Jedzenie

Trzy postacie pożywienia

Pożywnie w przyrodzie występuje w trzech postaciach. Płynnej (np. woda morska z planktonem, krew), małych cząsteczek (np. mikroorganizmy w morzu) i dużych cząstek (np. liście lub mięso zwierząt).

Układ pokarmowy homara

Homar

Pokarm homara jest wpierw gromadzony (cardiac sac), przeżuwany (gastric mill), a następnie rozdrabniany i rozkładany (pyloric region), zanim trafi do wnętrzności, w których następuje absorbcja substancji odżywczych i wydalanie produktów niewchłoniętych. W mięśniach układu pokarmowego widoczne są dwa rytmy: mięśnie młynu gastrycznego kurczą się naprzemiennie z okresem 6-8 s, mięśnie odźwiernika (pyloric) odpalają regularne salwy z okresem < 1s.

Układ pokarmowy homara

Rekonstrukcja izolowanego centralnego generatora wzorca regionu odźwiernika (pyloric). Rytm odźwiernika jest wynikiem oscylacyjnych własności neuronów tworzących generator i wzajemnych połączen między nimi.

Aparat gębowy i trawienny muchy

Zakończenie nóżki. We włoskach znajdują się chemoreceptory (powiększenie ~ x 125)

Zdjęcie głowy muchy wykonane elektronowym mikroskopem skaningowym. Widoczne oko złożone i jasna para czułków (powiększenie ~ x 125).

Zakończenie trąbki ssącej z widocznymi włoskami czuciowymi (powiększenie ~ x 100).

Mechanizmy regulacji jedzenia u muchy

Pobudzenie receptorów na nóżkach wywołuje wydłużenie trąbki, a pobudzenie receptorów w trąbce wywołuje ssanie. Zakończenie jedzenia następuje w wyniku podwyższenia progu pobudzenia chemoreceptorów. Zależy ono trzech czynników: ilość ruchów perystaltycznych jelit (receptory rozciągania w jelitach), napięcie wola (receptory rozciągania w wolu - crop), lokomocja (aktywność motoneuronów).

Karmienie u szczura

Karmienie piersią u szczura (A) i człowieka (B). Zakończenie miękkiego podniebienia (soft palate) znajduje się za językiem i umożliwia oddychanie nosem podczas ssania

Karmienie u szczura – rola zapachu

Zapach odgrywa podstawową rolę w ssaniu piersi u szczura. Znakowanie opuszki węchowej metodą 2DG podczas ssania pokazało powiększony obszar kłębuszków (glomeruli) - strzałki na rys. A, B, C. A. Opuszka węchowa 10-dniowego szczura, B. Opuszka węchowa 6-dniowego szczura, C – obszar kłebuszków u 12-dniowego szczura.

Karmienie u szczura – wydzielanie mleka

Wydzielanie mleka u szczura jest kontrolowane przez podwzgórze. Neurony podwzgórza - jądro przykomorowe (paraventricular PVN) i jądro nadwzrokowe (supraoptic SON) syntetyzują oksytocynę i transportują aksonami do przysadki mózgowej (PP), skąd jest wydzielana powodując skurcz gruczołu mlecznego i ‘wyrzut’ mleka. B. Wzorzec ‘wyrzutu’ mleka u uśpionej karmiącej matki szczura. C. Korelacja aktywności salwy w neuronie PVN i uwolnienia oksytocyny z ‘wyrzutem’ mleka. Aby ‘wyczuć’ moment wyrzutu, młody szczur musi być pobudzony (lizanie poprzez matkę, pusty żołądek).

Karmienie u szczura dorosłego – teoria klasyczna (dual center hypothesis (1957))

Centrum kontroli jedzenia u szczura znajduje się w podwzgórzu. Usunięcie brzusznośrodkowego jądra podwzgórza (ventromedial nucleus MVN) powoduje ciągłe jedzenie, usunięcie bocznego pola podwzgórza (lateral hypothalamic area LHA) powoduje utratę apetytu, pragnienia i śmierć.

MVN – hamuje apetyt

LHA – centrum generacji apetytu i pragnienia

A. Przekrój podwzgórza szczura. Kropkami zaznaczono pęczek przyśrodkowy przodomózgowia (medial forebrain bundle MFB). Usunięte obszary LHA zaznaczono poprzez zacieniowanie (widoczna elektroda służąca do elektrolitycznego ‘usuwania’). B. Połączenia neuronów w bocznym polu podwzgórza (LHA). Włókna wejściowe (MFB) tworzą zakończenia synaptyczne, synapsy ‘po drodze’ oraz omijają komórki LHA nie tworząc połączeń.

Pęczek przyśrodkowy przodomózgowia

Pęczek przyśrodkowy przodomózgowia (MFB) stanowi główny szlak komunikacyjny na drodze pień mózgu - podwzgórze – kresomózgowie (basal forebrain). A. Wejścia do MFB z innych obszarów mózgu: kora węchowa, ciało migdałowate, prążkowie, hipokamp, kora przedczołowa), pień mózgu (jądra szwu DR, miejsce sinawe LC, obszar brzusznej nakrywki, VTA. B. Projekcje wychodzące z MFB: obszary wejściowe + kora nowa oraz drogi smakowe (jądro pasma samotnego).

Karmienie u szczura dorosłego – teoria obecna (set-point theory)

Podwzgórze (część środkowa i boczna) jest zaangażowane w hamujące sprzężenie zwrotne kontrolujące utrzymanie masy ciała i poziomu energii na ustalonym poziomie (set point). U normalnego szczura masa ciała wzrasta wg. krzywej (A). Po uszkodzeniu brzusznośrodkowego jądra podwzgórza (VMH) zaburzona kontrola sytości powoduje zwiększenie poziomu masy ciała (B). Uszkodzenie bocznego pola podwzgórza (LHA) redukuje głód i obniża poziom masy ciała (C). Wygłodzony szczur z takim samym uszkodzeniem LHA, będzie dążył do tego samego poziomu masy ciała (D).

Kontrola jedzenia - podsumowanie

Drogi i mechanizmy kontroli jedzenia związane z bocznym polem podwzgórza (LHA). AMG – ciało migdałowate (amygdala), CCK – cholecystoninina, C-P – jądro ogoniaste – skorupa (caudate – putamen), DA – wejścia dopaminergiczne, FC – kora czołowa (frontal cortex), GP – gałka blada (globus pallidus), HIPP – hipokamp, ITC – dolna kora skroniowa (inferior temporal cortex), LH - boczne pole podwzgórza, NAC – jądro półleżące (nucleus accumbens), NE – wejścia noradrenergiczne, OC – kora potyliczna (occipital cortex), PMC – kora przedmotoryczna (premotor cortex), PVM – MH – jądro przykomorowe – środkowa część podwzgórza (paraventricular nucleus – medial hypothalamus), SER – wejścia serotoninergiczne, ST – jądro pasma samotnego.

-Trzon systemu kontroli stanowi LHA

-LHA dostaje informacje smakową z języka i posiada komórki reagujące obniżony na poziom glukozy.

- wyjście z LHA pobudza motoryczne jądra pnia mózgu związane z jedzeniem i receptory smaku. Aktywuje również układ nagrody, dodatkowo kontrolowany (hamowany) przez ośrodki sytości. Układ nagrody działa poprzez uwalnianie dopaminy do NAC i PMC.

Środkowa część podwzgórza - kontrola jedzenia

Mechanizmy kontroli jedzenia są również związane ze środkowym polem podwzgórza (MH) i jądrem przykomorowym (PVN). Spożycie węglowodanów (lewo) i tłuszczy (prawo) kontrolowane jest przez osobne lecz oddziałujące ze sobą układy. Wiele neurotransmiterow i neuropeptydów działa na neurony w tym obszarze wpływając na apetyt, metabolizm i masę ciała. Substancje wzmagające apetyt (+), wzmagające sytość (-).

Okołodobowy rytm kontroli jedzenia u szczura

Mechanizmy kontroli jedzenia u szczura zmieniają się okołodobowo. Zapotrzebowanie na węglowodany i tłuszcze zależą od stężenia różnych substancji chemicznych w mózgu i operują w różnych okresach czasu względem okresu aktywnego szukania pożywienia (obszar zacieniowany).

Długo terminowa i krótko terminowa kontrola jedzenia

Jedzenie podlega regulacji krótkoterminowej regulującej rozmiar posiłku i kontroli dlugoterminowej regulującej masę ciała.

A. Masa ciała i dzienne wydatki energetyczne u różnych gatunków ssaków. U wszystkich ssaków wydatki (metablolic rate) są proporcjonalne do masy ciała (BW) do potęgi ¾.

B. Stałość stosunku wydatków energii do masy ciała0.75 w szczurów utrzymujących stałą masę ciała. Zmiana masy ciała wiąże się z hypermetabolizmem lub hypometabolizmem (strzałki). Mechanizm długoterminowy reguluje metabolizm by utrzymać masę ciała na zadanym poziomie.

Cztery wymiary zycia

Wiele wzorców biologicznych skaluje się z masą ciała do potęgi będącej wielokrotnością ¼. Np.:

Tętno ~ M^-1/4

Długość życia ~ M^1/4

Wysokość drzew ~ M^1/4

Gęstość drzew ~ M^-3/4

Metabolic rate ~ M^3/4

Kluczem do zrozumienia tych praw jest budowa sieci biologicznych w organizmie (np. budowa układu krwionośnego). Selekcja naturalna dąży do maksymalizacji zdolności metabolicznej poprzez maksymalizacje powierzchni wymiany i maksymalizacji wydajności poprzez minimalizację czasu i dystansu transportu. Optymalne ‘upakowanie’ sieci w ciele prowadzi do sieci fraktalnej i skalowania procesów życiowych z potęgami ¼.

West GB, Brown JH, Enquist BJ. The fourth dimension of life: fractal geometry and allometric scaling of organisms. Science. 1999, 4;284(5420):1677-9.

Wskaźnik Podstawowej Przemiany Materii

Basal Metabolic Rate (BMR)

Wskaźnik podstawowej przemiany materii (basal metabolic rate, BMR), zwany też wskaźnikiem spoczynkowej przemiany materii (resting metabolic rate, RMR), definiuje się jako zapotrzebowanie energetyczne ludzkiego ciała podczas spoczynku. Odzwierciedla on energię konieczną do podtrzymania podstawowych procesów życiowych - bez względu na ewentualny wysiłek fizyczny. Wartość wskaźnika podstawowej przemiany materii można oszacować według następujących wzorów: BMR (dla mężczyzn) w kcal/dzień = 10,2 x masa ciała w kg + 879BMR (dla kobiet) w kcal/dzień = 7,18 x masa ciała w kg + 795 Powyższe wzory uwzględniają już straty energii podczas trawienia, produkcji ATP itp. i dają w rezultacie liczbę kalorii, jaka powinna być zawarta w przyjmowanym pożywieniu. U kobiet BMR jest o 5-10% niższy niż u mężczyzn. Nie wynika to bynajmniej z różnic w metabolizmie tkanek, ale z większego udziału procentowego tkanki tłuszczowej, mniej aktywnej metabolicznie niż mięśniowa.

Skalowanie w geometrii Euklidesowej

Zwierze (roślina) N razy wyższe, ma powierzchnię N2 większą, N3 większą masę (M)

L ~ N

A ~ N2

V ~ N3

M ~ N3

Pożywienie i energia są wymieniane z otoczeniem zewnętrznym lub wewnętrznym przez powierzchnię (np. całkowita powierzchnia liści, powierzchnia jelit, całkowita powierzchnia błon mitochondrialnych w komórkach - miejsce produkcji ATP )

BMR ~ A ~ M2/3

BMR na jednostkę masy:

BMR/M ~ M1/3

Prawo skalowania

Ogólnie prawo skalowania w biologii można zapisać

Y = Y0Mb

Y – obserwowana wielkość

Y0 – stała normalizacyjna

M – masa organizmu

b – eksponent skalujący (stała)

logY = logY0 + blog M

logM

logY

logY0

tg = b

Prawo Kleibera (1932)

Body mass (kg)

logB

MR

Oryginalny rysunek z pracy Kleibera (1932) wskaźnika przemiany materii (BMR w kcal/dzień) u ssaków i ptaków, w funkcji masy ciała (M w kg) na wykresie log-log. Współczynnik nachylenia dopasowanej prostej wynosi 0.74, co pokazuje, skalowanie BMR jako M3/4.

Rozszerzenie prawa Kleibera

log(masa)

logB

MR

Rozszerzenie prawa Kleibera na ponad 27 rzędów wielkości. Skalowanie BMR jako M3/4 obejmuje również poziom komórkowy i wewnątrzkomórkowy. Z West, G. B., Woodruff, W. H. and Brown, J. H. (2002). Allometric scaling of metabolic rate from molecules and mitochondria to cells and mammals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 2473-2478.

5

0

–5

–10

–15

–20

–20 –15 –10 –5 0 5 10

słońryjówka

komórka ssaka

mitochondrium

Organizmy jednokomórkowe

Pojedyncze komórki ssaków, mitochondria i białko oksydazy cytochromowej – kompleks białkowy błony mitochondrium

Pojedyncze osobniki

Uniwersalny eksponent ¼

BMR/M ~ M1/3

Przewidywania geometrii euklidesowej:

Wyniki doświadczalne

BMR/M ~ M1/4

W wielu procesach biologicznych pojawia się skalowanie z potęgą ¼ lub jej wielokrotnością. Np.:

Średnica pni drzew i żył w organizmie M3/8

Wysokość drzew i długość żył w organizmie M1/4

Bicie serca M-1/4

Czas obiegu krwi i długość życia M1/4

Uniwersalny eksponent ¼

Te prawa stosują się do wszystkich organizmów, które

1. Maksymalizują moc metaboliczną (pozyskiwana energia na jednostkę czasu). Wymiar powierzchni d = 2 + a = 3, a więc powierzchnia jest ‘maksymalnie fraktalna.

2. Minimalizują wewnętrzną drogę transportu zasobów energetycznych (a więc i dyssypacje energii), co wymusza zwarty kształt ciała. Wymiar długości d = 1 + l = 1, tak jak wymiar długości w przestrzeni euklidesowej, a więc odległości w sieci dystrybucji nie są fraktalem, co oznacza minimalizację drogi i czasu dystrybucji zasobów.

Kontrola picia

A. Ośrodki kontroli picia – zacieniowane obszary wskazują występowanie osmoreceptorów w podwzgórzu. Usunięcie tych obszarów powoduje zaburzenia pragnienia. B.Mikroobwody receptora napięcia naczyniowego. Aktywacja receptorów osmotycznych (czułych na stężenie Na+ w przestrzeni zewnątrzkomórkowej) lub zmniejszenie objętości krwi powoduje stymulacje nerek i uwolnienie enzymów produkujących angiotensin (AII). AII ma silne pobudzające działanie uczucia pragnienia. Receptory AII znajdują się: 1. W ścianie komory mózgu, 2. W obszarze pozbawionym bariery krew – mózg (circumventricular organ) . Obwód kontroli picia wysyła projekcje do części nerwowej przysadki mózgowej, która uwalnia wazopresynę działającą na nerki by zachować wodę. Kontrola picia odbywa się w 85% poprzez odwodnienie komórek a w 5% poprzez zmniejszenie objętości naczyń krwionośnych.

Emocje i uczucia

Emocje, uczucia, zachowanie

Trzy rodzaje zachowań emocjonalnych. Zachowania emocjonalne (emotional action), takie jak: polowanie, jedzenie, instynkt stadny, mogą nie posiadać w ogóle czynnika emocjonalnego. Ekspresja emocjonalna jest zachowaniem motorycznym wyrażającym wewnętrzne uczucia lub emocje. Subiektywne uczucia (emocje wewnętrzne) są odczuwane i postrzegane wyłącznie wewnątrz nas i przez to mogą być poznane tylko u ludzi.

Początki badań emocji

The Expression of Emotions in Man and Animals, Charles Darwin, 1872

Pies ‘Darwina’ manifestujący wrogie i przyjazne emocje. Przeciwstawne emocje są wyrażane przez przeciwstawne ruchy. Z: The Expression of Emotions in Man and Animals, Charles Darwin.

Uczucia insektów

Agresywne zachowanie u bezkręgowców i niższych kręgowców. A. Walka dwóch samców żuka o samice. B. Walka dwóch samców żab o terytorium.

Czy bezkręgowce i niższe kręgowce mają uczucia? Złożony układ autonomiczny oraz wyspecjalizowane układy są niezbędne do ekspresji emocji. U prostych zwierząt nie można zaobserwować emocji.

Pierwsze teorie emocji

W teorii Jamesa – Langego (ok.. 1884), emocje to postrzegane reakcje organizmu; bodziec prowadzi do reakcji fizjologicznych a te są analizowane świadomie i interpretowane jako stany emocjonalne (percepcja zagrożenie (rekin) – zmiany somatyczne (bicie serca, ucieczka) - świadome uczucie emocji w mózgu (strach)) W teorii Cannona – Barda (1915) uczucia wywołują zmiany fizjologiczne.

Uczucia ssaków – mechanizmy podwzgórza

Zachowania emocjonalne kota i ich lokalizacja na podstawie cięć mózgu. A. Elektroda do stymulacji podwzgórza wywołująca reakcje gniewu lub strachu. Cięcie B usuwające kresomózgowie lecz zachowujące podwzgórze wywołuje uczucia gniewu objawiające się szczerzeniem zębów, świszczeniem oraz zwiększeniem tętna i stroszeniem futra. Cięcie C poniżej podwzgórza prowadzi do zaniku uczucia gniewu.

Gniew kota

Stymulacja podwzgórza wywołuje agresję u kota. Dwa różne zachowania agresywne w stosunku do szczura. A. Gniew z ekspresja emocjonalną. B. Zachowanie drapieżne (gryzienie ale bez jedzenia) bez ekspresji emocjonalnej.

Krąg Papeza

Wg Papeza powstawanie emocji zachodzi w pętli (zwanej kręgiem Papeza) zaczynającej się od jąder ciała suteczkowatego podwzgórza będących elementem wyjściowym dla ekspresji emocji (1). Informacja z ciał suteczkowatych dociera również do przedniej części wzgórza (2) i do kory zakrętu obręczy (3), w której powstają uczucia. Kora zakrętu obręczy wysyła projekcje do hippokampa (4). Hippokamp miał integrować różne sygnały i kierować je do ciała suteczkowatego (5).

Obwód emocji Papeza (linie grube) poszerzony przez MacLeana (linie cienkie). Najważniejszym ‘nowym’ elementem układu jest ciało migdałowate (amygdala). Obwód emocji został nazwany przez MacLeana systemem limbicznym.

Syndrom Klüver-Bucy’ego

Obszary płata skroniowego których obustronne usunięcie u małp prowadzi do syndromu Klüver-Bucy’ego. Efekty syndromu przypisano usunięciu ciała migdałowatego. Jednak rozległość cięć nie pozwoliła na rozstrzygające konkluzje.

Syndrom Klüver-Bucy’ego1. Nadpobudliwość, nadruchowość. Potrzeba

reakcji na wszystkie bodźce.2. Hyperoralność – wkładanie wszystkigo do

ust.3. Ślepota psychiczna. Widzenie lecz

nierozpoznawanie. Np. zainteresowanie obiektami szkodliwymi (zapalona zapałka).

4. Hyperaktywność seksualna. Również w stosunku do przedmiotów.

5. Zmiany emocjonalne. Zamiana agresji w łagodność.

Jądra ciała migdałowatego

Behawioralne efekty elektrycznego drażnienia jąder ciała migdałowatego u małp.

Ciało migdałowate - połączenia

Części mózgu tworzące połączenia z ciałem migdałowatym. A. Wejścia B. Wyjścia. Jądra ciała migdałowatego są połączone wzajemnie z: bocznym podwzgórzem, pniem mózgu, hippokampem, wzgórzem i korą mózgową (zakręt obręczy, kora przedczołową). Połączenia te zapewniają podwójną role ciała migdałowatego w emocjach: reakcje autonomiczne (ekspresja) i świadome postrzeganie emocji.

Warunkowanie strachu

Ciało migdałowate jest odpowiedzialne za wrodzone oraz nabyte reakcje emocjonalne. Przykładem wyuczonej reakcji emocjonalnej jest warunkowanie strachu polegające na łącznym podawaniu bodźca dźwiękowego i szoku elektrycznego. Dźwięk sam w sobie nie powoduje znacznej reakcji ciśnienia krwi i aktywności ruchowej (lewy rys.). Następnie ten sam dźwięk jest podawany łącznie z szokiem (środkowy rys.). Po wielu sesjach warunkujących, sam dźwięk wywołuje reakcję emocjonalną (prawy rys.).

Ciało migdałowate – rola w procesach niepokoju i strachu

Podsumowanie wyników eksperymentalnych dotyczących procesów niepokoju i strachu u zwierząt. Doświadczenia potwierdziły istnienie bezpośrednich połączeń pomiędzy jądrem środkowym ciała migdałowatego a różnymi obszarami podwzgórza i pnia mózgu odpowiedzialnymi za reakcje strachu i niepokoju.

Ciało migdałowate – ‘czytanie’ twarzy

Obrazowanie mózgu (MRI + PET + fMRI) pokazujące, obszary odpowiedzialne rozpoznawanie ekspresji emocjonalej twarzy (lewe ciało migdałowate). Silniejsze pobudzenie tego obszaru występuje w reakcji na twarz przestraszoną niż szczęśliwą .

Ekspresja twarzy - mięśnie

Mięśnie twarzy są wyspecjalizowanym elementem ekspresji emocji człowieka. Rysunek z książki Darwina (1872)

Ekspresja twarzy - sterowanie

Obwody nerwowe kontrolujące mięśnie twarzy człowieka.

Ekspresja twarzy – ewolucja

Porównanie uśmiechu i śmiechu u człowieka z gestem obnażania zębów u niższych naczelnych i prostych ssaków. Niektóre gesty twarzowe wyewoluowały z gestów niższych ssaków.

Kora zakrętu obręczy

Kora zakrętu obręczy ma bardzo rozległe połączenia z innymi obszarami mózgu. Ekspresja emocji wymaga koordynacji wielu funkcji organizmu, kora zakrętu obręczy jest centrum kontroli. Uszkodzenie kory zakrętu i ciała migdałowatego prowadzi np. do braku postrzegania bólu w sposób negatywny.

Brzuszno przyśrodkowa kora czołowa - przypadek Phineasa Gage’a i hazard

Przypadake Phineasa Gage’a pokazał, że uszkodzenie płatów czołowych może wpływać na osobowość i interakcje społeczne człowieka. Pracowity i zrównoważony Gage stał się po wypadku porywczy, wulgarny, i niezdolny do konsekwentnego dążenia do celów.

Brzuszno przyśrodkowa kora czołowa (ventromedial frontal cortex) bierze udział w regulacji emocji i zachowania poprzez przewidywanie ich konsekwencji. Odgrywa ważną rolę w sytuacjach opóźnionej nagrody poprzez podtrzymywanie emocji i zachowania by osiągnąć odległy cel.

A B C D

+100

-1250

+100

-1250

+50

-100

+50

-100

Gracze dostają po 2000 USD a nastepnie dobierają po jedenej, karty z czterech talii. Talie A i B są ‘ryzykowne’, talie C i D ‘bezpieczne’. Normalni ludzie zaczynają dobierać karty z talii A i B, lecz po ok. 30 (na 100) próbach zmieniali taktykę i dobierają z ‘bezpiecznych’ talii C i D. Osoby z uszkodzoną korą przedczołową preferują karty A i B przez cały czas trwania gry, mimo dużych kar i konieczności pożyczek.

`

Gdy myślimy o potencjalnych konsekwencjach naszego zachowania, pamięć o stanie emocjonalnym w podobnej sytuacji dostarcza informacji pomocnej w ocenie zachowania. Pamięć może uaktywnić noradrenergiczne i cholinergiczne projekcje do pnia mózgu i kory i ‘odtworzyć’ świadome odczuwanie zapamiętanego stanu emocjonalnego, omijając reakcje autonomiczne. Może to być podstawą tzw. przeczucia.

Prof. Antonio Damasio