Регуляция температуры тела / Regulation of Body Temperature (часть 4 из 6).

Регуляция температуры тела

The Regulation of Body Temperature

Биологическую терморегуляцию целесообразно описывать с помощью терминов теории систем, разработанной для технических систем управления.

Чтобы осуществлять постоянно контроль за тепловым режимом управляемой системы, необходимы датчики.

Выходные сигналы с датчиков передаются на центральный контроллер, где происходит обработка температурной информации и откуда посылаются сигналы для контроля и управления одним или более эффекторами (исполнительными звеньями).

Выходные сигналы от эффекторов должны вызывать противодействие изменениям температуры, связанным с внешними или внутренними возмущениями.

Если подобный принцип выполняется, система представляет собой цикл с отрицательной обратной связью (рис. 9).

Теперь перейдем к рассмотрению отдельных компонентов системы.

Biological thermoregulation can usefully be de­scribed with the terminology used in systems theory for technical control systems.

Sensors are required for continuous monitoring of the ther­mal state of the controlled system.

 

Their outputs are transmitted to a central controller, where the thermal information is processed and from which signals are sent out to control the operation of one or more effectors.

 

The outputs from the effec­tors must be such as to counteract temperature changes caused by external or internal distur­bances;

 

if this is accomplished, the system is a closed loop with negative feedback (Fig. 9).

 

Let us now consider the components of the sys­tem individually.

Рис. 9. Блок-схема терморегуляции.

В систему входят две группы детекторов, соответствующих кожным и внутренним терморецепторам организма

Fig. 9. Block diagram of thermoregulation.

The system has two groups of detectors, corresponding in the organism to the cutaneous and the internal thermosensors

Выходные функции эффекторов при терморегуляции

Effector Outputs in Thermoregulation

К выходным функциям эффекторов относятся: выработка тепла, изменение теплоизолирующих свойств тканей и выделение пота. Все эти функции контролирует преимущественно нервная система; только при долгосрочной адаптации в регуляции этих функций начинают участвовать также гормональные процессы.

В терморегуляции участвуют две нейронные системы:

1) соматомоторная и

2) симпатическая (рис. 10).

Формы терморегуляторного поведения, такие, как обмахивание веером или утепление либо облегчение одежды, также могут быть отнесены к категории функций эффекторов.

The effector outputs — heat production, tissue in­sulation and sweat secretion — are predominantly under neural control; only in long-term adapta­tion do hormonal processes play a role.

 

 

Two neu­ral systems participate in thermoregulation:

(i) the somatomotor system, and

(ii) the sympathetic system (Fig. 10).

 

Thermoregulatory behavior such as fanning oneself and adding or remov­ing clothing can also be included in the effector category.

Регуляция термогенеза. Дрожь индуцируется и поддерживается с помощью двигательной системы.

Так называемый центральный дрожательный путь, проходящий каудально от заднего гипоталамуса, связывает центральную терморегуляторную область с ядрами двигательной системы, расположенными в среднем и продолговатом мозгу.

На механизм возникновения дрожи можно также повлиять фармакологическим способом, воздействуя препаратом кураре или другими миорелаксантами на нервно-мышечную концевую пластинку.

Control of thermogenesis. Shivering is induced and sustained by way of the mo­tor system.

The so-called central shivering pathway, which runs caudad from the posterior hypothalamus, links the central thermoregulatory areas with the mesen­cephalic and rhombencephalic nuclei of the mo­tor system.

 

Shivering can also be influenced phar­macologically by the action of curare and other muscle relaxants on the neuromuscular end plate.

Недрожательный термогенез регулируется с помощью симпатической нервной системы.

Когда симпатическая активность подавлена ганглиоблокирующими препаратами или, точнее, препаратами, блокирующими адренергические β-рецепторы, действие недрожательного механизма, вырабатывающего тепло, прекращается.

Норадреналин, высвобождаемый нервными окончаниями, стимулирует выделение свободных жирных кислот из жировых капель, окруженных митохондриями, а также последующее окисление жирных кислот.

Nonshivering thermogenesis is controlled by way of the sympathetic nervous system.

When sympathetic activity is suppressed by ganglion-blocking drugs or, more specifically, by drugs that block the adrenergic β-receptors, nonshivering heat production ceases.

The noradrenalin released at the nerve endings stimulates the release of free fatty acids from lipid droplets surrounded by mitochondria, as well as the subsequent oxidation of the fatty acids.

Регуляция теплоотдачи. Терморегуляторные эффекты, связанные с кровотоком, могут быть различными в зависимости от части тела.

Можно выделить по меньшей мере три функционально различающиеся области:

1) акральные области (пальцы, кисти рук, ушные раковины, губы, нос);

2) туловище и проксимальные части конечностей и

3) голова и лоб.

Control of heat loss. The thermoregulatory effects on blood flow differ, depending on the part of the body involved.

At least three functionally different regions can be distinguished:

(i) the acral areas (fingers, hands, ears, lips, nose),

 

(ii) the trunk and proximal parts of the limbs, and

 

(iii) the head and forehead.

Рис. 10. Схема нервного контроля терморегуляторных эффекторных элементов

Fig. 10. Schematic illustration of the neural control of thermoregula­tory effector elements

Кровоснабжение акральных зон контролируется норадренергическими симпатическими нервами: увеличение симпатического тонуса вызывает сужение кровеносных сосудов, а его снижение — расширение сосудов.

На диаметр артериовенозных анастамозов в дистальных частях конечностей симпатическая активность влияет так же, как и на диаметр артериол.

Когда артериовенозные анастамозы открыты, кровь протекает через конечности, и в этом случае теплоотдача путем конвекции значительно усиливается.

Устранение симпатической активности приводит к почти максимальному расширению кровеносных сосудов в акральных областях.

В туловище и проксимальных частях максимальное увеличение кровотока, вызванное обогревом, оказывается значительно более сильным, чем после блокады симпатической системы.

Этот факт позволяет предположить, что существуют специфические сосудорасширяющие нервные волокна, выделяющие из своих окончаний медиатор (предположительно ацетилхолин), который угнетает сокращения мышц в стенках кровеносных сосудов.

С другой стороны, сосудорасширяющее действие приписывали ферменту, выделяемому в пот и катализирующему образование вазоактивного медиатора (брадикинина).

В пользу этой точки зрения говорят данные о том, что расширение сосудов, вызванное внешним обогревом, протекает в две фазы.

Наступление второй фазы приблизительно совпадает по времени с началом потоотделения; первая фаза соответствует расширению сосудов в акральной области, и поэтому предполагается, что она наступает в результате уменьшения тонуса симпатической нервной системы.

Связь второй фазы расширения сосудов с потоотделением подтверждается отсутствием активного сосудорасширения у людей с врожденным отсутствием потовых желез.

Однако до сих пор еще неясно, действует ли в качестве медиатора брадикинин или какое-либо другое вещество.

Acral perfusion is controlled by noradrenergic sympathetic nerves; an increase in sympathetic tone leads to vasoconstriction and a decrease, to vasodilation.

 

The diameter of the arteriove­nous anastomoses in the distal parts of the limbs is affected by sympathetic activity in the same way as that of the arterioles.

 

When the arteri­ovenous anastomoses open, blood flow through the extremities, and thus the convective trans­fer of heat, is markedly increased.

 

Elimination of sympathetic activity produces nearly maximal dilation of the acral vessels.

In the trunk and the proximal parts of the limbs the maximal perfu­sion increase induced by heat is far greater than that following blocking of the sympathetic system.

 

This fact suggests the existence of specific vasodilator nerves, fibers that release from their endings a transmitter (presumably acetylcholine) that inhibits contraction of the muscles in the vessel walls.

 

On the other hand, vasodilation has been ascribed to an enzyme secreted in sweat, which catalyzes the formation of a vasoac­tive mediator (bradykinin).

This view is consis­tent with the observation that the vasodilation initiated by external warming has two distinct phases.

 

The second phase occurs at nearly the same time as the onset of sweating; the first phase coincides with the acral vasodilation and is therefore thought to result from the decrease in sympathetic tone.

 

Coupling of the second phase of vasodilation to sweat secretion is confirmed by the absence of active vasodilation in people who congenitally lack sweat glands.

However, it is not yet clear whether bradykinin or another substance acts as mediator.

Процесс потоотделения у человека регулируется с помощью холинергических симпатических волокон и в связи с этим может быть выключен атропином.

Выделение пота индуцируют ацетилхолин, пилокарпин и другие парасимпатомиметические вещества.

В определенных условиях (например, при сильном психическом напряжении) сужение кровеносных сосудов в коже кистей рук и стоп может сопровождаться выделением пота на поверхности ладоней и стоп.

С точки зрения терморегуляции это парадоксальная реакция — случай эмоционального, а не теплового потоотделения.

The secretion of sweat in humans is controlled exclusively by cholinergic sympathetic fibers, and can thus be inhibited by atropine.

Sweat se­cretion is initiated by acetylcholine, pilocarpine and other parasympathomimetics.

 

Under cer­tain circumstances (extreme psychological ten­sion, for example) cutaneous vasoconstriction in the hands and feet can be associated with the secretion of sweat on the palmar and plantar surfaces.

 

From the viewpoint of thermoregula­tion this is a paradoxical response — a case of emotional rather than thermal sweating.

Прямое влияние температуры на эффекторные процессы.

Кровеносные сосуды непосредственно реагируют на изменения температуры; это свойство, не зависящее от сигнала со стороны нервной системы, продемонстрировано в экспериментах на изолированных сегментах сосудов.

Одна характерная реакция, называемая холодовым расширением сосудов, по-видимому, в значительной степени обусловлена этой локальной термочувствительностью мышечных стенок сосудов.

Direct actions of temperature upon effector pro­cesses.

Blood vessels respond directly to temper­ature changes; this property, which is indepen­dent of neural control, has been demonstrated by experiments on isolated segments of vessels.

 

One peculiar reaction, called cold vasodilation, seems to be based to a great extent on this local thermosensitivity of the vessel musculature.

Холодовое расширение сосудов — это обычная реакция.

Когда человек попадает на сильный холод, у него вначале происходит максимальное сужение сосудов, что проявляется в бледности и ощущении холода и часто сопровождается болевыми ощущениями в акральных областях.

Однако через некоторое время кровь внезапно устремляется в сосуды охлажденных частей тела, что сопровождается покраснением и согреванием кожи.

Если воздействие холода продолжается, указанная последовательность событий периодически повторяется.

Cold dilation is a commonly observed phe­nomenon.

 

When one is exposed to intense cold the first result is maximal vasoconstriction, rec­ognizable by the paleness and cold sensation (often combined with pain) in the acral regions.

 

But after a while blood suddenly spurts into the vessels here, reddening and warming the skin.

 

If the exposure to cold is prolonged this sequence is repeated periodically.

Считается, что холодовое расширение сосудов служит защитным механизмом предотвращения поражений тканей (обморожения и некрозов), связанных с недостаточностью кровоснабжения.

Однако из опыта известно, что при сильном морозе значительные локальные поражения возникают несмотря на расширение сосудов, а защитное действие холодового расширения сосудов проявляется только у людей, адаптированных к холоду.

Вместе с тем этот механизм может ускорить летальный исход общего переохлаждения у тех, кто оказался за бортом судна и вынужден находиться в холодной воде в течение продолжительного времени.

Cold dilation has been regarded as a protective mechanism to prevent injury due to extended inadequate perfusion of the tissues, chilblain and tissue necroses.

But experience shows that if the cold is sufficient to cause frostbite, severe local damage occurs despite the vasodilation; cold dilation has a protective action only in people adapted to cold.

 

 

On the other hand, it can lethally accelerate the overall cooling of people who have fallen overboard and must float for a long time in cold water.

Терморецепция

 Thermoreception

Кожные холодовые и тепловые рецепторы, ответственные также за температурные ощущения составляют одну из групп рецепторов, выполняющих роль детекторов в цепи терморегуляции (рис. 9).

Уже давно было высказано предположение о существовании еще и внутренних терморецепторов, и впоследствии этому было получено убедительное экспериментальное подтверждение.

Например, локальное нагревание или охлаждение небольшого определенного участка переднего гипоталамуса вызывает усиление как теплоотдачи, так и термогенеза.

Методом регистрации электрической активности одиночных нервных волокон были идентифицированы температурочувствительные структуры — «тепловые нейроны«, в которых при локальном нагревании увеличивается частота разрядов (рис. 11).

На рисунке показано, что усиление активности этих нейронов предшествует запуску противодействующего нагреванию механизма (увеличение частоты дыхания).

The cutaneous cold and warm receptors, which also mediate the sensation of temperature, are one of the receptor groups that act as detectors in the temperature-control circuit (Fig. 9).

It was proposed long ago that there are also internal thermosensors, and considerable experimental evidence of their existence has accumulated.

For example, local heating or cooling of a narrowly circumscribed part of the anterior hypothalamus elicits both en­hanced heat loss and increased thermogenesis.

By electrical recording from single fibers temperature-sensitive structures have been iden­tified — primarily “warm neurons”, the discharge rate of which increases during local heating.

As illustrated in Fig. 11, the increased discharge of these neurons is associated with activation of a mechanism to counteract heating (increased respiratory rate).

 

Рис. 11. Синхронная регистрация частоты разрядов «теплового нейрона» в преоптической области гипоталамуса (А) и частоты дыхания (Б) при изменении температуры гипоталамуса с помощью вживленного теплового зонда

Fig. 11. Synchronous recording of the discharge rate of a “warm neuron” in the preoptic region of the hypothalamus (A) and of respiratory rate (B) as the temperature of the hypothalamus is varied by an implanted thermal probe.

Исследования, проведенные in vitro на переживающих срезах гипоталамуса и клеточных культурах, позволили ответить на вопрос о том, чем обусловлена гипоталамическая термочувствительность — наличием отдельных температурочувствительных ганглиозных клеток или зависимостью синаптической передачи между афферентными и эфферентными нейронами от температуры.

После блокады синаптической передачи растворами электролитов с низким содержанием Ca2+ и высоким — Mg2+ исследуемые структуры оставались чувствительными к термическим стимулам, что свидетельствует о существовании термо чувствительных клеток.

В опытах как in vivo, так и in vitro было показано, что преоптическая область и передний гипоталамус содержат не только теплочувствительные клетки (Q10 > 1), но и нечувствительные к температуре нейроны (Q10=1), а также холодочувствительные клетки (Q10<0,5), причем последних значительно меньше, чем теплочувствительных.

В культурах ткани медиобазальной части гипоталамуса истинно термочувствительных клеток не было обнаружено.

Это согласуется с данными, полученными in vivo, о том, что термочувствительные структуры в заднем гипоталамусе встречаются очень редко.

In vitro studies of hypothalamic slices and of cell cultures have been informative with regard to the question whether hypothalamic thermosensitivity is tied to individual thermosensitive ganglion cells or is based on the temperature dependence of synaptic transmission be­tween afferent and efferent neurons.

 

 

After synaptic trans­mission had been blocked by electrolyte solutions with a low Ca2+ content and high Mg2+ content, the structures in question remained sensitive to thermal stimuli, which implies the existence of thermosensitive cells.

 

In both the in vivo and the in vitro experiments, the preoptic region and anterior hypothalamus were found to contain not only warm-sensitive cells (Q10 > 1) but also thermoinsensitive cells (Q10 = 1) and cold-sensitive cells (Q10 < 0.5), the latter being less numerous than the warm- sensitive cells.

 

No typical thermosensitive cells were found in cultures of mediobasal hypothalamic tissue.

 

This result is consistent with the very infrequent findings of thermosensitive structures in the posterior hypothalamus in vivo.

Термочувствительные структуры были обнаружены также в нижней части ствола головного мозга (среднем и продолговатом мозгу); локальное нагревание этих областей могло вызывать терморегуляторные реакции.

Однако термочувствительность в этих отделах мозга была значительно ниже, чем в преоптической области и переднем гипоталамусе.

В то же время спинной мозг исключительно термочувствителен.

У собак и других животных при повышении температуры спинного мозга по всей его длине лишь на несколько десятых долей градуса наблюдается одышка, расширение кровеносных сосудов и угнетение термогенеза.

Охлаждение спинного мозга вызывает дрожь, но для этого требуется значительное изменение температуры.

Thermosensitive structures have also been dem­onstrated in the lower brainstem (midbrain and medulla oblongata), and thermoregulatory reactions can be initiated by local warming of these areas.

 

However, the thermosensitivity here is dis­tinctly less than in the preoptic region and ante­rior hypothalamus.

On the other hand, the spinal cord is extremely thermosensitive.

 

When the temperature of the spinal cord is raised only a few tenths of a degree along its entire length, in dogs and other animals, the result is panting, vasodilation and inhibition of thermogenesis.

 

Cooling of the spinal cord elicits shivering, but in this case a greater temperature change is required.

У морской свинки для запуска терморегуляторных реакций достаточно локального изменения температуры в области шейного отдела спинного мозга.

Чтобы достоверно сравнивать термочувствительного спинного мозга и переднего гипоталамуса, необходимо подвергать раздражению температурочувствительные области одинаковых размеров; но работ, в которых было бы осуществлено локальное изменение температуры спинного мозга, пока не имеется.

По этой же причине ничего не известно о локализации и морфологии структур, обусловливающих термочувствительность спинного мозга.

In the guinea pig, a local temperature change in the re­gion of the cervical cord suffices to trigger thermoregula­tory reactions.

 

For a rigorous comparison of spinal thermosensitivity with that of the anterior hypothalamus, thermosensitive areas of equal size would have to be stimulated, but no sufficiently small-scale studies of the spinal cord are yet available.

 

For this reason, too, nothing is known about the locations and morphology of the struc­tures mediating spinal thermosensitivity.

Результаты расчетов указывают на существование температурочувствительных структур вне центральной нервной системы и кожи.

Экспериментально установлено наличие термосенсоров в дорсальной стенке брюшной полости и в мускулатуре.

Кроме того, нельзя исключать возможности присутствия термосенсоров в других частях тела; недавно получены данные, свидетельствующие о наличии подкожных термосенсоров.

Quantitative considerations suggest the existence of thermoreceptive structures outside the CNS and the skin.

There is experimental evidence of thermosensors in the region of the dorsal wall of the abdominal cavity and in the musculature.

Furthermore, thermosensors at still other sites cannot be ruled out; there are recent indications of subcutaneous thermosensors.

Можно допустить, что распределение терморецептивных структур в организме коррелирует со сложной картиной температурных градиентов.

Такой подход позволит выяснить нейрофизиологическую основу чрезвычайно сложной системы регуляции, обеспечивающей температурный режим организма в целом (многоканальная система).

Простые системы регуляции наподобие той, что действуют в обычном бытовом кондиционере, имеют только один температурный датчик, расположенный в одном участке системы.

При такой организации могут возникать значительные пространственные и временные температурные градиенты.

The distribution of thermoreceptive structures throughout the body may be regarded as a correlate of the body’s complicated temperature gradients.

 

Such com­prehensive sampling would provide the neurophysiological prerequisites for an extremely elaborate control system that takes into account the thermal state of the organ­ism as a whole (multiple input system).

Primitive control systems, like those in simple domestic air conditioners, usually have only one temperature sensor, at a single po­sition in the system.

In such cases considerable spatial and temporal temperature gradients can develop.

Интегративные процессы и структуры центральной нервной системы, ответственные за терморегуляцию

 Integrative Processes and Central Nervous Structures for Thermoregulation

Согласно основным положениям теории систем, на которой основано наше описание механизмов терморегуляции, должны существовать некие элементы, «перерабатывающие» температурную информацию от рецепторов и преобразующие эти входные эффекторные сигналы (см. рис. 9 и 10).

The fundamental system-theoretical concepts on which our description of thermoregulation is based demand that there be some elements to “process” the thermal information originating at the receptors, and to transform these inputs from the sensors into effector outputs (cf. Figs. 9 and 10).

Переработка информации в гипоталамусе.

Имеется много экспериментальных данных в пользу того, что гипоталамус — особенно задняя гипоталамическая область, не обладающая сколько-нибудь заметной термочувствительностью (см. выше) — служит интегративным центром терморегуляции.

 

Об этом свидетельствуют и электрофизиологические данные.

Например, в задней гипоталамической области имеются нейроны, активность (частота разрядов) которых изменяется под влиянием локального термического раздражения преоптической области или шейно-грудного отдела спинного мозга.

На границе между передним и задним гипоталамусом обнаружены нейроны, реагирующие на изменения температуры кожи в различных областях конечностей и туловища.

Следовательно, задний гипоталамус характеризуется наличием термореагирующих клеток (т.е. клеток, отвечающих на изменения температуры в удаленных структурах, но нечувствительных к изменениям собственной температуры).

Однако строгого пространственного разграничения рецептивной и интегрирующей функций не существует.

 

Клетки преоптической области и переднего гипоталамуса, обнаруживающие термочувствительность, отвечают также на изменения температуры кожи, т.е. одновременно являются термореагирующими.

Information processing in the hypothalamus.

There are many experimental results implicating the hypothalamus — especially the posterior hy­pothalamic area, which has no appreciable thermosensitivity (see above) — as an integration cen­ter for thermoregulation.

 

This interpretation is supported by electrophysiological findings.

For example, there are neurons in the posterior hy­pothalamic area, the activity (discharge rate) of which is influenced by local thermal stimulation in either the preoptic region or the cervicothoracic part of the spinal cord.

At the boundary between the anterior and posterior hy­pothalamus neurons have been found that re­spond to changes in the skin temperature on the limbs and trunk.

The posterior hypothala­mus, therefore, is characterized by the presence of thermoresponsive cells (i.e., cells that respond to changes in the temperature of distant struc­tures but are not sensitive to changes in their own temperature).

However, there is no absolute spatial separation of receptive from integrative functions.

 

In the preoptic region and anterior hypothalamus cells shown to be thermosensitive have also been found to be affected by skin-temperature changes, and hence are simultane­ously thermoresponsive.

Термоафферентные пути.

Предполагается, что сигналы от терморецепторов, локализованных в коже туловища, проводятся в ретикулярную формацию ответвлениями волокон спиноталамического тракта.

Термические сигналы от кожи лица, возможно, достигают гипоталамуса через соответствующие проекции каудального ядра тройничного нерва, хотя наличие такого пути пока не установлено.

Термочувствительные структуры в спинном мозгу связаны с гипоталамусом восходящими трактами в области переднебоковых канатиков.

Проведенные недавно исследования показали, что некоторые из кожных афферентов образуют полисинаптический путь к гипоталамусу через две содержащие ядра области нижнего отдела ствола головного мозга (область, находящаяся под голубым пятном, и ядра шва; рис. 12).

Thermoafferent pathways.

The signals from ther­mosensors in the skin of the trunk are thought to be conducted centrally by reticular branches of the spinothalamic tract.

 

The thermal signals from the facial skin could reach the hypothalamus by correspond­ing projections of the caudal trigeminal nucleus, though such a pathway has not yet been demon­strated.

The thermosensitive structures in the spinal cord are connected to the hypothalamus by ascending tracts in the region of the antero­lateral funiculi.

According to recent investigations, some of the cutaneous afferents follow a polysynaptic route, by way of two nuclear re­gions in the lower brainstem (the subcoeruleus region and the raphe nuclei, Fig. 12), to the hypothalamus.

Рис. 12. Сильно упрощенная модель связей между температурными афферентными путями и эфферентными нейронными сетями, контролирующими терморегуляторные эффекторные элементы.

Затененные участки изображают термоинтегративные области гипоталамуса (главным образом задний гипоталамус) и нижнюю часть ствола головного мозга, которая содержит основные элементы обработки температурной информации, поступающей из кожи (ядра шва — ЯШ, область под голубым пятном — ОПГП).

Тормозные нейроны, обозначенные красным, обеспечивают взаимное угнетение процессов, приводящих либо к потере, либо к выработке тепла.

ХР — холодовые рецепторы. ТР — тепловые рецепторы (размеры символов ориентировочно характеризуют различия в их количестве).

Знак — ◄ обозначает активирующие, а — ⊥ — тормозные синаптические связи.

Обозначения нейронов относятся не к отдельным клеткам, а к их популяциям.

Некоторые детали связей между ОПГП, ЯШ и гипоталамусом, выявленные в работе, не показаны на схеме.

Стрелки, направленные вниз от нижней части ствола мозга, обозначают пути к мотонейронам и клеткам задних рогов спинного мозга; последние могут тормозить приток сигналов от тепловых афферентных путей.

Fig. 12. Highly simplified model of the connections between thermal afferents and the efferent neuronal net­works that control the thermoregulatory effector elements.

 

The shaded areas represent the thermo-integrative regions of the hypothalamus (mainly the posterior hypothalamus) and the lower brainstem, which contains crucial struc­tures for the processing of thermal information from the skin (the raphe nuclei: RN; subcoeruleus region: SC).

 

The inhibitory neurons shown in red mediate the reciprocal in­hibition of the heat-losing and heat-generating processes.

CR: cold receptors; WR: warm receptors (size of the sym­bols indicates roughly the difference in numbers).

— ◄ ac­tivating, — ⊥ inhibitory synaptic connections.

 

The symbols for neurons represent not single neurons but rather neuron pools.

Some details of the connections between SC, RN and hypothalamus are known but are not within the scope of this diagram.

The arrows pointing down from the lower brainstem represent pathways to motoneurons and dorsal-horn neurons in the spinal cord; the latter can suppress input from the warm afferents.

Эфферентные пути.

Одна из эфферентных связей — это центральный путь импульсов, вызывающих дрожь; он начинается в заднем гипоталамусе и ведет в моторные ядра ретикулярной формации.

Как показали исследования, выполненные на крысах, связи, обеспечивающие регуляцию сосудодвигательных реакций, идут через медиальный пучок переднего мозга.

По-видимому, морфологическим субстратом термоинтегративных функций служит задняя часть гипоталамуса.

Efferent pathways.

One efferent connection is provided by the central shivering pathway, which originates in the posterior hypothalamus and leads to the reticular motor nuclei.

 

Connections for vasomotor control, according to studies on the rat, pass through the medial forebrain bundle (medial telencephalic fasciculus).

 

A morphological substrate is therefore available for the thermointegrative functions ascribed to the posterior hypothalamus.

Наиболее четкие свидетельства участия гипоталамуса в терморегуляции были получены в классических экспериментах с перерезкой различных участков мозга.

У кошки при перерезке ствола головного мозга в непосредственной близости от гипоталамуса в ростральном направлении терморегуляция нарушается, тогда как после перерезки кпереди от среднего мозга животные начинают реагировать на температурные раздражения как пойкилотермные.

Если хирургическое вмешательство выполнено удачно и окружающая температура поддерживается на соответствующем уровне, то такие искусственно смоделированные пойкилотермные животные могут выживать в течение недель и месяцев.

The most clear-cut demonstration of the involve­ment of the hypothalamus in thermoregulation is provided by the classical transection experiments.

 

When the brainstem of a cat is cut immediately rostral to the hypothalamus, thermoregulation is unimpaired, whereas after transection rostral to the mesencephalon the animals behave like poikilotherms.

 

If the surgery is skilfully done and the ambient temperature suitably controlled, such artificially poikilothermic animals can sur­vive for weeks or months.

У крыс некоторая способность к регуляции температуры тела и развитию лихорадочного состояния сохраняется даже после перерезки сразу за промежуточным мозгом.

Нейронная основа терморегуляторных функций стала ясна, хотя и не в деталях, после обнаружения терморецепторных структур в среднем мозгу (см. выше) и синапсов термоафферентных волокон в нижнем отделе ствола головного мозга (рис. 12).

In the rat, a certain ability to regulate body temperature and to develop fever has been shown to persist even after, transection just be­hind the diencephalon.

 

The neuronal basis for this residual function was demonstrated, though not explained in detail, by the finding of thermoreceptive structures in the midbrain (see above) and synapses of thermoafferent fibers in the lower brainstem (Fig. 12).

Реципрокная взаимосвязь между холодовыми и тепловыми афферентными путями.

Наиболее важная отличительная особенность биологической терморегуляции по сравнению с известными простыми техническими системами — это наличие двух видов рецепторов с различной локализацией; речь идет о холодовых и тепловых рецепторах, между которыми существуют антагонистические взаимоотношения.

Более многочисленные и равномернее расположенные кожные холодовые рецепторы активируются, когда температура опускается дальше нижнего предела термонейтральной зоны (ниже Т2 на рис. 4); их активация вызывает процессы, предназначенные для защиты от холода (см. рис. 9 и 10), — сужение сосудов и терморегуляторное усиление выработки тепла.

Этим реакциям оказывают противодействие активируемые теплом внутренние терморецепторы, которые включаются при повышении температуры тела, наступающем вследствие чрезмерного действия механизмов защиты от холода либо при интенсивной физической нагрузке.

Подобная цепь позволяет защитным механизмам очень быстро включаться в действие в случае понижения наружной температуры — задолго до того, как начнет снижаться внутренняя температура тела и смогут среагировать внутренние терморецепторы.

Reciprocal connectivity of cold and warm affer­ents.

 

A special feature of biological thermoreg­ulation, as compared with the familiar simple technical systems, is that two kinds of sensors in different locations, the cold and the warm receptors, interact antagonistically.

 

 

The cutaneous cold receptors, more numerous and more uni­formly distributed than the warm receptors, are activated when the temperature falls below the lower limit of the thermoneutral zone (below T2 in Fig. 4); their activation initiates pro­cesses that protect against cold (see Figs. 9 and 10) — vasoconstriction and thermoregulatory enhancement of heat production.

 

This reaction is counteracted by heat-activated internal thermosensors when the body temperature rises, as a result of overshooting cold protective mechanisms or after exercise.

 

This circuitry enables the protective mechanisms to be set in motion very rapidly in case of external cooling, long be­fore the core temperature has begun to fall and internal thermoreceptors can be influenced.

В условиях теплового стресса, вызванного, например, усиленным термогенезом при интенсивной физической работе, внутренние тепловые рецепторы возбуждаются и запускают процессы, устраняющие излишки тепла (расширение сосудов, потоотделение).

Этому эффекту противодействуют активируемые холодом кожные холодовые рецепторы.

Кожные тепловые рецепторы не могут, очевидно, играть большую роль в инициации теплоотдачи при физической работе, так как возникающие в этом случае выделение и испарение пота вызывают охлаждение кожи до температуры ниже той, что соответствует термонейтральной зоне.

Однако в случае нагревания извне выделение пота происходит за счет совместного действия кожных и внутренних тепловых рецепторов (рис. 12).

In conditions of heat stress, such as arise ow­ing to increased thermogenesis during exercise, the internal warm receptors are excited and trigger heat-elimination processes (vasodilation, sweating).

 

This effect is counteracted by cold- activation of the cutaneous cold receptors.

The cutaneous warm receptors cannot be expected to contribute much to heat-loss initiation dur­ing exercise, because in this situation the secre­tion and evaporation of sweat bring the skin temperature below that corresponding to ther­moneutrality.

 

But when the body is heated externally, sweat secretion is stimulated by the combined action of cutaneous and inter­nal warm receptors (Fig. 12).

Нейронная модель центрального контроллера.

Согласно современным представлениям о функциональной организации гипоталамуса, нейронная основа интегративных терморегуляторных функций выглядит следующим образом (рис.  12).

Существует три вида нейронных элементов:

1) эфферентные нейроны, располагающиеся в гипоталамуса; аксоны этих нейронов активируют периферические контролирующие элементы (рис. 10) либо непосредственно, либо, что более вероятно, через цепочки интернейронов;

2) интернейроны (или вставочные нейроны) внутри гипоталамуса и

3) температурные афференты, часть из которых берет начало от кожных терморецепторов, а часть — от внутренних рецепторов (например, от рецепторов преоптической области).

Холодовые рецепторы непосредственно активируют эффекторы, ответственные за термогенез; их ингибирующее влияние на эффекторы теплоотдачи опосредовано вставочными нейронами.

Возбуждение распространяется от тепловых рецепторов по эфферентным волокнам к эффекторам теплоотдачи, одновременно (также при участии вставочных нейронов) оказывая тормозные влияние на эффекторы теплопродукции.

A neuronal model of the central controller.

Cur­rent concepts of the functional organization of the hypothalamus suggest the fol­lowing picture of the neuronal correlates of inte­grative thermoregulatory functions (Fig. 12).

 

Three kinds of neuronal elements are distin­guished:

(i) efferent neurons located in the hypo­thalamus, the axons of which activate the pe­ripheral controlling elements (Fig. 10) either directly or, more probably, by way of a chain of interneurons,

 

(ii) interneurons within the hypo­thalamus, and

(iii) thermal afferents, arising in part from the cutaneous thermoreceptors and in part from internal receptors (e.g., those of the preoptic region).

 

Cold receptors directly activate the effectors for thermogenesis; their inhibitory action on the efferents to the heat-loss effectors is exerted by way of interneurons.

 

Activation of the warm receptors excites the efferents to the heat-loss effectors, simultaneously (again by way of interneurons) inhibiting the efferents to the effectors for heat production.

Переработка температурной информации.

Между кожной температурой и внутренней температурой тела при обычно встречающихся температурных нагрузках имеются значительные различия.

Если учесть, что термочувствительные структуры, как указывалось ранее, распределены по всему телу, то нельзя ожидать, чтобы деятельность терморегулирующих эффекторов (рис. 10) определялась какой-либо локальной (например, ректальной) температурой.

 

Следовательно, цель термофизиологии состоит в описании терморегулирующих процессов как функции возможно большего набора температур различных термочувствительных участков тела.

Для такого описания требуется система уравнений с несколькими переменными.

Данные должны быть получены в опытах на животных, у которых при помощи термодов и теплообменников вызывают местные температурные изменения. Возможности локального изменения в эксперименте температуры тела у человека при сохранении ее в остальных частях тела на постоянном уровне очень ограниченны, поэтому неизвестно, в какой степени результаты опытов на животных распространяются на человека.

Можно составить лишь приблизительное описание, представив терморегулирующие параметры как функцию двух температур: внутренней температуры тела (измеренной в репрезентативном участке) и средней кожной температуры.

Например, дрожь может быть описана серией кривых в системе координат, где по осям отложены кожная температура и температура внутренних областей тела (рис. 13).

Кривые эквивалентного выделения пота приближаются к линеаризованным.

Кровоток в коже описывается уравнением, сходным с таковым для потоотделения.

Схема, представленная на рис. 13, позволяет количественно оценить различные терморегуляторные реакции.

Рассмотрим наиболее важные из них.

Processing of the thermal information.

Under the thermal loads ordinarily encountered, there can be a considerable difference between the skin temperature and the core temperature.

 

Given that the thermosensitive structures are distributed over the entire body, as dis­cussed above, the thermoregulatory effector out­puts (Fig. 10) cannot be expected to be de­scribed as a function of any local temperature (e.g., the rectal temperature).

 

Thus the goal of thermophysiology is to describe thermoregula­tory actions as a function of as many as possi­ble of the temperatures associated with the vari­ous thermosensitive parts of the body.

Systems of equations with several variables are required for such a description.

The data must be collected by experiments on animals in which spatially circumscribed temperature changes are produced by means of thermodes and heat exchangers; in humans, there is only limited opportunity for experimental manipulation of local temperature while the temperature of the rest of the body is kept constant. Therefore one cannot be cer­tain of the extent to which the results of ani­mal experiments are applicable to humans.

Only an approximate description is possible, in which the thermoregulatory parameters are presented as a function of two temperatures, the temper­ature of the interior of the body (measured at a representative site) and the mean skin tem­perature.

For instance, shivering can be shown as sets of curves in a coordinate system with skin temperature and core temper­ature as the coordinates (Fig. 13).

 

The curves for equivalent sweat secretion are straighter, approaching linearity.

Blood flow through the skin is described by an equation similar to that for sweating.

The diagram (Fig. 13) permits quantitative predictions of numerous thermoreg­ulatory responses.

The most important of these will now be examined.

Рис. 13. График, иллюстрирующий зависимость дрожи и потоотделения от средней кожной температуры и от внутренней температуры тела.

Кружком обозначена температура в термонейтральных условиях.

В количественном отношении схема соответствует только определенному времени суток и определенному состоянии акклиматизации.

Смещению заданного значения, описанного в тексте, будет соответствовать смещение линий в системе координат

Fig. 13. Graph illustrating the dependence of shivering and sweating on the mean skin temperature and the core temperature.

The circle corresponds to the temperature under thermoneutral conditions.

The diagram applies quantitatively only to a particular time of day and a particular state of acclimatization.

The set-point shifts described in the text would be represented by shifting the contour lines in the coordinate system.

Дрожь возникает под действием холода, когда температура кожи снижается и становится ниже нормальной (красный кружок), что показано на схеме стрелкой 1.

Внутренняя температура тела может несколько повышаться вследствие чрезмерной реакции на холод, однако более значительное повышение температуры (например, в период физической нагрузки) будет подавлять реакцию дрожи, вызванную холодом.

 

Если холодовой стресс продолжается, как это бывает при купании в холодной воде, внутренняя температура в конце концов начинает снижаться.

Если затем быстро согреться (например, на жарком солнце), то сначала повысится кожная температура (стрелка 2) до уровня выше порогового для дрожи, так что дрожь прекратится раньше, чем восстановится внутренняя температура.

В случае нагревания извне сначала повышается только температура кожи (стрелка 3) и начинается потоотделение, а внутренняя температура остается близкой к нормальной.

При физической работе (стрелка 4) вначале резко повышается внутренняя температура и начинается потоотделение, а затем в результате испарения пота снижается кожная температура.

Shivering is induced by cold when the skin temperature alone falls below the normal level (circle), as indicated by Arrow 1 in the diagram.

 

The core temperature can actually rise slightly owing to overshooting responses to cold, though more pronounced increases in core temperature (for exam­ple, during exercise) would suppress the shivering triggered by cold.

 

If the cold stress is prolonged, as during swimming in cold water, the core temperature eventually begins to fall.

Subsequent rapid rewarming (by sunbathing in the dunes, perhaps) initially increases the skin temperature (Arrow 2) above the shivering threshold, so that shivering stops be­fore the core temperature has recovered.

External heating at first causes only the skin temperature to rise (Arrow 3); sweating begins while the core temperature is still nearly normal.

 

During work (Arrow 4) sweating begins with the initial sharp rise in internal temperature, and evaporation then lowers the skin temperature.

Таким образом, чтобы в период физической нагрузки пот выделялся с максимальной интенсивностью, внутренняя температура должна подниматься тем выше, чем ниже окружающая (и, следовательно, кожная) температура. For sweat secretion to become maximal during exercise, the core temperature must rise higher, the lower the ambient (and hence the skin) temperature.

Если принимать во внимание только внутреннюю температуру, то можно сделать заключение, что система терморегуляции работает очень неточно и существует большое расхождение между реальным состоянием и заданным значением (так называемая нагрузочная ошибка).

Прежде внутреннюю температуру действительно рассматривали в качестве регулируемой переменной, и указанное расхождение было трудно понять; тогда считали, что при физической работе, как и при лихорадке (см. ниже), возникает сдвиг самого заданного значения, соответствующего стабильной температуре тела.

Однако если терморегуляцию рассматривать как многоканальную систему, а в качестве регулируемой переменной взять взвешенное среднее значение температуры тела, то нет необходимости предполагать сдвиг заданного значения температуры.

С другой стороны, проведенные в последнее время исследования показали, что при физической работе в прямостоячем положении пороговый уровень для реакции сосудорасширения сдвигается в сторону более высокой температуры тела сильнее, чем при физических нагрузках в лежачем положении.

 

Эта задержка реакции сосудорасширения, отражающая, по-видимому, взаимосвязь систем, регулирующих кровяное давление и температуру, увеличивает перепад температуры между внутренними и наружными частями тела и вызывает подъем внутренней температуры.

Вследствие динамической чувствительности кожных терморецепторов быстрые изменения температуры (как при прыжке в холодную воду) вызывают резкие температурные реакции, которые, однако, быстро ослабевают.

Эти динамические реакции способствует уменьшению нагрузочной ошибки.

Considering the core temperature alone, one would conclude that the thermoregu­lation system is not very accurate, that it allows a considerable discrepancy between the actual state and the set point (load error).

 

 

Indeed, the core temperature was once regarded as the controlled variable, and this discrepancy was extremely difficult to understand; it was thought that during work, as in the case of fever, the set point for body temperature was shifted.

 

But when thermoregulation is considered as a system with multiple inputs, with a weighted mean body tem­perature as the controlled variable, a set-point shift appears unnecessary.

 

On the other hand, recent research has shown that during ex­ercise the thresholds for the onset of vasodila­tion during physical work in an erect posture are shifted to higher body temperatures than when the person is in a supine position.

 

This delayed vasodilation, thought to reflect the interlinking of the control systems for blood pressure and for temperature, increases the thermal gradient between core and shell and promotes the elevation of core temperature.

 

Because of the dynamic sensitivity of the cuta­neous thermoreceptors, rapid temper­ature changes (as when one jumps into cold wa­ter) trigger marked thermoregulatory reactions that soon fade away.

 

The dynamic reactions can help to reduce the load error.

В области между пороговыми значениями для потоотделения и дрожи (незакрашенная область на рис. 13) температура полностью регулируется сосудодвигательными и поведенческими механизмами.

Во всех случаях человек старается вести себя так, чтобы оставаться в ограниченной области сосудодвигательного контроля температуры, поскольку потоотделение и дрожь ощущается как дискомфорт.

In the region between the sweating and shivering thresholds (white area in Fig. 13) the tem­perature is controlled entirely by vasomotor and behavioral mechanisms.

Whenever possible peo­ple try to behave in such a way as to remain in the restricted region of vasomotor control, for sweating and shivering feel uncomfortable.

Заданное значение и его подстройка

The Set Point and Its Adjustment

Колебания температуры тела, связанные с суточным и менструальным циклами, а также высокая температура при лихорадочных состояниях рассматриваются как смещение заданного значения.

Однако, используя здесь понятие «заданное значение», мы сталкиваемся  ограничением аналогии между биологическими и техническими системами.

В технике это понятие несет однозначный смысл — значение регулируемой переменной, которая по плану конструктора должна с минимальными возможными отклонениями поддерживаться в системе. Заданное значение системы устанавливают с определенной целью, и, если условия того требуют, его можно сместить.

В случае биологических систем не существует «конструктора», имеющего определенную цель, поэтому данное понятие (если в случае подобных систем оно вообще пригодно) должно быть описано косвенно.

Можно установить набор температур, при которых активируются отдельные процессы терморегуляции (регуляторные усилие термогенеза, выделение пота и т.д.).

Такой анализ позволяет получить семейство пороговых кривых для дрожи и потоотделения (рис. 13).

«Заданное значение» системы можно рассматривать как суммарную стационарную температуру тела, пребывающего в состоянии, когда не действуют ни механизмы выделения излишков тепла, ни механизмы защиты от холода.

Иными словами, «заданное значение» представляет собой функцию пороговых температур для различных регуляторных процессов.

The temperature fluctuations associated with the diurnal and menstrual cycles and the abnormally high temperatures during fever are regarded as shifts of the set point.

 

But when using the term «set point» in this connection we become aware that there is a limit to the analogy between biological and technical systems.

 

To the technologist the term is unambiguous. It denotes precisely the value of the controlled variable that the designer intends to maintain with the smallest possible variation; it is set intentionally, and if circumstances require it can be shifted inten­tionally.

 

In the case of biological systems there is no designer whose “intentions” can be specified, so that the term (if it is not to be discarded as inappropriate to such systems) must be defined indirectly.

 

One can determine the constellation of temperatures at which the individual con­trol processes come into operation (regulatory enhancement of thermogenesis, sweat secretion and so on).

Such analysis provides the threshold curves for shivering and sweat secretion (Fig. 13).

 

The “set point” of the system can be thought of as the integrated steady-state body temperature at which neither the mechanisms for heat elimination nor those for protection against cold are active.

 

In other words, the “set point” is a function of the threshold temperatures for the various control processes.

Рассмотрим возможную нейрофизиологическую основу установления определенного порогового уровня.

Можно предположить, что определенная форма пороговой кривой отражает функциональные характеристики участвующих в процессах терморегуляции холодовых и тепловых рецепторов.

При «нормальной» температуре рецепторы обоих типов могут быть одинаково активны, и их взаимно противоположные влияния в таком случае будут уравновешиваться, при положительном или отрицательном отклонении от заданного значения, связанном с преимущественным поступлением тепловых или холодовых сигналов соответственно, будут активироваться соответствующие регуляторные процессы.

В этом случае «смещение заданного значения» будет связано с изменением функциональных характеристик терморецепторов.

Функциональные характеристики (внутренних) терморецепторов, как было показано, изменяются при экспериментально вызванной лихорадке и под действием прогестерона.

Однако в некоторых других условиях изменения порогового уровня нельзя объяснить (во всяком случае, полностью) изменениями функций рецепторов.

Поэтому было высказано предположение, что некоторые клетки играют роль «референтных» нейронов (нейронов сравнения), сигнал которых не зависит от температуры; когда сигнал такого референтного нейрона вызывает постсинаптическое торможение нейрона, получающего сигнал от терморецепторов, температурный сигнал уменьшается  на определенную величину.

Таким образом, активность референтного нейрона (зависящая от нетемпературных факторов) могла бы служить для поддержания постоянного порогового уровня.

Однако таких референтных нейронов обнаружено не было.

Вместе с тем установлено, что сдвиг температурного порога дрожи при адаптации к холоду связан с типичными изменениями функциональных характеристик нетермочувствительных вставочных нейронов в нижних отделах ствола головного мозга (см. ЯШ и ОПТП на рис. 12).

Область под голубым пятном составляет ту часть норадренергической системы (вентральный норадренергический пучок), которая при активации электричеством инициирует повышение температурного порога дрожи.

Поэтому в настоящее время считается, что пороговый уровень и, следовательно, заданное значение для терморегулирующей системы определяются модифицируемыми свойствами температурочувствительных структур, а также нетермочувствительными вставочными нейронами терморегуляторной системы.

Let us consider the possible neurophysiological basis for the establishment of a threshold curve at a certain level.

One might propose that the particular form of a threshold curve is simply the expression of the functional characteristics of the cold and warm receptors involved.

At the “normal” temperature both types would be equally active, and they would cancel each other out. With a positive or negative deviation from the set point the resulting predominance of warm or cold signals, respectively, would initiate the ap­propriate control processes.

 

 

A “set-point shift” would then be ascribable to a change in the functional characteristics of the thermoreceptors.

 

The functional characteristics of (internal) thermoreceptors have been found to change in experimental fever and under the action of progesterone.

Threshold shifts observed under other condi­tions, however, are not (or not completely) explicable by a change in thermosensor function.

 

Therefore it has been postulated that certain cells act as “reference” neurons, providing a signal independent of the temperature; when the output of a reference neuron produces postsynaptic inhibition of a neuron that receives input from thermore­ceptors, the effect is to subtract a specific amount from the temperature signal.

 

Hence the activity of the reference neuron, which can be altered by non-thermal influences, could serve to fix the threshold.

 

However, no such refer­ence neurons have been found.

 

Moreover, shifting of the threshold for shivering during adaptation to cold has been shown to be associated with typical changes in the functional characteristics of non-thermosensitive in­terneurons in the lower brainstem (see RN and SC, Fig. 12).

 

The SC region is part of a noradrenergic system (ventral noradrenergic bundle) that raises the shivering threshold when activated by electrical stimulation.

 

The current view, therefore, is that the level of the thresh­old and hence the set point of the thermoregulatory system is determined by modifiable properties of thermosensitive structures as well as by non-thermosensitive interneurons within the thermoregulatory system.

Изменение порогового уровня может быть вызвано изменением соотношения концентраций Ca2+/Na+ в мозгу.

Однако еще не установлено, происходят ли в нормальных физиологических условиях настолько сильные изменения соотношения концентраций Ca2+/Na+, чтобы возник указанный эффект.

A change in threshold can also be produced by changing the intercerebral Ca2+/Na+ concentration ratio.

It is not yet certain, however, whether changes in the Ca2+/Na+ ratio as large as are required for this effect ever occur under normal physiological conditions.

По материалам учебника Human Physiology (R. F. Schmidt, G. Thews) и его опубликованного перевода.