Рассматривая здесь гормон как основное звено эндокринной системы, будем все-таки помнить, что уровень гормона в крови – не исчерпывающая характеристика состояния системы «железа – гормон – кровь – орган-мишень – биологический эффект». Общее состояние эндокринной системы зависит от этапов синтеза и секреции гормона, его транспорта, т. е. связывания белками крови, от состояния системы рецепторов в клетке-мишени и метаболизма гормона.
Биологическая активность эндокринной системы может меняться, хотя содержание гормона в крови остается неизменным. Изменения связаны с нарушениями в транспорте, рецепции или катаболизме молекул гормона. Например, длительный прием оральных контрацептивов достаточно часто приводит к нарушениям либидо. У таких женщин обнаружено повышенное содержание транспортного белка – глобулина, связывающего эстрогены. Другой пример – для прерывания беременности на ранних сроках применяются вещества, нарушающие связывание прогестерона с его клеточными рецепторами. Биологический эффект обеспечивается изменением этапа взаимодействия гормона с рецептором. Еще один пример – препараты лакрицы (солодки), широко используемые для лечения бронхитов, трахеитов и прочих болезней верхних дыхательных путей. Эти лекарства содержат вещества, тормозящие инактивацию глюкокортикоидов в процессе обмена веществ. В результате повышается содержание в крови глюкокортикоидов, прежде всего кортизола, подавляющего воспалительные процессы. Эти лекарства не влияют на систему синтеза и секреции гормонов и не нарушают ее функционирование. Поэтому препараты лакрицы широко применяются как безопасные противовоспалительные средства.
Поливалентность гормонов
Регуляция по механизму отрицательной обратной связи и гормональные влияния на поведение
Взаимодействие эндокринных систем: прямая связь, обратная связь, синергизм, пермиссивное действие, антагонизм
Механизмы гормональных влияний на поведение
ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Значение углеводов
Психотропный эффект углеводов
Как было описано в предыдущем разделе, введение углеводов в организм улучшает состояние животных или человека со слабым функциональным состоянием. Кроме того, углеводы стимулируют функции организма, который находится в рамках физиологической нормы. При умственной, физической или эмоциональной нагрузке происходит повышение уровня глюкозы в крови. Начальный этап любого стресса, в том числе и вызванного любовным томлением, как у лирического героя Николая Олейникова, сопровождается значительным подъемом концентрации глюкозы в крови.
Во время письменных экзаменов полезно иметь при себе шоколадку, чтобы время от времени вводить в свой организм дополнительные порции легко усваиваемых углеводов. Важные социальные контакты лучше устанавливать после обеда, когда уровень глюкозы в крови высок, поскольку удовлетворенная пищевая потребность дает возможность проявляться различным социальным мотивациям.
Увеличение концентрации глюкозы в крови влияет не только на общее самочувствие и работоспособность, но и на отдельные психические функции, в частности на память.
При обучении крыс навыку сохранять неподвижность[46] введение глюкозы сразу после обучения улучшало воспроизведение на следующий день выработанного условного рефлекса. После удаления коры надпочечников – основного источника глюкокортикоидов, которые усиливают транспорт глюкозы в клетки мозга, – формирование памяти ухудшалось параллельно снижению концентрации глюкозы в крови. Синхронное ухудшение обучения и падение концентрации глюкозы в крови обнаружено и при голодании экспериментальных животных. При голодании улучшение обучения может быть достигнуто введением как глюкозы, так и глюкокортикоидов. Таким образом, память ухудшается параллельно уменьшению снабжения головного мозга глюкозой. При этом неважно, каким образом оно было достигнуто – уменьшением общего содержания углеводов в организме вследствие голодания или нарушением процессов активного транспорта глюкозы в ЦНС вследствие удаления источника глюкокортикоидов.
Во всех случаях введение глюкозы не непосредственно после обучения, а перед тестированием не улучшало воспроизведения навыка. Следовательно, глюкоза улучшает в первую очередь формирование памяти и меньше влияет на извлечение памятного следа.
Следует отметить, что зависимость памяти от количества глюкозы в крови не является линейной. Иными словами, в этом случае не действует правило: «Чем больше, тем лучше». Описанные выше эксперименты проводились так, что уровень глюкозы в крови снижался ниже физиологического уровня в результате длительного голодания или удаления надпочечников. Если же исследовать влияние глюкозы на память в физиологических, т. е. «нормальных», пределах изменения концентрации глюкозы в крови, то обнаруживается нелинейная зависимость. При введении интактному животному (с которым не проводилось никаких манипуляций) глюкоза улучшает память в узком диапазоне доз. При отклонении от этой оптимальной дозы влияние на память отсутствует или даже становится противоположным. Другими словами, как высокие, так и низкие дозы вводимой глюкозы не приводят к улучшению памяти.
Биологическая активность эндокринной системы может меняться, хотя содержание гормона в крови остается неизменным. Изменения связаны с нарушениями в транспорте, рецепции или катаболизме молекул гормона. Например, длительный прием оральных контрацептивов достаточно часто приводит к нарушениям либидо. У таких женщин обнаружено повышенное содержание транспортного белка – глобулина, связывающего эстрогены. Другой пример – для прерывания беременности на ранних сроках применяются вещества, нарушающие связывание прогестерона с его клеточными рецепторами. Биологический эффект обеспечивается изменением этапа взаимодействия гормона с рецептором. Еще один пример – препараты лакрицы (солодки), широко используемые для лечения бронхитов, трахеитов и прочих болезней верхних дыхательных путей. Эти лекарства содержат вещества, тормозящие инактивацию глюкокортикоидов в процессе обмена веществ. В результате повышается содержание в крови глюкокортикоидов, прежде всего кортизола, подавляющего воспалительные процессы. Эти лекарства не влияют на систему синтеза и секреции гормонов и не нарушают ее функционирование. Поэтому препараты лакрицы широко применяются как безопасные противовоспалительные средства.
Поливалентность гормонов
Опасность гормональных препаратов связана с тем, что каждый гормон воздействует не на одну ткань или орган. Любой гормон имеет несколько тканей-мишеней (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Поливалентность гормонов. Каждый гормон связывается с рецепторами (R), расположенными в клетках разных тканей. Эти рецепторы имеют общее свойство – специфичность, т. е. способность связывать именно данный гормон и не взаимодействовать с другими гормонами, имеющими схожую структуру. Рецепторы для одного и того же гормона, находящиеся в разных тканях, несколько отличаются по своей специфичности. Эти различия и являются биологической основой для создания лекарственных препаратов путем модификации естественных гормонов. Побочные эффекты, обусловленные взаимодействием с остальными тканями, у каждого из таких препаратов сведены к минимуму, поскольку его молекула модифицирована так, чтобы она связывалась только с рецепторами той ткани, для влияния на которую предназначена. Абсолютно полной специфичности достичь не удается, поэтому анаболики, чье действие направлено на мышечную ткань, влияют и на гипоталамус, где они тормозят синтез гонадолиберина (ЛГ-РГ), что и приводит к расстройству репродуктивной функции
Рис. 2.8. Обратная связь в эндокринных системах. Слева показаны связи в эндокринных системах в состоянии покоя. Гормоны периферических желез (коры надпочечников, щитовидной железы и гонад) тормозят синтез и секрецию соответствующих гипоталамических рилизингов и гипофизарных тропных гормонов. Справа показаны те же связи на фоне введения гормона извне. Большая доза экзогенного гормона резко снижает синтез и секрецию эндогенных гормонов на всех трех уровнях эндокринной системы. Поэтому при завершении лечебного гормонального курса дозу препарата снижают очень медленно, чтобы заторможенная по механизму обратной связи система «гипоталамус – гипофиз – железа» восстановила нормальную функцию
Решить эту задачу полностью, т. е. изменить молекулу гормона так, чтобы он связывался исключительно с рецепторами периферических тканей, не удается. Например, анаболические стероиды являются андрогенами, модифицированными так, чтобы воздействовать главным образом на мышечную ткань. Но анаболики все же взаимодействуют, хотя и слабее, чем натуральные андрогены, с клетками гипоталамуса, синтезирующими гонадолиберин. Анаболики тормозят синтез и секрецию гонадолиберина в гипоталамусе. Это приводит к сниженной продукции гипофизарных лютеинизирующего и фолликулостимулирующего половых гормонов и, соответственно, к нарушению функции периферических половых желез. В результате бесконтрольный прием анаболиков приводит к расстройству половой функции.
Каждый гормон действует на многие органы и тканиОдна из таких мишеней – центры (структуры мозга и железы), управляющие секрецией этого гормона. Взаимодействие гормона с центром, регулирующим его синтез и секрецию, называется регуляцией по механизму обратной связи. Глюкокортикоиды тормозят синтез и секрецию кортиколиберина и АКТГ; гормоны щитовидной железы – тиреолиберина и тиреотропина; половые гормоны – синтез и секрецию гонадолиберина. Лечение глюкокортикоидами обычно продолжается долго, более того, часто используются очень большие дозы препаратов. В таких случаях торможение секреции кортиколиберина и АКТГ может быть настолько длительным, что будет продолжаться и после прекращения лечения. В результате развившегося дефицита функции коры надпочечников могут возникнуть тяжелые расстройства (рис. 2.8). Поэтому в качестве лекарственных препаратов чаще используют не естественные гормоны, а модифицированные молекулы. Модификация естественных гормонов с целью получения лекарственных препаратов проводится таким образом, чтобы уменьшить их влияние на все ткани, кроме одной, для лечения которой и предназначено данное лекарство. Опаснейшим из побочных эффектов гормональных препаратов является торможение ими гипоталамических и гипофизарных центров, в которых происходит синтез либеринов и тропных гормонов.
Рис. 2.8. Обратная связь в эндокринных системах. Слева показаны связи в эндокринных системах в состоянии покоя. Гормоны периферических желез (коры надпочечников, щитовидной железы и гонад) тормозят синтез и секрецию соответствующих гипоталамических рилизингов и гипофизарных тропных гормонов. Справа показаны те же связи на фоне введения гормона извне. Большая доза экзогенного гормона резко снижает синтез и секрецию эндогенных гормонов на всех трех уровнях эндокринной системы. Поэтому при завершении лечебного гормонального курса дозу препарата снижают очень медленно, чтобы заторможенная по механизму обратной связи система «гипоталамус – гипофиз – железа» восстановила нормальную функцию
Решить эту задачу полностью, т. е. изменить молекулу гормона так, чтобы он связывался исключительно с рецепторами периферических тканей, не удается. Например, анаболические стероиды являются андрогенами, модифицированными так, чтобы воздействовать главным образом на мышечную ткань. Но анаболики все же взаимодействуют, хотя и слабее, чем натуральные андрогены, с клетками гипоталамуса, синтезирующими гонадолиберин. Анаболики тормозят синтез и секрецию гонадолиберина в гипоталамусе. Это приводит к сниженной продукции гипофизарных лютеинизирующего и фолликулостимулирующего половых гормонов и, соответственно, к нарушению функции периферических половых желез. В результате бесконтрольный прием анаболиков приводит к расстройству половой функции.
Регуляция по механизму отрицательной обратной связи и гормональные влияния на поведение
Если гормон тормозит активность центров, которые стимулируют его синтез и секрецию, такая обратная связь называется отрицательной. Если повышение секреции гормона ведет к активации стимулирующих центров, то обратная связь называется положительной. Положительная обратная связь почти не встречается в гуморальных регуляторных механизмах. В то же время роль отрицательной обратной связи в регуляции эндокринной системы исключительно велика.
Тесная взаимосвязь между уровнем гормона и количеством его рецепторов, торможение гипоталамических центров по механизму отрицательной обратной связи, регуляция одной функции несколькими гормонами, а также взаимодействие между различными эндокринными системами приводит к тому, что биологический эффект зависит не столько от концентрации гормона, сколько от ее динамики. Особенно заметно это применительно к психотропным эффектам гормонов.
Гормоны оказывают определяющее влияние на поведение во время развития организма (половая дифференцировка мозга у эмбриона, половое созревание подростков). В эти периоды концентрация гормонов меняется очень быстро из-за роста и дифференцировки тканей половых желез, поэтому гормональные вмешательства могут радикально изменить поведение человека или животного.
Таким образом, биологические, особенно психотропные, эффекты гормонов зависят в большей степени от скорости изменения концентрации гормона в крови, чем от абсолютного значения этой концентрации. Это положение важно в связи с тем, что широко распространено представление об определяющей роли уровня гормонов в крови для проявления таких форм поведения, как половое, агрессивное и асоциальное. Это представление не соответствует действительности, что подтверждают многочисленные и разнообразные исследования. Точнее, прямая зависимость между содержанием гормонов и поведением обнаруживается только при сравнении полярных групп: кастрированных самцов, у которых нет половых гормонов, и у носителей хромосомных мутаций ХУУ с очень высоким содержанием тестостерона.
Таким образом, колебания уровня циркулирующего гормона не сопровождается пропорциональными колебаниями выраженности поведенческих форм, которые этот гормон обеспечивает. Это обусловлено регуляцией эндокринных функций по механизму отрицательной обратной связи.
Гормоны тормозят собственную секрецию по механизму отрицательной обратной связиРегуляция эндокринных функций по механизму отрицательной обратной связи осуществляется не только путем торможения синтеза и секреции либеринов и тропных гормонов. Другим механизмом обратной связи является регулирование количества рецепторов уровнем гормона. При повышении концентрации гормона выше физиологически нормального уровня количество его рецепторов в тканях-мишенях снижается, а при уменьшении концентрации гормона количество рецепторов в клетках повышается. Это правило справедливо для подавляющего большинства гормонов. Наличие механизма регуляции по отрицательной обратной связи обеспечивает стабильность системы, в данном случае – постоянство гормональных влияний на клетки.
Тесная взаимосвязь между уровнем гормона и количеством его рецепторов, торможение гипоталамических центров по механизму отрицательной обратной связи, регуляция одной функции несколькими гормонами, а также взаимодействие между различными эндокринными системами приводит к тому, что биологический эффект зависит не столько от концентрации гормона, сколько от ее динамики. Особенно заметно это применительно к психотропным эффектам гормонов.
Количество рецепторов в тканях-мишенях уменьшается при длительном увеличении концентрации гормона в кровиВ главе 8 рассматривается предменструальный синдром в качестве примера аффективного расстройства, вызываемого быстрым падением содержания прогестерона в крови в конце менструального цикла. Сезонные изменения в половом поведении человека и сезонные обострения аффективных расстройств (так называемая осенняя депрессия) связаны с быстрым изменением секреции мелатонина (см. главу 5).
Гормоны оказывают определяющее влияние на поведение во время развития организма (половая дифференцировка мозга у эмбриона, половое созревание подростков). В эти периоды концентрация гормонов меняется очень быстро из-за роста и дифференцировки тканей половых желез, поэтому гормональные вмешательства могут радикально изменить поведение человека или животного.
Таким образом, биологические, особенно психотропные, эффекты гормонов зависят в большей степени от скорости изменения концентрации гормона в крови, чем от абсолютного значения этой концентрации. Это положение важно в связи с тем, что широко распространено представление об определяющей роли уровня гормонов в крови для проявления таких форм поведения, как половое, агрессивное и асоциальное. Это представление не соответствует действительности, что подтверждают многочисленные и разнообразные исследования. Точнее, прямая зависимость между содержанием гормонов и поведением обнаруживается только при сравнении полярных групп: кастрированных самцов, у которых нет половых гормонов, и у носителей хромосомных мутаций ХУУ с очень высоким содержанием тестостерона.
Психотропный эффект гормона зависит от скорости изменения его концентрации в крови, а не от абсолютного значения этой концентрацииВ первой группе почти отсутствуют аберрантные поведенческие формы, а во второй они усилены. Между этими двумя группами располагается группа самцов (мужчин), у которых не обнаружена зависимость между уровнем секреции тестостерона и поведением. Для проявления полового, агрессивного и асоциального поведения необходим определенный, небольшой уровень тестостерона. Выраженность же поведения зависит от факторов внешней среды, в психологических терминах – от воспитания. Например, крысята, выращенные в присутствии враждебно настроенного отца, оказались значительно агрессивнее своих собратьев, у которых не было опыта таких контактов. Быки, имевшие подобные контакты, продолжали демонстрировать агрессивное поведение и после того как были кастрированы.
Таким образом, колебания уровня циркулирующего гормона не сопровождается пропорциональными колебаниями выраженности поведенческих форм, которые этот гормон обеспечивает. Это обусловлено регуляцией эндокринных функций по механизму отрицательной обратной связи.
Взаимодействие эндокринных систем: прямая связь, обратная связь, синергизм, пермиссивное действие, антагонизм
Как уже было упомянуто, отдельные эндокринные железы и их гормоны взаимодействуют друг с другом, обеспечивая функциональное единство организма. Между эндокринными железами может существовать прямая связь: гипоталамические гормоны (рилизинг-гормоны) стимулируют секрецию гипофизарных гормонов. Тропные гормоны гипофиза стимулируют секрецию гормонов периферических желез. Помимо прямых связей, в любой системе существуют управляющие, или обратные связи. Синергичное действие гормонов заключается в сходном биологическом эффекте их действия. И адреналин, и глюкагон увеличивают содержание глюкозы в крови. В отличие от синергизма пермиссивное действие состоит в том, что один гормон сам по себе не обладает биологическим эффектом, но усиливает действие другого гормона.
Существует пять типов взаимодействия эндокринных систем: 1) один гормон стимулирует синтез другого; 2) один гормон тормозит синтез другого; 3) два гормона оказывают на клетки организма одинаковый эффект; 4) один гормон усиливает действие другого на клетки организма, хотя сам по себе не влияет на данную функцию; 5) два гормона оказывают на клетки организма противоположный эффектКортизол, например, не влияет на тонус сосудистой стенки, но увеличивает чувствительность сосудов к адреналину. Антагонизм гормонов проявляется в противоположном биологическом эффекте. Возможны различные механизмы антагонистических проявлений. Глюкокортикоид кортизол ослабляет транспорт глюкозы в жировую ткань, а инсулин – увеличивает. При этом два гормона действуют каждый через свои рецепторы. Возможна конкуренция двух гормонов за связывание с одним типом рецепторов (глюкокортикоиды и минералокортикоиды; вазопрессин и окситоцин). Наконец, возможно неконкурентное торможение взаимодействия гормона с рецептором (кортизол не связывается сам с прогестероновым рецептором, но препятствует связыванию прогестерона с рецептором).
Механизмы гормональных влияний на поведение
Взаимодействие гормонов имеет большое практическое значение, поскольку, как уже говорилось, любая функция организма находится под контролем нескольких гормонов (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Множественность регуляции функций ткани и органов. Почти все ткани и органы имеют рецепторы многих гормонов, оказывающих различное действие на данную ткань. Гормоны могут взаимодействовать друг с другом, ослабляя или усиливая эффект других гормонов и влияние нервной системы. В результате биологический ответ всегда сложнее простой суммы эффектов отдельных гормонов
Это проявляется особенно ярко в отношении психических функций, так как есть несколько путей, по которым осуществляется гормональное воздействие на психику. Во-первых, гормоны могут влиять на поведение, изменяя состояние периферических органов. Например, серотонин, действуя как гормон, т. е. выделяясь в кровеносную систему, изменяет поведение за счет того, что вызывает зуд. Под влиянием тестостерона кожа на головке пениса становится тоньше, в результате возрастает чувствительность, и самцы становятся восприимчивее к движениям самки во время совокупления. Изменение метаболизма в периферических органах, таких как печень, под влиянием гормонов приводит к появлению в крови многих биологически активных веществ. Во-вторых, гормоны влияют на поведение, изменяя метаболизм непосредственно в ЦНС. Кортизол усиливает транспорт глюкозы в клетки мозга. Гормональная регуляция концентрации глюкозы в крови и влияние глюкозы на поведение будут подробно рассмотрены в следующем разделе. В-третьих, гормоны влияют на функциональное состояние ЦНС, изменяя действие отдельных медиаторов и в отдельных случаях индуцируя определенные формы поведения.
Это проявляется особенно ярко в отношении психических функций, так как есть несколько путей, по которым осуществляется гормональное воздействие на психику. Во-первых, гормоны могут влиять на поведение, изменяя состояние периферических органов. Например, серотонин, действуя как гормон, т. е. выделяясь в кровеносную систему, изменяет поведение за счет того, что вызывает зуд. Под влиянием тестостерона кожа на головке пениса становится тоньше, в результате возрастает чувствительность, и самцы становятся восприимчивее к движениям самки во время совокупления. Изменение метаболизма в периферических органах, таких как печень, под влиянием гормонов приводит к появлению в крови многих биологически активных веществ. Во-вторых, гормоны влияют на поведение, изменяя метаболизм непосредственно в ЦНС. Кортизол усиливает транспорт глюкозы в клетки мозга. Гормональная регуляция концентрации глюкозы в крови и влияние глюкозы на поведение будут подробно рассмотрены в следующем разделе. В-третьих, гормоны влияют на функциональное состояние ЦНС, изменяя действие отдельных медиаторов и в отдельных случаях индуцируя определенные формы поведения.
Гормоны могут воздействовать на поведение пятью способами, влияя на: 1) состояние периферических органов, 2) обмен веществ в ЦНС, 3) медиаторы в ЦНС, 4) состояние периферической нервной системы, 5) строение ЦНССвободно проникать в ЦНС могут только стероидные гормоны. Некоторые, но не все пептидные гормоны проникают через гематоэнцефалический барьер, отделяющий кровоток от ЦНС, используя систему ферментов-переносчиков. В основном психотропный эффект пептидных гормонов обусловлен четвертым механизмом – взаимодействием с периферической нервной системой (с ганглиями вегетативной нервной системы). Наконец, гормоны могут влиять на поведение за счет изменения строения мозга. Под влиянием эстрогенов увеличивается количество межнейронных контактов. Глюкокортикоиды вызывают гибель клеток в ЦНС, а минералокортикоиды, наоборот, увеличивают стабильность нейронов некоторых структур мозга.
ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Следует еще раз подчеркнуть, что процессы, происходящие в организме, представляют собой единое целое, и только для удобства изложения и облегчения восприятия рассматриваются в учебниках и руководствах в отдельных главах. Это относится и к разделению на нервную и гуморальную регуляцию, и к выделению отдельных эндокринных систем, и к разным сторонам обмена веществ. Поскольку обмен веществ и его регуляция – тема исключительно обширная и сложная, то здесь мы рассмотрим только метаболизм углеводов в качестве примера комплексной гуморальной регуляции физиологических функций, в частности поведения.
Значение углеводов
Углеводы играют особую роль среди веществ, поступающих в организм с пищей, поскольку именно они являются основным, а для нервных элементов – единственным источником энергии для клеток. Поэтому уровень углеводов в крови – один из важнейших физиологических показателей. Незначительное снижение содержания в крови глюкозы – основного углевода, участвующего в обмене веществ, – приводит к изменению физиологического состояния и поведения.
Недостаток углеводов в крови ощущается человеком как чувство голода. Голод – это субъективное отражение одной из потребностей – пищевой – в самосохранении организма. Для ее удовлетворения происходят физиологические изменения в организме, а также в поведении. Так, физиологические процессы обеспечивают синтез углеводов из запасных веществ – жиров и белков. Кроме того, происходит распад гликогена до глюкозы, т. е. углеводы переводятся из формы, в которой они хранятся в организме животных, в форму, которая может участвовать в обмене веществ. Уровень углеводов в крови определяется с помощью детекторов содержания именно глюкозы.
Кроме физиологических изменений, для удовлетворения пищевой потребности происходят изменения поведения: оно становится направленным на поиск источников пищи. Поступающие в организм питательные вещества – белки, жиры и углеводы – частично используются для построения новых клеток, но бόльшая их часть используется для энергетических нужд организма. В средних широтах, т. е. в умеренном климате, на энергетические нужды уходит примерно две трети поступающих в организм питательных веществ. В качестве непосредственного источника энергии могут быть использованы только углеводы. Поэтому значительная часть жиров и белков превращается в организме в углеводы – гликоген и глюкозу.
Клетки мозга могут получать энергию только из глюкозы. Поэтому при ухудшении функционального состояния ЦНС вследствие разнообразных причин рекомендуется делать внутривенные инъекции раствора глюкозы. Тем самым усиливается питание мозговых структур. Внутривенное введение глюкозы делают раненым, больным и людям, истощенным значительными физическими нагрузками, например после переохлаждения, голодания и тяжелой мышечной работы. Неслучайно в средневековой Европе сахар продавался в аптеках. В некоторых случаях действие глюкозы можно наблюдать уже через несколько минут после инъекции. Это происходит в тех случаях, когда плохое самочувствие было связано именно с недостаточным снабжением мозга глюкозой.
Ее действие бывает таким быстрым и сильным, что выздоравливающие больные определяют, что им вводят – глюкозу или другие препараты, по быстрому и заметному улучшению самочувствия, которое может ощущаться уже через одну-две минуты после начала внутривенного вливания. Более того, выздоравливающие после операции коты охотно позволяют делать себе инъекции глюкозы. Это объясняется сильным и, главное, быстрым улучшением самочувствия вследствие увеличения глюкозы в крови. В этом случае у животного вырабатывается условный рефлекс, в котором условным стимулом является вид шприца в руке экспериментатора, а безусловным – быстрое улучшение самочувствия. В результате ранее нейтральный или даже неприятный стимул (вид человека со шприцем) становится стимулом, вызывающим положительный условный рефлекс: животное выходит навстречу экспериментатору и спокойно сидит (хотя и покрикивая) во время укола.
Таким образом, основное значение углеводов для регуляции психических процессов, в частности поведения, связано с тем, что глюкоза – незаменимый источник энергии для клеток ЦНС.
Недостаток углеводов в крови ощущается человеком как чувство голода. Голод – это субъективное отражение одной из потребностей – пищевой – в самосохранении организма. Для ее удовлетворения происходят физиологические изменения в организме, а также в поведении. Так, физиологические процессы обеспечивают синтез углеводов из запасных веществ – жиров и белков. Кроме того, происходит распад гликогена до глюкозы, т. е. углеводы переводятся из формы, в которой они хранятся в организме животных, в форму, которая может участвовать в обмене веществ. Уровень углеводов в крови определяется с помощью детекторов содержания именно глюкозы.
Глюкоза – единственный и незаменимый источник энергии для клеток ЦНС, т. е. головного и спинного мозгаПоэтому при повышении уровня глюкозы вследствие ее синтеза из запасных веществ (жиров, белков, гликогена и некоторых других) чувство голода уменьшается.
Кроме физиологических изменений, для удовлетворения пищевой потребности происходят изменения поведения: оно становится направленным на поиск источников пищи. Поступающие в организм питательные вещества – белки, жиры и углеводы – частично используются для построения новых клеток, но бόльшая их часть используется для энергетических нужд организма. В средних широтах, т. е. в умеренном климате, на энергетические нужды уходит примерно две трети поступающих в организм питательных веществ. В качестве непосредственного источника энергии могут быть использованы только углеводы. Поэтому значительная часть жиров и белков превращается в организме в углеводы – гликоген и глюкозу.
Клетки мозга могут получать энергию только из глюкозы. Поэтому при ухудшении функционального состояния ЦНС вследствие разнообразных причин рекомендуется делать внутривенные инъекции раствора глюкозы. Тем самым усиливается питание мозговых структур. Внутривенное введение глюкозы делают раненым, больным и людям, истощенным значительными физическими нагрузками, например после переохлаждения, голодания и тяжелой мышечной работы. Неслучайно в средневековой Европе сахар продавался в аптеках. В некоторых случаях действие глюкозы можно наблюдать уже через несколько минут после инъекции. Это происходит в тех случаях, когда плохое самочувствие было связано именно с недостаточным снабжением мозга глюкозой.
Ее действие бывает таким быстрым и сильным, что выздоравливающие больные определяют, что им вводят – глюкозу или другие препараты, по быстрому и заметному улучшению самочувствия, которое может ощущаться уже через одну-две минуты после начала внутривенного вливания. Более того, выздоравливающие после операции коты охотно позволяют делать себе инъекции глюкозы. Это объясняется сильным и, главное, быстрым улучшением самочувствия вследствие увеличения глюкозы в крови. В этом случае у животного вырабатывается условный рефлекс, в котором условным стимулом является вид шприца в руке экспериментатора, а безусловным – быстрое улучшение самочувствия. В результате ранее нейтральный или даже неприятный стимул (вид человека со шприцем) становится стимулом, вызывающим положительный условный рефлекс: животное выходит навстречу экспериментатору и спокойно сидит (хотя и покрикивая) во время укола.
Таким образом, основное значение углеводов для регуляции психических процессов, в частности поведения, связано с тем, что глюкоза – незаменимый источник энергии для клеток ЦНС.
Психотропный эффект углеводов
Хлещет вверх моя глюкоза!
В час последний, роковой
В виде уха, в виде розы
Появись передо мной.
Н. Олейников
Как было описано в предыдущем разделе, введение углеводов в организм улучшает состояние животных или человека со слабым функциональным состоянием. Кроме того, углеводы стимулируют функции организма, который находится в рамках физиологической нормы. При умственной, физической или эмоциональной нагрузке происходит повышение уровня глюкозы в крови. Начальный этап любого стресса, в том числе и вызванного любовным томлением, как у лирического героя Николая Олейникова, сопровождается значительным подъемом концентрации глюкозы в крови.
Во время письменных экзаменов полезно иметь при себе шоколадку, чтобы время от времени вводить в свой организм дополнительные порции легко усваиваемых углеводов. Важные социальные контакты лучше устанавливать после обеда, когда уровень глюкозы в крови высок, поскольку удовлетворенная пищевая потребность дает возможность проявляться различным социальным мотивациям.
Увеличение концентрации глюкозы в крови влияет не только на общее самочувствие и работоспособность, но и на отдельные психические функции, в частности на память.
При обучении крыс навыку сохранять неподвижность[46] введение глюкозы сразу после обучения улучшало воспроизведение на следующий день выработанного условного рефлекса. После удаления коры надпочечников – основного источника глюкокортикоидов, которые усиливают транспорт глюкозы в клетки мозга, – формирование памяти ухудшалось параллельно снижению концентрации глюкозы в крови. Синхронное ухудшение обучения и падение концентрации глюкозы в крови обнаружено и при голодании экспериментальных животных. При голодании улучшение обучения может быть достигнуто введением как глюкозы, так и глюкокортикоидов. Таким образом, память ухудшается параллельно уменьшению снабжения головного мозга глюкозой. При этом неважно, каким образом оно было достигнуто – уменьшением общего содержания углеводов в организме вследствие голодания или нарушением процессов активного транспорта глюкозы в ЦНС вследствие удаления источника глюкокортикоидов.
Во всех случаях введение глюкозы не непосредственно после обучения, а перед тестированием не улучшало воспроизведения навыка. Следовательно, глюкоза улучшает в первую очередь формирование памяти и меньше влияет на извлечение памятного следа.
Недостаток глюкозы ухудшает формирование памятиСвязь уровня глюкозы со способностью к обучению показана и на другой модели – выработке навыка активно двигаться, чтобы избежать опасности. У тех крыс, которые обучались хорошо, непосредственно после обучения уровень глюкозы в крови был достоверно ниже, чем у тех животных, которые не смогли выработать этот навык. По всей вероятности, высокая концентрация глюкозы в крови неудовлетворительно обучавшихся животных была связана с тем, что у них плохо протекали процессы транспорта глюкозы в мозг.
Следует отметить, что зависимость памяти от количества глюкозы в крови не является линейной. Иными словами, в этом случае не действует правило: «Чем больше, тем лучше». Описанные выше эксперименты проводились так, что уровень глюкозы в крови снижался ниже физиологического уровня в результате длительного голодания или удаления надпочечников. Если же исследовать влияние глюкозы на память в физиологических, т. е. «нормальных», пределах изменения концентрации глюкозы в крови, то обнаруживается нелинейная зависимость. При введении интактному животному (с которым не проводилось никаких манипуляций) глюкоза улучшает память в узком диапазоне доз. При отклонении от этой оптимальной дозы влияние на память отсутствует или даже становится противоположным. Другими словами, как высокие, так и низкие дозы вводимой глюкозы не приводят к улучшению памяти.
Ухудшение памяти при дефиците глюкозы связано с недостаточным снабжением глюкозой клеток ЦНСЭто связано с тем, что в организме функционируют многообразные механизмы, поддерживающие постоянный уровень глюкозы в крови. Однозначно позитивное влияние на память и другие психические функции углеводы оказывают, когда питание глюкозой клеток головного мозга было по каким-либо причинам нарушено (экспериментальные воздействия, травма, длительные физические или психические нагрузки, болезнь).