около 84 ° F. Если температура выше, например, при ношении одежды, тело компенсирует это охлаждающими механизмами.Тело теряет тепло через механизмы теплообмена.

Механизмы теплообмена

Когда окружающая среда не термонейтральна, тело использует четыре механизма теплообмена для поддержания гомеостаза: теплопроводность, конвекция, излучение и испарение. Каждый из этих механизмов основан на свойстве тепла течь от более высокой концентрации к более низкой концентрации; следовательно, скорость каждого из механизмов теплообмена изменяется в зависимости от температуры и условий окружающей среды.

Проводимость — это передача тепла двумя объектами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом. Это происходит при контакте кожи с холодным или теплым предметом. Например, когда вы держите стакан с ледяной водой, тепло вашей кожи нагревает стакан и, в свою очередь, растапливает лед. В качестве альтернативы в холодный день вы можете согреться, обернув холодными руками горячую кружку кофе. Только около 3 процентов тепла тела теряется за счет теплопроводности.

Конвекция — это передача тепла воздуху, окружающему кожу.Нагретый воздух поднимается от тела и заменяется более холодным воздухом, который затем нагревается. Конвекция также может возникать в воде. Когда температура воды ниже, чем температура тела, тело теряет тепло, нагревая ближайшую к коже воду, которая удаляется и заменяется более холодной водой. Конвекционные потоки, создаваемые изменениями температуры, продолжают отводить тепло от тела быстрее, чем тело может его заменить, что приводит к переохлаждению. Около 15 процентов тепла тела теряется за счет конвекции.

Излучение — это передача тепла посредством инфракрасных волн. Это происходит между любыми двумя объектами, когда их температура различается. Радиатор может обогреть комнату лучистым теплом. В солнечный день солнечное излучение согревает кожу. Тот же принцип действует от тела к окружающей среде. Около 60 процентов тепла, теряемого телом, теряется из-за излучения.

Испарение — это передача тепла за счет испарения воды. Поскольку для превращения молекулы воды из жидкости в газ требуется много энергии, испаряющаяся вода (в виде пота) забирает с собой много энергии от кожи.Однако скорость испарения зависит от относительной влажности — в окружающей среде с более низкой влажностью испаряется больше пота. Потоотделение является основным средством охлаждения тела во время упражнений, тогда как в состоянии покоя около 20 процентов тепла, теряемого телом, происходит за счет испарения.

Гомеостатическая реакция на температуру окружающей среды

У людей есть система обратной связи по регулированию температуры, которая работает, способствуя потере или увеличению тепла. Когда центр регуляции температуры мозга получает данные от датчиков, указывающие, что температура тела превышает нормальный диапазон, он стимулирует скопление клеток мозга, называемое «центром потери тепла».Эта стимуляция имеет три основных эффекта:

• Кровеносные сосуды кожи начинают расширяться, позволяя большему количеству крови из сердцевины тела течь к поверхности кожи, позволяя теплу излучаться в окружающую среду.
• Когда приток крови к коже увеличивается, потовые железы активируются, чтобы увеличить свою продукцию. Когда пот испаряется с поверхности кожи в окружающий воздух, он уносит с собой тепло.
• Глубина дыхания увеличивается, и человек может дышать через открытый рот, а не через носовые проходы.Это увеличивает потерю тепла из легких.

Рисунок 1. Гипоталамус контролирует терморегуляцию. Гипоталамус контролирует сети терморегуляции, приводящие к повышению или снижению внутренней температуры тела. Исходное изображение OpenStax Anatomy and Physiology CC-by-4.0. Изображение отредактировано Ариком Уорнером.

Напротив, активация центра накопления тепла в головном мозге воздействием холода снижает приток крови к коже, и кровь, возвращающаяся от конечностей, направляется в сеть глубоких вен (рис. 2).Такое расположение улавливает тепло ближе к сердцевине тела, ограничивает потерю тепла и повышает кровяное давление. Если потеря тепла велика, мозг вызывает усиление случайных сигналов к скелетным мышцам, заставляя их сокращаться и вызывать дрожь. Сокращения мышц при дрожании высвобождают тепло при использовании АТФ. Мозг также заставляет щитовидную железу в эндокринной системе выделять гормон щитовидной железы, который увеличивает метаболическую активность и производство тепла в клетках по всему телу.

Рисунок 2.Физиологическая реакция на острое переохлаждение. При остром переохлаждении симпатическая нервная система выделяет норадреналин, что приводит к сужению сосудов, повышению артериального давления и учащению пульса.

При остром воздействии холода на организм:

• Активация симпатической нервной системы приводит к общесистемному выбросу катехоламина (норадреналина).
• Катехоламин вызывает системное сужение артериол, учащение пульса и сократительную способность сердца.Сердце работает сильнее, проталкивая кровь через суженные кровеносные сосуды.
• Суженные кровеносные сосуды в конечностях отводят поверхностный кровоток к сердцевине тела, тем самым уменьшая излучение или передачу тепла в окружающую среду.
• Сужение сосудов увеличивает сопротивление кровотоку и, таким образом, повышает кровяное давление.
• Сужение сосудов приводит к более слабому пульсу (меньшей амплитуде пульса) в артериях кожи, пальцев и кисти.

Острый холодовой стресс приводит к активации симпатической нервной системы и высвобождению катехоламинов (нейромедиаторов).Высвобождение нейротрансмиттера влияет на сердечно-сосудистую систему разными способами, включая сужение артерий, преходящую тахикардию и повышенную сократимость сердца. Вместе эти гомеостатические изменения приводят к так называемой прессорной реакции , или повышению кровяного давления. Тест холодным прессом обычно используется в клинических условиях для оценки функции симпатической нервной системы. В тесте с холодным прессом испытуемые погружают руку или предплечье в ледяную воду, и измеряется их сердечно-сосудистая реакция.

В этой лаборатории мы будем использовать тест с холодным прессом для оценки изменений частоты сердечных сокращений, амплитуды пульса и сатурации артериальной крови кислородом с помощью пульсоксиметра.

Пульсоксиметры

косвенно оценивают сатурацию артериальной крови кислородом и сообщают ее как сатурацию кислородом (SpO2) артериальной крови пациента. SpO2 указывается как процент оксигенированного гемоглобина. Нормальные значения пульсовой оксиметрии обычно находятся в диапазоне 97–100%.

Рисунок 3. Пульсоксиметр.Пульсоксиметры с зажимом для пальцев используются в физиологической лаборатории. Сверху на пальце находится светодиод, а под пальцем — фотоприемник. Рисунок создан Кэмероном Миллером CC-by-ND.

Эксперимент по реакции холодного пресса:

Есть несколько гипотез, которые могут быть проверены в этой лаборатории. Например, мы можем проверить, есть ли у мужчин и женщин разная реакция на холодный прессор, или мы можем проверить, одинакова ли реакция прессора в погруженной и непогруженной руке.После сбора данных вы внесете их в файл Excel на стенде TA для статистического анализа всего класса или курса.

При подготовке к лабораторной работе, можете ли вы написать гипотезу ЕСЛИ / ТОГДА для проверки реакции холодного прессора у мужчин и женщин?

В этой лаборатории вы проведете эксперимент, чтобы проверить, как острое воздействие холода влияет на амплитуду пульса, частоту сердечных сокращений и связывание гемоглобина и кислорода у мужчин и женщин. Вы будете использовать датчик пальца, называемый пульсоксиметром, который будет измерять пульс, а также оксигенацию периферической артериальной крови (SpO2) в вашем пальце.

Основные направления деятельности лаборатории

• Мы будем использовать iWorx с LabScribe для интерпретации амплитуды пульса, частоты сердечных сокращений и SpO2.
• Субъекты не должны носить лак для ногтей, искусственные покрытия для ногтей, украшения для рук или запястий во время эксперимента.
• Испытуемые должны носить короткие рукава или рукава, которые можно закатать выше локтя.
• Все субъекты будут участвовать либо в «Базовом уровне / Условии 1», либо в «Базовом уровне / Условии 2», но не в обоих одновременно.
• Все испытуемые погружают в эксперименты свое ЛЕВОЕ предплечье.
• Поскольку пульсоксиметр работает, обнаруживая пульсацию кровеносных сосудов, испытуемые должны сидеть тихо и неподвижно во время эксперимента. Другие движения или вибрации могут исказить показания пульсоксиметра.

Начало работы

• Включите iWorx переключателем на задней стороне коробки
• Войдите в свою учетную запись и щелкните значок папки в нижней левой панели задач
• Щелкните « This PC » на левой панели задач.
• Дважды щелкните Biol 256L Course Materials P-Drive в разделе « Network Locations »
• Дважды щелкните файл настроек « Week4_ColdPressor ».
• Поместите пульсоксиметр на средний палец левой (состояние 1) или правой (состояние 2) руки, как показано на рисунке ниже.
• Теперь вы готовы начать эксперимент.

Рисунок 4. Как носить датчик пульсового оксиметра.

ЭКСПЕРИМЕНТ: Влияние теста холодного пресса на работу сердечно-сосудистой системы

ВАЖНО: Для этого эксперимента требуется, чтобы половина испытуемых участвовала в Базовом уровне / Условии 1, а половина испытуемых участвовала в Базовом уровне / Условии 2. За лабораторным столом назначьте каждому ученику условие перед началом эксперимента.

• КОНТРОЛЬ / СОСТОЯНИЕ 1: Наденьте на средний палец левой руки пульсоксиметр.Будьте готовы погрузить левое предплечье в ледяную воду на отметке в одну минуту.

• КОНТРОЛЬ / СОСТОЯНИЕ 2: Установите на средний палец правой руки пульсоксиметр. Будьте готовы погрузить левое предплечье в ледяную воду на отметке в одну минуту.

ЧАСТЬ I. Процедура

• Проверить датчик: нажать на красный Запись
• Нажмите кнопку AutoScale на верхней панели задач. Ваша запись должна выглядеть так, как показано на рисунке 5.Если данные не отображаются так, как показано, слегка отрегулируйте оксиметр на пальце.
• Обратите внимание на расположение Time в правом верхнем углу окна (рис. 5b). На рисунке время читается как «одна минута двадцать две секунды». Вы будете отслеживать время записи данных с помощью этого таймера в окне Labscribe.

Рисунок 5a . Пример окна, показывающего правильно сгенерированные данные о пульсе, частоте сердечных сокращений и SpO2.

Рисунок 5b .Крупным планом вид окна пульса, показывающий время как Time1 (красный прямоугольник).

• Когда записываемые сигналы отображаются надлежащим образом, остановите запись и откройте новый файл.
• Пока испытуемый сидит тихо (не двигаясь) запись исходных данных за одну минуту .
• Ровно на отметке в одну минуту погрузите левое предплечье в ледяную воду. ЗАПРЕЩАЕТСЯ опускать руку с приборами в воду. Оставайся как можно тише!
• Запишите данные в течение как минимум дополнительных 35 секунд (вы можете записать больше).
• Остановить запись.
• Вы можете высушить руку и согреть ее на грелке. Вы закончили служить объектом после однократного воздействия ледяной ванны.
• Сохраните файл данных на компьютер. В заголовке укажите название предмета и 4-ю неделю.

ЧАСТЬ II. Анализ данных

Этот анализ данных применяется как к базовой записи, так и к Условию 1 или 2. Для базовых данных начните с самого начала записи и найдите правильные данные, прокручивая и используя таймер в главном окне.

Для экспериментальных данных (условие 1 или 2) начните анализ данных с отметки 1,00 и прокрутите до 1,05 (пять секунд), 1,10 (десять секунд), 1,20 (двадцать секунд) и 1,30 (тридцать секунд).

Для начала анализа данных:

• Используйте значок «Время отображения», чтобы настроить время отображения в главном окне, чтобы в главном окне отображалось приблизительно десять полных циклов импульсов.
• Прокрутите запись, чтобы просмотреть примерные пульсовые волны с этими интервалами во время записи данных: 5 секунд, 10 секунд, 20 секунд и 30 секунд
• Начните с пульсовой волны на отметке 5 секунд записи данных и щелкните значок с двойным курсором и разместите курсоры следующим образом:
• Чтобы измерить амплитуду пульсовой волны , поместите один курсор на базовую линию, которая предшествует пульсовой волне, а второй курсор на пике пульсовой волны.Значение V2-V1 на импульсном канале и есть эта амплитуда. Определите амплитуду импульса V2-V1 для четырех пульсовых волн в назначенное время и запишите результаты в свой лабораторный отчет .

• Чтобы найти частоту пульса , выберите значок с одним курсором и поместите одиночный курсор на плато кривой пульса на канале пульса . Смотрите оранжевый курсор на рисунке ниже. Запишите значение в ударах в минуту в лабораторный отчет для данных о частоте пульса, собранных примерно за 5, 10, 20 и 30 секунд.

• Чтобы найти SpO2 , наведите курсор на данные на 30-секундной отметке записи. Обычно эта линия совершенно плоская.
• Запишите процент SpO2 , показанный на канале O2 Saturation , в своем лабораторном отчете.

После записи данных в лабораторный отчет откройте новый файл для следующего студента.

Студентов могут попросить предоставить следующие данные для статистического анализа:

Примечание: укажите свой пол (М или Ж) и возраст вместе с вашими данными.

1. Исходный средн. пульс
2. Исходный средн. амплитуда пульсовой волны
3. Состояние 1 ср. холодный пресс сердцебиение
4. Состояние 1 ср. амплитуда пульсовой волны холодного пресса
5. Состояние 2 ср. холодный пресс сердцебиение
6. Состояние 2 ср. амплитуда пульсовой волны холодного пресса

---

Цитаты

Гомеостаз натяжения на разных масштабах длины

Гомеостаз натяжения — феномен фундаментальной важности в механобиологии.Он относится к способности органов, тканей и клеток реагировать на внешние возмущения, поддерживая гомеостатический (заданный) уровень механического стресса (напряжения). Хорошо известно, что нарушение гомеостаза напряжения является признаком прогрессирования заболеваний, включая рак и атеросклероз. В этом обзоре мы рассмотрели количественные исследования натяжного гомеостаза с целью дать характеристику этого феномена в широком диапазоне масштабов длины, от уровня органа до субклеточного уровня.Мы рассмотрели как статический, так и динамический подходы, которые использовались при изучении этого явления. Результаты, которые мы нашли в литературе и которые мы получили из наших собственных исследований, предполагают, что гомеостаз напряжения — это возникающее явление, управляемое коллективными реостатическими механизмами, связанными с фокальными спайками, и коллективным действием клеток в многоклеточных формах, чье влияние на гомеостаз напряжения существенно. зависит от типа клетки и зависит от клеточного микроокружения. Кроме того, обнаружение того, что кадгерины, молекулы адгезии, которые важны для образования межклеточных соединений, способствуют гомеостазу натяжения даже в отдельных клетках, демонстрирует их значимость в качестве сигнального фрагмента.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Синаптическая пластичность в нейронных сетях требует гомеостаза с помощью детектора высокой скорости.

Цитирование: Зенке Ф, Хеннекен Г., Герстнер В. (2013) Синаптическая пластичность в нейронных сетях требует гомеостаза с детектором высокой скорости.PLoS Comput Biol 9 (11): e1003330. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003330

Редактор: Эбигейл Моррисон, Исследовательский центр Юлих, Германия

Поступила: 19 апреля 2013 г .; Дата принятия: 25 сентября 2013 г .; Опубликовано: 14 ноября 2013 г.

Авторские права: © 2013 Zenke et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: ФЗ была поддержана Седьмой рамочной программой Европейского сообщества в рамках грантового соглашения №. 237955 (FACETS-ITN) и 269921 (BrainScales). GH был поддержан Швейцарским национальным научным фондом. WG благодарит за финансирование Европейский исследовательский совет (№ 268689). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Бодрствующая кора головного мозга постоянно активна, даже при отсутствии внешних сигналов. Эта базовая активность, обычно называемая «фоновым состоянием», характеризуется низкой синхронностью на уровне популяции и крайне нерегулярной активацией отдельных нейронов. Хотя прямые последствия фонового состояния в настоящее время неизвестны, несколько неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона, эпилепсия или шизофрения, были связаны с их различными нарушениями [1] — [5].Теоретически под фоновым состоянием в настоящее время понимается асинхронный и нерегулярный (AI) режим срабатывания, возникающий в результате динамического баланса возбуждения и торможения в рекуррентных нейронных сетях [6] — [9]. Сбалансированные сети демонстрируют низкую активность и небольшие средние парные корреляции [7], [9]. Однако даже небольшие изменения в величине возбуждения могут нарушить фоновое состояние [7], [10]. Изменения возбуждения могут возникать из-за геббовской пластичности возбуждающих синапсов: подмножества совместно активных нейронов образуют прочные связи друг с другом, которые, как полагают, являются нейронным субстратом памяти [11].Однако пластичность Хеббуса имеет нежелательный побочный эффект, заключающийся в дальнейшем увеличении возбуждающего синаптического движения к уже активным клеткам. Возникающая петля положительной обратной связи делает эту форму пластичности нестабильной и затрудняет согласование со стабильностью фонового состояния [12].

Для стабилизации нейрональной активности были теоретически предложены механизмы гомеостатического контроля [13] — [19], а различные формы действительно были обнаружены экспериментально [20] — [22]. Термин «гомеостаз» включает в себя любой компенсаторный механизм, который стабилизирует скорость нервных импульсов перед лицом изменений, вызванных пластичностью.Это включает компенсаторные изменения в общем синаптическом влечении (например, синаптическое масштабирование [21]), возбудимость нейронов (внутренняя пластичность [23]) или изменения самих правил пластичности (т.е. метапластичность [20]). Общим для всех экспериментально обнаруженных гомеостатических механизмов является их относительно медленная реакция по сравнению с пластичностью. В то время как синаптические веса могут изменяться в масштабе времени от секунд до минут [24] — [26], для заметных изменений, вызванных гомеостазом, обычно требуются часы или даже дни [21], [27] — [29].Считается, что это имеет решающее значение, поскольку позволяет нейронам определять свою среднюю скорость возбуждения путем интеграции в течение длительного времени. В то время как колебания в коротких временных масштабах вызывают обучение Хебба и изменяют синапсы определенным образом для хранения информации, в более длительных временных масштабах гомеостаз вызывает неспецифические изменения для поддержания стабильности [23]. Требуемый детектор скорости гомеостаза действует как фильтр нижних частот и, следовательно, вызывает задержку во времени между оценкой скорости и истинным значением нейронной активности. В результате гомеостатические отклики, основанные на этом детекторе, становятся инертными к внезапным изменениям.Чем больше постоянная времени фильтра, тем медленнее становится гомеостатический отклик.

Здесь мы формализуем связь между стабильностью сетевой активности и временными рамками, участвующими в гомеостазе при наличии пластичности Хебба. Сначала мы изучаем стабильность фонового состояния во время длительных эпизодов продолжающейся пластичности в прямом численном моделировании больших сбалансированных сетей с метапластическим триплетным правилом STDP [30], в котором временная шкала гомеостаза равна шкале времени детектора скорости.Это позволяет нам определить критический временной масштаб, за пределами которого теряется стабильность. На втором этапе мы сводим систему к типовой двумерной модели среднего поля, допускающей аналитические соображения. Как численный, так и аналитический подходы показывают, что гомеостаз должен реагировать на изменения скорости в шкале времени от секунд до минут. Затем мы показываем аналитически и в ходе моделирования, что эти требования к стабильности не являются специфическими для метапластического триплетного STDP, а обобщаются на случай триплетного STDP в сочетании с синаптическим масштабированием.

Таким образом, мы показываем, что стабильность фонового состояния требует, чтобы соотношение между временными масштабами гомеостаза и пластичности было меньше критического значения, которое определяется свойствами сети. Для реалистичных параметров сети и пластичности это требует, чтобы шкала гомеостатического времени была короткой, а это означает, что гомеостаз должен быстро реагировать на изменения в скорости возбуждения нейронов (порядка секунд или минут). Наши результаты предполагают, что пластичность должна либо быстро регулироваться третьим фактором, либо сопровождаться еще неизвестным механизмом гомеостатического контроля, который реагирует в краткосрочной перспективе.

Результаты

Далее мы сначала обсудим наши результаты, полученные при моделировании пиков нейронных сетей в сбалансированном состоянии с помощью правила обучения Хебба при вероятной скорости обучения. Вначале мы сосредотачиваемся на метапластическом механизме, который гомеостатически регулирует количество синаптической долговременной депрессии (LTD). Систематически изменяя постоянную времени детектора скорости гомеостаза, мы обнаруживаем, что для стабильности фонового состояния требуется, чтобы гомеостаз действовал в течение нескольких минут.Затем мы стремимся понять основной механизм нестабильности на основе общей модели среднего поля, которую мы используем для аналитического подтверждения критической постоянной времени, найденной при моделировании сети с пиками. Наконец, чтобы исследовать общность этого подхода среднего поля, мы применяем анализ к двум вариантам правила обучения триплетов. Во-первых, мы добавляем медленное снижение веса к метапластическому триплетному STDP, а во-вторых, переключаемся с гомеостатической метапластичности на синаптическое масштабирование в сочетании с триплетным STDP.В обоих случаях мы подтверждаем аналитически и в ходе моделирования, что для обеспечения стабильности требуется высокоскоростной детектор.

Результаты моделирования

Для изучения стабильности фонового состояния в сбалансированных сетях с пластическими возбуждающими синапсами (EE) мы моделируем сети из 25000 случайно связанных нейронов, объединяющих и запускающих (Рисунок 1 A). Перед любой синаптической модификацией за счет пластичности мы устанавливаем сеть в сбалансированное состояние, в котором мембранные потенциалы демонстрируют большие подпороговые флуктуации (рис. 1 C), вызывая нерегулярную активность с низкой частотой () и асинхронное срабатывание на уровне популяции ( Рисунок 1 D).В нашей модели более 90% входных данных в каждый нейрон поступает изнутри сети, что очень похоже на условия, обнаруженные в коре головного мозга [31].

Рисунок 1. Модель сбалансированной сети.

( A ) Схема сетевой модели. Рекуррентные синапсы в популяции возбуждающих нейронов ( * ) подчиняются правилу гомеостатического триплета STDP. ( B ) Типичная величина и динамика однократного возбуждающего постсинаптического потенциала в состоянии покоя. ( C ) След мембранного потенциала клетки во время фоновой активности.( D ) Гистограмма частоты срабатывания одиночного нейрона (синий) и коэффициента вариации (CV ISI, красный) по нейронам, а также распределения ISI всех нейронов (желтый) сети во время фоновой активности. Стрелки указывают средние значения.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003330.g001

Пластичность всех рекуррентных синапсов ЭЭ моделируется как правило аддитивного триплета STDP (см. [30] и Методы), которое точно описывает экспериментальные данные из зрительной коры [ 26], [30].В этом метапластическом триплетном правиле STDP количество LTD выбрано таким образом, что LTP и LTD отменяются в среднем, когда пре- и постсинаптические нейроны срабатывают со статистикой Пуассона. Следовательно, при допущении низкой корреляции спайк-спайк и нерегулярного срабатывания становится фиксированной точкой сетевой динамики (см. [32] и Методы). Мы начинаем с фиксированной скорости обучения, которая выбирается как компромисс между биологической достоверностью и вычислительной осуществимостью (методы). Чтобы перейти к фиксированной точке, все нейроны постоянно оценивают свою частоту срабатывания как скользящее среднее с экспоненциальной константой затухания, заданной формулой (1), где соответствует -ому времени срабатывания нейрона (см. Также Методы, уравнение.(19)). Если оценка скорости постсинаптического нейрона лежит выше (ниже), гомеостаз увеличивает (уменьшает) амплитуду LTD. Гомеостатическая постоянная времени — единственный свободный параметр нашей модели.

Затем мы систематически исследуем, как конкретный выбор влияет на стабильность фонового состояния в сети. Чтобы позволить скользящим средним установиться, мы запускаем сеть в течение начального периода продолжительности, в течение которого синаптические обновления не выполняются. После этого включается пластика.Чтобы проверить, остается ли динамика сети стабильной, моделирование запускается в течение 24 часов биологического времени, в течение которого мы постоянно отслеживаем эволюцию скорости роста популяции (рис. 2 A). Сеть считается нестабильной, если средний уровень увольнения населения либо падает до нуля, либо увеличивается выше, чем это происходит, когда происходит потенцирование убегания (Рисунок 2 B). Систематически изменяя постоянную времени с шагом 1 с, мы обнаруживаем, что для того, чтобы фоновое состояние оставалось стабильным (рис. 2 C), оно должно быть меньше некоторого критического значения.Более того, мы обнаруживаем резкий переход к нестабильности при повышении за ее пределами. Ибо сеть имеет тенденцию замолчать (рисунок 2 А, черная линия).

Во время стабильного запуска моделирования () некоторые синапсы растут от своего начального значения до максимально допустимого значения, в то время как остальные синапсы распадаются до нуля. Результирующее бимодальное распределение синаптической эффективности (рис. 2 F) остается стабильным до конца цикла. Это известное явление для чисто аддитивных правил обучения [33], [34], и мы увидим позже, что унимодальные весовые распределения возникают в результате включения убывания веса или выбора синаптического масштабирования в качестве гомеостатического механизма [35].

Несмотря на качественное изменение в распределении веса, распределение интервалов между спайками (ISI) остается в значительной степени неизменным, в то время как коэффициент вариации распределения ISI (CV ISI) сдвигается к немного более высоким значениям (Рисунок 2 D). Тем не менее, мы отметили, что средние частоты срабатывания одиночного нейрона, которые изначально широко распространены, в конце сгруппированы немного выше гомеостатической целевой частоты () со слабой зависимостью от фактического значения (Рисунок 2 E).Такое поведение характерно для гомеостатического контроля скорости разряда в одиночных ячейках.

Мы пришли к выводу, что метапластический триплет STDP с гомеостатическим механизмом, представленный здесь, может привести к стабильной динамике в моделях сбалансированных сетей, демонстрирующих асинхронную нерегулярную фоновую активность. Однако временная шкала гомеостатического механизма критически определяет стабильность. Он должен быть порядка секунд или минут и, следовательно, сопоставим с временной шкалой самой пластичности (здесь).Это открытие контрастирует с большинством известных гомеостатических механизмов, которые, как было установлено экспериментально, действуют в эффективных временных масштабах часов или дней [20], [29], [36], [37].

Модель среднего поля

Чтобы понять, почему критическая постоянная времени, выше которой гомеостаз не может контролировать пластичность, настолько мала, мы здесь анализируем стабильность фонового состояния в модели среднего поля. В соответствии с моделью сети пиковых импульсов мы рассматриваем отдельную популяцию нейронов, которая активизируется со средней частотой активации популяции (рис. 3 A).Чтобы найти аналитическое выражение, которое характеризует реакцию фоновой активности на изменения повторяющихся весов вокруг начального значения, мы начнем с линейной модели нейрона (2) со смещением и параметром наклона. Поскольку нас интересуют изменения веса вокруг начального значения, естественным выбором для будет. Однако здесь мы настроили учитывать повторяющуюся обратную связь. Этот выбор делает безразмерным, пока измеряется в Гц. Поскольку веса меняются медленно, а популяционная динамика — быстро, мы можем решить и получить самосогласованное решение (3)

Как мы покажем позже, более качественное соответствие модели пиков может быть достигнуто с помощью этой эвристики, которая облегчит поиск правильных параметров и.

Чтобы ввести пластичность в модель среднего поля, мы используем соответствующее правило пластичности на основе скорости (4), которое может быть непосредственно выведено из триплетного правила STDP [30], а также может быть интерпретировано как модель BCM [15], [30] ], [38]. Здесь — относительная скорость обучения и задает масштаб системы. Второе равенство в формуле. (4) следует потому, что в рекуррентной модели пре- и постсинаптическая скорость одинакова (и). Функция масштабирует силу LTD относительно LTP, как и в случае пиков (см.Методы, уравнение. (18)). В модели среднего поля детектор скорости (уравнение (1)) становится отфильтрованной нижними частотами версией скорости генерации популяции (5)

Чтобы связать динамику сети с синаптической пластичностью, возьмем производную уравнения (3), и объединить его с формулой. (4), чтобы прийти к (6), который описывает временную эволюцию средней скорости возбуждения, определяемую синаптической пластичностью. Взятые вместе, уравнения (5) и (6) определяют двумерную динамическую систему с двумя неподвижными точками. Один лежит в неподвижной сети и представляет ее.Оставшаяся нетривиальная фиксированная точка — это, которую мы интерпретируем как сеть в ее фоновом состоянии.

Учитывая этот выбор, мы теперь спрашиваем, может ли эта фиксированная точка быть линейно устойчивой (методы), и обнаруживаем, что для стабильности фонового состояния требуется (7)

Для бесконечно малых отклонений от фиксированной точки отклонение, что соответствует потенциации убегания в этой модели. Отметим, что решающим образом зависит от параметров,, и целевой ставки. Тем не менее, мы можем масштабировать систему в натуральных единицах, выражая интенсивность стрельбы в единицах, а время — в единицах, и строить собственные значения как функцию (Рисунок 3 B).Тот факт, что фиксированная точка фоновой активности теряет стабильность при слишком больших значениях, находится в хорошем качественном согласии с тем, что мы наблюдаем в модели пиков. Следует также отметить, что уравнение. (7) не зависит от силы появления, пока существует фиксированная точка фоновой активности () и при условии, что при критичности мнимые части собственных значений всегда не равны нулю (см. Методы). Это указывает на наличие колебаний, которые действительно наблюдаются в сети пиков (см.Рисунок 2 А,). Тот факт, что сеть не работает при очень малых значениях (например, на рисунке 2 A), не отражается в модели среднего поля.

Мы можем использовать модель среднего поля для качественного понимания поведения системы вдали от равновесия. На рисунке 3C показана фазовая плоскость сети с устойчивой фиксированной точкой (). Когда систему отталкивают от нее и возмущения малы, динамика сходится обратно к фиксированной точке. Однако, когда отклонения становятся слишком большими, сетевая активность расходится (сравните рис. 3C, пунктирное решение), поскольку фиксированная точка фоновой активности стабильна только локально.Численный анализ показывает, что область притяжения мала при приближении снизу (рис. 3 D). Следовательно, система очень чувствительна к возмущениям, которые легко приводят к потенцированию убегания. Хотя мы ожидаем, что область притяжения модели среднего поля и модели пиков будет сравнительно только там, где уравнение. (3) точно описывает частоту срабатывания сети пиковых сигналов, мы можем предположить, что для обеспечения надежной стабильности должна быть обеспечена устойчивость.

Сравнение моделей

Чтобы иметь возможность делать более количественные прогнозы для сети пиков, мы должны выбрать значения для параметров в правой части уравнения.(7). Это эффективная временная шкала пластичности, с одной стороны, и, которые характеризуют динамику сети, с другой стороны. Теперь мы покажем, что последнее можно определить из статической сетевой модели, которая не зависит от пластичности. Обратите внимание, что параметры и в нашей модели среднего поля используются совместно с моделью пиков, которую мы будем использовать для их количественного сравнения.

Во-первых, мы связываем переменные и с реакцией сети с импульсами, когда все ее синапсы EE изменены.Поскольку это невозможно аналитически, мы извлекаем ответ численно, систематически изменяя веса EE вокруг начального состояния с. При этом пластичность отключается, и мы фиксируем постоянную численность населения сети (рис. 3 E). Затем мы минимизируем среднеквадратичную ошибку для уравнения. (3) на небольшом интервале и определить следующие значения: и. Для анализа устойчивости только производная уравнения. (3) по вопросам. Однако стоит отметить, что отклик сбалансированной сети хорошо отражается уравнением.(3) в гораздо более широком диапазоне, чем тот, который используется для подгонки. Такое поведение является ожидаемым следствием сбалансированного состояния, которое, как известно, линеаризует отклики сети [6], [39]. Наше приближение с помощью линейной модели скорости не работает для более высоких скоростей, поскольку она не учитывает огнеупорные эффекты.

Во-вторых, в предположении независимого и нерегулярного обжига в фоновом состоянии постоянная времени пластичности полностью определяется целевой скоростью и известными параметрами триплетной модели STDP (см. Методы и [30]).Ибо мы находим.

Используя эти результаты вместе с формулой. (7) мы прогнозируем критическую шкалу времени гомеостаза для различных значений и и сравниваем ее с результатами, которые мы получаем, как и раньше, при прямом моделировании сети пиков. Рисунок 4A показывает, что зависимость от скорости обучения замечательно фиксируется моделью среднего поля. Четвертая степень зависимости от фоновой скорости всплеска хорошо описана для (Рисунок 4 B), но теория не работает для меньших значений, когда мы начинаем наблюдать синхронные события в активности популяции, которые вводят корреляции, которые не учитываются в среднеполевой подход.На рисунке 4C мы изображаем типичные времена жизни (то есть время, когда моделирование пиков прекращено, потому что они либо показывают потенцирование убегания, либо достигается максимальное моделированное время) в зависимости от. Рисунок хорошо иллюстрирует, что критическая постоянная времени совпадает с резким переходом времени жизни, наблюдаемым в сети с пиками.

При выполнении дополнительных симуляций с меньшей скоростью обучения (в отличие от) мы наблюдаем, что сеть иногда дестабилизируется для значений меньше, чем, но только после 22 часов активности (см. Рисунок S1).Мы обнаружили, однако, что этой «поздней» нестабильности можно избежать либо инициализацией весов EE с помощью весовой матрицы, полученной в результате стабильного прогона (at), либо путем уменьшения максимально допустимого синаптического веса (). Поскольку эти изменения не влияют на «раннюю» нестабильность (), «поздняя» нестабильность, по-видимому, имеет другое происхождение и может быть связана со спонтанным возникновением структуры в сети.

Здесь мы сосредотачиваемся на «ранней» нестабильности, которая наблюдается во всех симуляциях, которые не соответствуют аналитическому критерию, после менее чем одного часа биологического времени, и поэтому накладывает серьезные ограничения на стабильность.Более того, теория способна количественно подтвердить временные рамки, полученные в результате моделирования сети пиков, и позволяет нам увидеть детальную зависимость параметров. В частности, для фоновой частоты 3 Гц и скорости обучения мы находим критический временной масштаб (симуляции:, модель среднего поля:).

Таким образом, наша модель среднего поля, обсуждаемая здесь, делает точные количественные прогнозы относительно стабильности большой модели импульсной сети с пластиковыми синапсами для данной временной шкалы гомеостаза.Кроме того, он дает полезную информацию о зависимостях параметров, получение которых требует больших вычислительных затрат при сканировании параметров при моделировании сетей с пиками. Наша теория подтверждает, что метапластический триплет STDP с биологической скоростью обучения должен согласовываться с гомеостатическим механизмом, который действует в масштабе времени от секунд до минут. В следующих разделах мы покажем, что описанная здесь структура среднего поля может быть легко распространена на другие формы гомеостаза.

Снижение веса

Индукция синаптической пластичности — это только первый шаг к формированию долговременной памяти.В отсутствие нейромодуляторов, необходимых для консолидации ранних LTP в поздние LTP, эти модификации, как было обнаружено, затухают с постоянной времени [40]. Чтобы изучить влияние медленного синаптического распада на стабильность фонового состояния, мы сосредотачиваемся на ранней фазе пластичности. В частности, мы пренебрегаем консолидацией в модели и вводим член медленного распада (8), где мы уже заменили правило STDP его правилом, основанным на эквивалентной скорости (см. [30] и Методы, уравнение (17)), в то время как влияние член распада может быть записан одинаково в модели, основанной на скорости, и в модели STDP.Обратите внимание, что для мы восстанавливаем модель, изученную на рисунках 1–4. Мы снова определяем критическую шкалу времени гомеостаза в численном моделировании сети пиков путем систематического изменения для различных значений. Мы также обнаружили, что медленное уменьшение веса приводит к стабилизации синаптических весов в унимодальном распределении (рис. 5 A и B), которое принципиально отличается от того, что мы наблюдали для случая отсутствия распада. Однако критическая постоянная времени гомеостаза лишь незначительно больше, чем в случае отсутствия распада (рис. 5 C).

Чтобы оценить влияние распада на критическую шкалу времени, метод среднего поля, как он был выведен выше, может быть адаптирован для учета постоянного синаптического распада (методы). При условии, что постоянная времени затухания достаточно велика, мы находим критическую постоянную времени равной (9), что хорошо согласуется с результатами прямого моделирования (рис. 5 C). Из уравнения. (9) мы можем дополнительно подтвердить, что член затухания вызывает только небольшой положительный сдвиг критической постоянной времени, как это также наблюдалось в сети всплесков.Кроме того, мы видим, что уровень увольнения населения стабилизируется до значений, более близких к фактическому целевому уровню (рис. 5 D), чем это имело место в сценарии без распада.

Таким образом, добавления медленного спада синаптического веса к модели пластичности достаточно, чтобы вызвать существенное изменение устойчивого распределения веса в сети. Тем не менее, этот медленный процесс не влияет на потребность в быстром гомеостатическом механизме.

Синаптическое масштабирование

Чтобы проверить, ограничиваются ли предыдущие открытия нашим конкретным выбором метапластического гомеостатического механизма, или они также значимы в случае синаптического масштабирования [21], мы теперь адаптируем модель van Rossum et al.[35] и объедините его с триплетным STDP (10), где скорость LTD фиксируется в триплетном члене (см. Уравнение (17)), а синаптическое масштабирование является единственной формой гомеостаза. Одним из важных отличий от предыдущей метапластической модели STDP является добавление постоянной времени масштабирования, которая управляет шкалой времени синаптического масштабирования. В метапластической модели, которую мы проанализировали выше, эта постоянная времени неявна, поскольку она такая же, как и постоянная пластичности (). В отличие от исходной модели синаптического масштабирования ([35]) здесь мы решили избегать дополнительных нестабильных фиксированных точек на фазовой плоскости (рис. 6 D).

Имея это в виду, мы переходим к линеаризации системы вокруг фиксированной точки фоновой активности (Методы). Мы обнаружили, что собственные значения линеаризованной системы качественно имеют ту же форму, что и для правила пластичности с гомеостатически модулированной LTD (рис. 6 A). Фактически, для разумных значений условие устойчивости точно такое же: (см. Уравнение (7)). Однако в случае синаптического масштабирования Ур. (7) представляет собой необходимое, но не достаточное условие устойчивости.При слишком больших значениях устойчивость теряется также в случае (Рисунок 6 B). С другой стороны, неограниченное уменьшение приводит к колебаниям без какого-либо дальнейшего влияния на стабильность (см. Методы и [35]).

Чтобы сравнить эти результаты с эквивалентным правилом STDP, мы выполняем численное моделирование с полной сетью пиков, в которой мы устанавливаем и выбираем порядок (). Путем систематического изменения (рис. 6 C) мы определяем, что критическое значение меньше прогнозируемого (), но в пределах того же порядка величины (рис. 6 A, C).И наоборот, когда мы начинаем с фиксированной фиксации, мы определяем, что критическое значение должно быть в том же порядке, что и (рисунок 6 B). В конце стабильного прогона моделирования () мы обнаруживаем, что синаптические веса сформировали унимодальное распределение (Рисунок 6 E), ожидаемое поведение синаптического масштабирования [35].

Таким образом, мы показали здесь, что детектор с высокой скоростью необходим для получения быстрых гомеостатических ответов, чтобы гарантировать стабильную динамику сети также в случае синаптического масштабирования. Хотя количественное согласие между моделью среднего поля и моделированием полного выброса менее точное, чем в случае с метапластической моделью, описанной выше, обе модели подтверждают, что детектор скорости должен действовать во временной шкале от секунд до минут.Кроме того, постоянная времени масштабного члена должна быть сравнима с временной шкалой пластичности (), иначе стабильность будет нарушена, если выбран слишком большой (и возникнут колебания, если выбран слишком маленький).

Обсуждение

В этой статье мы показали, что реалистичное аддитивное триплетное правило STDP [30] может поддерживать стабильное фоновое состояние в сбалансированных сетях при условии наличия гомеостатического механизма с детектором высокой скорости, который действует в масштабе времени от секунд до минут.Мы подтвердили этот результат в общей двумерной модели среднего поля, в которой стабильность фонового состояния интерпретируется как линейная устойчивость ненулевой фиксированной точки системы, для которой временная шкала гомеостатического детектора скорости играет роль параметр бифуркации. Эти результаты являются общими, т.е. не зависят от деталей модели. В частности, мы показали, что аналогичные результаты получены для триплетного STDP с формой метапластического гомеостаза, где гомеостаз был реализован как модуляция скорости LTD или, альтернативно, в сочетании с синаптическим масштабированием.Формализм среднего поля дает точные количественные предсказания для метапластического триплета STDP. Хотя в случае триплетного STDP в сочетании с синаптическим масштабированием соответствие модели среднего поля и прямого моделирования было менее точным, оба поддерживают идею о том, что для стабильности требуется детектор с высокой скоростью. Для случая синаптического масштабирования мы дополнительно обнаружили, что гомеостатические изменения должны осуществляться в масштабе времени, сравнимом с масштабом самой пластичности (), что быстро по сравнению с большинством гомеостатических механизмов, описанных в экспериментальной литературе, но согласуется с более ранними исследованиями моделирования. которые использовали быстрый гомеостаз [13], [16] — [19], [35].

Гомеостаз и пластичность

Тот факт, что обучению по Хеббу нужно противопоставить какой-то компенсаторный механизм, давно известен [13] — [16], и такие механизмы действительно были обнаружены [20], [36], [41]. Далее мы кратко рассмотрим различные типы гомеостаза, влияющие на синаптические веса, и их отношение к тому, что было использовано в настоящем исследовании.

Гомеостаз можно разделить на две основные категории. Мы называем модели «гомеостазом веса», если они пытаются нормализовать все афферентные веса в клетке [13].Такие модели подвергались критике за то, что они нелокальны [15], то есть они требуют пространственного усреднения по синапсам в масштабе всей клетки, что может быть достигнуто только правдоподобным образом, если все синаптические веса распадаются с глобальной скоростью, модулируемой общей афферентной синаптической силой. [16]. Чтобы избежать этого, были предложены модели «скоростного гомеостаза» [15], которые стремятся поддерживать определенную скорость постсинаптического возбуждения. Этот подход, который мы выбрали в настоящей работе, получил больше экспериментальной поддержки [28], [29]. В отличие от пространственной фильтрации, описанной выше, этот механизм требует временной фильтрации постсинаптической скорости в заданном временном окне (представленном в этом исследовании).Далее мы можем различать два основных типа гомеостаза. Гомеостатический механизм может воздействовать на синаптические веса напрямую (например, синаптическое масштабирование) или косвенно через метапластичность [20], изменяя параметры модели пластичности с течением времени. Первая, прямая форма гомеостаза допускает синаптические изменения даже при отсутствии активности, как это видно в экспериментах с синаптическим масштабированием [21] на временной шкале в несколько дней. Это контрастирует с теоретическими моделями, которые применяют масштабирование путем алгоритмического обеспечения нормализации веса [13], [18] на шкале времени одного или нескольких временных шагов моделирования.

В нашем исследовании мы рассмотрели оба подхода. В метапластической триплетной модели STDP гомеостаз проявляется как сдвиг порога пластичности между LTD и LTP [19], [30], [42], [43]. Это достигается за счет модуляции скорости индукции LTD с использованием среднего временного значения постсинаптических скоростей возбуждения в течение заданного временного окна (). Как мы показали, это среднее значение должно очень быстро следовать за спайковой активностью нейронов, а это означает, что параметры пластичности изменяются в короткие сроки, что сопоставимо с продолжительностью многих стандартных протоколов STDP [26].Таким образом, мы прогнозируем, что если биологические цепи полагаются на такой метапластический гомеостатический механизм, изменения веса для клеток, которые молчат до индукции пластичности, будут другими, чем для клеток, которые были праймированы постсинаптическим возбуждением (в течение длительного периода до протокола индукции). На рисунке 7A мы демонстрируем эту идею в модели метапластического триплета STDP () для типичного протокола индукции LTD (75 пар при 5 Гц со смещением пика -10 мс). На Фигуре 7В показаны относительные различия между экспериментами с праймированием и без праймирования в зависимости от продолжительности праймирования или частоты праймирования соответственно.Поскольку это правило пластичности реализует гомеостаз как изменение скорости обучения LTD, зависящее от активности, количество LTD резко меняется, в то время как на LTP не влияет праймирование. Однако мы ожидаем, что основные результаты нашего анализа среднего поля также справедливы для случаев, когда LTP затронут, до тех пор, пока чистое изменение синаптического веса уменьшается с интенсивностью прайминга. В любом случае функциональная форма зависимости позволяет нам делать выводы о порядке величины и показателя степени присутствия в (см.Уравнение 18). Напротив, если бы гомеостаз был опосредован исключительно синаптическим масштабированием, мы могли бы ожидать, что он проявляется как гетеросинаптический эффект. Его влияние, однако, вероятно, будет меньше, чем в случае метапластического триплета STDP, потому что синаптическое масштабирование не имеет явной зависимости от пресинаптической скорости срабатывания.

Поскольку стабильность должна быть относительно короткой, также стоит рассмотреть крайний случай, когда она находится в масштабе времени в несколько сотен миллисекунд. В этом случае правило обучения можно интерпретировать как четверное правило STDP, объединяющее триплетный член для LTP (например,грамм. post-pre-post) с четырехкратным термином для LTD (например, post-post-post-pre). Хотя такой выбор имел бы смысл с точки зрения стабильности, такое поведение не наблюдается в экспериментах [26].

Влияние дизайна модели

Временные рамки синаптической пластичности и постоянные времени большинства гомеостатических механизмов, о которых сообщалось в экспериментах, очень сильно различаются. В то время как пластичность может вызывать существенные синаптические изменения менее чем за одну минуту [24] — [26], гомеостатические ответы обычно различаются на несколько порядков (часов или дней) [29], [37].В этой статье мы показали, что даже если гомеостатические изменения проявляются относительно медленно, они должны контролироваться детектором с высокой скоростью, иначе триплетный STDP несовместим с низкой фоновой активностью, наблюдаемой в корковых цепях. Мы утверждаем, что это утверждение, вероятно, не будет ограничиваться нашей конкретной моделью, а скорее применимо ко всему семейству существующих моделей пластичности.

Основными строительными блоками нашего исследования были сетевая модель и правило гомеостатической пластичности. Мы использовали общую сбалансированную сетевую модель [7], [10], [44] — [46], чтобы имитировать импульсную активность мозга в повторяющейся нейронной сети.Ясно, что конкретный выбор сетевой модели действительно влияет на наши результаты в количественном отношении, и абсолютные прогнозы потребуют более точной и подробной сетевой модели. Тем не менее, мы ожидаем, что гомеостаз будет иметь аналогичные временные рамки и в более детальных моделях. Действительно, до тех пор, пока усиление возбуждающих синапсов приводит к увеличению частоты возбуждения без значительного изменения корреляций, качественные предсказания модели среднего поля остаются в силе. Однако наши симуляции были ограничены примерно 1000 повторяющимися входами на нейрон, что предположительно меньше, чем то, что получают реальные корковые нейроны [31], так что возбуждающее бегство могло нарастать даже быстрее в реальных сетях, чем в наших симуляциях.

Вторым строительным блоком нашей модели было правило пластичности. Здесь мы выбрали триплетный STDP [30] в качестве модели пластичности, которая количественно отражает большое количество экспериментов [24], [26]. Одной из ключевых особенностей этой модели, которая наблюдается в ряде исследований пластичности in vitro, является тот факт, что она дает LTP для высоких скоростей постсинаптического возбуждения. Появление критической временной шкалы для гомеостаза в основном коренится в этом факте и в значительной степени ослаблено для парного STDP, будь то аддитивный или мультипликативный [12].Однако такие модели не захватывают экспериментальные данные так же хорошо, как триплетный STDP.

С моделями, которые мы проанализировали, а именно с метапластическим триплетом STDP и триплетным STDP с синаптическим масштабированием, мы объединили реалистичное правило обучения STDP с двумя совершенно разными, но обычно используемыми синаптическими гомеостатическими механизмами [15], [18], [19], [ 30], [35], [38], [42], [43], [47], [48]. Тот факт, что мы смогли показать в обоих случаях, используя либо общую модель среднего поля, либо численное моделирование больших сбалансированных сетей, что для стабильности необходим высокоскоростной детектор, предполагает, что эти результаты являются довольно общими.Аргумент дополнительно подкрепляется тем фактом, что существующие вычислительные модели, демонстрирующие стабильную фоновую активность в пластиковых рекуррентных сетевых моделях, либо используют форму мультипликативного STDP, который может быть внутренне стабильным [12], но с плохим сохранением памяти [12], [34], или полагаться на быстрый гомеостатический механизм [18], [43]. Фактически, одно из первых исследований, которое иллюстрирует стабильное обучение в больших рекуррентных сетях в сочетании с длительным временем сохранения памяти [43], представляет собой модель метапластичности, построенную на основе триплетной модели [30].Для описания эффектов, наблюдаемых в экспериментах по праймингу [41], [49], [50], авторы вводят два плавающих порога пластичности, которые модулируют скорость LTP и LTD в зависимости от нейрональной активности, отфильтрованной нижними частотами. Эль-Бустани и его коллеги получают постоянные времени за этими фильтрами, подгоняя свою модель к экспериментальным данным. Поразительно и согласуется с тем, что мы здесь сообщаем, что найденные ими временные рамки составляют порядка 1 с [43].

Мы пришли к выводу, что современные модели пластичности, которые хорошо фиксируют экспериментальные данные, требуют, чтобы гомеостаз мог быстро реагировать, чтобы поддерживать стабильное фоновое состояние.Точно так же, если нет быстрого гомеостатического контроля, в большинстве современных моделей пластичности, вероятно, отсутствует ключевой ингредиент, который делает корковые цепи стабильными.

Экспериментальные доказательства

Метапластическое правило STDP триплетов, которое мы использовали, использует гомеостатически модулированную скорость LTD и может быть отображено на BCM-подобное правило обучения [30], [38]. Теория BCM основывается на правиле пластичности с порогом скольжения по всему нейрону [15], [51]. Кажется, есть некоторое экспериментальное основание для этой идеи [52], [53], и это интригует, что сообщаемые эффекты имеют порядок 30 минут или меньше, что указывает на относительно быстрый механизм.Мы должны также отметить, что аргументы, которые привели нас к критической шкале времени гомеостаза, не ограничиваются скользящим порогом для всего нейрона. Фактически, уравнения среднего поля для глобального или локального синаптического скользящего порога или даже уравнения, основанного на локальных дендритных компартментах, идентичны. Поэтому аргументы, которые мы выдвигаем, справедливы и для последних случаев, которые имеют экспериментальное подтверждение посредством экспериментов по праймингу [41], [49], [50]. Эксперименты по праймингу подчеркивают изменения в индукции пластичности, которая зависит от синаптической активности в течение примерно 30 минут.

С помощью синаптического масштабирования мы изучили другую возможность введения гомеостаза в триплетную модель STDP. Гомеостатическое масштабирование синапсов имеет хорошее экспериментальное подтверждение [21], [29], [37]. Хотя это обычно связано с большими временными шкалами (порядком дней), известны также более быстрые формы масштабирования [54] — [56], некоторые из которых действительно действуют на уровне минут [57]. Дальнейшее моделирование необходимо для проверки способности этих быстрых форм гомеостаза гарантировать стабильность в повторяющихся сетях.

Наконец, следует отметить, что критическая шкала времени детектора скорости сильно зависит от частоты срабатывания фонового состояния (см. Уравнение (7) и методы). Таким образом, низкая частота воспламенения, о которой сообщается экспериментально [58] — [60], потенциально необходима для гарантии стабильности сети. И наоборот, ячейки или подсети с более высокими средними скоростями активации должны иметь более низкие скорости обучения, чтобы быть стабильными.

Ограничения

Несмотря на то, что формализм среднего поля является радикальным упрощением исходной модели пиков, результаты, которые мы смогли получить из него, оказались на удивление точными в случае метапластического триплетного STDP и в два раза меньше в случае триплетного STDP с синаптическим масштабирование.Во всех случаях наши прогнозы среднего поля завышают критическую шкалу времени, полученную в результате моделирования. У этого несоответствия есть несколько потенциальных причин. Во-первых, в модели среднего поля мы полностью исключаем наличие шума, флуктуаций и корреляций. То, что эти факторы действительно играют роль, следует из наблюдения, что сеть пиков стабилизируется не на целевом уровне, а на более высоких значениях (см. Рисунок 2 E). Хотя корреляции в состоянии ИИ невелики, в среднем они положительны [9].Когда мы оценивали, мы явно игнорировали корреляции и требовали, чтобы LTD и LTP отменялись с высокой скоростью. Добавление корреляций заставляет эту отмену происходить с несколько более высокой скоростью, что снижает эффективную критическую постоянную времени. При формулировке правила STDP мы делаем упрощающее предположение, что синаптические следы являются точной оценкой частоты постсинаптических импульсов. Действительно, можно показать, что колебания, которые присутствуют в показателях, смещают правило обучения в сторону LTP (см. Текст S1).Наконец, любое отклонение активности популяции от целевого значения, начальное или спонтанное, можно рассматривать как возмущения вокруг фиксированной точки фоновой активности в модели среднего поля. Это может поставить под угрозу стабильность, когда область притяжения мала, как в случае, когда она близка к критической (рис. 3 D). Опять же, такие возмущения смещают критическое значение для сети пиков в сторону более низких значений. Все вышеизложенное касается упрощений, сделанных при переходе от модели пиков к модели среднего поля.

Что еще более важно, сама модель пиков уже представляет собой резкое упрощение биологической реальности. Например, мы не включили адаптацию скорости возбуждения нейронов или синаптическую краткосрочную пластичность (STP) в настоящую модель. Временные рамки, связанные с адаптацией скорости возбуждения, обычно короткие (порядка 100 мс), и поэтому их влияние незначительно при низких скоростях возбуждения фоновой активности [61], [62]. Хотя постоянные времени после STP могут быть больше, их стабилизирующий эффект несколько менее очевиден, поскольку они могут облегчить и угнетать [63].Хотя мы не ожидаем, что STP окажет сильное влияние на наши основные результаты, было бы интересно проверить это в будущих исследованиях.

Все наши настоящие исследования ограничивались спонтанной фоновой активностью. В более реалистичном сценарии мы ожидаем, что сеть получит внешний ввод с пространственно-временными корреляциями. Такой ввод обычно вызывает изменение синаптических весов, что в модели среднего поля соответствует возмущению динамического состояния сети вокруг стабильной фиксированной точки.Если возмущение покидает систему в зоне притяжения фоновой активности, равновесие со временем восстанавливается. Однако если возмущение велико или возмущения быстро утихают и начинают накапливаться, система теряет устойчивость, как только ее динамическое состояние достигает сепаратрисы (см. Рис. 3 C, D).

Другая возможность, о которой стоит упомянуть, — это регуляция гомеостаза посредством ингибирующей синаптической пластичности (ISP) [64] — [68]. Недавние теоретические исследования [69] — [71] предполагают, что ISP может создавать по сути стабильную систему обратной связи.Хотя мы не можем исключить ISP как важный фактор гомеостаза сети, мы исключили его в текущем исследовании. Вероятно, что для стабилизации хеббовской пластичности в возбуждающих синапсах ISP должен действовать в сопоставимой временной шкале [72], и будет интересно интегрировать будущие экспериментальные данные в аналогичную структуру, представленную здесь.

Заключение

Таким образом, гомеостатические механизмы необходимы для стабилизации фоновой активности в сетевых моделях, подверженных хеббовской пластичности.Гомеостаз должен реагировать быстрее, чем это наблюдается экспериментально. Это поднимает важный вопрос о том, как фоновая активность мозга может быть стабильной. Наши результаты предполагают, что существование быстрого гомеостатического механизма может быть одним из возможных ответов. Однако для этого потребуется, чтобы этот механизм действовал в том же масштабе, что и большинство протоколов индукции STDP. Тогда возникает вопрос, почему этого до сих пор не наблюдали. Подходящие протоколы пластичности для обнаружения такого механизма должны быть аналогичны экспериментам по праймированию [41], [49], но в масштабе времени 1 мин (рис. 7).Другая возможность состоит в том, что уровень пластичности в конце концов не является постоянным, а подвержен некоторым нейромодуляторным изменениям [73]. Это возможно, поскольку нельзя исключить, что условия в препаратах срезов, подобные тем, которые используются для получения параметров триплетного STDP [26], отличаются от условий in vivo. Наконец, быстрые формы ISP также могут сыграть роль в стабильности сети.

Независимо от того, через ISP или дополнительные, доселе невиданные возбуждающие гомеостатические эффекты, изменение существующих моделей гомеостаза и пластичности кажется неизбежным для достижения стабильности в моделях пластиковых сетей, делая их биологически правдоподобными.

Методы

Для изучения стабильности в повторяющихся сетях с пластиковыми пиками мы смоделировали сети интегрирующих и запускающих нейронов с синапсами на основе проводимости (рис. 1 A). Размер сети был выбран достаточно большим, чтобы обеспечить асинхронное нерегулярное (AI) фоновое состояние с низкими пиковыми корреляциями, но все же достаточно маленьким, чтобы обеспечить возможность моделирования в течение длительных периодов биологического времени.

Сетевая модель

Все блоки (20000 возбуждающих и 5000 тормозных блоков, подробности см. В Таблице 2) подключены случайным образом с разреженной связностью 5%.Вдобавок каждая возбуждающая клетка получает внешний вход от пуассоновского пула 2500 независимых процессов с частотой 2 Гц, которые связаны с вероятностью 5%. Соответствующие значения синаптического веса суммированы в таблице 2. Из-за высокой повторяемости (в среднем 1000 из 1125 соединений находятся внутри сети) средняя частота активации и сетевая активность чувствительны к небольшим изменениям повторяющейся силы синапсов. Путем соответствующего выбора возбуждающих весов () сеть изначально настраивается на сбалансированное состояние с активностью ИИ при средней активности популяции примерно 3 Гц.

Пластичность модель

Мы моделируем синаптическую пластичность после триплетной модели STDP из [30], используя минимальный набор параметров, соответствующий данным зрительной коры in vitro [26]. Пластичность влияет только на повторяющиеся связи EE. Обновления веса действуют аддитивно на элементы матрицы и задаются формулой (17), где — небольшое положительное число и, и — синаптические следы нейрона, определенные как с соответствующими постоянными времени, и соответственно (см. Таблицу 3 и [30]). Поскольку исходная модель триплета описывает относительные синаптические изменения, вес обновляется в уравнении.(17) масштабируются по коэффициенту, где — начальный синаптический вес и является дополнительным параметром, который можно интерпретировать как скорость обучения или коэффициент преобразования между весовыми шкалами модели и истинной биологической шкалой. В модели мы аппроксимируем биологическую шкалу, выбирая правдоподобные значения для (см. Рис. 1 B), и поэтому ожидаем, что они будут порядка единицы. Для синапса с начальным весом значение соответствует скорости обучения, которая наилучшим образом соответствует данным зрительной коры головного мозга [30].Однако, поскольку небольшие значения являются дорогостоящими в вычислительном отношении, мы использовали рисунок 2, чтобы гарантировать, что стабильное распределение веса может наблюдаться в течение дня моделирования биологического времени (времени вычислений). Обратите внимание, что мы ожидаем сопоставимой степени сходимости после 6,25 дней моделирования времени (примерно четыре недели вычислений). При продолжающейся пластике допустимые значения веса ограничиваются интервалом. Обратите внимание, что во избежание создания новых синапсов соединения, которые изначально имеют нулевой вес, остаются отсутствующими () на протяжении всей симуляции.

В симуляциях с метапластическим триплетом STDP величина долговременной синаптической депрессии (LTD) гомеостатически варьируется как функция скользящего среднего частоты постсинаптической активации [15], [19], [30], [38] с (18 Этот выбор гарантирует, что для некоррелированного пуассоновского срабатывания со скоростью LTP и LTD отменяются в среднем. Скользящее среднее значение частоты срабатывания нейрона реализовано как версия его последовательности импульсов с фильтром нижних частот (19), где — шкала времени, которая контролирует временную эволюцию (см.Уравнение (18)).

При моделировании, требующем дополнительного медленного уменьшения веса весов, мы аппроксимируем это экспоненциальное уменьшение, чтобы избежать дорогостоящей операции обновления всех весов после каждого временного шага, путем периодического (периода) умножения всех весов на коэффициент. Наконец, моделирование синаптического масштабирования выполняется с использованием фиксированного значения. Масштабирование весов аппроксимируется тем же подходом, что и для уменьшения веса. В таких случаях адаптируется соответствующим образом в соответствии с возникающей постоянной времени масштабирования.

Численное моделирование

Все дифференциальные уравнения были интегрированы с использованием прямого интегрирования Эйлера с шагом по времени 0,1 мс. Моделирование пиков было написано на C ++ с использованием библиотек Open MPI и Boost. Исходники были скомпилированы с использованием компилятора GNU C. Моделирование проводилось на 5 рабочих станциях Linux, оснащенных процессорами Intel (R) Core ™ 2 Duo E8400 и 24 ГБ оперативной памяти каждая. Чтобы смоделировать один день биологического времени, потребовалось примерно четыре с половиной дня.

Численные результаты для анализа фазовой плоскости, такие как положение сепаратрисы, были получены путем численного интегрирования ОДУ модели среднего поля с использованием специально написанного кода Python.

Оптимальное пороговое значение индекса инсулинорезистентности для оценки модели гомеостаза (HOMA) в популяции пациентов, поступивших выборочно в португальское кардиологическое отделение | Timóteo

Оптимальное пороговое значение для оценки модели гомеостаза (HOMA) Индекс инсулинорезистентности в популяции пациентов, поступивших выборочно в кардиологическое отделение Португалии

Абстрактные

Введение: Инсулинорезистентность — это патофизиологический ключ к объяснению метаболического синдрома.Несмотря на очевидную полезность, индекс оценки модели гомеостаза (измерение инсулинорезистентности) систематически не применялся в клинической практике. Одна из основных причин — несоответствие пороговых значений, представленных в разных популяциях. Мы стремились оценить в португальской популяции идеальный порог для индекса оценки модели гомеостаза и оценить его связь с метаболическим синдромом.
Материалы и методы: Мы выбрали когорту пациентов, поступивших в кардиологическое отделение в плановом порядке с ИМТ <25 кг / м2 и отсутствием нарушений метаболизма глюкозы (уровень глюкозы в плазме натощак <100 мг / дл и без диабета).90-й процентиль распределения индекса оценки модели гомеостаза использовался для получения идеального порогового значения для инсулинорезистентности. Мы также выбрали валидационную когорту из 300 человек (критерии исключения не применялись).
Результатов: Из 7 000 особей и после критериев исключения осталось 1 784 особи. 90-й процентиль индекса оценки модели гомеостаза составил 2,33. В когорте валидации, применяющей этот порог, у нас есть 49,3% людей с инсулинорезистентностью.Однако только 69,9% пациентов с метаболическим синдромом имели инсулинорезистентность согласно этому пороговому значению. Согласно анализу кривой ROC, идеальное пороговое значение для метаболического синдрома составляет 2,41. Индекс оценки модели гомеостаза коррелировал с ИМТ (r = 0,371, p <0,001) и является независимым предиктором наличия метаболического синдрома (OR 19,4, 95% ДИ 6,6–57,2, p <0,001).
Обсуждение: Наше исследование показало, что в португальской популяции пациентов, поступивших выборочно в кардиологическое отделение, 2.