Введение

Нейроэндокринология – это раздел биологии (в частности, физиологии), изучающий взаимодействие между нервной и эндокринной системами, то есть, то, как мозг регулирует гормональную активность в организме. Нервная и эндокринная системы часто действуют совместно в процессе, называемом нейроэндокринной интеграцией, для регулирования физиологических процессов в организме человека. Нейроэндокринология возникла благодаря осознанию того, что мозг, особенно гипоталамус, контролирует секрецию гормонов гипофиза, и впоследствии расширилась для изучения многочисленных взаимосвязей между эндокринной и нервной системами. Эндокринная система состоит из множества желез, расположенных по всему организму, которые производят и выделяют гормоны разнообразного химического состава, включая пептиды, стероиды и нейроамины. В совокупности гормоны регулируют множество физиологических процессов. Нейроэндокринная система – это механизм, посредством которого гипоталамус поддерживает гомеостаз, регулируя репродукцию, метаболизм, пищевое и питьевое поведение, использование энергии, осмолярность и кровяное давление.

Гипоталамус

Гипоталамус общеизвестен как ретрансляционный центр мозга благодаря своей роли в интеграции сигналов, поступающих из всех областей мозга, и выработке конкретной реакции. В нейроэндокринной системе гипоталамус получает электрические сигналы из различных частей мозга и преобразует их в химические сигналы в форме гормонов или либеринов. Эти химические вещества затем транспортируются в гипофиз и оттуда в системный кровоток.

Гипофиз

Гипофиз делится на три доли: переднюю гипофизарную, промежуточную и заднюю. Гипоталамус контролирует секрецию гормонов передней гипофизарной доли, посылая высвобождающие факторы, называемые тропными гормонами, по гипоталамо-гипофизарной портальной системе. Например, тиреотропин-рилизинг-гормон, выделяемый гипоталамусом в портальную систему, стимулирует секрецию тиреотропного гормона передней гипофизарной долей. Задняя гипофизарная доля непосредственно иннервируется гипоталамусом; гормоны окситоцин и вазопрессин синтезируются нейроэндокринными клетками в гипоталамусе и хранятся в нервных окончаниях задней гипофизарной доли. Они секретируются непосредственно в системный кровоток гипоталамусными нейронами. В отличие от этого, гормоны передней гипофизарной доли (аденогипофиза) секретируются эндокринными клетками, которые у млекопитающих не иннервируются напрямую, однако секреция этих гормонов (адренокортикотропный гормон, лютеинизирующий гормон, фолликулостимулирующий гормон, тиреотропный гормон, пролактин и гормон роста) остается под контролем гипоталамуса. Гипоталамус контролирует переднюю гипофизарную долю посредством высвобождающих и ингибирующих факторов; это вещества, высвобождаемые гипоталамусными нейронами в кровеносные сосуды в основании мозга, в области срединного возвышения. Эти сосуды, гипоталамо-гипофизарные портальные сосуды, доставляют гипоталамусные факторы в переднюю гипофизарную долю, где они связываются со специфическими рецепторами на поверхности гормонпродуцирующих клеток. Нейроны, продуцирующие GHRH, расположены в дугообразном ядре гипоталамуса, в то время как соматостатин-продуцирующие клетки, участвующие в регуляции гормона роста, находятся в перивентрикулярном ядре. Эти две нейронные системы проецируют аксоны к срединному возвышению, где они высвобождают свои пептиды в портальные кровеносные сосуды для транспортировки в переднюю гипофизарную долю. Гормон роста секретируется импульсами, которые возникают в результате чередующихся эпизодов высвобождения GHRH и высвобождения соматостатина, что может отражать нейронные взаимодействия между клетками, продуцирующими GHRH и соматостатин, и отрицательную обратную связь от гормона роста. Во всех его проявлениях, от формирования привязанностей до сексуального поведения. Они контролируют сперматогенез и овариальный цикл, роды, лактацию и материнское поведение. Они контролируют реакцию организма на стресс и инфекции. Они регулируют метаболизм организма, влияя на пищевое и питьевое поведение, и влияют на то, как используется потребляемая энергия, то есть как метаболизируется жир. Они влияют и регулируют настроение, гомеостаз жидкости и электролитов, а также кровяное давление. Нейроны нейроэндокринной системы крупные; они представляют собой мини-фабрики по производству секреторных продуктов; их нервные окончания большие и организованы в когерентные терминальные поля; их выход часто можно легко измерить в крови; и то, что делают эти нейроны и на какие стимулы они реагируют, легко поддается выдвижению гипотез и экспериментальной проверке. Следовательно, нейроэндокринные нейроны являются хорошими "модельными системами" для изучения общих вопросов, таких как "как нейрон регулирует синтез, упаковку и секрецию своего продукта?" и "как информация кодируется в электрической активности?". [Похоже, что это первичное наблюдение из источника].

Пионеры

В 1915 году Уолтер Ли Гейнс отметил активность гипофиза в процессе лактации коров. Он также отметил, что анестезия может блокировать лактацию и реакцию на сосательный рефлекс. Эрнст и Берта Шаррер из Университета Мюнхена и Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна считаются сооснователями нейроэндокринологии благодаря своим первоначальным наблюдениям и предложениям 1945 года относительно нейропептидов. Джеффри Харрис многими считается "отцом" нейроэндокринологии. Харрис, профессор анатомии имени доктора Ли в Оксфордском университете, показал, что передняя доля гипофиза млекопитающих регулируется гормонами, секретируемыми гипоталамусными нейронами в гипоталамо-гипофизарную портальную систему кровообращения. В отличие от этого, гормоны задней доли гипофиза поступают в системный кровоток непосредственно из нервных окончаний гипоталамусных нейронов. Эта основополагающая работа была выполнена в сотрудничестве с Дорой Джейкобсон из Лундского университета. Первыми из этих факторов, которые были идентифицированы, являются тиреотропин-рилизинг-гормон (ТРГ) и гонадотропин-рилизинг-гормон (ГнРГ). ТРГ – это небольшой пептид, который стимулирует секрецию тиреотропного гормона; ГнРГ (также называемый лютеинизирующим гормоном-рилизинг-гормоном) стимулирует секрецию лютеинизирующего и фолликулостимулирующего гормонов. Роджер Гильмен, студент медицинского факультета Лионского университета, и Эндрю Шалли из Университета Тулейн выделили эти факторы из гипоталамуса овец и свиней, а затем определили их структуру. Гильмен и Шалли были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1977 году за вклад в понимание "пептидного гормонального производства мозга". В 1952 году Андор Сент Иванйи из Университета Южной Флориды и Геза Филипп опубликовали первую в мире научную работу, демонстрирующую, как нейронный контроль иммунитета осуществляется через гипоталамус.

Современный охват

Сегодня нейроэндокринология охватывает широкий спектр тем, возникших прямо или косвенно из основной концепции нейроэндокринных нейронов. Нейроэндокринные нейроны контролируют половые железы, стероиды которых, в свою очередь, влияют на мозг, как и кортикостероиды, секретируемые надпочечниками под влиянием адренокортикотропного гормона. Изучение этих обратных связей стало областью исследований нейроэндокринологов. Пептиды, выделяемые нейроэндокринными нейронами гипоталамуса в кровь, оказалось, высвобождаются также и в мозг, при этом центральные эффекты часто дополняют периферические. Таким образом, понимание этих центральных эффектов также стало задачей нейроэндокринологов, иногда даже когда эти пептиды обнаруживались в совершенно разных областях мозга, которые, казалось, выполняли функции, не связанные с эндокринной регуляцией. Нейроэндокринные нейроны были обнаружены и в периферической нервной системе, где они регулируют, например, пищеварение. Клетки мозгового вещества надпочечников, выделяющие адреналин и норадреналин, обладают свойствами, промежуточными между эндокринными клетками и нейронами, и стали отличными модельными системами, например, для изучения молекулярных механизмов экзоцитоза. И эти системы, в свою очередь, также вошли в сферу нейроэндокринологии. Нейроэндокринные системы сыграли важную роль в понимании многих фундаментальных принципов нейробиологии и физиологии, например, принципа связи стимула с секрецией. Происхождение и значение паттернов в нейроэндокринной секреции остаются доминирующими темами в нейроэндокринологии и сегодня. Нейроэндокринология также используется как неотъемлемая часть понимания и лечения нейробиологических расстройств мозга. Примером может служить усиление терапии симптомов расстройства настроения гормоном щитовидной железы. Другой пример – обнаружение проблемы с транстиретином (транспортом тироксина) в спинномозговой жидкости у некоторых пациентов, диагностированных с шизофренией.

Экспериментальные методы

С момента первых экспериментов Джеффри Харриса по изучению связи гипоталамуса с гипофизом, было получено множество новых данных о механизмах этого взаимодействия. Для исследования использовались различные экспериментальные методики. Ранние эксперименты в значительной степени основывались на методах электрофизиологии, разработанных Ходжкином и Хаксли. Современные подходы включают использование различных математических моделей для понимания ранее выявленных механизмов и прогнозирования системного ответа и адаптации в различных условиях.

Электрофизиология

Эксперименты по электрофизиологии использовались на ранних этапах развития нейроэндокринологии для определения физиологических процессов, происходящих в гипоталамусе и особенно в задней доле гипофиза. В 1950 году Джеффри Харрис и Барри Кросс описали путь окситоцина, изучая высвобождение окситоцина в ответ на электрическую стимуляцию. В 1974 году Уолтерс и Хэттон исследовали влияние водного обезвоживания, проводя электрическую стимуляцию супраоптического ядра – гипоталамического центра, отвечающего за высвобождение вазопрессина.

Модель Ходжкина-Хаксли

Модель Ходжкина-Хаксли преобразует данные о токе системы при заданном напряжении в данные, зависящие от времени, описывающие мембранный потенциал. Эксперименты, использующие эту модель, как правило, опираются на единый формат и предположения, но изменяют дифференциальные уравнения для решения конкретных задач. Благодаря применению этого метода было получено много информации о вазопрессине, ГнРГ, соматотрофах, кортикотрофах и лактотропных гормонах.

Модель интеграции и обстрела

Модель «интегрируй и выстрели» стремится к математической простоте в описании биологических систем, фокусируясь исключительно на пороговой активности нейрона. Благодаря этому модель успешно снижает сложность запутанной системы, однако она не учитывает реальные механизмы действия и заменяет их функциями, определяющими зависимость выходного сигнала системы от входного. Эта модель применялась для описания высвобождения гормонов в заднюю долю гипофиза, в частности окситоцина и вазопрессина.

Модель функциональных или средних полей

Модель функциональных или средних полей основывается на принципе "чем проще, тем лучше". Она стремится снизить сложность моделирования многогранных систем, используя одну переменную для описания всей популяции клеток. Альтернативой было бы использование различных наборов переменных для каждой популяции. При попытке смоделировать систему, в которой взаимодействуют несколько популяций клеток, использование множества наборов быстро становится чрезмерно сложным. Эта модель применялась для описания различных систем, особенно связанных с репродуктивным циклом (менструальные циклы, лютеинизирующий гормон, всплески пролактина). Функциональные модели также существуют для представления секреции кортизола и гормона роста.