Реакции терморегуляции. Изучение терморегуляции организма
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 06.11.2024
Нарушение терморегуляции — это отклонение показателей температуры тела от нормальных значений, которое обычно сопровождается общим недомоганием, ломотой в теле, головными болями. Симптом вызывают различные причины: внешние температурные факторы, инфекционные процессы, системные воспалительные болезни, патология эндокринных органов, злокачественные опухоли. Для выявления этиологического фактора, вызвавшего терморегуляторные нарушения, назначают клинические и серологические исследования крови, бактериологический метод, инструментальную диагностику. До установления причины расстройства жаропонижающие средства применяют с осторожностью.
Общая характеристика
Температура может повышаться постепенно или резко, в течение нескольких часов. Зачастую сначала возникают продромальные явления в виде ломоты в суставах и мышцах, головной боли, затем развивается сильный озноб, человека трясет. Кожа холодная на ощупь и очень бледная. Отмечается характерный блеск в глазах. При переходе во вторую фазу и развитии стойкой гипертермии озноб сменяется чувством жара, кожные покровы приобретают ярко-розовую окраску. Пациент сбрасывает с себя одеяла, появляется сильная жажда. На щеках — интенсивный румянец, губы сухие и потрескавшиеся.
Повышенная температура сохраняется от нескольких дней до нескольких месяцев в зависимости от причины нарушения терморегуляции. При снижении лихорадки появляется гипергидроз, стихают головные и мышечные боли. При быстром падении цифр наблюдается бледность кожи, резкая слабость вплоть до коллапса. У пациентов с аномально низкой температурой развивается вялость, акроцианоз, мышечная дрожь. По мере прогрессирования состояния появляется сонливость, проблемы с памятью и концентрацией. Любые нарушения терморегуляции являются достаточным поводом для обращения к врачу.
Механизм развития
В норме система терморегуляции, центральное звено которой расположено в гипоталамусе, поддерживает постоянный тепловой баланс, не зависящий от температурного режима окружающей среды. Высокая температура обусловлена повышением процессов теплопродукции — усилением распада жиров и углеводов с выделением энергии, сократительным мышечным термогенезом. Ситуация усугубляется в случае присоединения расстройств теплоотдачи: нарушения выделения пота, сужения сосудов кожи. Для гипотермии характерны противоположные изменения: повышение теплоотдачи, снижение теплопродукции.
Лихорадка, как особая реакция организма на инфекционные и неинфекционные причины, имеет уникальный механизм развития. Для ее возникновения необходимо накопление в кровеносном русле пирогенов — особых химических соединений, которые действуют на центр терморегуляции и провоцируют подъем температуры. К таким веществам принадлежат экзогенные факторы — продукты распада микробных клеток и экзотоксины, а также эндогенные цитокины — особые белки сыворотки крови, которые являются провоспалительными медиаторами. При этом сохраняется баланс между продукцией и отдачей тепла.
Классификация
Нарушения в системе терморегуляции бывают эндогенными и экзогенными. Эндогенные обусловлены патологическими процессами, происходящими в организме: изменениями водно-электролитного баланса и объема циркулирующей крови, эндокринными патологиями, воспалением. Причины экзогенных нарушений — влияние температурных показателей окружающей среды, несоответствие одежды погоде, воздействие химических и радиационных факторов, продуктов жизнедеятельности бактерий. Широко используется классификация по патогенетическому механизму и клиническим проявлениям:
- Гипотермия. Низкая температура тела — менее 35° С. Симптом чаще возникает под действием внешней причины: переохлаждения, купания в холодной воде. Пониженная температура встречается при тяжелых кровопотерях, шоке и коме. Отдельно выделяют терапевтическую гипотермию, которую применяют в неврологии и кардиохирургии для снижения потребности тканей в кислороде.
- Гипертермия. Подъем температуры более 37° С из-за срыва механизмов терморегуляции. Для этого состояния характерен длительный неконтролируемый рост температурных показателей. Абсолютные значения иногда достигают 43° С. Состояние наблюдается при перегревании и тепловом ударе, патологиях щитовидной железы, истерии, длительном психоэмоциональном перенапряжении.
- Лихорадка. Особый вид повышенной температуры тела, для которого характерно сохранение теплового баланса, но на более высоком уровне, чем обычно. Причины лихорадки бывают инфекционными (при всех вирусных, бактериальных и грибковых заболеваниях) и неинфекционными (при черепно-мозговых травмах, злокачественных новообразованиях, аутоиммунных процессах).
По колебаниям температурных показателей в течение суток выделяют несколько типов температурной кривой: постоянную, послабляющую, гектическую и др. В отдельную категорию нарушений терморегуляции относят озноб, который возникает как при гипотермии, так и в начальной стадии лихорадки. Причина появления этого симптома — спазм поверхностных кровеносных сосудов и усиленные некоординированные сокращения мелких мышечных групп (дрожь). Помимо вышеназванных факторов, проявление могут вызывать колебания женских половых гормонов, сердечно-сосудистые нарушения.
2. Температура тела в норме и в патологии/ Иванов К.П.// Международные Медицинские Обзоры — 1993 - № 3.
3. Медиаторные механизмы терморегуляции: Физиология терморегуляции (Руководство по физиологии)/ Лупандин Ю.В. — 1984.
Реакции терморегуляции. Изучение терморегуляции организма
В 1938 г. Ольнянская и Слоним в результате опытов, проведенных на собаках, показали, что реакция химической терморегуляции определяется не только температурой внешней среды, но и влияниями коры мозга в ответ на раздражения экстёро-и интерорецепторов:
Интересны наблюдения А. Г. Понугаевой, изучавшей явления химической терморегуляции у кондукторов товарных поездов в условиях их работы, когда они подвергаются непрерывному воздействию температуры внешней среды. В результате наблюдений Понугаева пришла к следующим выводам.
Независимо от температуры внешней среды обмен веществ у кондукторов всегда выше на тормозной площадке вагона, чем в теплом помещении (лаборатории). Оказалось также, что обмен веществ у кондукторов на тормозной площадке при одной и той же температуре воздуха выше, когда они движутся от дома, чем тогда, когда они возвращаются домой. В первом случае кондуктору предстоит охлаждение в пути, а во втором случае его ожидает отдых в теплом помещении. Кроме того, обмен веществ у них на тормозной площадке выше, чем во дворе.
Роль коры головного мозга в температурной рецепции и регуляция функции кровеносных сосудов были подробно освещены в работах А. Т. Пшоника, посвященных анализу функциональной деятельности температурных кожных периферических рецепторов и исследованию корковых связей температурной кожной рецепции. Опыты Пшоника показали важную роль коры больших полушарий в изменении просвета сосудов под влиянием холодовой и тепловой рецепции.
О взаимосвязи коры головного мозга и кожной рецепции пишет следующее К. М. Быков: «Значение коры не ограничивается лишь ее замыкательной ролью. В кожной рецепции кора проявляет активность, выходящую далеко за пределы функциональных возможностей периферических аппаратов как самостоятельных единиц. Кора не только регистрирует, но и направляет, настраивает кожную рецепцию.».
Основной функцией вегетативной нервной системы является регулирование так называемых растительных, вегетативных, процессов: дыхания, кровообращения, обмена веществ, питания, выделения, размножения. Одной из основных функций погетативнойнервной системы является поддержание постоянства внутренней среды.
Воздействуя и реагируя на различные (в том числе и соматические) функции организма, вегетативная нервная система находится в тесном взаимодействии с корой головного мозга, которой и принадлежит ведущая роль в регуляции вегетативных процессов.
По учению Павлова о трофической функции нервной системы, центральная нервная система оказывает также и трофическое (питающее) влияние, которое выражается в регуляции интимных химических превращений и обмена веществ. Значительную часть своих трофических влияний центральная нервная система осуществляет через вегетативную нервную систему и мозжечок. Симпатические и парасимлатические нервные волокна являются трофическими в том смысле, что они регулируют уровень обмена веществ, а следовательно, и деятельность иннервируемых ими органов.
При возбуждении симпатической нервной системы усиливается деятельность мозгового слоя надпочечников и образующийся при этом адреналин поступает в кровь. Действие адреналина на все органы с симпатической иннервацией носит возбуждающий характер (А. Н. Крестовников).
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Когда температура поверхности тела достигает величин, равных температуре окружающей среды, ведущее значение в механизмах теплоотдачи приобретает уже не повышение кровотока в поверхностных тканях, а потоотделение и испарение пота и влаги с поверхности тела. Более существенную роль начинают играть учащение дыхания и испарение влаги с поверхности дыхательных путей. Включение в реакции теплообмена потоотделения является примером использования общих эффекторов для системы терморегуляции и систем регуляции водно-солевого баланса и осмотического давления.
Если при подъеме температуры тела в силу потери жидкости за счет усиленного потоотделения уменьшается объем циркулирующей крови и повышается ее осмотическое давление, организм стремится сохранить водный гомеостаз, даже если это идет в ущерб терморегуляторным реакциям. С развитием гипогидратации и повышением осмотического давления в организме отдача тепла за счет потоотделения уменьшается и температура тела устанавливается на еще более высоком уровне. Развивается чувство жажды, уменьшается диурез. В конкуренции за общие эффектор-ные механизмы начинают преобладать системы осмо- и волюморегуля-ции, как более древние и в экстремальных условиях более важные для сохранения гомеостаза. Сопряжение осмо- и терморегуляции достигается в нервных центрах медиальной преоптической области гипоталамуса, где тепло- и холодочувствительные нейроны наделены одновременно высокой осмочувствительностью. Подтверждением сопряженного протекания в организме процессов термо- и осморегуляции являются изменения водного обмена противоположной направленности — при охлаждении организма. При действии на организм низкой температуры имеют место уменьшение потребления воды, усиление диуреза и повышение осмолярности плазмы крови.
Если дегидратация при действии на организм высокой внешней температуры приводит к торможению терморегуляторных реакций, то при действии на него низкой температуры дегидратация ведет к торможению теплочувствительных нейронов гипоталамуса и в результате — к снижению теплоотдачи.
Дыхание и терморегуляция
При действии на организм высокой внешней температуры активация потоотделения и дыхания ведет к усиленному выделению из организма С02, некоторых минеральных ионов. Как при гипер-, так и при гипотермии могут наблюдаться сдвиги кислотно-основного состояния. За счет полипноэ и интенсификации потоотделения развивается дыхательный алкалоз, сопровождающиейся увеличением рН и снижением рС02 в крови. При нарастании гипертермии в связи с ухудшением доставки к тканям кислорода в них развивается метаболический ацидоз. Смена щелочной реакции крови на кислую при выраженной гипертермии вновь начинает играть положительную регуляторную роль, как для усиления теплоотдачи, так и для предупреждения дальнейшего закисления крови и улучшения оксигенации тканей. Это достигается стимуляцией дыхательного центра посредством избытка Н2+, увеличения минутного объема дыхания, усиления испарения влаги с поверхности дыхательных путей, что ведет к снижению рС02 и увеличению р02. Обратные взаимоотношения между процессами регуляции теплообмена и дыхания прослеживаются при гипотермии. Развивающаяся при этом гиповентиляция является общим эффекторным механизмом, обеспечивающим снижение теплопотерь, поддержание на более низком уровне рН крови соответственно сниженной температуре тела.
Центральное звено системы терморегуляции. Центр терморегуляции. Установочная точка терморегуляции.
В терморегуляторном центре гипоталамуса обнаружены различные по функциям группы нервных клеток:
1) термочувствительные нейроны преоптической области;
2) клетки, «задающие" уровень поддерживаемой в организме температуры тела («установочная точка» терморегуляции) в переднем гипоталамусе;
3) вставочные нейроны (интернейроны) гипоталамуса;
4) эффекторные нейроны, управляющие процессами теплопродукции и теплоотдачи, в заднем гипоталамусе (рис. 13.5).
Рис. 13.5. Схема взаимодействия различных типов нейронов терморегуляторного центра гипоталамуса между собой и с кожными терморецепторами. Стимуляция тепловых рецепторов кожи (Рт) и гипоталамуса активирует процессы теплоотдачи в организме человека, а холодовых рецепторов (Рх) кожи и гипоталамуса — теплопродукции. Ин — интернейроны гипоталамуса.
Термочувствительные нервные клетки преоптической области гипоталамуса непосредственно «измеряют» температуру артериальной крови, протекающей через мозг, и обладают высокой чувствительностью к температурным изменениям (способны различать разницу температуры крови в 0,011 °С). Отношение холодо- и теплочувствительных нейронов в гипоталамусе составляет 1:6, поэтому центральные терморецепторы преимущественно активируются при повышении температуры «ядра» тела человека. На основе анализа и интеграции информации о значении температуры крови и периферических тканей, в преоптической области гипоталамуса непрерывно определяется среднее (интегральное) значение температуры тела. Эти данные передаются через вставочные нейроны в группу нейронов переднего отдела гипоталамуса, задающих в организме определенный уровень температуры тела — «установочную точку» терморегуляции. На основе анализа и сравнений значений средней температуры тела и заданной величины температуры, подлежащей регулированию, механизмы «установочной точки» через эффекторные нейроны заднего гипоталамуса воздействуют на процессы теплоотдачи или теплопродукции, чтобы привести в соответствие фактическую и заданную температуру. Таким образом, за счет функции центра терморегуляции устанавливается равновесие между теплопродукцией и теплоотдачей, позволяющее поддерживать температуру тела в оптимальных для жизнедеятельности организма пределах (рис. 13.6).
Рис. 13.6. Схема механизмов регуляции теплообмена в организме человека. Поддержание относительного постоянства температуры тела достигается с помощью баланса между количеством продуцируемого в единицу времени тепла в организме человека и количеством тепла, которое организм отдает за то же время в окружающую среду. Тепловой баланс регулируется нейрогуморальными механизмами, которые активируются в результате изменения импульсной активности эффекторных нейронов терморегуляторного центра гипоталамуса. В гипоталамический терморегуляторный центр поступает афферентная информация об изменениях внешней температуры от периферических терморецепторов и об изменения температуры «ядра» — от центральных терморецепторов (пояснения в тексте).
В механизме формирования «установочной точки» имеет значение уровень спонтанной активности вставочных нейронов гипоталамуса. Например, если уровень спонтанной активности интернейрона является высоким, то для усиления термогенеза требуется более высокая активность кожных Холодовых рецепторов, а значение пороговой температуры для регулируемой теплопродукции является более низким. И наоборот, если вставочный нейрон проявляет низкую спонтанную активность, то даже незначительная афферентация от кожных Холодовых рецепторов может оказаться достаточной для запуска дополнительного теплообразования в организме. Уровень спонтанной активности вставочных нейронов зависит от соотношения концентрации ионов натрия и кальция в гипоталамусе и некоторых других нетемпературных факторов.
Система терморегуляции включает многократно продублированные элементы, выполняющие функции теплообменников, теплоносителей, источников тепла, датчиков температуры и центров регуляции [1]. Эти элементы объединены цепями управления и обратной связи, взаимодействующими в процессе достижения максимального приспособительного эффекта. Взаимодействие реализуется в различных масштабах посредством макро-, микро- и нанообъектов.
Действие системы терморегуляции проявляется в управлении механизмами теплопередачи на макроуровне органов и частей тела, микроуровне кровеносных сосудов и клеток окружающей их ткани, наноуровне мембран нервных окончаний терморецепторов и молекул белков.
Наиболее развиты модели, описывающие процессы на макро- и микроуровнях [1, 2]. Наноуровень рассматривается в локальных моделях, например, перемещения крови через капилляры [2, 3], сердечной деятельности [2, 4]. Глобальная модель терморегуляции человека ещё не создана. Построение такой модели связано с решением фундаментальных проблем нейрофизиологии, биомеханики и биоинформатики. Практическими приложениями могут быть объёмная медицинская термография, нанотехнологии управления нервной системой и кровообращением, нейро и рецепторное протезирование, нанотехнологии материалов, поддерживающих энергетический баланс с кожей и внутренними органами человека, и др.
Цель работы - промоделировать влияние резкого изменения температуры окружающей среды на тепловое поле человека.
Упрощённая макроскопическая модель теплового баланса включает 2 области: ядро, являющееся источником теплопродукции, и оболочку, контактирующую с окружающей средой. Пусть температура окружающей среды изменяется скачком от Tc1 до Tc2 на границе L. Тело пересекает границу L так, что часть 1 оболочки находится при температуре Tc1, а часть 2 - при температуре Tc2. Часть 2 обменивается теплом с ядром, частью 1 и внешней средой, а часть 1 с частью 2 и внешней средой. Тогда система уравнений теплового баланса имеет вид:
где ся, соб - теплоемкости; mя, mоб - массы; Tя, Tоб - температуры; Mя, Mоб - теплопродукции внутренних источников для ядра и оболочки, соответственно; Qд - тепловой поток в окружающую среду через органы дыхания; Qоб2 - тепловой поток от ядра к части 2; Qоб1 - тепловой поток от части 2 к части 1; Q в об - тепловой поток от оболочки в окружающую среду (испарение, излучение, конвекция); t - время.
Величины mя, mоб1, mоб2, Mя, Mоб1, Mоб2 являются функциями температуры соответствующей области, потоки тепла через границы зависят от температур и характеристик контактирующих областей. Функциональные зависимости всех параметров системы (1) приведены в работе [5]. Эти зависимости построены на основе статистической обработки экспериментальных данных и законов теплообмена. Они включают реакцию организма на изменение условий окружающей среды, например, уменьшение размера ядра при температуре ниже критической.
Найдём изменение температур ядра и оболочки при резком изменении условий окружающей среды, решая систему уравнений (1) численно. Часть 1 оболочки занимает 10% площади поверхности тела. В исходном состоянии среда однородна, Tc1=Tc2=31 °C, относительная влажность воздуха φc=50 %, скорость движения воздуха υc=0.3 м/с, барометрическое давление pб=1.013 бар, мощность, развиваемая человеком при выполнении механической работы, Wт=0 (состояние покоя). Рассчитанные значения равновесной температуры Tоб1=32,788 °C, Tоб2=34,607 °С, Tяд=37,347 °С.
Изменим скачком окружающие условия: часть 1 находится в воде с Tc1=19,2 °C, а часть 2 в воздухе с Tc2=31 °C. Динамика изменения температуры тела показана на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость температуры части 1 (а), части 2 (б) оболочки и ядра (в) от времени
Температура ядра изменяется в достаточно узкой области, что отражает тенденцию к изотермии, присущую внутренним органам и головному мозгу. Температура части тела, находящейся в воде, резко уменьшается за первые 5 минут. Температура части тела, контактирующей с воздухом, за это время изменяется мало. Последнее обстоятельство подтверждается тепловизионным исследованием температуры поверхности тела, выполненным при тех же параметрах окружающей среды, что и расчёт.
Читайте также: