Аллостаз

Аллостаз (/ˌɑːloʊˈsteɪsɪs/ ) — это физиологический механизм регуляции, при котором организм предвидит и корректирует использование энергии в соответствии с требованиями окружающей среды. Впервые предложенная Питером Стерлингом и Джозефом Эйером в 1988 году, концепция аллостаза смещает акцент с поддержания жесткой внутренней заданной точки тела, как в случае гомеостаза , на способность и роль мозга интерпретировать стресс окружающей среды и координировать изменения в организме. использование нейротрансмиттеров, гормонов и других сигнальных механизмов. Считается, что аллостаз участвует не только в реакции организма на стресс и адаптации к хроническому стрессу; он также может играть роль в регуляции иммунной системы, а также в развитии хронических заболеваний, таких как гипертония и диабет .

История

Концепция способности организмов стабилизировать внутренние механизмы организма независимо от изменений окружающей среды была впервые популяризирована французским физиологом Клодом Бернаром в 1849 году, который ввел понятие постоянства milieu intérieur (внутренней среды). Он стремился заменить древнегреческое представление о витализме , предполагавшее управление телом нефизическими средствами, физиологическим пониманием механизмов тела посредством обратной связи и регуляции. Гарвардский физиолог Уолтер Кэннон взял теорию Бернарда о внутренней среде и расширил ее, включив в нее эволюционную основу энергоэффективности и сохранения энергии. Кэннон ввел эту концепцию гомеостаза в 1926 году, продемонстрировав, что тело организма представляет собой самоуправляемую систему регуляции с определенными устойчивыми условиями для оптимального функционирования. К концу 20-го века нейробиолог Питер Стерлинг и эпидемиолог Джозеф Эйер заметили поколенческие закономерности хронического стресса и его влияние на различные физиологические механизмы человека, которые нелегко объяснить гомеостазом. Они разработали концепцию «аллостаза» (от греческого ἄλλος ( «аллос» , «другой», «другой») + στάσις ( «стазис», «стоять на месте»), что означает «оставаться стабильным, будучи изменчивым»), чтобы включить в себя способность организма к корректировать устойчивые условия на основе восприятия и интерпретации стрессоров окружающей среды.

Модель Стерлинга и Эйера

В 1970-х годах Стерлинг и Эйер изучали уровни заболеваемости и смертности возрастных когорт в 20-м веке в Соединенных Штатах и ​​заметили корреляцию между уровнями смертности возрастных когорт и насыщенностью рынка труда в то время. -конкретные когорты входили в состав рабочей силы. Они обнаружили, что когорты, вышедшие на рынок труда во время Великой депрессии и последовавшего за ней экономического бума 1940-х годов, имели более низкий уровень смертности из-за меньшей конкуренции на рынке труда и отсутствия гарантий по сравнению с когортами до 1930-х и после 1950-х годов. Они также отметили корреляцию основных стрессовых событий, таких как тяжелая утрата , развод, безработица и миграция, с более высоким уровнем смертности. Несмотря на предвзятое мнение о том, что снижение уровня смертности в более молодой когорте приводит к большему количеству хронических заболеваний в более позднем возрасте, Стерлинг и Эйер обнаружили противоречивые доказательства того, что более молодые когорты с более высокими показателями смертности на самом деле испытывают больше хронических проблем со здоровьем, таких как сердечно-сосудистые заболевания, в более позднем возрасте, после тенденция последовательного увеличения показателей заболеваемости и смертности на протяжении всего их поколения. Чтобы объяснить эти эпидемиологические явления, Стерлинг и Эйер предложили социальный и системный стресс в условиях развивающегося капитализма и индустриализации. быть основным фактором роста заболеваемости и смертности в возрастных когортах. Десять лет спустя эти исследования легли в основу концептуализации аллостаза.

Стерлинг и Эйер предложили концепцию аллостаза в 1988 году, чтобы лучше объяснить процесс физиологических изменений на индивидуальном уровне, которые формируются крупномасштабными эпидемиологическими закономерностями. Они заметили закономерность: группы населения в Соединенных Штатах, подвергшиеся наибольшему воздействию социальных потрясений, коррелируют с более высокими показателями заболеваемости и смертности. Например, уровень повышенного артериального давления (или гипертонии ) был самым высоким среди групп, которые испытали наибольшую социальную нестабильность, а именно среди безработных и афроамериканцев. Предыдущие физиологические объяснения объясняли эту распространенность тем, что афроамериканцы генетически предрасположены к неэффективной фильтрации почек, вызывающей нарушение регуляции артериального давления; однако генетика не могла объяснить, почему высокая распространенность гипертонии наблюдалась у афроамериканцев, но не у близкой генетически родственной популяции жителей Западной Африки. Стерлинг и Эйер предположили, что в постоянных физиологических изменениях внутренних состояний организма в условиях внешнего стресса существует компонент «разум-мозг-тело».

Отклонение от гомеостаза

Стерлинг и Эйер утверждали, что гомеостаз не дает полной картины физиологических мотивов организма. Хотя отдельные органы и ткани, извлеченные из организма, функционируют гомеостатически и демонстрируют нормальное функционирование с отрицательной обратной связью , в организмах это не всегда наблюдается. Другим примером, который не полностью соответствует гомеостазу, является кровяное давление: при соблюдении гомеостаза 24-часовой мониторинг артериального давления должен показывать, что организм возвращается к нормальному давлению посредством отрицательной обратной связи всякий раз, когда происходит отклонение от оптимального функционирования. Однако человеческое тело демонстрирует широкий диапазон значений артериального давления в состоянии покоя без какой-либо коррекции в течение дня в зависимости от окружающей среды, например, низкое давление во время сна и более высокое давление утром. Исследования на животных также показали негомеостатические закономерности во время возбуждения (или стресса). В организме повышается кровяное давление во время стресса и возвращается к норме, когда стрессор удаляется; тем не менее, когда стресс становится хроническим, кровяное давление может не вернуться в норму и вместо этого оставаться повышенным.

Механизм действия

Аллостаз зависит от способности мозга координировать функции всех органов путем иннервации клеток органов для выполнения определенной функции, а также синтеза и высвобождения сигнальных механизмов, таких как гормоны и нейротрансмиттеры. В ответ на стресс мозг напрямую иннервирует щитовидную и поджелудочную железу для регуляции энергии, посылает сигналы сердечно-сосудистой системе для увеличения сердечного выброса, стимулирует надпочечники вырабатывать кортизол и альдостерон и высвобождает гормоны гипофиза, такие как АКТГ, для регуляции сердечного выброса. диурез через ренин-ангиотензин-альдостероновую систему . Мозг способен преодолевать негативную обратную связь в этих локализованных системах и постоянно оценивать внутренние установки организма. Поступая таким образом, организм может эффективно регулировать свои ресурсы и запасы энергии.

Еще одним ключевым компонентом аллостаза является восприятие мозга и последующая адаптация к хроническому стрессу. Стерлинг и Айер предположили, что мозг может предвидеть факторы стресса, чтобы подготовить тело к адекватной реакции на требования окружающей среды посредством классической обусловленности . Если мозг настойчиво интерпретирует или даже предвидит стресс, это может привести к тому, что эпигенетические изменения будут постоянно адаптироваться к хроническому состоянию возбуждения, что приведет к физиологическим изменениям, таким как утолщение кровеносных сосудов для поддержки увеличенного сердечного выброса и подавление рецепторов гормона стресса.

Регуляция иммунной системы

Мозг обычно координирует иммунный ответ против внешней угрозы, который включает в себя синтез, дифференцировку и миграцию иммунных клеток, высвобождение цитокинов и интерлейкинов , повышение внутренней температуры и перенаправление метаболических потребностей для поддержки этих усилий. Однако если мозг интерпретирует внешнюю потребность в стрессе как более неотложную, это может заменить иммунные и воспалительные реакции и стимулировать высвобождение иммуноподавляющих гормонов стресса, таких как АКТГ и кортизол. Как только стрессор устранен, организм возобновляет адекватную иммунную и воспалительную реакцию, что может объяснить, почему часто наблюдается заболевание человека после острого стресса. Из-за взаимосвязанного характера регуляции стресса мозгом, иммунной и эндокринной системами аллостаз может играть роль в развитии рака .

Применение концепции

Аллостатическая нагрузка

Основная статья: Аллостатическая нагрузка

Аллостаз подчеркивает, что регулирование должно быть эффективным, тогда как гомеостаз не имеет в виду эффективность. Для прогнозирования требуется, чтобы мозг: (i) собирал информацию во всех пространственных и временных масштабах; (ii) проанализировать, интегрировать и решить, что будет необходимо; (iii) осуществлять упреждающий контроль всех параметров. Естественно, многие потребности несколько непредсказуемы, поэтому ошибки неизбежны; и для этих ошибок с обратной связью – для их исправления. доступны гомеостатические механизмы – контроль Аллостатическая (прогностическая) регуляция позволяет мозгу расставлять приоритеты в потребностях, например, отправляя больше кислорода и питательных веществ в органы, которые в них нуждаются больше всего. В этом примере во время пиковой нагрузки мышцам требуется 18-кратное увеличение насыщенной кислородом крови, но сердце может увеличить свою производительность только в 3,5 раза. Таким образом, мозг временно заимствует кровь у пищеварительной системы и почек, перенаправляя ее в мышцы. Позже он погашает долг, когда возросшая потребность мышц утихает. Без возможности определять приоритетность компромиссов между системами органов сердце и легкие должны были бы быть намного больше, в то время как большая часть этих дорогостоящих дополнительных возможностей осталась бы неиспользованной.

Каждая система развивается для работы в определенном диапазоне. Например, фоторецепторы колбочек развились, чтобы воспринимать дневной свет в диапазоне интенсивности в 10 000 раз, тогда как фоторецепторы палочек развили другую конструкцию, чтобы воспринимать лунный свет и свет звезд вплоть до обнаружения одиночных фотонов. Чтобы оптимально функционировать в широком рабочем диапазоне, все системы адаптируют свою чувствительность. Палочковый фоторецептор адаптируется к яркому лунному свету, и ему требуются минуты, чтобы повысить чувствительность к звездному свету. Когда система постоянно выходит за пределы предполагаемого рабочего диапазона — например, из-за хронической диеты с высоким содержанием углеводов или другого стресса — пределы адаптации превышаются, и системы выходят из строя. Это состояние нейробиолог Брюс МакИвен назвал аллостатической нагрузкой . Здоровье организма сохраняется при работе в пределах определенных параметров, но имеющих динамическую изменчивость диапазона.

Слишком сильный аллостаз, также известный как аллостатическая перегрузка, — это когда попытки организма адаптироваться к окружающей среде приносят больше вреда, чем пользы, и могут привести к различным негативным последствиям в виде психических и физических заболеваний. С метафорической точки зрения это можно интерпретировать как машину, работающую непрерывно, поскольку машина перегружена; со временем он становится менее эффективным, потому что на него оказывается больше нагрузки. Точно так же процесс аллостаза становится менее эффективным в управлении ресурсами организма, когда организм подвергается повышенному уровню нездорового стресса из-за износа тела и мозга. Увеличение аллостатической нагрузки может ухудшить и снизить нейропластичность , поскольку стресс приводит к более быстрому старению мозга. Это связано с тем, что при более сильном стрессе в префронтальной коре, отвечающей за регуляцию тела, теряется больше синаптических связей.

Типы

МакИвен и эндокринолог Джон К. Вингфилд предложили два типа аллостатической перегрузки, которые приводят к разным реакциям:

1. Аллостатическая перегрузка типа 1 возникает, когда спрос на энергию превышает предложение, что приводит к активации аварийной стадии жизненного цикла. Это служит для того, чтобы перевести животное с нормальных стадий жизненного цикла в режим выживания, который снижает аллостатическую нагрузку и восстанавливает положительный энергетический баланс. Нормальный жизненный цикл может возобновиться, когда возмущение пройдет.
2. Аллостатическая перегрузка 2-го типа начинается при достаточном или даже избыточном потреблении энергии, сопровождающемся социальным конфликтом и другими видами социальных дисфункций. Последнее имеет место в человеческом обществе и в определенных ситуациях, затрагивающих животных в неволе. Во всех случаях секреция глюкокортикоидов и активность других медиаторов аллостаза, таких как вегетативная нервная система ЦНС , нейротрансмиттеры и воспалительные цитокины , увеличиваются и уменьшаются в зависимости от аллостатической нагрузки. Если аллостатическая нагрузка хронически высока, то развиваются патологии. Аллостатическая перегрузка 2-го типа не вызывает реакции бегства, и ей можно противодействовать только посредством обучения и изменений в социальной структуре.

Хотя оба типа аллостаза связаны с повышенным высвобождением кортизола и катехоламинов , они по-разному влияют на гомеостаз щитовидной железы: концентрации гормона щитовидной железы трийодтиронина снижаются при аллостазе 1 типа, но повышаются при аллостазе 2 типа. Это может быть результатом аллостатической нагрузки 2-го типа, увеличивающей заданное значение обратной связи гипофиза и щитовидной железы.

Парадигма аллостатической оркестровки

Сунг Ли представил парадигму аллостатической оркестровки (ПАО), расширив принцип аллостаза, заявив: «ПАО берет свое начало с эволюционной точки зрения и признает, что биологические установки меняются в ожидании изменения окружающей среды».

Мозг — это центральный командный орган, организующий межсистемные операции для поддержания оптимального поведения на уровне всего организма. ПАО описывает различия между парадигмами гомеостаза и аллостаза, а также согласование парадигм, проиллюстрированное альтернативными взглядами на посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР). Ли заявляет:

Аллостатическое состояние представляет собой интегрированную совокупность взаимодействий мозга и тела. Здоровье само по себе представляет собой аллостатическое состояние оптимальных упреждающих колебаний , которое, как предполагается, связано с состоянием критичности… Болезни — это аллостатические состояния нарушенных упреждающих колебаний, проявляющиеся как ригидизация заданных точек в мозге и теле (коморбидность заболеваний).

Последствия ПАО для здоровья выходят за рамки кровяного давления и диабета и включают зависимость, депрессию и смертность от отчаяния (от алкоголя, наркотиков и самоубийств), которые растут с 2000 года. подчеркивая, что комплексный взгляд на здоровье включает экологический контекст. Аллостаз побуждает повышенное внимание к новым решениям на уровне общества, а также отдельного человека и непосредственного сообщества.

Роль в эволюционном развитии

Эволюционная перспектива аллостаза включает развитие мозга. Лиза Фельдман Барретт , нейробиолог и профессор психологии, утверждает, что в ходе эволюции внутренние системы организмов стали гораздо более развитыми, и если бы у них было всего несколько групп клеток, они плохо управляли бы этими новыми системами, которые эти тела приобретали. Вместо этого понадобился мозг, потому что его большой размер позволяет гораздо эффективнее управлять. Однако в редких случаях виды животных не полагаются ни на мозг, ни на аналогичный аллостатический процесс. Одним из примеров является морская асцидия , поскольку, как только личинки полностью вырастают, они «поглощают свой мозг». Аллостатический процесс асцидий не будет таким сложным, как, например, у человека, поскольку оба вида имеют экологические ниши разной сложности (т.е. «У всех животных мозг адаптирован к их экологическим нишам и жизненным циклам»).

Природа концепции

Аллостаз предлагает более широкую гипотезу, чем гомеостаз: ключевой целью физиологической регуляции является не жесткое постоянство; скорее, это гибкая вариация, предвосхищающая потребности организма и оперативно их удовлетворяющая. Вместо того, чтобы просто реагировать на окружающую среду, аллостаз использует прогнозирующую регуляцию, которая преследует более сложную цель в эволюции адаптации, изменяясь в зависимости от того, что она ожидает, а не оставаясь неизменным или «в равновесии» в ответ на изменения окружающей среды, как гомеостаз. предполагает. Это помещает гомеостаз как функцию в аллостаз; однако некоторые утверждают, что это вообще более масштабная парадигма. Аллостаз дает новое определение здоровью и болезни, выходя за рамки стабильных показателей, например, лабораторных анализов или артериального давления; и расширяет его, определяя здоровье как гибкость этих ценностей. Кровяное давление является одним из ярких примеров показателя здоровья, предложенного Стерлингом, который является лучшим, когда оно может колебаться в ожидании ожидаемых потребностей мозга и тела, поэтому оно может соответствовать этому требованию. Альтернативой или менее здоровым состоянием на континууме здоровье-болезнь было бы, чтобы кровяное давление оставалось прежним или «стабильным» и не отвечало новому спросу. Аллостатическая регуляция отражает, по крайней мере частично, участие головного мозга в первичных регуляторных событиях, поскольку оно предвосхищает системную физиологическую регуляцию.

Вингфилд заявляет:

Концепция аллостаза, поддержание стабильности посредством изменений, представляет собой фундаментальный процесс, посредством которого организмы активно приспосабливаются как к предсказуемым, так и к непредсказуемым событиям... Аллостатическая нагрузка относится к совокупным затратам тела аллостаза, при этом аллостатическая перегрузка... является состоянием при котором может возникнуть серьезная патофизиология... Используя баланс между входом и расходом энергии в качестве основы для применения концепции аллостаза, были предложены два типа аллостатической перегрузки.

Стерлинг (2004) предложил несколько взаимосвязанных моментов, составляющих модель аллостаза:

1. Организмы устроены так, чтобы быть эффективными.
2. Эффективность требует, чтобы мозг предсказывал, что потребуется, и избегал дорогостоящих ошибок.
3. Мозг еще больше повышает эффективность, расставляя приоритеты в потребностях и обеспечивая компромиссы.
4. Все системы, включая мозг, системы органов и отдельные клетки, рассчитаны на определенный рабочий диапазон. (Например, фоторецепторы колбочек адаптируются к дневному свету, а фоторецепторы палочек адаптируются к лунному и звездному свету).
5. Параметры системы изменяются в зависимости от прогнозируемого спроса и адаптируют свою чувствительность.
6. Хотя широкий диапазон означает гибкую и здоровую систему, когда их развитые рабочие диапазоны хронически превышаются, системы на всех уровнях выходят из строя.

Клиническое значение

Аллостаз происходит на клеточном и системном уровнях. Когда люди испытывают хронический стресс, мозг хронически повышает кровяное давление; затем артериальные мышцы предсказывают более высокое давление и реагируют гипертрофией (как скелетные мышцы, когда мы поднимаем тяжести). Постепенно вся сердечно-сосудистая система адаптируется к жизни при повышенном уровне давления. Это известно как хроническая гипертония , которая повышает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний и инсульта . Аналогичным образом, диета с хронически высоким содержанием углеводов требует хронически высокого уровня глюкозы в крови и приводит к хронически высокому уровню инсулина , который увеличивается в ожидании необходимости контролировать высокий уровень углеводов. Клетки, которые экспрессируют рецепторы инсулина, предсказывающие высокий уровень инсулина, адаптируются, снижая свою чувствительность (как фоторецепторы к яркому свету). Это приводит к диабету 2 типа и повышенной смертности от многих причин. Хотя врачи называют эту реакцию инсулинорезистентностью, ее лучше понимать как следствие прогнозирующей регуляции.

Аллостаз может осуществляться посредством изменения гормонов оси HPA , вегетативной нервной системы, цитокинов или ряда других систем и, как правило, является адаптивным в краткосрочной перспективе. Аллостаз необходим для поддержания внутренней жизнеспособности в изменяющихся условиях.

Аллостаз обеспечивает компенсацию различных проблем, таких как компенсированная сердечная недостаточность , компенсированная почечная недостаточность и компенсированная печеночная недостаточность . Однако такие аллостатические состояния по своей природе хрупкие, и декомпенсация может произойти быстро, как при острой декомпенсированной сердечной недостаточности .

Связанные термины

Термин «гетеростаз» также используется вместо аллостаза, особенно там, где изменения состояния конечны по числу и, следовательно, дискретны (например, вычислительные процессы).

См. также

• Гомеостаз
• Практикопоэз

Дальнейшее чтение

• Копстед, Ли-Эллен; Банасик, Жаклин (2013). Патофизиология (5-е изд.). Сент-Луис, Миссури: Эльзевир Сондерс. ISBN  978-1-4557-2650-9 .
• Щулкин, Джей (2011). «Социальный аллостаз: упреждающее регулирование внутренней среды» . Границы эволюционной нейронауки . 2 : 111. дои : 10.3389/fnevo.2010.00111 . ПМК   3037529 . ПМИД   21369352 . Содержит целый абзац, посвященный определению аллостаза.