HC3: Fysiologische regelsystemen

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de werking van fysiologische regelsystemen (open, gesloten, terugkoppeling) besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Wiskundige beschrijvingen

Homeostase is het vermogen van meercellige organismen om het interne milieu in evenwicht te houden, ondanks veranderingen in de omgeving waarin het organisme zich bevindt, door middel van regelkringen in het organisme. Het hele lichaam zit vol met regelsystemen. Een regelsysteem bestuurt een ander systeem en zorgt ervoor dat dit systeem in orde blijft.

In een open regelsysteem is er een invoer, een proces en een uitvoer. De formele wiskundige beschrijving hiervoor is:

• Uitvoer = f(invoer)
  • f = functie

Een voorbeeld hiervan is een kraan:

• Invoer: hoe ver de kraan is opengedraaid
• Proces: de kraan
• Uitvoer: hoeveel water er uitkomt

Dit kan ook ingewikkelder gemaakt worden door een controller, sensor en vergelijkingsmechanisme toe te voegen. Er ontstaat dan een gesloten regelsysteem.

Blokdiagrammen:

• Blok: fysiologisch proces (bijv. organen)
• Pijl: signaal
• 2x een + staat voor optellen
• 1 + en 1 - staat voor aftrekken

Dit kan in wiskundige formules omschreven worden:

• y = Ax
• e = r - c
• e = r + c
• y = r - c
• r = Ax
• c = Bz

→ y = Ax - Bz

Hierbij zijn A en B blokken en zijn x, r, c, e en z verschillende invoeren en uitvoeren.

Open regelsystemen

In een open regelsysteem vindt er geen terugkoppeling plaats bij fouten die tijdens het proces optreden → het uitgangssignaal heeft geen invloed op het ingangssignaal. Eventuele fouten blijven tijdens de duur van het proces onopgemerkt. Soms is er achteraf wel terugkoppeling.

Er zijn twee soorten open regelsystemen:

• Aan-uit regelsysteem: de waarde van het invoersignaal bepaalt of het proces start of stopt
  • Een bepaald niveau wordt bereikt, waarna een reactie plaatsvindt
  • Hierna bouwt het zich weer op en vindt hetzelfde proces plaats
  • Bijv. de blaas van een niet zindelijke peuter of van volwassenen na een dwarslaesie van het ruggenmerg
• Proportioneel regelsysteem: het uitvoersignaal reageert proportioneel op veranderingen van het ingangssignaal
  • Bijv. de pupilreactie van het oog: de lichtintensiteit die op het oog valt neemt toe → de pupil vernauwt

Er zijn een tal van regelmechanismen waarbij de geregelde grootheid varieert (zoals bij de besturing van de lichaamsbewegingen en lichaamshouding). Deze regelsystemen heten servosystemen en zijn voorbeelden van open regelsystemen.

Gesloten regelsystemen

De homeostase wordt gehandhaafd door gesloten regelsystemen. Bij een gesloten regelsysteem vindt er tijdens het proces terugkoppeling plaats. Deze terugkoppeling kan ook veroorzaakt worden door externe invloeden. Om terugkoppeling te laten plaatsvinden zijn een aantal factoren nodig:

• Sensor: kan meten wat er gebeurt aan de uitvoerkant
• Referentiewaarde: de "input"
• Controller/regelaar: zet het systeem aan of uit

Gesloten regelsystemen houden een fysiologische grootheid min of meer op een constante waarde. Factoren die het inwendige milieu bepalen worden binnen bepaalde grenzen constant gehouden. De gesloten regelsystemen zorgen ervoor dat een aantal fysiologische grootheden op een bepaalde optimale waarde blijven:

• Glucoseconcentratie
• Zuurstofspanning
• Totale hoeveelheid water
• Concentratie van elektrolyten
• Temperatuur

In een gesloten regelsysteem vindt er dus terugkoppeling van de uitgangswaarde plaats. De uitgangswaarde beïnvloedt de ingangswaarde van het systeem en daarmee het proces. Dit gebeurt als volgt:

1. Een sensor meet het uitgangssignaal
2. De sensor koppelt het uitgangssignaal (de geregelde waarde of grootheid) terug naar het ingangssignaal (de gewenste of referentiewaarde)
3. De door de sensor gemeten waarde (het terugkoppelsignaal) wordt vergeleken met de gewenste waarde
4. Een regelaar of controller stuurt het fysiologische proces aan zodat de geregelde waarde aangepast kan worden

• Deze controller voert acties uit a.d.h.v. de gewenste en de gemeten waarde

Gesloten regelsystemen worden dus gekenmerkt door terugkoppeling: de beïnvloeding van een ingangssignaal door een daarvan afhankelijk uitgangssignaal. Er zijn twee soorten gesloten regelsystemen:

• Negatieve terugkoppeling
  • Een verlaging van de geregelde grootheid leidt tot een verhoging 
  • Een verhoging van de geregelde grootheid leidt tot een verlaging
  • Aangegeven met een - in het blokdiagram
• Positieve terugkoppeling
  • Een verlaging van de geregelde grootheid leidt tot verdere verlaging → het geregelde signaal verdwijnt
  • Een verhoging van de geregelde grootheid leidt tot een nog grotere toename
  • Er kunnen oscillaties met een toenemende amplitude ontstaan → het regelsysteem komt of in een verzadiging terecht, of vertoont explosief gedrag en vernietigt zichzelf
  • Aangegeven met een + in het blokdiagram
  • Bijv. bij de eisprong en tijdens de baring

Meestal zijn fysiologische regelsystemen gebaseerd op het principe van negatieve terugkoppeling.

Negatieve terugkoppeling:

Bij negatieve terugkoppeling wordt er gestreefd naar evenwicht/homeostase. Elke verstoring van het uitgangssignaal (de geregelde grootheid) wordt meteen opgemerkt door de sensor → om het uitgangssignaal weer terug te krijgen op de streefwaarde/setpoint past het systeem een correctie toe:

• Bij een te hoge geregelde waarde is er een negatieve fout: de gemeten waarde moet omlaag worden gebracht → de controller en het proces brengen de waarde omlaag
• Bij een te lage geregelde waarde is er een positieve fout: de gemeten waarde moet omhoog worden gebracht → de controller en het proces brengen de waarde omhoog

Negatieve terugkoppeling verloopt als volgt:

1. De sensor (gespecialiseerde zintuigcellen die de homeostatisch geregelde grootheid bewaken) meet de geregelde grootheid
2. De gemeten waarde (het terugkoppelsignaal) wordt van de streefwaarde afgetrokken
   • De fout (error) is de gewenste waarde - de gemeten waarde
3. De controller merkt de fout op en stuurt het proces aan om de geregelde waarde in de juiste richting aan te passen
   • Als de fout positief is stuurt de controller het proces aan om de geregelde waarde te verhogen
   • Als de fout negatief is stuurt de controller het proces aan om de geregelde waarde te verlagen

Voorbeelden van homeostatische processen in het lichaam die gebruik maken van negatieve terugkoppeling zijn:

• Cardiovasculaire systeem
• Longen
• Nieren
• Lichaamstemperatuur
• Schildklier
• Bijnier
• Cellulaire processen

Regelkring ademhaling:

Ademhaling zorgt voor:

• Een autonoom ritme in de contractie van ademhalingsspieren
• Aanpassing van het ritme aan veranderingen in:
  • Metabole eisen (gerepresenteerd door veranderingen in de bloedwaardes PO2, PCO2en pH)
  • Variërende mechanische condities (bijv. een andere houding)
  • Episodisch gedrag waarin er geen ademhaling is (bijv. spreken, niezen, eten)

De ademhalingskring is een regelkring met negatieve terugkoppeling:

1. In het middenrif zitten spieren die voor in- en uitademing zorgen
   • Deze spieren worden aangestuurd door RRN's (respiratory related neurons): neuronen die in- en uitademing aansturen
     • Dit zijn interneuronen, premotor neuronen of motorneuronen
     • RRN's zijn actief tijdens de in- of uitademing en zijn gelokaliseerd in de medulla, pons en andere regio's in de hersenstam
2. Sensoren (perifere en centrale chemoreceptoren) bepalen het ritme → PCR's en CCR's vormen het sensorische uiteinde van een systeem van negatieve terugkoppeling dat gebruikt maakt van ademhaling om de arteriële PO2, PCO2en pH te stabiliseren
   • Perifere chemoreceptoren (PCR's) liggen in de carotislichaampjes in de nek en in de aortalichaampjes in de thorax
     • Zijn gevoelig voor daling in de arteriële PO2
     • Geven via de nervus glossopharyngeus en nervus vagus sensorische informatie door aan de medulla
   • Centrale chemoreceptoren (CCR's) liggen in het brein
     • Zijn gevoelig voor stijging in de arteriële PCO2
3. Centrale patroon generator (CPG) meet de tijd van de automatische cyclus van in- en uitademing
   • Hierbij zijn de "tonic drive inputs" (PCR's en CCR's) belangrijk → onderhouden arteriële gaswaarden
   • De frequentie van ademhaling verandert met de sterkte van de aansturing door de chemoreceptoren → de diepte en frequentie van ademhaling kan veranderen
   • De specifieke plaats van de CPG is nog onbekend
4. De omzetter zet de ademhalingswaarden om in bloedwaarden

Positieve terugkoppeling:

Bij positieve terugkoppeling wordt het teruggekoppelde signaal (de meetwaarde) niet afgetrokken van het referentiesignaal, maar erbij opgeteld → de meetwaarde gaat steeds meer afwijken van de streefwaarde → de activiteit van het proces neemt altijd toe → er wordt gestreefd naar een explosie of uitdoving:

• Bij een te lage geregelde en gemeten waarde is er een negatieve fout → het proces brengt de waarde nog meer naar beneden → er vindt uitdoving plaats
• Bij een te hoge geregelde en gemeten waarde is er een positieve fout →het proces brengt de waarde nog verder omhoog → er ontstaat een explosie

Voorbeelden van positieve terugkoppeling zijn:

• De baring: de terugkoppeling versterkt het proces meer en meer totdat het kind geboren is
• Het krijgen van een orgasme
• De actiepotentiaal
• Bloedstolling

Feedforward anticipatie

In sommige regelkringen is er een mechanisme waarbij de controller in de regelkring direct op een stoorsignaal kan anticiperen. Een stoorsignaal verstoort de geregelde waarde, maar niet direct. Bij feedforward anticipatie kan het systeem zich hierop voorbereiden, bijv. bij temperatuurregeling:

1. De huidsensoren nemen een koude buitentemperatuur waar → geven dit door aan de controlecentra in de posteriore hypothalamus
2. De posteriore hypothalamus kan anticiperen op het feit dat het buiten koud is → de lichaamstemperatuur daalt
   • Er treedt onmiddellijk vasoconstrictie (bloedvatvernauwing) op
   • Men is geneigd om een dikke jas aan te trekken

→ Het lichaam anticipeert op signalen uit de omgeving.

Overzicht terugkoppeling in het menselijk lichaam

Overal in het menselijk lichaam vindt dus terugkoppeling plaats: