Введение

Алостаз (/ˌɑːloʊˈsteɪsɪs/) - это физиологический механизм регулирования, при котором человеческий организм предусматривает и регулирует потребление энергии в соответствии с требованиями окружающей среды. Впервые предложенная Питером Стерлингом и Джозефом Эйером в 1988 году, концепция аллостаза смещает фокус от тела, поддерживающего жесткую внутреннюю точку отсчета, как в гомеостазе, к способности и роли мозга интерпретировать стресс окружающей среды и координировать изменения в организме с использованием нейромедиаторов, 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 Бернардом в 1849 году, придумав постоянство среды внутри (внутренней среды). Он стремился заменить древнегреческое понятие витализма, которое предлагало управление телом с помощью нефизических средств с физиологическим пониманием механизмов тела через обратную связь и регулирование. Гарвардский физиолог Уолтер Кэннон взял теорию Бернарда о среде внутреннего мира и расширил ее, включив в нее эволюционную структуру энергоэффективности и сохранения. Каннон придумал концепцию гомеостаза в 1926 году, продемонстрировав, что организм организма является саморегулирующейся системой регулирования с определенными условиями устойчивого состояния для оптимального функционирования. К концу 20-го века нейробиолог Питер Стерлинг и эпидемиолог Джозеф Эйер заметили генеалогические закономерности хронического стресса и его воздействие на различные физиологические механизмы человека, которые не могли быть легко объяснены гомеостазом. Они разработали понятие "аллостаз" [от греческого λλος (állos, "другой", "различный") + στάσις (stasis, "стоящий на месте") означает "остающийся стабильным, будучи переменным"] для включения способности организма адаптироваться к условиям устойчивого состояния, основанным на восприятии и интерпретации факторов стресса окружающей среды.

Стерлинг и модель Айера

В 1970-х годах Стерлинг и Эйер изучали заболеваемость и смертность возрастных групп в США в 20-м веке и заметили корреляцию между смертностью возрастных групп и насыщением рынка труда в то время, когда возрастные группы входили в трудовую силу. Они обнаружили, что кохорты, которые вошли на рынок труда во время Великой депрессии и последующего экономического бума в 1940-х годах, имели более низкий уровень смертности из-за меньшей конкуренции на работе и отсутствия безопасности по сравнению с кохортами до 1930-х годов и с 1950-х годов. Они также отметили связь между большими стрессовыми событиями, такими как смерть близкого человека, развод, безработица и миграция, и более высоким уровнем смертности. Несмотря на предвзятое мнение, что снижение смертности в молодой когорте приведет к большему количеству хронических заболеваний в более позднем возрасте, Стерлинг и Эйер обнаружили противоречивые доказательства того, что молодые когорты с более высоким уровнем смертности на самом деле испытывали больше хронических проблем со здоровьем, таких как сердечно-сосудистые заболевания, в более позднем возрасте, следуя тенденции последовательного увеличения заболеваемости и смертности на протяжении всего поколения. Чтобы объяснить эти эпидемиологические явления, Стерлинг и Эйер предположили, что социальный и системный стресс в условиях продвижения капитализма и индустриализации является основным фактором повышения заболеваемости и смертности в возрастных группах. Эти исследования стали основой концептуализации аллостаза десять лет спустя. Стерлинг и Эйер предложили концепцию аллостаза в 1988 году, чтобы лучше объяснить процесс физиологических изменений на индивидуальном уровне, которые формируются крупномасштабными эпидемиологическими моделями. Исследования на животных также показали не гомеостатические модели во время возбуждения (или стресса). Когда человек испытывает стресс, его артериальное давление повышается, а когда стресс уходит, оно возвращается к нормальному уровню.

Механизм действия

Аллостаз зависит от способности мозга координировать все функции органов, иннервируя клетки органа для выполнения определенной функции, а также синтезируя и высвобождая сигнальные механизмы, такие как гормоны и нейротрансмиттеры. В ответ на стресс мозг напрямую иннервирует щитовидную железу и поджелудочную железу для регулирования энергии, посылает сигналы в сердечно-сосудистую систему для увеличения сердечного выброса, стимулирует надпочечники для высвобождения кортизола и альдостерона и высвобождает гормоны из гипофиза, такие как ACTH, для регулирования выброса мочи через систему ренин-ангиотензина-альдостерона. Мозг способен преодолеть негативную обратную связь в этих локализованных системах и постоянно оценивать внутренние настройки тела. Таким образом, организм может эффективно регулировать свои ресурсы и энергосбережение. Еще одним ключевым компонентом аллостаза является восприятие мозгом и последующая адаптация к хроническому стрессу. Стерлинг и Эйер предположили, что мозг может предвидеть стрессовые факторы, чтобы подготовить организм к адекватному реагированию на требования окружающей среды с помощью классического обучения. Если мозг постоянно интерпретирует или даже предвидит стресс, то это может привести к эпигенетическим изменениям, которые навсегда адаптируются к хроническому состоянию возбуждения, что приводит к физиологическим изменениям, таким как утолщение кровеносных сосудов для поддержки увеличения сердечного выхода и понижения регуляции рецепторов гормона стресса.

Регулирование иммунной системы

Мозг обычно координирует иммунный ответ против внешней угрозы, который включает в себя синтез, дифференциацию и миграцию иммунных клеток, высвобождение цитокинов и интерлейкинов, повышение внутренней температуры и перенаправление метаболических потребностей для поддержки этих усилий. Аллостатическая (предсказующая) регуляция позволяет мозгу расставлять приоритеты, например, отправляя больше кислорода и питательных веществ органам, которые больше всего в них нуждаются. Например, во время пиковых тренировок мышцы требуют 18-кратного увеличения содержания кислорода в крови, но сердце может увеличить свою емкость только в 3,5 раза. Поэтому мозг временно заимствует кровь из пищеварительной системы, а почки перенаправляют ее в мышцы. Он позже погашает долг, когда увеличенная потребность мышц ослабевает. Без возможности приоритизировать взаимозаменяемость между системами органов, сердце и легкие должны были бы быть намного больше, а большая часть этой дорогостоящей дополнительной емкости осталась бы неиспользованной. Каждая система развивается, чтобы работать в определенном диапазоне. Например, конусовые фоторецепторы эволюционировали для восприятия дневного света в диапазоне интенсивности в 10 000 раз, тогда как стержневые фоторецепторы развили другую конструкцию для восприятия лунного и звездного света до обнаружения отдельных фотонов. Чтобы оптимально функционировать в широком диапазоне операций, все системы адаптируют свою чувствительность. Фоторецептор с помощью прутьев адаптируется к яркому лунному свету и требует нескольких минут, чтобы повысить свою чувствительность к звездному свету. С метафорической точки зрения это можно интерпретировать как машину, работающую непрерывно, поскольку машина перегружена; со временем она становится менее эффективной, потому что на нее возлагается больше напряжения. Аналогичным образом, процесс аллостаза становится менее эффективным в управлении ресурсами организма, когда организм выдерживает повышенный уровень нездорового стресса из-за износа тела и мозга. Увеличение аллостатической нагрузки может ухудшить и уменьшить нейропластичность, поскольку стресс заставляет мозг стареть быстрее. Это связано с тем, что при большем стрессе больше синаптических связей теряется в префронтальной коре, которая отвечает за регулирование тела.

Типы

Мак-Эуэн и эндокринолог Джон К. Уингфилд предложили два типа аллостатической перегрузки, которые приводят к различным реакциям: аллостатическая перегрузка типа 1 возникает, когда спрос на энергию превышает предложение, что приводит к активации фазы экстренной истории жизни. Это направляет животное от нормальных стадий жизненной истории в режим выживания, который уменьшает аллостатическую нагрузку и восстанавливает положительный энергетический баланс. Нормальный жизненный цикл может быть возобновлен, когда возмущение пройдет. Аллостатическая перегрузка типа 2 начинается, когда потребление энергии является достаточным или даже избыточным, сопровождаемое социальными конфликтами и другими типами социальной дисфункции. Последнее относится к человеческому обществу и некоторым ситуациям, затрагивающим животных в неволе. Во всех случаях секреция глюкокортикоидов и активность других медиаторов аллостаза, таких как автономная нервная система, нейротрансмиттеры ЦНС и воспалительные цитокины, увеличиваются и уменьшаются с аллостатической нагрузкой. Если аллостатическая нагрузка хронически высока, развиваются патологии. Аллостатическая перегрузка типа 2 не вызывает реакцию бегства, и может быть нейтрализована только путем обучения и изменений в социальной структуре. В то время как оба типа аллостаза связаны с повышенным высвобождением кортизола и катехоламинов, они по-разному влияют на гомеостаз щитовидной железы: концентрации гормона трийодтиронина щитовидной железы снижаются при аллостазе типа 1, но повышаются при аллостазе типа 2. Это может быть результатом аллостатической нагрузки типа 2, увеличивающей точку отсчета контроля гипофиза щитовидной железы.

Парадигма аллостатической оркестрации

Сун Ли представил парадигму аллостатической оркестрации (PAO), расширив принцип аллостаза, заявив: "PAO происходит из эволюционной перспективы и признает, что биологические точки перехода меняются в ожидании изменения окружающей среды". Подчеркивая, что интегрированный взгляд на здоровье включает в себя экологический контекст. Алостазис поощряет повышение внимания к новым решениям на уровне общества, а также на уровне отдельных лиц и ближайшего сообщества. Вместо этого нужен был мозг, потому что его большой размер намного более способен к эффективному управлению. Однако в редких случаях животные виды не полагаются на мозг и аналогичный аллостатический процесс. Морской сорочек является одним из примеров, потому что, как только личинки полностью вырастут, они "поглощают свой мозг". Аллостатический процесс морского сорочка не будет таким сложным, как у человека, например, поскольку у обоих видов есть экологические ниши, которые имеют разную сложность (т.е. "Все животные имеют мозги, адаптированные к своим экологическим нишам и жизненным циклам").

Природа понятия

Алостаз предлагает более широкую гипотезу, чем гомеостаз: ключевой целью физиологического регулирования является не жесткая постоянство; скорее, это гибкое изменение, которое предвосхищает потребности организма и быстро их удовлетворяет. Вместо того, чтобы просто реагировать на окружающую среду, аллостаз использует предсказательную регуляцию, которая имеет более сложную цель в эволюции адаптации, изменяя основываясь на том, что она ожидает, а не оставаясь прежней или "в равновесии" в ответ на изменения окружающей среды, как предполагает гомеостаз. Это ставит гомеостаз как функцию внутри аллостаза; однако некоторые утверждают, что это более широкая парадигма в целом. Аллостаз переопределяет здоровье и болезнь за пределами стабильных измерений, например, лабораторных анализов или артериального давления, и расширяет его, чтобы определить здоровье как гибкость этих значений. Кровное давление является одним из главных примеров Стерлинга в измерении здоровья, которое лучше всего, когда оно может колебаться в ожидании ожидаемых потребностей мозга, так что оно может соответствовать этому спросу. Альтернативным вариантом, или менее здоровым состоянием в системе заболеваний, было бы то, что артериальное давление оставалось бы прежним, или "стабильным", и не отвечало бы новым требованиям. Уингфилд утверждает: "Концепция аллостаза, поддержание стабильности через изменения, является фундаментальным процессом, посредством которого организмы активно приспосабливаются как к предсказуемым, так и к непредсказуемым событиям. Аллостатическая нагрузка относится к совокупным затратам организма на аллостаз, при этом аллостатическая перегрузка является состоянием, в котором может возникнуть серьезная патофизиология. Используя баланс между энергией входа и расхода в качестве основы для применения концепции аллостаза, были предложены два типа аллостатической перегрузки. Стерлинг (2004) предложил несколько взаимосвязанных точек, которые составляют модель аллостаза: организмы предназначены для эффективности. Для эффективности требуется, чтобы мозг мог предсказать, что будет нужно, и избежать дорогостоящих ошибок. Мозг еще больше повышает эффективность, расставляя приоритеты и обеспечивая компромисс. Все системы, включая мозг, системы органов и отдельные клетки, предназначены для определенного диапазона работы. (Например, конусовые фоторецепторы адаптируются к дневному свету, а стержневые фоторецепторы - к лунному и звездному свету). Параметры системы изменяются в зависимости от спроса и адаптируют свою чувствительность. В то время как широкий диапазон обозначает гибкую и здоровую систему, когда их развитые диапазоны работы хронически превышаются, системы на всех уровнях ломаются.

Клиническое значение

Аллостаз возникает на клеточном и системном уровнях. Когда люди подвергаются хроническому стрессу, мозг постоянно повышает кровяное давление; затем артериальные мышцы предсказывают повышенное давление и реагируют гипертрофией (как скелетные мышцы, когда мы поднимаем веса). Постепенно вся сердечно-сосудистая система приспосабливается к жизни при повышенном давлении. Это называется хронической гипертонией, которая повышает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний и инсульта. Аналогичным образом, при постоянном потреблении углеводов требуется постоянное повышение уровня глюкозы в крови, что приводит к постоянному повышению уровня инсулина, который увеличивается в связи с необходимостью контролировать высокий уровень углеводов. Клетки, экспрессирующие инсулиновые рецепторы, предсказывающие высокий уровень инсулина, адаптируются, уменьшая свою чувствительность (как фоторецепторы при ярком свете). Это приводит к диабету 2 типа и повышенной смертности от многих причин. Хотя врачи называют этот ответ резистентностью к инсулину, его лучше понять как следствие предсказуемой регуляции. Аллостаз необходим для поддержания внутренней жизнеспособности в условиях изменения.