Vai trò của vùng dưới đồi điều hòa nhiệt độ cơ thể

Nhiệt độ trung tâm cơ thể của một người khỏa thân sau vài giờ trong không khí khô từ 30 độ F đến 160 độ F. Kích thước chính xác của đường cong này phụ thuộc vào chuyển động gió của không khí, lượng hơi ẩm trong không khí và thậm chí trạng thái tự nhiên (bản chất) của môi trường xung quanh. Nói chung, một người khỏa thân trong không khí khô từ 55 độ F đến 130 độ F có khả năng duy trì nhiệt độ trung tâm cơ thể bình thường như trong khoảng 97 độ F đến 100 độ F.

Hình. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí quyển cao và thấp trong khoảng thời gian vài giờ, trong điều kiện khô ráo, lên nhiệt độ trung tâmbên trong cơ thể. Lưu ý rằng nhiệt độ bên trong cơ thể vẫn ổn định mặc dù nhiệt độ khí quyển có sự thay đổi lớn.

Nhiệt độ của cơ thể được điều chỉnh hầu như hoàn toàn bởi cơ chế điều khiển thần kinh, và hầu hết mọi cơ chế này tác dụng thông qua trung tâm điều hòa nhiệt nằm ở vùng dưới đồi. Để những cơ chế điều hòa ngược này hoạt động, cần có bộ phát hiện nhiệt để xác định khi nhiệt độ cơ thể trở nên quá cao hoặc quá thấp.

Vai trò của vùng trước thị - vùng dưới đồi trước trong phát hiện nhiệt của nhiệt độ

Vùng trước thị vùng dưới đồi trước chứa số lượng lớn neuron nhạy cảm nóng, bằng khoảng 1/3 số neuron nhạy cảm với lạnh. Những neuron này được cho là có chức năng nhạy cảm với nhiệt độ trong kiểm soát nhiệt độ của cơ thể. Neuron nhạy cảm với nóng tăng lên mức 2-10 lần để đáp ứng với tăng nhiệt độ cơ thể lên 10 độ C. Trái lại neuron nhạy cảm với lạnh tăng mức độ kích thích khi nhiệt độ cơ thể giảm xuống.

Khi vùng trước thị được làm nóng, da trên toàn bộ cơ thể ngay lập tức bài tiết nhiều mồ hôi trong khi các mạch máu tới da trên toàn bộ cơ thể trở nên dãn rộng. Đáp ứng này là một phản xạ ngay lập tức làm cho mất nhiệt của cơ thể,theo cách đó giúp đưa nhiệt độ cơ thể trở về mức bình thường. Thêm vào, bất cứ sự sinh nhiệt cơ thể quá mức đều được ngăn chặn. Vì vậy, vùng trước thị dưới đồi rõ ràng có khả năng đáp ứng như một trung tâm kiểm soát nhiệt.

Phát hiện nhiệt bởi các receptor trên da và trên các mô sâu của cơ thể

Mặc dù các tín hiệu được phát ra từ các receptor nhiệt của vùng dưới đồi là vô cùng mạnh trong kiểm soát nhiệt độ cơ thể, các receptor ở các phần khác nhau của cơ thể cũng đóng vai trò trong điều hòa nhiệt độ. Điều này đặc biệt đúng với các receptor nhiệt độ trên da và trong một vài mô sâu của cơ thể.

Da có cả receptor nóng và lạnh. Da có nhiều receptor lạnh hơn receptor nóng, thực tế nhiều gấp 10 lần ở nhiều phần của da. Vì vậy việc phát hiện nhiệt độ ngoại vi liên quan chủ yếu đến phát hiện nhiệt độ mát và lạnh thay vì phát hiện nhiệt độ nóng.

Mặc dù cơ chế phân tử trong thay đổi cảm giác về nhiệt độ chưa được biết hết, có nhiều nghiên cứu thực nghiệm gợi ý rằng receptor điện thế tạm thời của các kênh cation, được tìm thấy trong các neuron cảm giác bản thể và các tế bào biểu mô có thể gián tiếp cảm giác nhiệt ở trên khoảng rộng nhiệt độ da.

Khi da của toàn bộ cơ thể bị lạnh, ngay lập tức tác dụng phản xạ được khởi động và bắt đầu tăng nhiệt độ cơ thể lên theo một vài cách: (1) bằng cách cung cấp một kích thích mạnh để gây ra run, kết quả là làm tăng mức sinh nhiệt của cơ thể; (2) bằng hạn chế toát mồ hôi, nếu cách này đã xảy ra; và (3) bằng tăng co mạch da để hạn chế nhiệt mất từ da.

Receptor nhiệt sâu trong cơ thể được tìm thấy chủ yếu ở tủy sống, trong nội tạng ở ổ bụng và trong hoặc quanh các tĩnh mạch lớn ở thượng vị và lồng ngực. Chức năng của các receptor ở sâu này khác với các receptor ở da bởi chúng tiếp xúc với nhiệt độ trung tâm cơ thể hơn là với nhiệt độ bề mặt cơ thể. Tuy nhiên, giống như các receptor nhiệt ở da, chúng chủ yếu phát hiện lạnh hơn là nóng. Rất có thể cả receptor ở da và receptor ở sâu có liên quan đến ngăn chặn sự hạ nhiệt độ - đó là ngăn chặn việc nhiệt độ của cơ thể ở mức thấp.

Phần sau vùng dưới đồi hợp nhất với vùng trung tâm và các tín hiệu cảm giác nhiệt độ ở ngoại vi

Thậm chí có rất nhiều tín hiệu cảm giác nhiệt độ xuất hiện từ các receptor ngoại vi, những tín hiệu này góp phần kiểm soát nhiệt độ cơ thể chủ yếu qua vùng dưới đồi. Khu vực mà chúng kích thích trên vùng dưới đồi nằm ở 2 bên rìa của vùng dưới đồi sau khoảng ở mức các thể vú. Tín hiệu cảm giác nhiệt độ từ vùng trước thị vùng dưới đồi trước cũng được chuyển đến phần sau vùng dưới đồi. Ở đây các tín hiệu từ vùng trước thị và tín hiệu từ bất cứ đâu trên cơ thể được tổng hợp và hợp nhất dể kiểm soát sự sinh nhiệt và phản ứng bảo toàn nhiệt của cơ thể.

Cơ chế tác dụng thần kinh làm tăng hoặc giảm nhiệt độ cơ thể

Khi trung tâm nhiệt ở vùng dưới đồi phát hiện nhiệt độ cơ thể quá cao hoặc quá thấp chúng tiến hành quá trình giảm nhiệt độ và tăng nhiệt độ thích hợp.

Cơ chế giảm nhiệt độ khi cơ thể quá nóng

Hệ thống kiểm soát nhiệt độ sử dụng 3 cơ chế quan trọng để giảm nhiệt của cơ thể khi nhiệt độ của cơ thể quá cao:

1. Co mạch da. Ở hầu hết các vùng của cơ thể, mạch máu ở da trở nên giãn mạnh. sự giãn mạch này gây ra bởi ức chế trung tâm giao cảm ở phần sau vùng dưới đồi mà có tác dụng gây co mạch. Giãn mạch hoàn toàn có thể làm tăng mức truyền nhiệt đến da nhiều gấp 8 lần.

2. Toát mồ hôi. Tác dụng làm tăng nhiệt độ cơ thể do sự toát mồ hôi được chứng minh bởi đường cong màu xanh da trời trong HÌNH 74-7, cho thấy tăng rõ ràng mức độ nhiệt mất nhờ bay hơi do sự toát mồ hôi khi nhiệt độ trung tâm cơ thể tăng lên quá mức giới hạn 37 độ C (98,6 độ F). Nhiệt độ cơ thể tăng lên 1 độ C gây ra toát mồ hôi đủ để loại bỏ 10 lần mức sinh nhiệt cơ bản.

Hình. Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng dưới đồi đến sự mất nhiệt do bay hơi từ cơ thể và sự sinh nhiệt chủ yếu do hoạt động cơ và run. Hình này thể hiện mức nhiệt độ cực kỳ quan trọng mà tại đó sự mất nhiệt tăng lên bắt đầu và sự sản sinh nhiệt đạt mức ổn định tối thiểu.

3. Giảm sinh nhiệt. Ức chế mạnh những cơ chế gây ra tăng sinh nhiệt quá mức, ví dụ như run cơ hay sinh nhiệt hóa học.

Cơ chế gây tăng nhiệt độ khi cơ thể quá lạnh

Khi cơ thể quá lạnh, hệ thống điều nhiệt sẽ hoạt động hoàn toàn ngược lại. Bao gồm:

1. Co mạch da toàn cơ thể. Sự co mạch nầy là do kích thích trung tâm giao cảm vùng sau vùng dưới đồi.

2. Nổi da gà (sự dựng lông). Có nghĩa là các sợi lông dựng thẳng lên. Kích thích giao cảm làm co các cơ dựng lông trong các nang lông, đưa các sợ lông về tư thế đứng thẳng. Cơ chế này không quan trọng ở người, nhưng ở nhiều động vật, việc dựng lông giúp chúng tạo ra 1 lớp dày “khí cách li” (insulator air) kề sát da, nhờ đó giảm thiểu trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh.

3. Tăng sinh nhiệt. Sinh nhiệt do chuyển hóa tăng lên do tăng cường run cơ, kích thích giao cảm tăng sinh nhiệt, và do bài tiết hoocmon tuyến giáp.

Kích thích gây run cơ của vùng dưới đồi. Vị trí ở nhân lưng của cùng dưới đồi (dorsomedial) thuộc về phần phía sau của vùng dưới đồi, ở gần vách của não thất ba, là một vùng được gọi là Trung tâm vận động run sơ cấp (primary motor center of shivering). Vùng này bình thường bị ức chế bởi tín hiệu từ trung tâm nhiệt độ ở vùng trước thị - trước dưới đồi (anterior hypothalamic-preoptic) nhưng sẽ bị hưng phấn khi có tín hiệu lạnh từ da và tủy sống. Bởi vậy, như sự tăng đột ngột của “nhiệt sinh” (đường cong màu đỏ trên HÌNH 74.7), trung tâm này được hoạt hóa khi hạ nhiệt độ cơ thể dưới mức nhiệt độ chuẩn. Sau đó tín hiệu gây run cơ được truyền qua các dải (tracts) ở 2 bên xuống thân não (brain stem), đi vào sừng bên chất xám tủy và cuối cùng đến các neuron vận động ở phía trước. Những tín hiệu này không có nhịp điệu và không gây ra run cơ thực sự. Thay vào đó chúng gây tăng trương lực của hệ cơ vân khắp cơ thể thông qua việc thuận hóa hoạt động của neuron vận động. Khi trương lực cơ tăng lên trên mức tới hạn nào đó, sự run cơ xảy ra. Phản ứng này gần như chắc chắn do cơ chế feedback bởi sự dao động của cơ chế phản xạ căng cơ của suốt cơ (oscillation of the muscle spindle stretch reflex mechanism). Khi run cơ ở mức tối đa, nhiệt sinh ra có thể tăng lên gấp 4-5 lần bình thường.

Kích thích giao cảm “hóa học” của quá trình sinh nhiệt. Bất cứ sự tăng kích thích nào của hệ giao cảm hoặc lượng norepinephrine và epinephrine trong tuần hoàn tăng lên đều có thể nhanh chóng dẫn đến tăng chuyển hóa tế bào. Tác động đó được gọi là Sinh nhiệt hóa học (chemical thermogenesis) hay Sinh nhiệt không run cơ (nonshivering thermogenesis), một phần là nhờ vào khả năng oxi hóa tách cặp - phosphoryl hóa của norepinephrin và epineprin, có nghĩa là lượng thực phẩm thừa ra sẽ bị oxy hóa và qua đó, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt chứ không phải hình thành ATP.

Mức độ của sự sinh nhiệt hóa học ở đông vật gần như hoàn toàn tỉ lệ với lượng mỡ nâu có trong mô. Loại mỡ này chứa nhiều ti lạp thể đặc biệt nơi xảy ra hiện tượng oxy hóa tách cặp (uncoupled oxidation). Mô mỡ nâu này có sự phân bố dày đặc của hệ thần kinh giao cảm giải phóng norepi-nephrine, chất này kích thích mô bộc lộ protein không bắt cặp của ti thể (mitochondrial uncoupling protein) hay còn gọi là thermogenin và tăng cường sinh nhiệt.

Sự thích nghi khí hậu ảnh hưởng rất lớn đến cường độ sinh nhiệt hóa học; ở vài loại vật, ví dụ như những con chuột được phơi nhiễm với môi trường lạnh trong vài tuần sẽ sinh nhiệt gấp 100-500% so với khi bị lạnh đột ngột. Ngược lại, với những loài vật không thích nghi khí hậu, đáp ứng tăng lên có lẽ chỉ được 1/3 số đó. Sự tăng sinh nhiệt đó cũng dẫn đến tăng lượng thức ăn nhập vào một cách tương ứng.

Ở người trưởng thành, cơ thể gần như không có mỡ nâu, hiếm khi sinh nhiệt hóa học có thể tăng nhiệt sinh trên mức 10-15%. Tuy nhiên, khi còn nhỏ, con người có một lượng nhỏ mỡ nâu ở khoảng gian vai, sinh nhiệt hóa học có thể tăng 100% nhiệt sinh, đó có thể là yếu tố quan trọng trong duy trì nhiệt độ cơ thể ở trẻ sơ sinh.

Đến lượt TSH kích thích làm tăng lượng thyroxine từ tuyến giáp. Thyroxine tăng lên làm tăng lượng protein không ghép cặp và tăng chuyển hóa tế bào trên khắp cơ thể, điều này có cơ chế khác với chuyển hóa trong sinh nhiệt hóa học. Quá trình tăng chuyển hóa này không xảy ra tức thì mà cần có vài tuần tiêp xúc với lạnh để khiến tuyên giáp nở to và đạt được mức giải phóng thyroxine mới.

Tiếp xúc với lạnh cực độ sau vài tuần có thể khiến tuyến giáp tăng kích thước lên 20-40% ở động vật. Tuy nhiên, người ta hiếm khi cho phép mình tiếp xúc lạnh ở mức độ mà nhiều loài vật thường chịu đựng. Do đó, chúng ta vẫn chưa biết được, một cách định lượng, tầm quan trọng của cơ chế tuyến giáp trong sự thích nghi với lạnh ở người.

Đo lường cách ly (isolated measurements) đã chỉ ra mức tăng chuyển hóa ở những người sống trong môi trường quân đội vài tháng tại vùng băng giá; ở người Inuit, người bản xứ ở những vùng cực như Alaska, Canada, Greenland, đều có mức chuyển hóa cơ sở khác thường. Hơn nữa, sự kích thích do lạnh kéo dài trên tuyến giáp có thể giải thích mức độ bướu giáp nhiễm độc cao hơn ở những người sống ở vùng lạnh so với người ở vùng nóng.