Страница - 14

§ 25. Нейрогуморальная регуляции, ее механизмы и их сравнение. Адаптация организма к стрессу

Цель изучения этой темы, объяснить механизм нейрогуморальной регуляции.

Где находится дыхательный центр? Каковы его функции? Что происходит в нем при повышении углекислого газа в крови? Какие типы регуляции в орга­низме (человека) существуют? Какой из них сформировался в эволюции рань­ше? Что такое гуморальная регуляция? С помощью каких органов и механиз­мов она осуществляется? Верно ли утверждение, что организм управляется нейрогуморально?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 27 - учебник для 7 класса; § 41 - учебник для 8 класса.

Сравнение нервной и гуморальной регуляции. Как вы уже знаете, все процессы, происходящие в организме, управляются нейрогумораль­но. То есть управление совместно осуществляется нервной системой и железами внутренней секреции. При одних ответных реакциях может быть более выражено действие нервной системы, при других - гумораль­ное воздействие гормонов. Сравним работу двух этих координирующих систем (табл. 5).

Признак особенность	Нервная регуляция	Гуморальная регуляция
Система органов	Нервная (ЦНС мозг и ПНС - нервы)	Эндокринная железы внутренней секреции
Эволюционная древ­ность	Более молодая (впервые у кишечнополостных)	Более древняя (впервые у простейших)
Способ передачи коман­ды	Нервный импульс (сла­бый электрический ток)	Биологически активные химические вещества (гор­моны)
Функциональная еди­ница	Нейрон рефлекс	Гормон
Точность воздействия	Высокоточная еди­ничная (рабочий ор­ган одна мышца или железа)	Широкая комплексная (группа клеток, тканей или органов, иногда весь организм)
Скорость поступления команды	Быстрая (доли секунды)	Медленнее (секунды)
Продолжительность воздействия	Короткая	Длительная

Нужно помнить, что в организме эти две регуляторные системы ра­ботают совместно, а не противоречат друг другу и не «борются за пер­венство».

Механизм нейрогуморальной регуляции на примере регуляции вдо­ха и выдоха. Это явление не демонстрирует совместного действия гор­монов и нервной системы, а лишь показывает взаимодействие химиче­ских веществ, переносимых кровью, и нервных элементов. Гуморальная (лат. гумор - «жидкость» ) регуляция осуществляется с помощью химиче­ских веществ через жидкие среды организма (кровь, лимфу, межклеточ­ную жидкость). В данном случае не демонстрируется роль гормонов, но они бесспорно являются важнейшим компонентом регуляции процессов взросления, размножения, обмена веществ и т. д.

Как вы уже знаете, «дыхательный центр» - это группа нейронов, регу­лирующих процесс сокращения дыхательных мышц. Он находится в про­долговатом мозге и возбуждается по сигналу от химических рецепторов, расположенных в крупных, значимых артериях - сонных, коронарных, аорте. Хеморецепторы в свою очередь возбуждаются от увеличения количе­ства углекислого газа в крови. А почему же растет уровень СО.,? Это происходит потому, что в процессе дыхания - окисления органических вещества он выделяется из клеток организма в окружающую среду - тканевую жидкость и кровь. Следовательно, повышение СО2 - это косвенное свидетельство недостатка О, в организме. Представим этот процесс в виде схемы -дуги безусловного рефлекса (схема 1).

Адаптация организма к стрессу - это сложный физиологический процесс, в котором задействованы и нервная, и эндокринная системы. Стресс - неспецифическая реакция организма на воздействие экстремаль­ных негативных (стрессовых) факторов, направленная на сохранение го­меостаза (постоянства показателей) с помощью нервных и гуморальных механизмов. Для ответной стрессовой реакции неважно, какой негатив­ный фактор воздействовал на организм (травма, жара, холод, гнев, ра­дость, опасность и др.). Степень ответной реакции будет определяться силой негативного воздействия, а не его типом.

Можно представить адаптацию организма к стрессу как последова­тельность событий, параллельно происходящих в нервной и эндокринной системах. Попробуем изобразить эти события в виде схемы 2:

Знание и понимание

1. Объясните, для чего нужно, чтобы нервная и гуморальная регуляции осуществлялись согласованно.
2. Опишите вицы регуляции процессов в организме.

Применение

1. Сравните нервную н гуморальную регуляцию.
2. Опишите, каким образом происходит взаимодействие нервной и гумо­ральной регуляций при 1) смене вдоха и 2) при адаптации к стрессу.

Анализ

1. Изобразите в виде схемы последовательных событий процессы, про­исходящие при смене вдоха и выдоха, отразив разными цветами про­цессы нервной и гуморальной регуляции,
2. Проанализируйте и установите зависимость выживаемости организма от слаженного взаимодействия нервной и гуморальной регуляции.

Синтез

1. Систематизируйте по критериям различные типы регуляции.
2. В чем эволюционный смысл управления организмом с помощью нейрогуморальных механизмов? Какие преимущества обеспечивает такое взаимодействие?

Оценка

1. Напишите реферат о работе гипофизарно-гипоталамической форма­ции как центра нейрогуморальной регуляции процессов в организме человека.
2. Дебаты: «Нервная регуляция важнее для организма человека, чем гу­моральная» <-> «Гуморальная регуляция важнее для организма чело­века, чем нервная». Обсудите, правомочны ли данные тезисы.

§ 26. Система обмена информацией между мозгом и компьютером

Цель изучения этой темы: изучить особенности технологии интерфейс «компьютер - мозг».

Что такое нервный импульс? Какие вы знаете способы фиксации биотоков головного мозга? Какие эксперименты по стимуляции отдельных отделов коры больших полушарий головного мозга вы помните?

Что нужно повторить для успешного изучения темы: § 38 - учебник для 7 класса; § 40 - учебник для 8 класса.

Нейрокомпьютерный интерфейс (ИКИ) - техническая система для обмена информацией между мозгом и электронным устройством (на­пример, компьютером).

По способу взаимодействия мозга с электронным устройством вы­деляют три типа этих систем: 1) передающие информацию от мозга к устройству; 2) передающие информацию от устройства к мозгу; 3) дву­направленные системы, осуществляющие обмен информацией между мозгом и устройством.

Из истории: первый искусственный кремниевый чип был разработан в уни­верситете Южной Калифорнии в 2003 г., а создан и апробирован в Кливленде в 2004 г., в центре нейрохирургических исследований. Современные микросхе­мы способны получать импульсы от 16 тыс. мозговых нейронов биологического происхождения и посылать обратно сигналы к нескольким сотням клеток. Работа устройства была основана на способности фиксировать разность электрических потенциалов за счет выделяющихся ионов Na. В экспериментах нейроны были вы­делены из нейроглии и вместо нее связаны специальными белками, способны­ми образовывать дополнительные натриевые каналы. Увеличение числа натрие­вых каналов повышает шансы на то, что транспорт ионов преобразуется в электри­ческие сигналы в чипе.

Система обмена информацией между мозгом и компьютером сегодня имеет две основные практические цели - это в первую очередь нужды медицины, а также взаимодействие с гаджетами, электронными играми, использование очков виртуальной реальности и т. д.

В медицинских исследованиях есть успехи в интерфейсах, направ­ленных на получение функциональных нейропротезов. Нейропротезиро­вание - область неврологии, занимающаяся созданием и имплантаци­ей искусственных устройств для восстановления нарушенных функций нервной системы или сенсорных органов (нейропротезов или нейроим­плантов). Наиболее часто используется кохлеарный нейроимплантат, которым пользуются около 100 тыс. человек по всему миру (по данным на 2006 г.). Однозначно успешным является разработка нейропротезов для восстановления зрения. Так, имплантаты обеспечивают переда­чу сигналов от поврежденной сетчатки глаза. Люди, чье зрение ранее не поддавалось восстановлению, сейчас могут воспринимать изображение с разрешением картинки 300*300 пикселей. Это, конечно, неполноцен­ное изображение и тем более не цветное, но все-таки это значительно луч­ше, чем различение света и тени, которое было доступно раньше силами стандартных медицинских манипуляций. Но следует отметить, что элек­тронная составляющая таких устройств «монтируется» не в зрительный нерв, а в остатки светочувствительных рецепторов - палочек и колбочек. То есть без сетчатки, хоть и сильно травмированной, пока не обойтись.

Подобных успехов ученые добились и в лечении органа слуха. Люди, ранее лишенные слуха, начинают слышать благодаря электронным им­пульсам искусственного устройства, стимулирующего слуховой нерв. По проблема заключается в том, что люди, глухие от рождения, не могут воспринять звуки речи как отдельные звуки и воспринимают их сначала как сплошной шум. Тут необходима не нейроэлектронная, а скорее пси­холого-педагогическая работа, основанная на том, чтобы научить мозг взрослого человека воспринимать речь. Подробнее этот вопрос мы рассмо­трим в следующем классе.

Принципиальное отличие ПКИ от нейропротезирования заключается в том, что ПКИ представляет собой более узкий класс устройств, взаимо­действующих именно с центральной нервной системой, а не с перифериче­скими нервами.

Суть исследований состоит в многократной фиксации биотоков моз­га при определенных видах деятельности и представляет собой попытку их воспроизведения с помощью электронных устройств (желательно бес­проводных). Еще с 70-х годов XX в. велись исследования, в результате которых были разработаны алгоритмы для координации движений за счет воспроизведения сигналов нейронов моторной зоны коры головного мозга. То есть удалось добиться совершения простых движений у макак путем электроимпульсов, подаваемых в мозг через устройство. Но все эти исследования были основаны только на использовании электроэнце­фалограмм, фиксировавших только поверхностные биотоки мозга. На­стоящий прорыв произошел в 90-х годах XX в. после применения МРТ (магнитно-резонансного томографа), по данным которого можно было уже изучать и эклектическую активность нейронов в глубине головного мозга (рис. 37).

Сегодня делаются попытки создания нейроинтерфейса «мозг — ком­пьютер», позволяющего силой мысли управлять биологическими робо­тизированными экзопротезами, инвалидными колясками и любыми другими устройствами. Подобные исследования ведутся во многих странах, и уже есть определенные экспериментальные практические результаты.

Можно выделить две основные проблемы данных исследований.

1. Не решена полностью проблема вживления этих устройств в мозг без его повреждения. На данном этапе рассматривается перспектива "пропускать" сверхтонкие электротрубки, способные проводить электри­ческий ток, близкий по характеристикам к нервным импульсам, вблизи и вдоль крупных сосудов мозга. Другой подход — попытка создания бес­проводных — неинвазивных устройств. Так, 9 июля 2015 г. российская "Объединенная приборостроительная корпорация" приступила к испыта­ниям неинвазивного ПКИ. Об итогах исследований пока не заявлено. На данный момент нейроинтерфейс проходит испытания.
2. Еще одной значимой проблемой функционирования НКИ является проблема индивидуальности ответных реакций на одинаковые с точки зрения фиксирующих приборов импульсы. То есть определенный набор импульсов может по-разному обрабатываться мозгом разных людей.

Перспективы в использовании НКИ огромны, и исследования в этой области находятся по сути в самом начале. Множество лабораторий по всему миру ведут исследования. Такое мощное использование научных ресурсов обязательно принесет конкретные результаты.

Знание и понимание

1. Что такое НКИ?

1. Как вы понимаете, что такое технологии интерфейс «компьютер мозг»?

Применение

1. Назовите причины, по которым исследования в области взаимодей­ствия «мозг компьютер» необходимы.
2. Опишите, с помощью каких приборов велись исследования по взаимо­действию «мозг компьютер» с 70-х и после 90-х годов XX в.

Анализ

1. Проанализируйте перспективы создания НКИ.
2. Изобразите в виде схемы взаимодействие «мозг компьютер».

Синтез

1. Порассуждайте, какие возможности открываются благодаря перспек­тивам применения НКИ в медицине и педагогике.
2. Известны ли вам художественные произведения фэнтези или фан­тастического жанра, описывающие перспективы применения НКИ? Если да, то обсудите с одноклассниками степень их реалистичности.

Оценка

1. Напишите реферат об особенностях технологии интерфейс «компью­тер мозг».
2. Дискуссия: «Все проблемы обучения и получения новой информации в ближайшей перспективе будут решены благодаря внедрению усо­вершенствованных технологий взаимодействия головного мозга с ком­пьютерным интерфейсом».

§ 27. Механизмы поддержания гомеостаза

Цель изучения этой темы: объяснить механизм поддержания постоянства внутренней среды организма.

Что такое гомеостаз⁷ В чем отличие этого понятия от понятия «физио­логический гомеостаз»? Какие внутренние среды организма человека вы знаете? Можно ли считать процессы выделения у растений меканизмами поддержания гомеостаза? Какие механизмы использует организм человека для осуществления терморегуляции? Можно ли считать терморегуляцию частным проявлением гомеостаза?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 29, 30 - учебник для 7 класса; § 16. 44 - учебник для 8 класса.

Гомеостаз в качестве термина можно использовать как в широком биосферном смысле, так и применительно только к одному отдельному организму. В данном параграфе мы будем рассматривать гомеостаз в уз­ком смысле - как способность организма человека поддерживать посто­янство своей внутренней среды.

В том или ином виде значительная часть тем, описывавших процессы в организме человека, касалась и поддержания гомеостаза. Ведь орга­низм не может существовать без постоянного состава своей внутренней среды. Если состав крови, лимфы или тканевой жидкости значительно изменится, это обязательно приведет к гибели организма.

Незначительные колебания некоторых показателей допускаются и на­зываются динамическим равновесием. Это необходимо, чтобы организм смог адаптироваться к изменениям окружающих условий. Так, например, в пределах 5% может варьироваться соотношение клеток и плазмы крови. Этот показатель в норме составляет 45% клеток на 55% плазмы. Но при обезвоживании возможно соотношение 40:60, а при поглощении большого количества воды - 50:50.

Механизмы поддержания гомеостаза в организме человека нейрогуморальные. Именно процессы поддержания гомеостаза показывают непо­средственное взаимодействие нервной и эндокринной систем организма человека. Так почти все железы внутренней секреции (исключая поджелу­дочную) управляются гормонами гипофиза. В свою очередь гипофиз под­чиняется нервным окончаниям и нейрогормонам гипоталамуса - отде­ла промежуточного мозга. Кора больших полушарий, воспринимающая и анализирующая информацию от органов чувств, воздействует как на гипоталамус, так и на другие отделы вегетативной НС, включая то на активный симпатический, то на пассивный парасимпатический. Парал­лельно гормоны и иные вещества с током крови достигают коры боль­ших полушарий и гипоталамуса и также оказывают на них определен­ное воздействие по принципу обратной связи. Здесь же происходит анализ

информации из рецепторов об «успешности проделанной работы», т. е. о том, достигнута ли цель, сохранен ли гомеостаз (рис. 38).

Множество из физиологических показателей функционирования ор­ганизма человека можно рассматривать как признак гомеостаза. Это и температура, и количество различных веществ (глюкозы, солей, бел­ков, ионов, мочевины и мочевой кислоты и т. д.) в плазме крови, арте­риальное давление и ритм дыхания и сердцебиения. Рассмотрим работу механизмов поддержания гомеостаза в конкретных условиях, например поддержание температуры тела (рис. 39).

Другой пример - поддержание постоянства количество глюкозы в крови (рис. 40).

Любой другой процесс, связанный с поддержанием гомеостаза, мож­но представить так же. Вы уже знаете, что все процессы, происходящие в организме, управляются нейрогуморально. То есть управление не толь­ко осуществляется совместно нервной и эндокринной системами, но и происходит постоянный мониторинг эффективности предпринятых действий. При нехватке гормонов дается команда на их выделение, при их избытке - команда на их уменьшение. Это же касается и нервной ре­гуляции. Так, если кровеносные сосуды кожи сузились, чтобы сохранить тепло, и организм достаточно согрелся, они тут же расширятся вновь до нормального диаметра. Если же организм после охлаждения начинает

перегреваться, последует незамедлительная команда на расширение ка­пилляров кожи и выделение пота.

Любой организм представляет собой динамичную систему, направ­ленную на поддержание своего существования. Сохраняя себя, сохраняя жизнь, организм всячески стремится поддержать постоянство своих жиз­ненных показателей - гомеостаз. Механизмы этого процесса будут от­личаться у растений, одноклеточных животных и высокоорганизованных существ, к которым относится человек. Но общие тенденции, направле­ния всех имеющихся ресурсов, сил, средств и механизмов организма на сохранение гомеостаза - бесспорный признак живого.

Знание и понимание

1. Объясните, почему всему живому необходимо поддерживать гомеостаз.
2. Дайте определение терминам: гомеостаз, нейрогуморальная регуляция, гипоталамус, гипофиз.

Применение

1. Определите связь между нервными и гуморальными механизмами, на­правленными на поддержание гомеостаза.
2. Опишите, каким образом происходит поддержание постоянства коли­чества глюкозы в крови при стрессах и (или) сильных физических нагрузках.

Анализ

1. Проанализируйте этапы развития ответной реакции организма на по­нижение или повышение температуры окружающей среды как спосо­ба поддержания гомеостаза.
2. Изобразите в виде произвольной схемы процесс поддержания водпо- солевого баланса в организме человека.

Синтез

1. Оцените роль механизмов поддержания гомеостаза в сохранении жиз­ни организма.
2. Как взаимосвязаны нервные и гуморальные механизмы в поддержа­нии жизненных показателей? Систематизируйте полученные знания.

Оценка

1. Считаете ли вы. что в эволюции могли появиться достаточно сложные многоклеточные животные организмы, способные обходиться без го­меостаза? Ответ аргументируйте или организуйте дискуссию.
2. Оцените эволюционное значение формирования нейрогуморальпых ме­ханизмов поддержания гомеостаза в организмах высших животных.