д.м.н. Кокуркин Г.В.

Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова

г. Чебоксары

Математический анализ циркадного ритма гормонов

гипоталамуса

Гипоталамус занимает ведущее место в саморегулирующейся энергоинформационной системе и является главным интегратором информации, поступающей из внутренней среды и вместе с тем коллектором, куда вливается информация из внешней среды.

Гипофиз, регулируя состояние эндокринных желез, «слеп» в отношении внешнего мира. Этот регулятор может получать сигналы, оповещающие о том, что происходит в теле, но он не имеет прямой связи с внешней средой. Между тем для того, чтобы факторы внешней среды постоянно не нарушали жизнедеятельности организма, должно осуществляться приспособление тела к меняющимся внешним условиям.

О воздействии внешнего мира мы «узнаем» через кожу, глаза, органы обоняния, слуха и вкуса. Органы чувств передают полученную информацию в центральную нервную систему. Но, например, если рецепторы клеток кожи зафиксируют снижение температуры окружающей среды, этого еще недостаточно для того, чтобы не замерзнуть. Необходимо, чтобы информация о снижении температуры поступила в органы, которые способны повысить образование в организме тепла и снизить его расход. Таким устройством – регулятором, передающим информацию, полученную из внешнего мира, в рабочие органы, к соответствующим клеткам различных тканей, является гипоталамус.

Жизнедеятельность организма можно представить как четко скоординированную систему биологических ритмов, начиная от субклеточного и до организменного уровней [3]. Данная система постоянно корректируется изменениями, происходящими как в самом организме, так и во внешней среде [5]. Именно способность адекватно отвечать на различные эндогенные и экзогенные стимулы путем перестройки биоритмов характеризует стабильность и здоровье человеческого организма [5]. Все биологические ритмы находятся в строгой иерархической подчиненности основному водителю ритмов, расположенному в супрахиазматических ядрах гипоталамуса [4, 2].

Цель исследования: провести математический анализ циркадного ритма гормонов гипоталамуса у здоровых пациентов.

Гипоталамус является той областью ЦНС, которая посредством нейротрансмиттеров, гипоталамических гормонов, а также симпатической и парасимпатической частей вегетативной нервной системы интегративно регулирует функциональную активность гипофиза и периферических эндокринных желез.

С одной стороны, гипоталамус является типичной нервной тканью, состоящей из нейронов-клеток нервной системы. Эти клетки посредством многочисленных волокон связаны со всеми отделами нервной системы. Поэтому все, что нервная система «знает» о внешнем мире или о внутреннем мире организма, она легко и быстро может передать в гипоталамус.

С другой стороны, типичная эндокринная железа, выделяющая специальные гормоны. Эти гормоны регулируют деятельность гипофиза – железы-регуляторы многих отделов эндокринной системы. Кроме того, гипоталамус направляет свои гормоны и в отдаленные области тела, эти гормоны выполняют регуляторную роль.

Таким образом, если ЦНС получила сигнал из органов чувств, то этот сигнал передается в гипоталамус, который в свою очередь, посылает сигнал в гипофиз, а последний в рабочие органы. В некоторых случаях гипоталамус непосредственно через нервный аппарат или через гипоталамические гормоны воздействует на ткани тела. Так, благодаря гипоталамусу осуществляется взаимосвязь между внешней и внутренней средой организма.

Гипоталамус является областью, трансформирующей информацию, поступающей по нервным путям из вышележащих отделов нервной системы, посредством изменения уровня нейромедиаторов (адреналин, норадреналин, дофамин, серотонин, ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота). Стрессовые ситуации и другие факторы приводят к изменению содержания, скорости синтеза и высвобождения нейромедиаторов в гипоталамусе, а также к соответствующему изменению функциональной активности передней доли гипофиза [1].

Гипоталамо-гипофизарная регуляция осуществляется механизмами, функционирующими по принципу обратной связи, в которых четко выделяются различные уровни взаимодействия.

Под «длинной» цепью обратной связи подразумевается взаимодействия периферической эндокринной железы с гипофизарными и гипоталамическими центрами (не исключено, что и с супрагипоталамическими и другими областями ЦНС) посредством влияния на указанные центры изменяющейся концентрации гормонов в циркулирующей крови.

Под «короткой» цепью обратной связи понимают такое взаимодействие, когда повышение гипофизарного (тропного) гормона (например, АКТГ) модулирует секрецию и высвобождению гипоталамического гормона (в данном случае кортиколиберина).

«Ультракороткая» цепь обратной связи – вид взаимодействия в пределах гипоталамуса, когда высвобождение одного гипоталамического гормона влияет на процессы секреции другого гипоталамического гормона.

«Длинная» и «короткая» цепи обратной связи функционируют как системы «закрытого» типа, т.е. являются саморегулирующимися системами. Однако, они отвечают на внутренние и внешние сигналы, изменяя на короткое время принцип саморегуляции (например, при стрессе и др.). Наряду с этим на указанные системы влияют механизмы, поддерживающие биологический циркадный ритм, связанный со сменой дня и ночи. Циркадный ритм представляет собой компонент системы, регулирующий гомеостаз организма и позволяющий адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды. Информация о ритме день–ночь передается в ЦНС с сетчатки глаза на супрахиазматические ядра, которые вместе с эпифизом (гормоном, доносящим информацию о ритмах, генерируемых супрахиазматическими ядрами, до органов и тканей, является мелатонин, продуцируемый эпифизом) образуют центральный циркадный ритм [2]. Супрахиазматическим ядром принадлежит интегрирующая роль в поддержании биологических ритмов.

Ритмические (околочасовые, суточные) изменения энергетического состояния организма можно выразить математическим выражением:

, (1)

где – функция гипоталамуса на обработку гормона, k₁ – постоянная, – скорость выработки гормона (нг/с), m₁ – количество гормона в крови (нг), t₁ – характерное время, описывающее состояние перехода организма из состояния W₀ в состояние W₁, получаемое логарифмированием выражения (1): .

В дальнейшем организм задает режим на снижение соответствующего гормона в организме, тогда это можно выразить следующим выражением:

,

где – функция гипоталамуса на снижение гормона, k₂ – постоянная, – скорость расхода гормона в крови (нг/с), m₂ – количество гормона в крови (нг), t₂ – характерное время перехода организма из состояния W₁ в состояние W₂, равное .

При достижении определенной концентрации гормона в крови скорость его выработки уменьшается.

t₁ + t₂ = t₁₂ – характерное время достижения гормонального уровня в крови определенного энергетического состояния W₂, ниже которого поступление гормона в кровь происходит реакция гипоталамуса на понижение соответствующего гормона. Далее цикл, описанный ранее, повторяется.

Такая модель объясняет ритмическое распределение гормона в крови, которая регулируется гипоталамусом.

Таким образом, гипоталамус – конкретное место стыка двух миров. Для этой особой связи между внешним и внутренним миром природа создала и особую структуру: гипоталамус – гибрид нервной и эндокринной систем. Благодаря своему необычному устройству, гипоталамус преобразовывает быстродействующие сигналы, поступающие из нервной системы, в медленнотекущие, но специализированные реакции эндокринной системы.

Литература:

1. Дедов, И.И. Эндокринология / И.И. Дедов, Г.А. Мельниченко, В.Ф. Фадеев // Учебное пособие. - М.: Медицина, 2007. - 716 с.

2. Комаров, Ф.И. Хронобиология и хрономедицина / Ф.И. Комаров, С.И. Рапопорт. - Москва.: Триада - Х, 2000. - 488 с.

3. Arendt, V. Melatonin and mammalian pineal gland / V. Arendt. - Chapman Hall, 1995. –321 p.

4. Rietveld, W.I. Circadian rhythms and masking: an overview / W.I. Rietveld, D.S. Minors, I.M. Waterhause // Chronobiology International. – 1993. - Vol.19, N.4, - 306 р.

5. Touitou, Y. Вiologic rhythmas in clinical and laboratory medicine / Y. Touitou, E. Haus // Springer–Verlag, 1992. - 730 p.