Температурная рецепция 1 Постоянство внутренней среды

Температурная рецепция 1

Постоянство внутренней среды – есть условие свободной жизни Два способа сохранения постоянства внутренней среды живого организма 1. Биохимическое подчинение колебаниям окружающей среды, адаптация посредством ускользания (эволюционно более древний). 2. Сопротивление колебаниям окружающей среды, господство методов выравнивания с привлечением не только биохимии, но и нервной системы (эволюционно более поздний). 2

Поддержание температурного гомеостаза Получение тепла Теплоотдача Тепловое излучение, 60% Получение тепла извне Испарение (пот), 22%, 1 -3 л/час Теплопродукция: 1. сократительный термогенез Конвекция, 15% 2. несократительный термогенез Кондукция 37°С Тепловой баланс 3

A Spinal cord and dorsal root ganglion Dorsal horn Low-threshold mechanorecep tor B Skin Temperature and pain receptors Afferent (sensory ) Propriocepto rs Merkel cells Meissner’s corpuscle Pacinial corpusc le Epidermi Hair-root Hair follicle plexus Free Ruffin’s nerve endinds ending s s Dermis Efferen t (motor ) Ventral horn Терморецепторы кожи (холодовые и тепловые) – свободные нервные окончания нейронов заднекорешковых ганглиев Affere nt fibres Skeletal muscle Efferent fibres 4

Рецептивные окончания с митохондриями Базальные эпидермальные клетки Аксон Капилляры Швановские клетки Капилляры Фиброциты Коллагеновые волокна Миелиновая оболочка 10 m (Hensel, 1973) 5

Частота разрядов терморецепторов кожи Статическая импульсная активность терморецепторов в зависимости от температуры 1 5 1 0 Тепловые рецепторы Холодовые рецепторы 5 20 45 25 30 35 40 Температура кожи, ºС Чувствительность терморецепторов кожи 0. 005 ºС 6

Динамическая реакция холодового рецептора кожи in vitro imp/sec 6 4 2 °C 40 20 200 400 600 800 1000 sec Нервно-кожный препарат (кожа мошонки крыс) в перфузируемом физиологическом растворе Kozyreva, Pierau, 1999 7

Реакция терморецепторов на изменение температуры 38º Температура кожи (ºС) 32º Холодовой рецептор Тепловой рецептор 5 с Козырева Т. В. 2006 8

Величина динамической реакции зависит от скорости изменения температуры Исходная температура Охлаждение (скачок температуры) 34ºС 10ºС 8ºС 6ºС Скачок температуры 4ºС 2ºС 0ºС Секунды Активность холодового рецептора при кратковременном ступенчатом снижении температуры. Начальная и конечная температура для всех записей 34ºС. Перепады температуры указаны справа в градусах Цельсия. 9

Пиковая величина динамической активности зависит от скорости охлаждения, тогда как интегральная величина активности зависит от исходной температуры Rate –meter record to show representative dynamic responses of one neuron. A, responses to cooling by 5 ºC. The lengths of thermal ramps are shown by the filled triangles. Receptive field was on the lower eyelid. Initial adapting temperatures are shown on the right. Ordinate scales^ impulses/sec. (Davies et al. , 1983) 10

Общие свойства терморецепторов кожи v Терморецепторы подразделяются на холодовые и тепловые. v Терморецепторы имеют статическую активность в определенном диапазоне температур. v Терморецепторы имеют динамическую активность, реакция на быстрое изменение температуры. Наличие такой специфической динамической активности у терморецепторов служит критерием их подразделения на тепловые и холодовые рецепторы. v Быстрое изменение температуры в одном направлении вызывает у холодовых и тепловых рецепторов противоположные реакции. Охлаждение с большой скоростью вызывает кратковременное возбуждение у холодовых рецепторов и торможение у тепловых. Быстрое согревание приводит к резкому возбуждению тепловых и торможению холодовых рецепторов. v Зависимость статической и динамической активности от температуры у терморецепторов имеет форму колокола. 11

Как проявляются свойства терморецепторов в ощущениях и физиологических реакциях? 12

Скорость изменения температуры, ºС 13 Порог холодовой чувствительности Порог тепловой чувствительности

Констрикторная реакция кожных сосудов – снижение теплоотдачи Пороговая температуры, ºС Холодовой термогенез – повышение потребления кислорода Скорость изменения температуры, ºС/сек Козырева, Верхогляд, 1989 14

Медленное охлаждение Присутствие динамической активности холодовых рецепторов кожи может значительно изменить модулирующий эффект охлаждения на иммунный ответ

Влияние скорости и глубины охлаждения на иммунный ответ – количество антигенсвязывающих клеток 0. 05˚С/сек 0. 005˚С/сек 16

Забор крови ∆T рект 0, 5 мл 0 °С Перед охлаждением 0, 5 мл - 0. 5 °С Неглубокое охлаждение 0, 5 мл - 3 °С Глубокое охлаждение Концентрация катехоламинов до охлаждения Норадреналин Адреналин Kozyreva et al. , Am. J. Physiol. , 1997)

Быстрое охлаждение . Появление дополнительной срочной 1 фазы метаболической реакции Уменьшение латентного периода термозащитных реакций. Уменьшение температурного порога холодозащитных реакций Медленное охлаждение

Гемостаз при глубоком охлаждении Быстрое охлаждение Медленное охлаждение Снижение образования тромбов, гипокоагуляция Повышение образования тромбов Снижение активности фибринолитической системы Лычева Н. А. , Киселев В. И. , Шахматов И. И. , Вдовин В. М. Фундаментальные исследования. – 2014.

Slow cooling 300 Corticosterone Rosette forming cells, % Rapid cooling 200 300 * * ** ** 200 ** ** 100 * * 0 0 Decrease in skin Decrese in rectal temperature, °C temperature , °C * ** 100 ** Control 0 8 12 12 16 16 0 0 1 1 2 2 3 3 4 l 4 8 коррелирует с изменениями иммунного ответа на антиген 0 4 Изменение содержания кортикостерона в крови при охлаждении не всегда Изменение содержания коррелирует с изменениями кортикостерона в крови при иммунного ответавсегда охлаждении не на антиген 4 Antigen Козырева Т. В. 2006 20

Эффект быстрого неглубокого охлаждения, предъявляемого в разные сроки развития иммунного ответа, на антигенсвязывание и антителообразование 5 дней антиген 5 дней * 250 % 200 * 150 антиген 100 50 0 РОК сел АОК ГА 5 дней антиген 21

Неглубокое охлаждение Быстрое охлаждение Катехоламины 1+ + Констрикция кожных Глубокое охлаждение Сократительный термогенез кровеносных сосудов Несократительный термогенез 2+ Стимуляция антигенсвязывания в селезенке антителообразования 1– – – в селезенке Угнетение антигенсвязывания антителообразования в селезенке Kozyreva T. V. et al. , 2000; 2004; Козырева и др. , 2003; 2008 22

• Температурный афферентный сигнал изменяет работу различных физиологических систем, даже тех, которые не вовлечены напрямую в поддержания температуры тела. • Характер афферентного сигнала (присутствие или отсутствие динамической активности терморецепторов) четко отражается в работе различных физиологических систем.

Могут ли изменяться параметры активности терморецепторов? 24

Частота импульсации холодовых рецепторов кожи, имп/сек Адаптация организма к холоду Контрольные Адаптированные к холоду После длительной адаптации организма к холоду динамическая активность большей части холодовых рецепторов кожи значительно снижается 25

2) уменьшение количества функционирующих холодовых рецепторов, обеспечивающих восприятие низких температур; 3) повышение порогов холодовых ощущений и холодозащитных эффекторных реакций Активность рецепторов, имп/сек 1) снижение динамической и статической активности высокочастотных холодовых рецепторов кожи; Количество рецепторов, % Адаптация организма к холоду вызывает: Контрольные Адаптированные к холоду Температура максимальной статической активности рецепторов, ºС 26

Порог температуры кожи, ºС Порог снижения ректальной температуры, ºС Контроль Как проявляются адаптивные изменения терморецепторов? Адаптация к холоду Скорость охлаждения, ºС/сек Контроль Адаптация к холоду Температурные пороги метаболической реакции (общее потребление кислорода) в ответ на охлаждение смещаются в сторону более низких температур и в меньшей степени зависят от скорости охлаждения. 27

Поток афферентной информации от периферических термочувствительных нейронов А = f (Tº, d. Tº/dt) * N ( , S) A – поток афферентной информации f – импульсная активность N – количество функционирующих рецепторов Tº – абсолютная температура d. Tº/dt – скорость изменения температуры – плотность расположения рецепторов S – площадь раздражения 28

Распределение холодовых и тепловых точек кожи человека Участок кожи Количество точек на 1 см 2 холодовые тепловые Лоб 5 -8 - Нос 8 -13 1 Губы 16 -19 - Щеки 8 -9 1. 7 Грудь 9 -10 0. 3 Живот 8 -12 - Спина 7 -8 - Плечо 5 -6 - Предплечье 6 -7 0. 3 -0. 4 Тыл кисти 7 -8 0. 5 Ладонь 1 -5 0. 4 Палец, тыльная сторона 7 -9 1. 7 Палец, ладонная сторона 2 -4 1. 6 Бедро 4 -5 0. 4 Голень 4 -6 - Тыл стопы 5 -6 - Подошва стопы 3 -4 - (Rein, 1894) 29

Как проявляется изменение количества активных терморецепторов в чувствительности и физиологических реакциях? 30

Количество чувствительных точек, % Адаптированные к физической нагрузке Контроль 100% Адаптированные к жаре Холодовые точки Тепловые точки Адаптированные к холоду Козырева, Якименко, 1978, 1984 Kozyreva, 2006 31

Количество холодовых точек Температура среды, оценивающаяся как «холодно» , ºС Чувствительность человека к холоду коррелирует с количеством холодовых точек на предплечье Контрольные Адаптированные к холоду Адаптация человека к низким температурам снижает чувствительность к холоду Количество холодовых точек на предплечье 32

Длительная адаптация к холоду Охлаждение предплечья При охлаждении изменение параметров дыхания зависит от количества функционирующих холодовых рецепторов кожи в области приложения холода. Длительная адаптация к холоду приводит к снижению количества холодовых рецепторов, уменьшению минутного объема дыхания и повышению утилизации кислорода из вдыхаемого воздуха Козырева, Симонова, 1998 33

Внутренние области тела ( «ядра» ) Температуры разных участков тела различаются 37ºC 36ºC 32ºC 28ºC 34ºC 31ºC При 20ºC При 35ºC Зависимость температуры тела человека от внешней температуры 34

Термочувствительные кожные афференты разной локализации различаются по следующим характеристикам. v температурный диапазон функционирования; v температура максимальной статической и динамической активности (область наибольшей термочувствительности); v частота импульсации; v количество функционирующих афферетов на единицу площади. v соотношение тепло- и холодочувствительных афферентов. 35

Каков вклад рецепторов разной локализации в формирование физиологических реакций? 36

Изменения параметров дыхания формируются по-разному в зависимости от локализации охлаждения и зависят от исходных (индивидуальных) параметров дыхания при охлаждении одной и той же области кожи. Охлаждение предплечья Охлаждение кисти Охлаждение стопы Тахипноики Брадипноики 37

% к исходному 30 20 10 0 -10 -20 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 Изменения спирометрических параметров дыхания формируются по-разному в зависимости от локализации охлаждения Охлаждение предплечья (ХТ=46) * ** * * ** ЖЕЛ ФЖЕЛ ОФВ 1 ПОС Проба Тиффно Охлаждение кисти % к исходному МОС 25 МОС 50 МОС 75 (ХТ=32) * * ЖЕЛ * ФЖЕЛ ОФВ 1 ПОС Проба Тиффно Охлаждение стопы 30 20 10 0 -10 -20 * * * ЖЕЛ ФЖЕЛ ОФВ 1 ПОС Проба Тиффно МОС 25 МОС 50 (ХТ=25) МОС 25 МОС 50 МОС 75 ** МОС 75 38

Каковы механизмы изменения чувствительности терморецепторов? Проявление модуляции активности терморецепторов биологически активными веществами в физиологических реакциях 39

1) повышение активности низкочастотных кожных холодовых рецепторов; imp/s Повышение концентрации НА вызывает: Oxygen consumption ml/min · kg снижение порогов холодозащитных реакций, . Skin temperature ºC 2) imp/s Receptor Activity NА – 10 ng/g · min 1 min 40

Повышение концентрации НА вызывает: 1) снижение статической и динамической активности высокочастотных холодовых рецепторов кожи; 2) уменьшение количества функционирующих холодовых рецепторов, обеспечивающих восприятие низких температур. Количество холодовых точек НА Правое предплечье Левое предплечье НА НА Холодовые точки Kozyreva, 1997 НА Тепловые точки НА Холодовые точки Тепловые точки Ионофорез норадреналина в кожу правого предплечья (4 m. A, 20 мин, 25 см 2) уменьшает количество холодовых точек у человека, не оказывая влияния на тепловые 41

+1 +0. 5 Действие NA на периферические терморецепторы Действие NA на центральные терморецепторы Контроль -0. 5 -1 Длительная адаптация к холоду Повторное охлаждение Смещение температурных порогов метаболической реакции при различных воздействиях на организм 42

Количество холодовых точек Корреляция между концентрацией кальция в крови и количеством холодовых точек на предплечье у человека N=-25. 9+26. 2 PCa r = 0. 62 Концентрация кальция, mmol/l 43

Са(2+) ослабляет угнетающее влияние глубокого охлаждения на антителообразование в селезенке % 250 Антителообразующие клетки селезенки % 250 200 150 100 Антителообразующие клетки * селезенки 100 * * 50 50 0 Thermoneutral Rapid cooling Контроль Slow cooling 0 Thermoneutral Rapid cooling Slow cooling Ca(2+) 44

Brain Skin thermoreceptors External cooling (Sensory fiber) P 2 X-purinoreceptors Sympathetic nervous system NA, ATP, NY TRPM 8 adrenoreceptors Feedback ATP NA P 2 X α NA α-adrenoreceptors Blood vessel contraction β β-adrenoreceptors P 2 X-purinoreceptors Increase in skeletal muscle activity Increase in brown adipose tissue activity Increase in heat effect of muscle contraction Kozyreva, Meyta, 2015

Cortex cerebri Gyrus postcentralis (Область предgлечья и кисти руки) Thalamus Nucleus lateralis ventralis posterior et nucleus posterior Mesencephalon Substancia nigra Lemniscus medialis Pons Formatio reticularis Medulla oblongata Lemniscus medialis Ganglion spinale Tractus spinothalamicus, tractus spinomesencephalicus, tractus spinoreticularis Medulla spinalis Антеролатеральная система 46

Активность нейронов коры, реагирующих на холодовое раздражение кожи Нейроны коры сохраняют закономерности температурных характеристик периферических афферентов. Происходит количественная трансформация периферического сигнала и пространственное суммирование Активность нейронов коры, реагирующих на тепловое раздражение кожи Тепловые рецепторы Холодовые рецепторы В коже Козырева, Иванов, 1975 47

А 1 2 3 Термочувствительные нейроны гипоталамуса 48

Соотношение тепло- и холодочувствительных нейронов в структурах мозга Гипоталамус – 20: 1 Средний мозг – 5: 1 Продолговатый мозг – 2: 1 На периферии значительно преобладают холодочувствительные нервные окончания нейронов спинальных ганглиев 49

Для запуска эффекторных реакций важны центральные и периферические терморецепторы. Для разных реакций может быть разное соотношение вклада этих рецепторов. Запуск полипное у собак происходит: при температуре гипоталамуса +39ºС, если температура внешней среды +35ºС ; при температуре гипоталамуса +41ºС, если температура внешней среды +15ºС ; 50

Можно ли изменить температурную чувствительность центральных нейронов? 51

Адаптация организма к холоду вызывает уменьшение доли нейронов гипоталамуса чувствительных в области низких температур А 1 Б 2 3 Kozyreva, Pierau, 1995 52

Модуляция температурной чувствительности нейронов гипоталамуса норадреналином Повышение концентрации НА приводит к повышению чувствительности нейронов гипоталамуса в области низких температур и снижению ее в области высоких температур. НА При избирательном действии НА на центральные терморецепторы пороги холодозащитных реакций снижаются, что противоположно тем сдвигам, которые наблюдаются при адаптации организма к холоду. Kozyreva, Pierau, 1994 53

54

КАПИЛЛЯР ЛПЛипаза ТГ ХС ЛХАТрансфераза ЛПОНП (ХС+ЛПВП апо. С ЛПОНП апо В ЛПП ЭХС+ТГ Богаты ТГ Образуются в печени ЛПНП ЭХС+апо. В ЛПВП ЭХС 55

Стресс Катехоламины Активация липолиза ТГ ЭХС (присоединение к гидроксильной группе ХС) СЖК (НЭЖК) ФЛ (соединен. с многоатомными спиртами глицерина) Печень Мышцы (другие ткани) (ТГ+ЭХС+апо. В+апо. С) ЛПОНП Окисление СЖК Ацил-Ко-А Цикл трикарбоновых кислот СО 2 + Н 2 О 56

1 -адреноблокатор (верапамил) Влияние адреноблокаторов на антителообразование в селезенке при быстром охлаждении разной глубины 2 -адреноблокатор (йохимбин) -адреноблокатор (обзидан) 57

Ректальная Электрическая Температура активность мышц охлаждаемой температура, ºС шеи, мкв поверхности кожи, ºС 0 0 500 1000 Время, сек 1500 Температура Ректальная Электрическая охлаждаемой температура, ºС активность мышц поверхности кожи, шеи, мкв ºС 1500 0 0 500 1000 1500 Время, сек 1500 2000 Время, сек 2000 58 Температура кожи уха, ºС Потребление кислорода, мл/мин·кг

Рецепторы (нервная система) Сознание (центральная нервная система) Норадреналин и др. (гормональная система) ? ? IL-6 и др. (цитокины) ? Экспрессия генов Набор функционирующих генов ? ? Генотип, полиморфизм генов 59

Контроль 60

Зависимость интенсивности потребления кислорода от массы живого организма Человек потребляет в день еды % от массы тела. Землеройка потребляет в день еды 100 -150% от массы тела. 61

62

ВЛИЯНИЕ ЙОХИМБИНА ( 2 -АДРЕНОБЛОЛКАТОРА) НА ИМУННЫЙ ОТВЕТ КЛЕТОК СЕЛЕЗЕНКИ РОЗЕТКООБРАЗУЮЩИЕ КЛЕТКИ АТИТЕЛОООБРАЗУЮЩИЕ КЛЕТКИ КОНТРОЛЬ ИОНОФОРЕЗ ЙОХИМБИНА 63

ВЛИЯНИЕ ВЕРОПАМИЛА ( 1 -АДРЕНОБЛОЛКАТОРА) НА ИМУННЫЙ ОТВЕТ КЛЕТОК СЕЛЕЗЕНКИ РОЗЕТКООБРАЗУЮЩИЕ КЛЕТКИ АНТИТЕЛООБРАЗУЮЩИЕ КЛЕТКИ КОНТРОЛЬ ИОНОФОРЕЗ ВЕРОПАМИЛА 64

3 Продолговатый мозг 4 Спинной мозг 5 2 6 4 4 Расширение капилляров 1 Рецептор 7 Потоотделение Повышение температуры тела 1 – кожа; 2 – афферентные пути; 3 – центры в гипоталамусе; 4 – эфферентные пути; 5 – ганглий; 6 – кровеносные капилляры; 7 – потовые железы. 65

Кора 4 3 3 Гормоны 1 Продолговатый мозг 5 Спинной мозг 5 5 5 6 1 – терморецепторы кожи; 2 – кровеносный капилляр; 3 – афферентные пути; 4 – центр терморегуляции в гипоталамусе; 5 – эфферентные пути; 6 – органы интенсивной теплопродукции (мышцы, печень, желудок и кишечник). 66

67