A hőszabályozás központi idegrendszeri integrációja Doktori értekezés dr. Bratincsák András Semmelweis Egyetem Szentágothai János Idegtudományi Doktori Iskola
Témavezető: Dr. Palkovits Miklós, egyetemi tanár, az MTA rendes tagja Szigorlati bizottság elnöke: Dr. Nagy György, egyetemi tanár, D.Sc. Szigorlati Bizottság tagjai: Dr. Majorossy Kálmán, egyetemi tanár, Ph.D. Dr. Kovács Krisztina, tudományos főmunkatárs, D.Sc.
Budapest, 2006
Bevezetés
Mind a meleg, mind a hideg környezeti hőmérséklet által
A hőszabályozás az emlős állatok evoluciós dominanciáját eredményező
fiziológiás
adott
területén elhelyezkedő termoregulátoros központba kerül. A
szervrendszer eutermikus egyensúlyát, s ezátal a sejtek
preoptikus központ felelős a termikus inger által kiváltott
optimális működését teszi lehetővé. Mint minden más
hőszabályzó válasz irányításáért. Ismerjük a hőszabályozás
fiziológiás
központi
kivitelezésében részt vevő sejtcsoportokat és a preoptikus
idegrendszer pontos irányítása alatt áll. Annak ellenére, hogy
központból szarmazó efferens beidegzésüket, azonban a
az elmúlt 100 évben számos publikáció jelent meg e témával
preoptikus magba irányuló afferens termikus stimulus
kapcsolatban, a testhőmérséklet központi idegrendszeri
topográfiája nem ismert.
folyamat,
a
folyamat,
mely
hőszabályozás
is
az
keltett termikus információ a hipotalamusz preoptikus
a
Számos in vitro adat bizonyítja, hogy a preoptikus area
szabályozása még nem teljesen ismert. A
hideg
illetve
meleg
inger
hatására
kiváltott
neuronjai változtatnak a kisülési frekvenciájukon, ha különböző
termoregulációs válasz teljesen más fiziológiás folyamatokat
hőmérsékletű
kőrnyezetbe
kerülnek,
azaz
közvetlen
foglal magába, így kézenfekvőnek tűnik, hogy ezen fiziológiás
termoszenzoros „képességgel“ rendelkeznek. Ezek a kísérletek
válaszok kiváltásával párhuzamosan különböző agyi struktúrák
azonban csak felvetik, de nem igazolják egy intrakraniális
aktiválódnak hideg- és melegstressz folyamán. A hidegstressz
hőérzékelő mechanizmus tényleges szerepét az emlős
során aktiválódó neuronokat előzőleg már részletesen
hőszabályozásban. Másfelöl in vivo kísérletek kimutatták az
feltérképezték, és ugyan számos adat látott napvilágot a
agytörzs és a gerincvelő fontosságát a termikus inger
melegstressz során aktiválódó sejteket illetően, a meleg-
továbbításában, de ezek a kísérletek sem bizonyították az
érzékeny neuronok pontos topográfiai lokalizációját még nem
adott perifériás termikus szignál szerepét az összetett, több
írták le.
szervrendszert is érintő termoregulátoros válasz kiváltásában. Más szóval, az irodalom számos adattal szolgál mind a
perifériás, mind az intrakraniális hőérzékelés exisztenciáját
A természetben megfigyelhető fiziológiás hőszabályozás
illetően, de sem direkt sem indirekt igazolást nem ad ezen
egy
termikus ingerek (neuronális vagy humorális) közvetlen a
emlősökben előforduló speciális állapot, amely természetes
hőszabályozásban játszott szerepüket tekintve.
adaptációként szolgál a hideg és táplálékszegény időszakok
Az
a
hibernáció,
egy
bizonyos
túlélésére. Hibernáció során a testhőmérséklettel együtt az
fenntartásához gyors és pontos hőrecepcióra van szükség,
összes fiziológiás mechanismus drasztikusan csökken, de ezen
amely adekvát termikus információt szolgáltat a preoptikus
drámai változások ellenére a hibernáló állatok képesek
központnak. Az afferens termikus információ alapján a
szövetkárosodás nélkül visszatérni eutermiás állapotba. A
preoptikus termoregulátoros központ irányítja a hőszabályozó
hibernációs ciklus során periodikusan visszatérő eutermiás
reakciókat indukáló termoefferens neuronokat. Irodalmi adatok
szakaszok pontos regulációja, illetve a hibernált állapotba való
bizonyitják számos a középagyban és az agytörzsben található
visszatérés ciklicitása igazolja a központi idegrendszer számos
mag a hőszabályozás efferentációjában való részvételét. Ezen
funkciójának precíz koordinálását. Irodalmi adatok bizonyítják
struktúrák nagy részének neuroanatómiai kapcsolatrendszere
bizonyos sejtcsoportok és területek hibernációban való
már ismert: tudjuk, hogy milyen pályán keresztül kapnak
részvételét. Ezek a kísérletek különböző módon detektálták az
termoregulátoros információt a preoptikus magból, s milyen
aktivált
pályákon keresztül projektálnak a perifériás szervekbe. Ezzel
hiányosságok miatt csak részben voltak képesek felfedni a
ellentétben nem ismert, hogy az agytörzsben jelen levő, a
hibernáció egyes szakszaiban aktivált és szerepet játszó
hőszabályozás afferens ágában szerepet játszó sejtcsoportok
neuronokat.
módon
testhőmérsékletének
formája
egyenletes
milyen
emlősök
szélsőséges
állnak
termoregulátoros központtal.
kapcsolatban
a
preoptikus
neuronokat
és
agyterületeket,
de
metodikai
Célkitűzések
Módszerek
Ebben a doktori értekezésben az alábbi célkitűzéséket fogalmaztuk meg: 1.
patkányt, illetve tizenhárom csíkos földi mókust) használtunk.
Célunk volt kimutatni a melegstressz során aktiválódó
neuronok
pontos
Célkitűzéseink igazolására in vivo modelleket (Sprague-Dawley
neuroanatómiai
lokalizációját
és
A patkányok termikus ingerléséhez hőszabályozott kamrák szolgáltak a hideg, illetve a meleg környezeti stimulus
összehasonlítani a meleg-, illetve a hidegstressz által aktivált
kiváltására:
neuronok topográfiai eloszlását.
regisztráltuk, és 4°C illetve 30°C-on tartottuk.
2.
a
kamrák
hömérsékletét
folyamatosan
Célunk volt vizsgálni, hogy a hőközpont aktivációját és
Az állatok testhömérsékletét a hideg és a melegstressz
a hőszabályoző mechanizmusok indukcióját a perifériás
folyamán szondák (intrakraniális, rektális, szubkután és bőr)
idegrendszerben eredő, neuronális termikus inger avagy a
segítségével mértük, és adott időközönként regisztráltuk.
központi idegrendszer lokális hőmérséklete váltja ki.
A termikus ingerlés által kivákltott neuronális aktivációt
3.
Célkitűzésünk volt, hogy felfedjük az agytörzs
immunhisztokémiai módszerrel követtük nyomon. Az akut
peritrigeminális régiójában található termoszenzitív sejtcsoport
neuronális aktivációt jelző c-fos gén transzkripcióját a kódolt
neuronális
mRNS
vetületét,
illetve
kapcsolatát
a
preoptikus
központtal. 4.
in situ
hibridizációs,
illetve
a
Fos
protein
immunhisztokémiai megjelenítésével mutattuk ki.
Célul tűztük ki a hibernáció ciklusának különböző
A hibernáció tanulmányozásához tizenhárom csíkos földi
szakaszaiban aktiválódó sejtek neuroanatómiai lokalizációjának
mókusokat használtunk. A hibernációs ciklust hűtött és
kimutatását és ezen magcsoportok a hibernáció fázisaiban
sötétített hibernaciós kamrával idéztük elő. A hibernaciós
betöltött szerepének azonosítását.
ciklus különböző pontjain levő állatok koronális agymetszetein az általunk szekvenált mókus c-fos mRNS in situ hibridizációval mutattuk ki az aktiválódott neuronokat.
Eredmények
struktúrákkal és azt tapasztaltuk, hogy a hidegstressz 30.
1.
A tézispontunk bizonyítására a különböző időtartamú
percében a termoszenzitív területek már maximális aktivációt
termikus stressznek kitett állatok központi idegrendszerében
mutattak, a bőr és szubkután szövet hőmérséklete ez alatt az
található aktiválódó neuronok szisztematikus analízise szolgált.
idő alatt szignifikánsan csökkent, azonban az intrakraniális és
Azonosítottuk a melegstressz során aktivált idegsejteket és
rektális hőmérséklet nem változott. Ezzel bebizonyítottuk,
leírtuk ezen területek neuroanatómiai lokalizációját. Topográfiai
hogy a hőszabályozás fiziológiás (in vivo) indukcióját a
eloszlásukat
perifériás szövetekben (bőr és szubkután szövet) detektált
összehasonlítottuk
a
hidegstressz
során
aktiválódó idegsejtek eloszlásával. Kimutattuk, hogy a meleg és hideg inger a központi idegrendszerben különböző
hőmérséklet váltja ki. 3.
A preoptikus magba vetülő afferens termoregulátoros
sejtcsoportokat aktivál és ugyan hasonló vagy ugyanazon
pálya létezésének bizonyítására anterográd és retrográd
magok vesznek részt a hőszabályozás irányításában a meleg
pályajelöléssel kívántuk kimutatni a preoptikus mag efferens,
és a hideg környezeti ingerre adott válaszreakció és reakció
illetve a peritrigeminális mag afferens kapcsolatait. Termikus
topográfiai vetülete alapvető eltéréseket mutat.
stresszel és immunfestéssel kombinálva lehetőségünk nyílt
2.
A
hőszabályozást
eredetének
bizonyítására
befolyásoló egy
olyan
termikus
in vivo
inger
modellt
bizonyítani,
hogy
a
peritrigeminális
magból
eredő
termoafferens rostok a preoptikus mag termoszenzitív
használtunk, amelyben közvetlenül nyomon tudtuk követni az
neuronjaira
egyes testrészek (agy, rektum, szubkután szövet, bőr)
termoszenzitív peritrigeminális magból eredő és a preoptikus
hőváltozását a hidegstressz során bekövetkező fiziológiás
hőszabályozó központra vetülő, direkt neuronális kapcsolatot
reakció folyamán. A különböző testrészek hőmérsékletének
mutattunk ki.
120 perces hidegstressz alatti változását összevetettük a hidegstressz
során
aktiválódó
agyi
termoszenzitív
4.
vetülnek.
Ezzel
egy
monoszinaptikus,
a
A tézispont bizonyítására tizenhárom-csíkos földi
mókusokat használtunk. A mókus specifikus c - f o s
gén
izolálásával képesek voltunk non-invazív módon kimutatni az
központi idegrendszeren átfolyó vér hőmérsékletét érzékelő
aktivált neuronokat és összehasonlítani ezen neuronok
intrakraniális termoszenzitív neuronok humorális információja
eloszlását a hibernációs ciklus szakaszaiban, fényt derítve már
által.
ismert termoregulátoros területek és eddig a hibernációval össze nem kapcsolt régiók aktiválására.
A nyúltvelő zárt részében elhelyezkedő, termikus ingerre aktiválódó
peritrigeminális
mag
közvetlen
neuronális,
termoafferens szignált továbbító projekcióval kapcsolódik a Következtetések A
fenti
preoptikus termoregulátoros központhoz.
kisérlettekkel
a
hőszabályozás
központi
A hibernációs ciklus különböző szakaszaiban más és más
idegrendszeri integrációjának bizonyos, eddig nem ismert
központi idegrendszeri területek aktiválódnak, melyek részben
részleteire derítettünk fényt.
megfelelnek a már ismert termoregulátoros struktúráknak,
A hideg illetve meleg termikus ingert nem ugyanazon sejtek dolgozzák fel és nem ugyanazon agypályák továbbítják: a központi idegrendszerben található, hőszabályozásban részt
részben viszont új, eddig a hőszabályozásban nem ismert sejtcsoportokat és régiókat alkotnak. Eredményeink
hozzájárulnak
a
testhőmérséklet
vevő magokon belül a hideg- és meleg-érzékeny sejtek
szabályozásának részletes megismeréséhez, s ezáltal számos
elkülönülnek,
olykor
klinikai kutatási témának teremtenek alapot.
szétszórtan,
más
ugyanazon helyütt
mag
pedig
területén
egy
magon
belül belül
csoportosulnak, szubdivíziókat alkotnak. A
hipotalamusz
preoptikus
régiójában
talalható
termoregulációs központ a hőszabályozást befolyásoló termikus szignált a perifériás hőreceptorokból származó közvetlen neuronális információ útján kapja, nem pedig a
Bratincsák A, Kovács Z, Palkovits M; Direct neuronal projection Témához kapcsolodó publikációk:
from a brainstem thermosensitive area to the preoptic
Márton A, Mihalik R, Bratincsák A, Adleff V, Peták I, Végh M, Bauer PI, Krajcsi P (1997) Apoptotic cell death induced by inhibitors of energy conservation--Bcl-2 inhibits apoptosis downstream of a fall of ATP level. Eur J Biochem 250:467-75.
Bratincsák A, Palkovits M (2004) Activation of brain areas in rat following warm and cold ambient exposure. Neurosci 127:385-397.
Bratincsák A, Palkovits M (2005) Evidence that peripheral rather
than
intracranial
thermal
signals
induce
thermoregulation. Neurosci 135:525-532.
Bratincsák A, McMullen D, Miyake S, Tóth Z, Hallenbeck JM, Palkovits M; Spatial and temporal activation of brain regions in hibernation – c-fos expression during the hibernation bout in thirteen-lined ground squirrel. J Comp Neurol. Manuscript accepted with revision.
thermoregulatory center. Manuscript in process.
