Аллостаз

Аллостаз (/ˌɑːloʊˈsteɪsɪs/ ) — физиологический механизм регуляции, при котором организм предвидит и корректирует свое использование энергии в соответствии с требованиями окружающей среды. Впервые предложенная Питером Стерлингом и Джозефом Эйером в 1988 году, концепция аллостаза смещает фокус с поддержания организмом жесткой внутренней заданной точки, как в гомеостазе , на способность и роль мозга интерпретировать стресс окружающей среды и координировать изменения в организме с помощью нейротрансмиттеров, 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 .

Концепция способности организмов стабилизировать внутренние телесные механизмы независимо от изменений окружающей среды была впервые популяризирована французским физиологом Клодом Бернаром в 1849 году, придумавшим постоянство milieu intérieur (внутренней среды). ^[1] Он стремился заменить древнегреческое понятие витализма , которое предполагало управление телом нефизическими средствами, на физиологическое понимание механизмов тела посредством обратной связи и регуляции. Гарвардский физиолог Уолтер Кэннон взял теорию milieu intérieur Бернара и расширил ее, включив в нее эволюционную структуру энергетической эффективности и сохранения. Кэннон придумал эту концепцию гомеостаза в 1926 году, продемонстрировав, что тело организма является самоуправляемой системой регуляции с определенными устойчивыми условиями для оптимального функционирования. ^[2] К концу 20-го века нейробиолог Питер Стерлинг и эпидемиолог Джозеф Эйер заметили генерационные модели хронического стресса и его влияние на различные физиологические механизмы человека, которые не могли быть легко объяснены гомеостазом. Они разработали концепцию «аллостаза» [от греческого ἄλλος ( állos , «другой», «отличный») + στάσις ( stasis , «стоять на месте»), что означает «оставаться стабильным, будучи изменчивым»], чтобы включить способность организма регулировать устойчивые состояния на основе восприятия и интерпретации стрессоров окружающей среды. ^{[3] [4]}

В 1970-х годах Стерлинг и Айер изучали заболеваемость и смертность возрастных групп в 20-м веке в Соединенных Штатах и ​​заметили корреляцию между показателями смертности возрастных групп и насыщением рынка труда в то время, когда возрастные группы входили в состав рабочей силы. ^[5] Они обнаружили, что группы, которые вышли на рынок труда во время Великой депрессии и вызванного ею экономического бума в 1940-х годах, имели более низкий повышенный уровень смертности из-за меньшей конкуренции за работу и неуверенности в себе по сравнению с группами до 1930-х годов и с 1950-х годов. Они также отметили корреляцию основных стрессовых событий, таких как утрата , развод, безработица и миграция, с более высоким уровнем смертности. Несмотря на предвзятое мнение о том, что снижение уровня смертности в более молодой когорте приведет к большему количеству хронических заболеваний в более позднем возрасте, Стерлинг и Айер обнаружили противоречивые доказательства того, что более молодые когорты с более высокими показателями 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 их поколения. Чтобы объяснить эти эпидемиологические явления, Стерлинг и Айер предположили, что социальный и системный стресс в условиях прогрессирующего капитализма и индустриализации является основным фактором повышения заболеваемости и смертности в возрастных когортах. Эти исследования стали основой концептуализации аллостаза десятилетие спустя.

Стерлинг и Айер предложили концепцию аллостаза в 1988 году, чтобы лучше объяснить процесс физиологических изменений на индивидуальном уровне, которые формируются крупномасштабными эпидемиологическими моделями. ^[3] Они заметили закономерность, что популяции в Соединенных Штатах с наибольшим влиянием социальных потрясений коррелировали с более высокими показателями заболеваемости и смертности. Например, уровень повышенного кровяного давления (или гипертонии ) был самым высоким среди групп, которые испытали наибольшее социальное потрясение, а именно безработных и афроамериканцев. Предыдущие физиологические объяснения приписывали эту распространенность афроамериканцам, которые генетически предрасположены к неэффективной фильтрации почек, вызывающей дисрегуляцию кровяного давления; однако генетика не могла объяснить, почему высокая распространенность гипертонии наблюдалась у афроамериканцев, но не у близкой генетически родственной популяции западных африканцев. Стерлинг и Айер предположили, что существует компонент разума-мозга-тела в постоянных физиологических изменениях внутренних состояний организма в условиях внешнего стресса.

Стерлинг и Айер утверждали, что гомеостаз не рисует всю картину физиологических мотивов организма. Хотя отдельные органы и ткани, извлеченные из организма, функционируют гомеостатически и демонстрируют свое нормальное функционирование с отрицательной обратной связью , это не всегда так, как это видно в организмах. Другим примером, который не полностью следует гомеостазу, является артериальное давление: если следовать гомеостазу, 24-часовой мониторинг артериального давления должен показывать, что организм возвращается к своему нормальному давлению через отрицательную обратную связь всякий раз, когда есть отклонение от оптимального функционирования. Однако человеческое тело демонстрирует широкий диапазон цифр артериального давления в состоянии покоя без коррекции в течение дня в зависимости от окружающей среды, например, низкое давление во время сна и более высокое давление утром. ^[6] Исследования на животных также показали негомеостатические закономерности во время возбуждения (или стресса). Организм повышает артериальное давление во время стресса и возвращается к норме, когда стрессор устраняется; однако, когда стресс становится хроническим, артериальное давление может не вернуться к норме и вместо этого остаться повышенным. ^[7]

Аллостаз зависит от способности мозга координировать функции всех органов путем иннервации клеток органов для выполнения определенной функции, а также синтеза и высвобождения сигнальных механизмов, таких как гормоны и нейротрансмиттеры. В ответ на стресс мозг напрямую иннервирует щитовидную и поджелудочную железы для регуляции 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 АКТГ, для регулирования диуреза через систему ренин-ангиотензин-альдостерон . ^[8] Мозг способен преодолевать отрицательную обратную связь в этих локализованных системах и непрерывно оценивать внутренние заданные значения организма. Поступая так, организм может эффективно регулировать свои ресурсы и запасы энергии.

Другим ключевым компонентом аллостаза является восприятие мозгом хронического стресса и последующая адаптация к нему. Стерлинг и Айер предположили, что мозг может предвидеть стрессоры, чтобы подготовить организм к адекватному реагированию на требования окружающей среды посредством классического обусловливания . Если мозг постоянно интерпретирует или даже предвидит стресс, то это может вызвать эпигенетические изменения, чтобы постоянно адаптироваться к хроническому состоянию возбуждения, что приводит к физиологическим изменениям, таким как утолщение кровеносных сосудов для поддержки повышенного сердечного выброса и понижение регуляции рецепторов гормонов стресса.

Мозг обычно координирует иммунный ответ против внешней угрозы, который включает синтез, дифференциацию и миграцию иммунных клеток, высвобождение цитокинов и интерлейкинов , повышение заданного значения внутренней температуры и перенаправление метаболических потребностей для поддержки этих усилий. ^[3] Однако, если мозг интерпретирует внешний стрессовый запрос как более срочный, он может вытеснить иммунные и воспалительные реакции и стимулировать высвобождение иммуноподавляющих гормонов стресса, таких как АКТГ и кортизол. После устранения стрессора организм возобновляет адекватный иммунный и воспалительный ответ, что может объяснить, почему часто наблюдается, что человек заболевает после острого стресса. Из-за взаимосвязанной природы регуляции мозгом стресса, иммунной системы и эндокринной системы аллостаз может играть роль в развитии рака .

Аллостаз подчеркивает, что регулирование должно быть эффективным, тогда как гомеостаз не ссылается на эффективность. Прогнозирование требует от мозга: (i) сбора информации по всем пространственным и временным масштабам; (ii) анализа, интеграции и принятия решения о том, что будет необходимо; (iii) осуществления прямого контроля всех параметров. Естественно, многие потребности несколько непредсказуемы, поэтому ошибки неизбежны; и для этих ошибок гомеостатические механизмы — контроль обратной связи — доступны для их исправления. ^{[9] [10]} Аллостатическая (прогностическая) регуляция позволяет мозгу расставлять приоритеты потребностей, например, отправляя больше кислорода и питательных веществ в органы, которые больше всего в них нуждаются. Например, во время пиковой нагрузки мышцам требуется в 18 раз больше насыщенной кислородом крови, но сердце может увеличить свою емкость только в 3,5 раза. Поэтому мозг временно заимствует кровь из пищеварительной системы и почек, перенаправляя ее в мышцы. Позже он возвращает долг, когда повышенная потребность мышц спадает. Без возможности расставлять приоритеты между системами органов, сердце и легкие должны были бы быть намного больше, в то время как большая часть этой дорогостоящей дополнительной мощности оставалась бы неиспользованной. ^{[11] [12]}

Каждая система эволюционирует для работы в определенном диапазоне. Например, колбочки фоторецепторов эволюционировали для восприятия дневного света в 10 000-кратном диапазоне интенсивности, тогда как палочковые фоторецепторы эволюционировали для восприятия лунного и звездного света вплоть до обнаружения отдельных фотонов. Для оптимального функционирования в своих широких рабочих диапазонах все системы адаптируют свою чувствительность. Палочковый фоторецептор адаптируется к яркому лунному свету и требует минут, чтобы повысить свою чувствительность к звездному свету. ^[12] Когда система хронически вынуждена выходить за пределы своего предполагаемого рабочего диапазона — например, из-за хронической высокоуглеводной диеты или другого стресса — пределы адаптации превышаются, и системы выходят из строя. Это состояние нейробиолог Брюс Макьюэн назвал аллостатической нагрузкой . ^[13] Здоровье организма поддерживается при работе в определенных параметрах, но с динамической изменчивостью диапазона. ^[14]

Слишком большой аллостаз, также известный как аллостатическая перегрузка, возникает, когда попытки организма адаптироваться к окружающей среде наносят больше вреда, чем пользы, и могут привести к различным негативным последствиям в виде психических и физических заболеваний. ^[15] С метафорической точки зрения это можно интерпретировать как машину, работающую непрерывно, поскольку машина перегружена; со временем она становится менее эффективной, поскольку на нее оказывается больше нагрузки. Аналогичным образом, процесс аллостаза становится менее эффективным в управлении ресурсами организма, когда организм испытывает повышенный уровень нездорового стресса из-за износа тела и мозга. ^[16] Увеличение аллостатической нагрузки может ухудшить и снизить нейропластичность , поскольку стресс заставляет мозг стареть быстрее. Это происходит потому, что при большем стрессе теряется больше синаптических связей в префронтальной коре, которая отвечает за регуляцию тела.

Макьюэн и эндокринолог Джон С. Уингфилд предложили два типа аллостатической перегрузки, которые приводят к разным реакциям:

1. Аллостатическая перегрузка типа 1 происходит, когда потребность в энергии превышает предложение, что приводит к активации стадии экстренной жизненной истории. Это служит для того, чтобы направить животное от нормальных стадий жизненной истории в режим выживания, который снижает аллостатическую нагрузку и восстанавливает положительный энергетический баланс. Нормальный жизненный цикл может быть возобновлен, когда возмущение проходит.
2. Аллостатическая перегрузка типа 2 начинается, когда наблюдается достаточное или даже избыточное потребление энергии, сопровождающееся социальным конфликтом и другими типами социальной дисфункции. Последнее имеет место в человеческом обществе и определенных ситуациях, влияющих на животных в неволе. Во всех случаях секреция глюкокортикоидов и активность других медиаторов аллостаза, таких как вегетативная нервная система , нейротрансмиттеры ЦНС и воспалительные цитокины , усиливаются и ослабевают при аллостатической нагрузке. Если аллостатическая нагрузка хронически высока, то развиваются патологии. Аллостатическая перегрузка типа 2 не вызывает реакцию избегания и может быть нейтрализована только посредством обучения и изменений в социальной структуре. ^{[17] [18]}

В то время как оба типа аллостаза связаны с повышенным высвобождением кортизола и катехоламинов , они по-разному влияют на гомеостаз щитовидной железы: концентрации гормона щитовидной железы трийодтиронина снижаются при аллостазе типа 1, но повышаются при аллостазе типа 2. ^[19] Это может быть результатом аллостатической нагрузки типа 2, увеличивающей заданное значение контроля обратной связи гипофиз-щитовидная железа. ^[20]

Сон Ли представил парадигму аллостатической оркестровки (PAO), расширив принцип аллостаза, заявив: «PAO берет свое начало в эволюционной перспективе и признает, что биологические заданные значения изменяются в ожидании изменения окружающей среды». ^[14]

Мозг — это центральный командный орган, организующий кросс-системные операции для поддержки оптимального поведения на уровне всего организма. PAO описывает различия между парадигмами гомеостаза и аллостаза и примирение парадигм, проиллюстрированное альтернативными взглядами на посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР). Ли утверждает:

Аллостатическое состояние представляет собой интегрированную совокупность взаимодействий мозга и тела. Здоровье само по себе является аллостатическим состоянием оптимального опережающего колебания , предположительно связанного с состоянием критичности… Болезни являются аллостатическими состояниями нарушенных опережающих колебаний, проявляющимися как ригидность заданных точек в мозге и теле (сопутствующие заболевания).

Последствия PAO для здоровья выходят за рамки кровяного давления и диабета , включая наркоманию, депрессию и смерть от отчаяния (от алкоголя, наркотиков и самоубийств), которые увеличиваются с 2000 года, ^[21] подчеркивая, что комплексный взгляд на здоровье включает в себя экологический контекст. Аллостаз поощряет повышенное внимание к новым решениям на уровне общества, а также отдельного человека и непосредственного сообщества. ^{[22] [14]}

Эволюционная перспектива аллостаза включает в себя развитие мозга. Лиза Фельдман Барретт , нейробиолог и профессор психологии, утверждает, что в ходе эволюции внутренние системы организмов стали намного более продвинутыми, и продолжение существования только нескольких групп клеток плохо управляло бы этими новыми системами, которые приобретали эти тела. ^[23] Вместо этого был необходим мозг, потому что его большой размер гораздо более способен к эффективному управлению. Однако в редких случаях виды животных не полагаются на мозг или на подобный аллостатический процесс. Асцидия является одним из примеров, потому что после того, как личинки полностью вырастают, они «поглощают свой мозг». Аллостатический процесс асцидии не был бы таким сложным, как, например, у человека, поскольку у обоих видов есть экологические ниши разной сложности (т. е. «У всех животных есть мозг, который адаптирован к их экологическим нишам и жизненным циклам»).

Аллостаз предлагает более широкую гипотезу, чем гомеостаз: ключевая цель физиологической регуляции — не жесткое постоянство; скорее, это гибкая вариация, которая предвосхищает потребности организма и быстро удовлетворяет их. ^[22] Вместо того, чтобы просто реагировать на окружающую среду, аллостаз использует предиктивную регуляцию, которая имеет более сложную цель в эволюции адаптации , изменяясь на основе того, что она предвидит, а не оставаясь прежней или «в равновесии» в ответ на изменения окружающей среды, как предполагает гомеостаз. Это помещает гомеостаз как функцию внутри аллостаза; однако некоторые утверждают, что это в целом более широкая парадигма. ^[14] Аллостаз переопределяет здоровье и болезнь за пределы стабильных измерений из лабораторных тестов или артериального давления, например; и расширяет его, чтобы определить здоровье как гибкость этих значений. Артериальное давление — один из главных примеров Стерлинга меры здоровья, которая является лучшей, когда она может колебаться в ожидании ожидаемых потребностей мозга-тела, поэтому она может соответствовать этим потребностям. Альтернативой или менее здоровым состоянием в континууме «здоровье-болезнь» было бы то, что артериальное давление оставалось бы прежним или «стабильным» и не соответствовало бы новым требованиям. ^[18] Аллостатическая регуляция отражает, по крайней мере частично, участие головного мозга в первичных регуляторных событиях, поскольку она опережает системную физиологическую регуляцию. ^[24]

Уингфилд утверждает:

Концепция аллостаза, поддерживающая стабильность посредством изменений, является фундаментальным процессом, посредством которого организмы активно приспосабливаются как к предсказуемым, так и к непредсказуемым событиям... Аллостатическая нагрузка относится к совокупной стоимости аллостаза для организма, при этом аллостатическая перегрузка... является состоянием, в котором может возникнуть серьезная патофизиология... Используя баланс между поступлением и расходом энергии в качестве основы для применения концепции аллостаза, были предложены два типа аллостатической перегрузки. ^[25]

Стерлинг (2004) предложил несколько взаимосвязанных положений, составляющих модель аллостаза: ^{[22] [26]}

1. Организмы созданы так, чтобы быть эффективными.
2. Эффективность требует наличия мозга, способного предсказать, что потребуется, и избежать дорогостоящих ошибок.
3. Мозг еще больше повышает эффективность, расставляя приоритеты в потребностях и добиваясь компромиссов.
4. Все системы, включая мозг, системы органов и отдельные клетки, предназначены для определенного рабочего диапазона. (Например, колбочковые фоторецепторы адаптируются к дневному свету, а палочковидные фоторецепторы адаптируются к лунному и звездному свету).
5. Параметры системы изменяются в зависимости от прогнозируемого спроса и адаптируют свою чувствительность.
6. Хотя широкий диапазон указывает на гибкую и здоровую систему, когда их развитые рабочие диапазоны хронически превышаются, системы выходят из строя на всех уровнях.

Аллостаз происходит на клеточном и системном уровнях. Когда люди находятся в хроническом стрессе, мозг хронически повышает артериальное давление; затем артериальные мышцы прогнозируют более высокое давление и реагируют гипертрофией ( как скелетные мышцы, когда мы поднимаем тяжести). Постепенно вся сердечно-сосудистая система адаптируется к жизни при повышенном уровне давления. Это известно как хроническая гипертония , которая повышает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний и инсульта . Аналогично, хронически высокоуглеводная диета требует хронически высокого уровня глюкозы в крови и приводит к хронически высокому уровню инсулина , который увеличивается в ожидании необходимости управлять высоким уровнем углеводов. Клетки, которые экспрессируют инсулиновые рецепторы, прогнозируя высокий уровень инсулина, адаптируются, снижая свою чувствительность (как фоторецепторы при ярком свете). Это приводит к диабету 2 типа и повышенной смертности от многих причин. Хотя врачи называют эту реакцию резистентностью к инсулину, ее можно лучше понять как следствие предиктивной регуляции. ^[22]

Аллостаз может осуществляться посредством изменения гормонов оси HPA , автономной нервной системы, цитокинов или ряда других систем и, как правило, является адаптивным в краткосрочной перспективе. ^[17] Аллостаз необходим для поддержания внутренней жизнеспособности в изменяющихся условиях. ^{[18] [27] [13] [24]}

Аллостаз обеспечивает компенсацию различных проблем, таких как компенсированная сердечная недостаточность , компенсированная почечная недостаточность и компенсированная печеночная недостаточность . Однако такие аллостатические состояния по своей природе хрупки, и декомпенсация может наступить быстро, как при острой декомпенсированной сердечной недостаточности .

Термин гетеростазис также используется вместо аллостаза, особенно там, где изменения состояния конечны по числу и, следовательно, дискретны (например, вычислительные процессы). ^[28]

• Гомеостаз
• Практопоезис

• Копстед, Ли-Эллен; Банасик, Жаклин (2013). Патофизиология (5-е изд.). Сент-Луис, Миссури: Эльзевир Сондерс. ISBN 978-1-4557-2650-9.
• Шулкин, Джей (2011). «Социальный аллостаз: упреждающее регулирование внутренней среды». Frontiers in Evolutionary Neuroscience . 2 : 111. doi : 10.3389/fnevo.2010.00111 . PMC  3037529. PMID  21369352 .Содержит целый параграф, посвященный определению аллостаза.