Температурная рецепция

1.

Температурная рецепция
1

2.

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

3.

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

4.

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
Effere
nt
(motor
)
Ventral horn
Терморецепторы кожи (холодовые и тепловые) –
свободные нервные окончания нейронов
заднекорешковых ганглиев
Affere
nt
fibres
Skeletal
muscle
Efferent
fibres
4

5.

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

6.

Частота разрядов терморецепторов
кожи
Статическая импульсная активность
терморецепторов в зависимости от температуры
1
5
Тепловые
рецепторы
Холодовые
рецепторы
1
0
5
20
25
45
30
35
40
Температура кожи, ºС
Чувствительность терморецепторов кожи 0.005 ºС
6

7.

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

8.

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

9.

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

10.

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 5ºC. The lengths of the 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

11.

Общие свойства терморецепторов кожи
Терморецепторы подразделяются на холодовые и тепловые.
Терморецепторы имеют статическую активность в определенном диапазоне
температур.
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.
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.
Зависимость статической и динамической активности от температуры у
терморецепторов имеет форму колокола.
11

12.

Как проявляются свойства
терморецепторов в ощущениях и
физиологических реакциях?
12

13.

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

14.

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

15.

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

16.

Влияние скорости и глубины охлаждения на иммунный ответ –
количество антигенсвязывающих клеток
0.05˚С/сек
0.005˚С/сек
16

17.

%
600
500
400
300
Забор крови
*
*
200
∆T рект
0,5 мл
0 °С
Перед охлаждением
0,5 мл
- 0.5 °С
Неглубокое охлаждение
100
NA
A
NA
0
Быстрое
охлаждение
- 3 °С
Медленное
охлаждение
Глубокое охлаждение
%
0,5 мл
A
600
*
500
400
*
*
300
NA
A
Концентрация
катехоламинов
до охлаждения
Концентрация
катехоламинов
до охлаждения
200
Норадреналин
Концентрация
норадреналина
100
Концентрация
адреналина
Адреналин
Kozyreva et al., Am.J.Physiol., 1997)
0
*
NA
A
Быстрое
охлаждение
NA
A
Медленное
охлаждение

18.

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

19.

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.

20.

Rosette
forming cells, %
Corticosterone
Rapid cooling
Slow cooling
300
200
300
*
*
**
**
200
**
**
100
*
*
0
0
Decrease in skin
Decrese in rectal
temperature, °C
temperature , °C
*
**
100
**
Contro
Control
0
0
4
4
8
8
12
12
16
16
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
Antigen
Изменение содержания
кортикостерона в крови при
охлаждении не всегда
Изменение содержания
коррелирует
с изменениями
кортикостерона
в крови при
иммунного
ответа
на антиген
охлаждении
не всегда
коррелирует с изменениями
иммунного ответа на антиген
l
Antigen
Козырева Т.В.202006

21.

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

22.

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

23.

•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.

24.

Могут ли изменяться параметры
активности терморецепторов?
24

25.

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

26.

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
Контрольные
Адаптированные
к холоду
Температура максимальной статической активности рецепторов, ºС
26

27.

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

28.

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

29.

Распределение холодовых и тепловых точек кожи человека
Участок кожи
Количество точек на 1 см2
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

30.

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

31.

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

32.

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

33.

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

34.

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

35.

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

36.

Каков вклад рецепторов разной
локализации в формирование
физиологических реакций?
36

37.

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

38.

% к исходному
% 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
ОФВ1
**
ПОС
Проба
Тиффно
Охлаждение кисти
% к исходному
МОС25 МОС50
МОС75
(ХТ=32)
*
*
ЖЕЛ
*
ФЖЕЛ
ОФВ1
ПОС
Проба
Тиффно
Охлаждение стопы
30
20
10
0
-10
-20
*
*
*
ЖЕЛ
ФЖЕЛ
ОФВ1
ПОС
Проба
Тиффно
МОС25 МОС50
(ХТ=25)
МОС25 МОС50
МОС75
**
МОС75
38

39.

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

40.

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

41.

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 (4mA, 20 мин, 25 см2) уменьшает
количество холодовых точек у человека, не оказывая влияния на тепловые
41

42.

+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

43.

Количество холодовых точек
Корреляция между концентрацией кальция
в крови и количеством холодовых точек на
предплечье у человека
N=-25.9+26.2PCa
r = 0.62
Концентрация кальция, mmol/l
43

44.

Са(2+) ослабляет угнетающее влияние глубокого охлаждения на
антителообразование в селезенке
%
%
*
Контроль
*
*
Ca(2+)
44

45.

Brain
Skin thermoreceptors
External cooling
(Sensory fiber)
P2X-purinoreceptors
Sympathetic
nervous system
NA, ATP, NY
TRPM8
adrenoreceptors
Feedback
ATP
NA
α
NA
α-adrenoreceptors
Blood vessel contraction
β
β-adrenoreceptors
P2X
P2X-purinoreceptors
Increase in skeletal
muscle activity
Increase in brown adipose tissue activity
Increase in heat effect of muscle contraction
Kozyreva, Meyta, 2015

46.

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

47.

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

48.

А
1
2
3
Термочувствительные нейроны гипоталамуса
48

49.

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

50.

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

51.

Можно ли изменить температурную
чувствительность центральных нейронов?
51

52.

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

53.

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.

54

55.

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

56.

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+апоВ+апоС)
ЛПОНП
Окисление СЖК
Ацил-Ко-А
Цикл трикарбоновых кислот
СО2 + Н2О
56

57.

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

58.

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

59.

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

60.

Контроль
Контроль
Контроль
60

61.

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.

62

63.

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

64.

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

65.

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

66.

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.

67