Нейроэндокринология — это раздел биологии (в частности, физиологии ), который изучает взаимодействие между нервной и эндокринной системами ; то есть, 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 из 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 различной химической структуры, включая пептиды , стероиды и нейроамины . В совокупности гормоны регулируют множество физиологических процессов. Нейроэндокринная система — это механизм, с помощью которого гипоталамус поддерживает гомеостаз , регулируя воспроизводство , обмен веществ , пищевое и питьевое поведение, использование энергии , осмолярность и артериальное давление .
.jpg/1280px-Neuroendocrinology_Figure_(2).jpg)
Гипоталамус обычно называют релейным центром мозга из-за его роли в интеграции входов из всех областей мозга и создании определенного ответа. 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. Затем эти химические вещества транспортируются в гипофиз и 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, посылая рилизинг-факторы, называемые тропными гормонами , вниз по гипоталамо-гипофизарной портальной системе. [3] Например, тиреолиберин, выделяемый гипоталамусом в портальную систему, стимулирует секрецию тиреотропного гормона передней долей гипофиза. [ требуется ссылка ]
Задняя доля гипофиза напрямую иннервируется гипоталамусом; гормоны окситоцин и вазопрессин синтезируются нейроэндокринными клетками гипоталамуса и хранятся в нервных окончаниях задней доли гипофиза. Они секретируются непосредственно в системный кровоток 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 системный кровоток. Тела клеток 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 из эндокринных клеток, которые у млекопитающих напрямую не иннервируются, однако секреция этих гормонов ( адренокортикотропный гормон , лютеинизирующий гормон, фолликулостимулирующий гормон, тиреотропный гормон, пролактин и гормон роста ) остается под контролем гипоталамуса. Гипоталамус контролирует переднюю долю гипофиза через рилизинг-факторы и рилизинг-ингибирующие факторы ; это вещества, выделяемые нейронами гипоталамуса в кровеносные сосуды у основания мозга, в срединном возвышении . [5] Эти сосуды, гипоталамо-гипофизарные портальные сосуды, переносят 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, высвобождающего гормон (GHRH), и нейронами соматостатина , которые стимулируют и подавляют секрецию GH соответственно. [6] Нейроны GHRH расположены в дугообразном ядре гипоталамуса, тогда как клетки соматостатина, участвующие в регуляции гормона роста, находятся в перивентрикулярном ядре . Эти две нейронные системы проецируют аксоны в срединное возвышение, где они высвобождают свои пептиды в портальные кровеносные сосуды для транспортировки в переднюю долю гипофиза. Гормон роста секретируется импульсами, которые возникают из-за чередующихся эпизодов высвобождения GHRH и соматостатина, что может отражать нейронные взаимодействия между клетками GHRH и 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 метаболизм организма , влияя на поведение, связанное с едой и питьем, и влияют на то, как используется потребляемая энергия, то есть как метаболизируется жир. [10] Они влияют и регулируют настроение, [11] гомеостаз жидкости и электролитов в организме, [12] и артериальное давление . [13]
Нейроны нейроэндокринной системы большие; они представляют собой мини- фабрики по производству секреторных продуктов; их нервные окончания большие и организованы в когерентные терминальные поля; их выход часто можно легко измерить в крови; и то, что делают эти нейроны и на какие стимулы они реагируют, легко открыто 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?» [ требуется ссылка ] [Похоже, что это наблюдение из первичного источника.]
Уолтер Ли Гейнс отметил активность гипофиза в 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 Мюнхенского университета, Медицинского колледжа имени Альберта Эйнштейна, считаются сооснователями области нейроэндокринологии благодаря их первоначальным наблюдениям и предложениям в 1945 году относительно нейропептидов .
Джеффри Харрис [17] многие считают «отцом» нейроэндокринологии. Харрис, профессор анатомии доктора Ли в Оксфордском университете , считается автором, показавшим, что передняя доля гипофиза млекопитающих регулируется гормонами, выделяемыми гипоталамическими нейронами в гипоталамо-гипофизарную портальную циркуляцию . Напротив, гормоны задней доли гипофиза выделяются в системный кровоток непосредственно из нервных окончаний гипоталамических нейронов. Эта основополагающая 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). ТРГ — это небольшой пептид , который стимулирует секрецию тиреотропного гормона ; ГнРГ (также называемый лютеинизирующим гормоном-рилизинг-гормоном) стимулирует секрецию лютеинизирующего гормона и фолликулостимулирующего гормона .
Роджер Гийемен [19] , студент-медик медицинского факультета Лионского университета , и Эндрю В. Шалли из Тулейнского университета выделили эти факторы из гипоталамуса овец и свиней, а затем определили их структуры. Гийемен и Шалли были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1977 году за вклад в понимание «производства пептидных гормонов мозгом». [ необходима ссылка ]
В 1952 году Андор Сентивани из Университета Южной Флориды и Геза Филипп написали первую в мире исследовательскую работу, показывающую, как нейронный контроль иммунитета осуществляется через гипоталамус. [20]
Сегодня нейроэндокринология охватывает широкий спектр тем, которые возникли прямо или косвенно из основной концепции нейроэндокринных нейронов. Нейроэндокринные нейроны контролируют гонады , чьи стероиды , в свою очередь, влияют на мозг, как и кортикостероиды, секретируемые надпочечниками под влиянием адренокортикотропного гормона. Изучение этих обратных связей стало областью нейроэндокринологов. Пептиды, секретируемые гипоталамическими нейроэндокринными нейронами в кровь, как оказалось, также высвобождаются в мозг, и центральные действия часто, по-видимому, дополняют периферические действия. Таким образом, понимание этих центральных действий также стало областью нейроэндокринологов, иногда даже когда эти пептиды возникали в совершенно разных частях мозга, которые, по-видимому, выполняли функции, не связанные с эндокринной регуляцией. Нейроэндокринные нейроны были обнаружены в периферической нервной системе , регулирующей, например, пищеварение . Клетки мозгового вещества надпочечников , которые выделяют адреналин и норадреналин , как оказалось, обладают свойствами, промежуточными между эндокринными клетками и нейронами, и оказались выдающимися модельными системами, например, для изучения молекулярных механизмов экзоцитоза . И они также стали, по сути, нейроэндокринными системами. [ необходима цитата ]
Нейроэндокринные системы важны для нашего понимания многих основных принципов нейронауки и физиологии , например, для понимания связи между стимулом и секрецией . [21] Истоки и значение паттернов в нейроэндокринной секреции по-прежнему являются доминирующими темами в нейроэндокринологии сегодня.
Нейроэндокринология также используется как неотъемлемая часть понимания и лечения нейробиологических расстройств мозга . Одним из примеров является усиление лечения симптомов расстройства настроения с помощью гормона щитовидной железы. [22] Другим примером является обнаружение проблемы транстиретина (транспорт тироксина) в спинномозговой жидкости у некоторых пациентов с диагнозом шизофрения. [23]
Со времени первых экспериментов Джеффри Харриса, изучавшего связь гипоталамуса с гипофизом, многое было изучено о механистических деталях этого взаимодействия. Были использованы различные экспериментальные методы. Ранние эксперименты в значительной степени опирались на электрофизиологические методы, используемые Ходжкиным и Хаксли . Недавние подходы включают различные математические модели для понимания ранее выявленных механизмов и прогнозирования системного ответа и адаптации при различных обстоятельствах. [ необходима цитата ]
Электрофизиологические эксперименты использовались на заре нейроэндокринологии для определения физиологических событий 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 гипоталамических нейронов. [24] Это позволило исследовать поведение этих нейронов и возникающие в результате физиологические эффекты. Изучение электрической активности нейроэндокринных клеток позволило в конечном итоге различать центральные нервные нейроны, нейроэндокринные нейроны и эндокринные клетки. [25]
Модель Ходжкина-Хаксли преобразует данные о токе системы при определенном напряжении в зависящие от времени данные, описывающие мембранный потенциал . Эксперименты с использованием этой модели обычно опираются на тот же формат и предположения, но изменяют дифференциальные уравнения, чтобы ответить на свои конкретные вопросы. Многое было изучено о вазопрессине, ГнРГ, соматотрофах, кортикотрофах и лактотрофных гормонах с помощью этого метода. [8]
Модель «интегрировать и сработать» стремится к математической простоте описания биологических систем, фокусируясь только на пороговой активности нейрона. Поступая так, модель успешно снижает сложность сложной системы; однако она игнорирует фактические механизмы действия и заменяет их функциями, которые определяют, как выход системы зависит от ее входа. [8] Эта модель использовалась для описания высвобождения гормонов в заднюю долю гипофиза, в частности окситоцина и вазопрессина. [9]
Функциональная или модель средних полей основана на предпосылке «чем проще, тем лучше». [8] Она стремится уменьшить сложность моделирования многогранных систем, используя одну переменную для описания всей популяции клеток. Альтернативой было бы использование другого набора переменных для каждой популяции. 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 включающих репродуктивный цикл (менструальные циклы, лютеинизирующий гормон, всплески пролактина). [9] Существуют также функциональные модели для представления секреции кортизола и секреции гормона роста. [9]