Нейроэндокринология — раздел биологии (особенно физиологии ), изучающий взаимодействие нервной и эндокринной систем ; т.е. как мозг регулирует гормональную активность в организме. [1] Нервная и эндокринная системы часто действуют вместе в процессе, называемом нейроэндокринной интеграцией , для регулирования физиологических процессов человеческого организма. Нейроэндокринология возникла в результате признания того, что мозг, особенно гипоталамус , контролирует секрецию гормонов гипофиза , и впоследствии расширилась, чтобы исследовать многочисленные взаимосвязи эндокринной и нервной систем.
Эндокринная система состоит из многочисленных желез по всему телу, которые производят и секретируют гормоны разнообразной химической структуры, включая пептиды , стероиды и нейроамины . В совокупности гормоны регулируют многие физиологические процессы. Нейроэндокринная система — это механизм, с помощью которого гипоталамус поддерживает гомеостаз , регулируя размножение , обмен веществ , поведение в еде и питье, использование энергии , осмолярность и кровяное давление .
Гипоталамус широко известен как релейный центр мозга из - за его роли в интеграции сигналов от всех областей мозга и выработке специфической реакции. В нейроэндокринной системе гипоталамус получает электрические сигналы из разных частей мозга и переводит эти электрические сигналы в химические сигналы в форме гормонов или рилизинг-факторов. Эти химические вещества затем транспортируются в гипофиз, а оттуда в системный кровоток. [2]
Гипофиз делится на три доли: переднюю долю гипофиза , промежуточную долю гипофиза и заднюю долю гипофиза . Гипоталамус контролирует секрецию гормонов передней доли гипофиза, направляя рилизинг-факторы, называемые тропными гормонами , вниз по гипоталамо-гипофизарной портальной системе. [3] Например, тиреотропин-рилизинг-гормон , выделяемый гипоталамусом в портальную систему, стимулирует секрецию тиреотропного гормона передней долей гипофиза. [ нужна цитата ]
Задняя доля гипофиза непосредственно иннервируется гипоталамусом; Гормоны окситоцин и вазопрессин синтезируются нейроэндокринными клетками гипоталамуса и хранятся в нервных окончаниях задней доли гипофиза. Они секретируются непосредственно в большой круг кровообращения нейронами гипоталамуса. [3]
Окситоцин и вазопрессин (также называемый антидиуретическим гормоном), два нейрогипофизарных гормона задней доли гипофиза (нейрогипофиза), секретируются из нервных окончаний крупноклеточных нейросекреторных клеток в большой круг кровообращения. Клеточные тела нейронов окситоцина и вазопрессина находятся в паравентрикулярном ядре и супраоптическом ядре гипоталамуса соответственно [2] , а электрическая активность этих нейронов регулируется афферентными синаптическими входами из других областей мозга. [4]
Напротив, гормоны передней доли гипофиза (аденогипофиза) секретируются эндокринными клетками, которые у млекопитающих не имеют прямой иннервации, однако секреция этих гормонов ( адренокортикотропный гормон , лютеинизирующий гормон, фолликулостимулирующий гормон, тиреотропный гормон) гормон, пролактин и гормон роста ) остается под контролем гипоталамуса. Гипоталамус контролирует переднюю долю гипофиза посредством рилизинг-факторов и факторов, ингибирующих высвобождение ; это вещества, выделяемые нейронами гипоталамуса в кровеносные сосуды у основания мозга, на срединном возвышении . [5] Эти сосуды, гипоталамо-гипофизарные портальные сосуды, несут гипоталамические факторы в переднюю долю гипофиза, где они связываются со специфическими рецепторами на поверхности гормон-продуцирующих клеток. [3]
Например, секреция гормона роста контролируется двумя нейроэндокринными системами: нейронами гормона роста (GHRH) и нейронами соматостатина , которые стимулируют и ингибируют секрецию гормона роста соответственно. [6] Нейроны GHRH расположены в дугообразном ядре гипоталамуса, тогда как клетки соматостатина, участвующие в регуляции гормона роста, находятся в перивентрикулярном ядре . Эти две нейрональные системы проецируют аксоны к срединному возвышению, где они высвобождают свои пептиды в портальные кровеносные сосуды для транспортировки в переднюю долю гипофиза. Гормон роста секретируется импульсами, которые возникают в результате чередующихся эпизодов высвобождения GHRH и высвобождения соматостатина, что может отражать нейрональные взаимодействия между GHRH и клетками соматостатина, а также отрицательную обратную связь от гормона роста. [6]
Нейроэндокринные системы контролируют воспроизводство [7] во всех его аспектах, от привязанности до сексуального поведения. Они контролируют сперматогенез и овариальный цикл, роды , лактацию и материнское поведение . Они контролируют реакцию организма на стресс [8] и инфекцию . [9] Они регулируют обмен веществ в организме , влияя на пищевое и питьевое поведение, а также влияют на то, как используется потребляемая энергия, то есть на то, как метаболизируется жир. [10] Они влияют и регулируют настроение, [11] гомеостаз жидкости и электролитов организма, [12] и кровяное давление . [13]
Нейроны нейроэндокринной системы крупные; это мини- фабрики по производству секреторной продукции; их нервные окончания большие и организованы в когерентные терминальные поля; их выход часто можно легко измерить в крови; а что делают эти нейроны и на какие стимулы они реагируют, легко открыть для гипотез и экспериментов. Следовательно, нейроэндокринные нейроны являются хорошими «модельными системами» для изучения общих вопросов, таких как «как нейрон регулирует синтез, упаковку и секрецию своего продукта?» и «как информация кодируется в электрической активности?» [ нужна ссылка ] [Похоже, что это наблюдение из первоисточника.]
Уолтер Ли Гейнс отметил активность гипофиза при лактации коров в 1915 году. [14] Он также отметил, что анестезия может блокировать лактацию и реакцию на сосательный рефлекс. [15]
Эрнст и Берта Шаррер [ 16] из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна Мюнхенского университета считаются соучредителями области нейроэндокринологии благодаря своим первоначальным наблюдениям и предложениям в 1945 году, касающимся нейропептидов .
Джеффри Харриса [17] многие считают «отцом» нейроэндокринологии. Харрису, профессору анатомии доктора Ли в Оксфордском университете , приписывают открытие того, что передняя доля гипофиза млекопитающих регулируется гормонами, секретируемыми нейронами гипоталамуса в портальную циркуляцию гипоталамо -гипофиза . Напротив, гормоны задней доли гипофиза секретируются в большой круг кровообращения непосредственно из нервных окончаний нейронов гипоталамуса. Эта плодотворная работа была проделана в сотрудничестве с Дорой Якобсон из Лундского университета . [18]
Первыми из этих факторов, которые необходимо идентифицировать, являются тиреотропин-рилизинг-гормон (ТРГ) и гонадотропин-рилизинг-гормон (ГнРГ). TRH — небольшой пептид , который стимулирует секрецию тиреотропного гормона ; ГнРГ (также называемый рилизинг-гормоном лютеинизирующего гормона) стимулирует секрецию лютеинизирующего гормона и фолликулостимулирующего гормона .
Роджер Гиймен [19] , студент медицинского факультета Лиона , и Эндрю В. Шалли из Тулейнского университета выделили эти факторы из гипоталамуса овец и свиней, а затем определили их структуры. Гиймен и Шалли были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1977 году за вклад в понимание «выработки пептидных гормонов мозгом». [ нужна цитата ]
В 1952 году Андор Сентивани из Университета Южной Флориды и Геза Филипп написали первую в мире исследовательскую работу, показывающую, как нейронный контроль иммунитета происходит через гипоталамус. [20]
Сегодня нейроэндокринология охватывает широкий спектр тем, которые прямо или косвенно возникли из основной концепции нейроэндокринных нейронов. Нейроэндокринные нейроны контролируют половые железы , стероиды которых , в свою очередь, влияют на мозг, как и кортикостероиды , секретируемые надпочечниками под влиянием адренокортикотропного гормона. Изучение этих обратных связей стало прерогативой нейроэндокринологов. Пептиды, секретируемые нейроэндокринными нейронами гипоталамуса в кровь, высвобождались также и в мозг, и центральное действие часто дополняло периферическое действие. Таким образом, понимание этих центральных действий также стало прерогативой нейроэндокринологов, иногда даже тогда, когда эти пептиды появлялись в совершенно разных частях мозга, которые, по-видимому, выполняли функции, не связанные с эндокринной регуляцией. В периферической нервной системе были обнаружены нейроэндокринные нейроны , регулирующие, например, пищеварение . Клетки мозгового слоя надпочечников , выделяющие адреналин и норадреналин , оказались обладающими свойствами между эндокринными клетками и нейронами и оказались выдающимися модельными системами, например, для изучения молекулярных механизмов экзоцитоза . И они тоже стали, в более широком смысле, нейроэндокринными системами.
Нейроэндокринные системы сыграли важную роль в нашем понимании многих основных принципов нейробиологии и физиологии , например, нашего понимания связи между стимулом и секрецией . [21] Истоки и значение формирования паттернов нейроэндокринной секреции по-прежнему являются доминирующими темами в нейроэндокринологии сегодня.
Нейроэндокринология также используется как неотъемлемая часть понимания и лечения нейробиологических заболеваний головного мозга . Одним из примеров является усиление лечения симптомов настроения гормоном щитовидной железы. [22] Другим примером является обнаружение проблем с транстиретином (транспортом тироксина) в спинномозговой жидкости у некоторых пациентов с диагнозом шизофрения. [23]
Со времени первых экспериментов Джеффри Харриса по изучению связи гипоталамуса с гипофизом многое было изучено о механистических деталях этого взаимодействия. Использовались различные экспериментальные техники. Ранние эксперименты в значительной степени опирались на методы электрофизиологии, используемые Ходжкиным и Хаксли . Недавние подходы включали различные математические модели для понимания ранее выявленных механизмов и прогнозирования системной реакции и адаптации при различных обстоятельствах. [ нужна цитата ]
Электрофизиологические эксперименты использовались на заре нейроэндокринологии для выявления физиологических процессов в гипоталамусе и особенно в задней доле гипофиза. В 1950 году Джеффри Харрис и Барри Кросс описали путь окситоцина, изучая высвобождение окситоцина в ответ на электрическую стимуляцию. [24] В 1974 году Уолтерс и Хаттон исследовали эффект обезвоживания воды путем электрической стимуляции супраоптического ядра — гипоталамического центра, ответственного за высвобождение вазопрессина. [24] Гленн Хаттон посвятил свою карьеру изучению физиологии нейрогипофизарной системы, что включало изучение электрических свойств нейронов гипоталамуса. [24] Это позволило изучить поведение этих нейронов и связанные с этим физиологические эффекты. Изучение электрической активности нейроэндокринных клеток позволило в конечном итоге различить нейроны центральной нервной системы, нейроэндокринные нейроны и эндокринные клетки. [25]
Модель Ходжкина-Хаксли переводит данные о токе системы при определенном напряжении в зависящие от времени данные, описывающие мембранный потенциал . Эксперименты с использованием этой модели обычно основываются на одном и том же формате и предположениях, но различают дифференциальные уравнения, чтобы ответить на конкретные вопросы. Благодаря использованию этого метода многое было изучено о вазопрессине, ГнРГ, соматотрофах, кортикотрофах и лактотрофных гормонах. [8]
Модель «интеграция и запуск» направлена на математическую простоту описания биологических систем, фокусируясь только на пороговой активности нейрона. Таким образом, модель успешно снижает сложность сложной системы; однако он игнорирует реальные механизмы действия и заменяет их функциями, которые определяют, как выходные данные системы зависят от ее входных данных. [8] Эта модель использовалась для описания высвобождения гормонов задней доли гипофиза, в частности окситоцина и вазопрессина. [9]
Модель функциональных или средних полей основана на предпосылке «чем проще, тем лучше». [8] Он стремится упростить моделирование многогранных систем за счет использования одной переменной для описания всей популяции клеток. Альтернативой было бы использование разного набора переменных для каждой совокупности. При попытке смоделировать систему, в которой взаимодействуют несколько популяций клеток, использование нескольких наборов быстро становится слишком сложным. Эта модель использовалась для описания нескольких систем, особенно связанных с репродуктивным циклом (менструальные циклы, лютеинизирующий гормон, выбросы пролактина). [9] Также существуют функциональные модели для представления секреции кортизола и гормона роста. [9]