Нейронауки для всех. Детали: ядра гипоталамуса

Структура мозга настолько сложна и состоит из такого большого числа компонентов, что порой небольшие группы находящихся рядом нейронов могут иметь разные функции. Так и с ядрами гипоталамуса, о некоторых из которых мы уже упоминали. Но мы говорили вскользь, а хотелось бы рассказать немного подробнее, чтобы дать общее представление об их расположении, многочисленности и разнообразии функций. И ещё раз убедиться в том, насколько сложна регуляция всего организма.

Под таламусом

 

Илл: Wikimedia Commons


Гипоталамус располагается в промежуточном мозге аккурат под таламусом, от того и название «гипоталамус». А снизу он граничит с гипофизом.

По размеру гипоталамус можно сравнить с фалангой большого пальца руки, он весит всего 4-5 г. Сам регион мал, но подотчётных ему и координируемых им систем организма – очень много. По-другому эту область ещё называют «мозгом вегетативной жизни», потому что она ответственна за поддержание гомеостаза организма и его эндокринную (гормональную) регуляцию.

В гипоталамусе есть группы нейронов, называемые ядрами, большинство из которых парные. Более того, среди некоторых ядер можно выделить так называемые подъядра (subnuclei).

Илл: Wikimedia Commons


Ядерное многообразие

Илл: Wikimedia Commons

 

Ядер в гипоталамусе насчитывается свыше 30 штук, они имеют мощное кровоснабжение и выполняют разные функции. Мы расскажем только про некоторые из них. Но сразу нужно оговориться – ещё не все функции ядер гипоталамуса исследованы, и мы говорим о том, что известно на сегодняшний момент.

Преоптическая зона (на рисунке обозначена PO) расположена в передней части гипоталамуса. Она отвечает за терморегуляцию – получает сигналы от терморецепторов кожи, слизистых и самого гипоталамуса. Также в ней находится половое диморфное ядро, которое, как считают специалисты, связанно с сексуальным поведением у животных.

Супраоптическое ядро (на рисунке SO) у человека содержит в себе около 3 000 нейронов. Они синтезируют гормон вазопрессин, который по кровотоку достигает сосочковых протоков почек и повышает реабсорбцию (обратное всасывание) воды.

В биологии есть свои модельные объекты – животные – на которых ставятся почти все эксперименты ввиду их удобства. Это мыши, кролики, плодовые мушки дрозофилы, растение арабидопсис, кишечная палочка. А в нейронауках в качестве «модели» используется супрароптическое ядро. Оно удобно, так как состоит из достаточно больших по размеру клеток, с которыми можно легко проводить различные манипуляции. Также по клеточному составу ядро достаточно однородно, и можно без труда отделить его от других участков мозга.

Паравентрикулярное ядро (на рисунке PV) содержит в себе группы нейронов, которые активируются при стрессе или каких-либо физиологических изменениях в организме. Нервные клетки этого ядра играют жизненно важную роль во многих процессах, например, в контроле стресса, метаболизма, роста, занимаются «слежкой» за репродуктивной и иммунной системами. К примеру, они выделяют такие гормоны как окситоцин, вазопрессин, соматостатин. А анатомическую структуру ядра описали ещё в начале 80-х годов прошлого века.

Супрахиазматическое ядро (на рисунке SC) – главный механизм, отвечающий за циркадные ритмы. Активность нервных клеток, находящихся в нём, изменяется в течение суток и регулируется окружающими условиями, например, продолжительностью светового дня. В норме у человека циркадные ритмы синхронизированы с 24 часовым циклом день-ночь, а при искусственном разрушении этого ядра ритмы утрачиваются. Интересно, что цикла в 24 часа нейроны достигают сообща, а для каждого нейрона по отдельности он может длиться от 20 до 28 часов (это показано в экспериментах на крысах).

Латеральный гипоталамус (на рисунке LT) очень важен для питания и приёма пищи. В экспериментах, когда искусственно стимулировали эту область электрическими импульсами, животные начинали есть и пить, даже будучи сытыми, а при разрушении ядер они отказывались от приёма пищи совсем. Здесь расположены нейроны, регулирующие температуру тела, пищеварение, давление, уменьшающие восприятие боли. Именно в латеральном гипоталамусе находятся клетки, синтезирующие орексины, которые поддерживают бодрствование и влияют на метаболизм.

Правильная работа вентромедиального ядра (на рисунке обозначено VM) определяет чувство насыщения, регуляцию энергетического обмена, контроль потребления пищи, а также нейроэндокринный контроль. Повреждение вентромедиальных ядер у мышей приводит к грубым сдвигам в обмене веществ.

Дорсомедиальное ядро гипоталамуса (на рисунке DM) представляет собой «контролирующий центр» обработки информации, которая поступает от вентромедиального ядра и латерального гипоталамуса. Оно обеспечивает регуляцию кровяного давления, сердцебиения, пищеварения. В экспериментах на крысах определили, что поражение нейронов в этом ядре приводит к снижению двигательной активности, помимо этого хуже происходит терморегуляция. Дорсомедиальное ядро, как и супрахиазматическое, регулирует циркадные ритмы.

Центральная роль аркуатного ядра (на рисунке AR) – поддержание гомеостаза организма. Оно так же, как другие, участвует в регуляции питания, метаболизма, контроле за сердечно-сосудистой системой. Особенно важно аркуатное ядро в воздействии на аппетит, потому как в нём секретируется нейропептид Y и агути-подобный пептид (agouti-related peptide). Именно там располагаются дофаминергические нейроны, которые регулируют секрецию гормона пролактина, выделяемого гипофизом. Другие нервные клетки вырабатывают соматостатин, который подавляет секрецию гипоталамусом соматотрипин-рилизинг-гормона или соматолиберина (стимулирует в гипофизе синтез и выделение соматотропного гормона, который отвечает за рост организма).

Маммилярное тело, маммилярное ядро или сосцевидные тела (на рисунке MB) располагаются в основании гипоталамуса, и учёные считают, что их правильное функционирование влияет на поддержание памяти. При дефиците тиамина (витамина B1) развивается синдром Гайе-Вернике – алкогольная энцефалопатия, которая проявляется нарушениями в сознании, движениях и параличом глазных мышц.

Туберомаммилярное ядро располагается в задней трети гипоталамуса. Состоит из гистаминергических нейронов и вовлечено в контроль пробуждения, обучения, запоминания, сна и обменных процессов в организме. Нервные клетки этого ядра – единственный источник гистамина в мозге позвоночных.

Насчёт некоторых из перечисленных ядер существуют разногласия. Некоторые учёные считают, что их нужно выделять отдельно, тогда как настаивают на присоединении их в каким-то другим ядрам или зонам гипоталамуса. Но уже из того, о чём мы рассказали (а это далеко не все), видны разнообразие и, главное, важность функций этого маленького органа весом лишь 4-5 грамм.


Текст: Надежда Потапова.

P.S. Здесь стоит добавить, что для большинства студентов (и просто желающих знать) задача запомнить, какое ядро за что ответственно и где находится, может оказаться почти невыполнимой. Их можно понять. Поэтому придумали специальное мнемоническое правило, в котором все ядра и их функции проецируют на … корову. Так что учите и блистайте своими знаниями!

Илл: http://epomedicine.com

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Нейроны сна и бодрствования

Сон, будучи автономным процессом, не всегда подчиняется нашей воле. Засыпание и пробуждение контролируются двумя биологическими процессами: сонным гомеостазом, более известным, как «давление сна» и циркадными ритмами, также известными, как биологические часы. Два этих процесса работают сообща для обеспечения хорошего и крепкого сна в течении ночи.  

 

Cвязи между ГАМК-эргическими, орексиновыми и моноаминоэргическими нейронами


Вентролатеральное ядро преоптической области (VLPO) играет крайне важную роль в регуляции сна, в то время, как латеральная задняя часть гипоталамуса содержит нейроны, отвечающие за поддержание состояния бодрствования, включая орексиновые нейроны в латеральной области гипоталамуса (LHA) и гистаминэргические нейроны в бугорнососцевидном ядре (TMN). Однако, то, каким именно образом эти клеточные популяции связаны друг с другом до недавних пор оставалось не ясным.

Гипоталамус


 

«В нашем исследовании мы задались целью установить то, какие участники вовлечены в регуляцию пробуждения», — объясняет Юки Саито, со-руководитель исследования, проведённого в Университете Цукубы и опубликованного  в The Journal of Neuroscience.

Авторы исследования сосредоточили внимание на нейронах гипоталамуса: гистидиндекарбоксилаза-положительных (HDC+) гистаминэргических нейронах в TMN и орексиновых нейронах в LHA. Группа использовала метод ретроградного транс-синаптического трассирования с применением рекомбинантного вируса бешенства, для анализа структуры и функций контуров гипоталамуса, которые соединяют друг с другом популяции нейронов, вовлечённых в регуляцию сна и пробуждения.

Исследователи выяснили, что эти нейроны иннервируются ГАМК-эргическими нейронами в преоптической области, включая нейроны VLPO.   Затем группа описала ГАМК-эргические нейроны в VLPO, которые осуществляют прямой синаптический контакт с нейронами гипоталамуса, ответственными за пробуждение. Обе группы нейронов пересекаются друг с другом и обе, вероятно, ингибируются нейромедиаторами норадреналином и серотонином и показывают типичные электрофизиологические свойства нейронов в VLPO, ответственных за засыпание.

«Наши результаты напрямую доказывают наличие моносинаптической связанности между нейронами ГАМК-VLPO и пробуждающими нейронами гипоталамуса а также определяют воздействие моноаминов на эти нейрональные пути. — заявляет Такеши Сакурай. — Эта информация важна  для более глубокого понимания механизмов, контролирующих сон и пробуждение и может помочь  в составлении надёжных рекомендаций для спокойного сна».


Текст: Кирилл Щербаков  

“Monoamines Inhibit GABAergic Neurons in Ventrolateral Preoptic Area That Make Direct Synaptic Connections to Hypothalamic Arousal Neurons” by Yuki C. Saito, Takashi Maejima, Mitsuhiro Nishitani, Emi Hasegawa, Yuchio Yanagawa, Michihiro Mieda and Takeshi Sakurai in Journal of Neuroscience.

Published July 11 2018.
doi:10.1523/JNEUROSCI.2835-17.2018  

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Активная тренировка снижает аппетит на уровне мозга

Наступило время, когда люди всех возрастов и телосложений потянулись на спортивные площадки, стадионы, в парки, скверы и рощи для того, чтобы улучшить свой внешний вид к лету. И чем интенсивнее упражнения, тем меньше потом хочется есть. Исследователи из медицинского колледжа Альберта Эйнштейна выяснили, чем можно объяснить такую взаимосвязь, и для этого им пришлось «заглянуть» в глубокие структуры мозга – в гипоталамус. О результатах они рассказали в опубликованной в PLOS Biology статье.

Credit: public domain


Многие тренированные люди, часто и интенсивно занимающиеся спортом, замечают, что температура тела во время упражнений немного увеличивается (что закономерно), настроение после тренировок повышается (о том, почему, мы уже писали), а аппетит после тренировок снижается. Так как главный центр регуляции метаболизма – гипоталамус, то ведущий автор исследования нейробиолог Юн-Хван Жу (Young-Hwan Jo), который сам тренируется три раза в неделю, заинтересовался, могут ли нейроны гипоталамуса, отвечающие за баланс температуры, иметь связь с нейронами, отвечающими за аппетит, и как-то на них воздействовать.

Учёный сосредоточился на нейронах проопиомеланокортина (POMC). POMC – это прогормон, который вырабатывается передней долей гипофиза, а нейроны, тропные к нему, находятся в дугообразном ядре гипоталамуса и опосредуют жиросжигание, а также активизируют другие метаболические процессы. Часть нейронов POMC находится вне гематоэнцефалического барьера, соответственно, циркулирующие в крови биологически активные вещества, в том числе вырабатываемые тканями во время физических нагрузок, могут на них воздействовать.

Например, если брать гипотезу, согласно которой температура может понижать аппетит, то нужно выяснить, есть ли на поверхности этих клеток специальный термочувствительный рецептор, подобный TRPV1, которыми изобилуют чувствительные окончания в коже и в слизистых (они в том числе ответственны за эффект от остроты, скажем, перца халапеньо, так как реагируют на капсаицин). Чтобы это узнать, исследователи воздействовали на взятые из гипоталамуса мыши нейроны POMC теплом или жгучим капсаицином.

В итоге гипотеза подтвердилась: нейроны действительно отвечали на эти воздействия, и оказалось, что рецепторами, подобными TRPV1, обладают около двух третей всех нейронов POMC в дугообразном ядре.

Следующим этапом эксперимента стала проверка гипотезы на животных. Мыши, которым в дугообразное ядро вводили капсаицин, в течение следующих 12 часов съедали сильно меньше пищи, чем обычно. Блокировка же рецепторов TRPV1 или отключение гена, который их экспрессирует, наоборот, к подавлению аппетита в сочетании с капсаицином не приводили.

Аналогично капсаицину на мышей воздействовали 40-минутные беговые тренировки, причем, повышенной температура тела оставалась в течение часа после тренировки. В это время потребление пищи животными сокращалось на 50 процентов. Но если снова рецепторы TRPV1 блокировались, то эффект пропадал.

«Наше исследование показывает, что температура тела может действовать в качестве биологического сигнала, который регулирует пищевое поведение, подобно гормонам и питательным веществам», — говорят учёные и отмечают, что это знание, возможно, поможет по-новому подойти к борьбе с лишним весом.


Текст: Анна Хоружая

Activation of temperature-sensitive TRPV1-like receptors in ARC POMC neurons reduces food intake by Jae Hoon Jeong, Dong Kun Lee, Shun-Mei Liu, Streamson C. Chua Jr., Gary J. Schwartz, and Young-Hwan Jo in PLOS Biology. Published April 2018.

doi:10.1371/journal.pbio.2004399

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Искусственные нейроны гипоталамуса: путь к ожирению в пробирке

Credit: Cedars-Sinai Board of Governors Regenerative Medicine Institute


Перед вами — два типа нейронов гипоталамуса (показаны фиолетовым и голубым). Однако это не просто нейроны, это клетки, выращенные в культуральном планшете из индуцированных плюрипотентных клеток. Создание культур тканей ядер гипоталамуса, которые регулируют и пищевое поведение поможет в появлению «ожирения в пробирке» и разработки препаратов против расстройств пищевого поведения.

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Открыты «нейроны тепла»

Один из самых важных факторов внешней среды, который действует на наш организм – это температура. Информацию о скорости теплового движения молекул окружающей среды передают рецепторы на поверхности нашего тела, но вот куда она поступает дальше и где обрабатывается?

 Уже некоторое время было известно, что сам по себе «нейротермометр» расположен где-то в гипоталамусе, области мозга, ведающей работой желёз организма и его гомеостазом. Это крошечное образование (размером с фалангу большого пальца) содержит в себе десятки ядер, отвечающих за разные функции. Какое именно ядро и какие имено его нейроны отвечают за «обработку» температуры, до недавнего времени было неизвестно.

thermo

Некоторого прогресса на этом пути удалось достичь американской группе из Университета Калифорнии в Сан-Франциско, опубликовавшей свои результаты в Cell. Они смогли доказать, что «теплочувствительные нейроны» (WSN) находятся в так называемой преоптической зоне гипоталамуса. Эта зона отвечает, например, за чувство жажды. Учёные давно подозревали, что WSN находятся там. Однако доказать смогли только сейчас.

HypothalamicNuclei

Ядра гипоталамуса. Преоптическая область обозначена буквами PO.

Группа Закари Найта (Zachary Knight) сумела определить конкретные нейроны по их коэкспрессии двух полипептидов, BDNF и PACAP, отвечающих за ответ на повышение температуры. Затем они создали генно-модифицированных мышей, в которых WSN можно было активировать методами оптогенетики. И в ответ на возбуждение «тепловых» нейронов мыши активировали все виды ответа на повышенную температуру – понижали температуру тела и запускали поведение поиска холодного места.

 Однако, как отмечают учёные, ими сделано только полдела. Где находятся нейроны ответа на холод, науке до сих пор неизвестно.

#оптогенетика

#гипоталамус

Текст: Алексей Паевский

Warm-Sensitive Neurons that Control Body Temperature

Chan Lek Tan, Elizabeth K. Cooke, David E. Leib, Yen-Chu Lin, Gwendolyn E. Daly, Christopher A. Zimmerman, Zachary A. Knight

DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.028