Hoe werkt de interne regulatie van temperatuur, dorst en honger? - Chapter 9

Hoe werkt regulatie van temperatuur?

Gedragingen voor het reguleren van de lichaamstemperatuur zijn bijvoorbeeld het op één poot staan van sommige vogels bij koud weer en het dicht tegen elkaar aan kruipen van hagedissen bij een temperatuurdaling in de omgeving.

Homeostase en allostase

Homeostase is temperatuurregulatie en andere biologische processen waardoor variabelen van het lichaam constant blijven, vergelijkbaar aan een thermostaat in huis. Het lichaam wil één bepaalde waarde constant houden; de ‘set point’. Processen die de afwijking van de set point verminderen worden negatieve feedback genoemd. Veel gemotiveerd gedrag valt onder negatieve feedback. Allostase is de manier waarop het lichaam zijn set points aanpast afhankelijk van de situatie.

Het controleren van de lichaamstemperatuur

De meeste energie van het lichaam wordt besteed aan basaal metabolisme; de energie om een constante lichaamstemperatuur te behouden in rusttoestand. Dit kost twee keer zoveel energie als het uitvoeren van alle andere activiteiten samen. Ectothermische dieren zijn dieren waarbij de lichaamstemperatuur overeenkomt met de temperatuur van de omgeving, zoals bij veel soorten vissen. Zij hebben dan ook geen fysiologische mechanismen zoals zweten om hun temperatuur te reguleren en zijn afhankelijk van bepaalde gedragingen. Zoogdieren en vogels zijn endothermisch. Manieren om het lichaam koel te houden is in het geval van mensen zweten en, in het geval van dieren die niet kunnen zweten, hijgen. Manieren om het lichaam warm te krijgen zijn rillen, vertraagde doorbloeding en voor andere zoogdieren afgezien van mensen, het uitzetten van de vacht. Tegenover deze fysiologische mechanismen staan gedragingen zoals een koude of warme plek opzoeken.

Overleven in extreme kou

Als de temperatuur van de buitenwereld daalt, kun je warm blijven door te rillen. Hierdoor wordt bloed van en naar je huid getransporteerd. Als de temperatuur te laag daalt, kun je bevriezen. Veel dieren vermijden dit risico door een beschutte en warme plek te vinden.

De voordelen van een constante hoge lichaamstemperatuur

Het is voordelig om een zo hoog mogelijke lichaamstemperatuur te hebben. Een warmer dier heeft warmere spieren en rent daarom ook sneller en is minder snel vermoeid. Echter, een hogere temperatuur dan die we nu hebben (37ºC) kost meer energie. Ook verbreken proteïnen bij een temperatuur van 40 ºC of 41 ºC hun verbindingen en verliezen hun nuttige eigenschappen.

Hersenmechanismen

De fysiologische veranderingen waardoor lichaamstemperatuur constant wordt gehouden, worden voor het grootste gedeelte aangezet door de anterieure hypothalamus en het pre-optisch gebied. Samen worden deze gebieden afgekort tot POA/AH. Deze gebieden zenden output naar de raphe nucleus in de achterhersenen, welke fysiologische mechanismen reguleert. Zodra de POA/AH wordt gestimuleerd met betrekking tot een bepaalde temperatuur reageert het lichaam hierop, ongeacht wat de temperatuur is in de omgeving.

Koorts

Koorts is de verdediging van het lichaam tegen een ziekte. Leukocyten laten kleine proteïnen vrij, cytokines genoemd, die de indringers (virussen) aanvallen. Ook stimuleren ze de vagus zenuw, welke signalen naar de hypothalamus uitzendt. Hierdoor worden meer prostaglandines uitgescheiden. Stimulatie van een bepaald soort prostaglandine receptor in een nucleus van de hypothalamus zorgt voor koorts. Koorts staat voor een verhoogd set point voor lichaamstemperatuur. Als je 39 graden koorts hebt, bibber je wanneer je temperatuur hier even van afwijkt. Koorts is aan de ene kant goed bij ziekte omdat sommige bacteriën minder hard groeien op hoge temperaturen en ook wordt de activiteit van het immuunsysteem verbeterd. Een te hoge koorts (boven 41 graden) is echter levensbedreigend.

Hoe werkt regulatie van dorst?

Ons lichaam bestaat voor 70% uit water.

Mechanismen van waterregulatie

Bij watertekort laat de posterieure hypofyse het hormoon vasopressine of ‘antidiuretic hormone’ (ADH) vrij die de bloeddruk verhoogt. Deze druk helpt te compenseren voor het verlaagde bloedvolume. Dit gebeurt ook tijdens slaap, wanneer je niet kunt drinken.

Osmotische dorst

Twee soorten dorst kunnen worden onderscheiden: osmotische dorst en hypovolemische dorst. Osmotische dorst wordt veroorzaakt door het eten van zoute dingen. Het verliezen van vloeistof door het bloeden of het zweten veroorzaakt hypovolemische dorst. Osmotische druk is de neiging van water om door een deels doorlatende membraan (alleen water, geen oplossingen) te stromen vanaf een gebied met weinig oplosbare concentraties naar een gebied met een hogere concentratie. Wanneer je iets zouts eet, verspreiden sodiumionen zich door het bloed en de extracellulaire vloeistof maar ze gaan de cel niet binnen. Hierdoor is er meer oplossing (inclusief sodium) buiten de cellen dan binnen. De osmotische druk die hierdoor is ontstaan, trekt water vanuit de cellen in de extracellulaire vloeistof. Bepaalde neuronen merken hun verlies van water op en triggeren hierdoor osmotische dorst, waardoor kan worden teruggegaan naar de normale staat. De nieren scheiden ook meer geëxtraheerde urine uit om overtollig sodium weg te krijgen en zoveel mogelijk water te behouden. Hersengebieden die osmotische druk opmerken zijn de organum vasculosum laminae terminalis (OVLT) en het sub-fornicale orgaan (SFO). Deze gebieden zijn afhankelijk van verschillende gebieden van de hypothalamus (zoals de paraventriculaire nucleus, PVN, die een invloed heeft op de snelheid waarmee vasopresine losgelaten wordt). Je weet dat je moet stoppen met drinken omdat het lichaam bijhoudt hoe vaak je slikt en de uitzetting van de maag en bovenste deel van de kleine darm monitort.

Hypovolemische dorst en sodium-specifieke honger

Wanneer je een grote hoeveelheid lichaamsvocht verliest door bloeden, diarree of zweten, reageert je lichaam met hormonen die de bloedvaten samentrekken (vasopressine en angiotensine II). Wanneer de hoeveelheid bloed daalt, laten de nieren het enzym renine los, waardoor angiotensine I gevormd wordt, welke andere enzymen omzet in angiotensine II waardoor nog meer bloedvaten kunnen samentrekken en dorst getriggerd wordt. Bij hypovolemische dorst (dorst gebaseerd op een laag volume) moet niet alleen de hoeveelheid water worden hersteld; maar ook de hoeveelheid zout. Sodium-specifieke honger is een sterke voorkeur voor zoute smaken, ontstaan door hypovolemische dorst. Dit komt vaak voor bij mensen die hebben gesport en vrouwen die menstrueren. Deze soort honger hangt dan ook af van hormonen. Wanneer de sodiumreserves laag zijn, produceert de bijnierschors aldosteron waardoor nieren, speekselklieren en zweet zout behouden. Samen met angiotensine II zorgt aldosteron voor een grote voorkeur voor zout.

Hoe werkt regulatie van honger?

Soorten verschillen in hun eetstrategieën. Sommige dieren eten bijvoorbeeld een hele grote maaltijd en hebben daarna maanden niets meer nodig; andere dieren eten alleen op het moment zelf wat ze nodig hebben. Het eten van mensen is opvallend, omdat we een relatief klein verteringssysteem hebben voor een dier van onze grootte.

Spijsvertering en voedselselectie

Spijsvertering begint in de mond, waar enzymen in het speeksel koolhydraten afbreken. In de maag wordt het voedsel vermengd met zuur en enzymen die proteïnen verteren. Na een tijd in de maag gaat het eten door naar de dunne darm. Hier worden proteïnen, vetten en koolhydraten verteert en verteerde materialen in de bloedstroom opgenomen. De dikke darm absorbeert water en mineralen en zet overige mineralen om in ontlasting.

Consumptie van melkproducten

Als jonge zoogdieren ouder worden, kunnen ze lactose vanuit de moedermelk niet meer verwerken omdat ze het enzym lactase verliezen, waardoor ze buikkrampen krijgen. Volwassen mensen daarentegen kunnen melk goed verdragen, in tegenstelling tot mensen in China en omliggende landen. De mensen uit die landen kunnen het enzym lactose niet goed verteren. Mensen die lactose-intolerant zijn, kunnen kleine hoeveelheden melk consumeren en wat grotere hoeveelheden kaas en yoghurt, omdat deze makkelijker te verteren zijn. Ze leren echter om hun inname te limiteren.

Voedselselectie en gedrag

Sommige mensen geloven dat het voedsel wat je eet, invloed kan hebben op het gedrag wat je vertoont. De aanname dat suiker hyperactiviteit veroorzaakt, is vooralsnog niet bevestigd en mogelijk enkel gebaseerd op bepaalde verwachtingen. Een toename van tryptofaan helpt het brein om melatonine aan te maken, waardoor slaperigheid wordt verhoogd. Om tryptofaan te verhogen kunnen pillen worden genomen maar ook veel voedsel worden gegeten waarin koolhydraten zitten. Een aanname die lange tijd niet waar leek te zijn, maar nu toch wel bewezen is; is dat vis oliën bevat die goed zijn voor het functioneren van de hersenen.

Korte- en lange termijn regulatie van voeden

Orale factoren

Informatie voor de hersenen om te eten komt onder andere van orale factoren. Door onderzoek is gebleken dat het geen voldoening geeft om iets te eten zonder het daadwerkelijk te proeven. Smaak draagt bij aan verzadiging, maar is niet voldoende. Uit de ‘sham-feeding’ experimenten bleek dit heel erg duidelijk.

De maag en darmen

Normaal gesproken is het voornaamste signaal om te stoppen met eten de uitzetting van de maag. Boodschappen worden vanuit de maag aan het brein doorgegeven via de vagus zenuw (informatie over het uitzetten van de maagwand). Maaltijden kunnen ook eindigen na uitzetting van de twaalfvingerige darm. Vet in deze darm laat een hormoon vrij, oleoylethanolamide (OEA) genoemd, welke de vagus zenuw stimuleert en een bericht naar de hypothalamus zendt en de volgende maaltijd vertraagt. Het duodenum is een deel van de dunne darm die aansluit op de maag. Hieruit wordt informatie verkregen over de soort en hoeveelheid benodigde voeding.  Cholecystokinine (CCK) wordt vrijgelaten door voedsel in de twaalfvingerige darm. CCK stopt de grootte van de maaltijd door enerzijds de sluitspier tussen de maag en de twaalfvingerige darm samen te trekken waardoor de maag zijn inhoud behoudt en sneller vult; en anderzijds door de vagus zenuw te stimuleren om signalen naar de hypothalamus te zenden waardoor cellen daar een neurotransmitter vrijlaten die een korte versie van het CCK-molecuul is.

Glucose, insuline en glucagon

Glucose in het bloed is niet voor alle cellen in gelijke mate beschikbaar. Twee hormonen reguleren de stroom van glucose:

• Insuline stelt glucose in staat om de cellen binnen te gaan. Wanneer insuline hoog is, gaat glucose makkelijk de cel binnen. Wanneer iemand zich klaarmaakt voor een maaltijd, gaan insulineniveaus omhoog en laten een deel van de glucose in het bloed de cellen binnengaan ter voorbereiding op de stroom van extra glucose door het eten. Hoge niveaus van insuline verminderen de eetlust. Als het insulineniveau constant hoog is, blijft het lichaam lang na de maaltijd nog bloedglucose de cellen in sturen, ook de levercellen en vetcellen in. Gevolg hiervan is een daling van de bloedglucose en toenemende honger, ondanks het hoge insulineniveau.
• Glucagon stimuleert de lever om een deel van zijn opgeslagen glycogeen om te zetten in glucose waardoor kleine hoeveelheden in het bloed aangevuld worden.

Leptine

Als mensen hebben wij nog steeds een drift onze reserves te verhogen in voorbereiding op de winter. Leptine is een substantie die enkel bij gewervelden voorkomt en wordt geproduceerd door de vetcellen. Door leptine worden vetvoorraden gecontroleerd. Als je leptineniveaus hoog zijn, handel je alsof je genoeg voeding hebt. Je eet minder en wordt actiever. Dunnere mensen komen later in de puberteit. Mensen met overgewicht zijn minder gevoelig voor leptine.

Hersenmechanismen

Er zijn verschillende delen in de hersenen die beslissen wanneer je moet eten en hoeveel. Honger hangt af van de inhoud van je maag en darmen, de beschikbaarheid van glucose naar de cellen, de vetvoorzieningen van je lichaam, je gezondheid, en je lichaamstemperatuur.

De arcuate nucleus en paraventriculaire hypothalamus

Hersendelen die betrokken zijn bij eetlust zijn twee cellen in de arcuate nucleus van de hypothalamus; één set neuronen gevoelig voor hongersignalen en één set neuronen gevoelig voor verzadigingssignalen. De hongergevoelige cellen ontvangen input vanuit het smaakpad: goed smakend eten stimuleert honger. Andere input naar de hongergevoelige cellen komt vanaf axonen die de neurotransmitter ghrelin vrijlaten. Ghrelin, het hongerhormoon, wordt vrijgelaten tijdens een periode van voedselonthouding, waar het samentrekkingen van de maag veroorzaakt. Bovendien werkt ghrelin op de hypothalamus om eetlust te verminderen en op de hippocampus om leren te bevorderen. Signalen van zowel korte als lange termijn verzadiging zenden input naar de verzadigingsgevoelige cellen. Samentrekking van de ingewanden veroorzaakt neuronen om CCK, een korte termijn signaal, vrij te laten. Glucose in het bloed stimuleert de verzadigingscellen direct, waardoor meer insuline vrijkomt en de verzadigingscellen ook worden gestimuleerd. Lichaamsvetten zorgen voor leptine, wat nog meer input genereert. De meeste output van de arcuate nucleus gaat naar de PVN van de hypothalamus. De PVN inhibeert de laterale hypothalamus, een gebied belangrijk voor eten. De PVN is dus belangrijk voor verzadiging. Axonen vanaf de verzadigingsgevoelige cellen van de arcuate nucleus bezorgen een excitatoire boodschap aan de PVN, waardoor een melanocortine (een chemische stof) wordt vrijgelaten. Melanocortine-receptoren in de PVN zijn belangrijk voor het stoppen van de voedselinname, tekorten van deze receptor leiden tot overeten. Input vanaf de hongersensitieve neuronen van de arcuate nucleus is inhibitoir voor de PVN en de verzadigingsgevoelige cellen, De inhibitoire transmitters zijn een combinatie van GABA, neuropeptide Y en agouti-gerelateerde peptide en blokkeren de verzadigingsacties van de PVN, waardoor extreem overeten kan ontstaan. Nog een pad leidt naar cellen in de laterale hypothalamus die orexine, of hypocretine, vrijlaten. Orexine verhoogt de volharding van een dier om eten te zoeken en het reageert op prikkels en beloning. Wanneer orexine-receptoren geblokkeerd worden, wordt een dier minder actief en zal het minder werken voor een beloning. Insuline en dieetpillen hebben hun werking door de input naar de melanocortine receptoren te veranderen.

De laterale hypothalamus

Output van de PVN werkt op de laterale hypothalamus, welke onder andere insuline uitscheiding controleert en smaakresponsiviteit aanpast. Stimulatie van dit hersendeel doet de drift om te eten toenemen. De laterale hypothalamus draagt bij aan voeden op verschillende manieren:

• De laterale hypothalamus zorgt ervoor dat de hypofyse meer hormonen uit gaat scheiden die de vrijlating van insuline doen
• Axonen van de laterale hypothalamus lopen door in verschillende delen van de cerebrale cortex, waardoor slikken wordt bevorderd en corticale cellen hun vermogen om eten te proeven, te ruiken of te zien
• De laterale hypothalamus zendt axonen naar het ruggenmerg, waardoor autonomische reacties zoals verteringstelsels, worden
• Axonen van de laterale hypothalamus naar de NTS (deel van het smaakpad) passen de smaaksensatie en de speekselreactie aan aan de smaken. Wanneer de laterale hypothalamus honger detecteert, zendt het boodschappen uit om het voedsel beter te laten smaken.

Mediale gebieden van de hypothalamus

Output van de ventromediale hypothalamus (VMH) remt voeden. Sommige mensen met een tumor in dit gebied komen meer dan 10 kilo aan per maand. Om zo’n groot effect te produceren, moet de laesie doorlopen tot buiten de ventromediale nucleus om dichtbijgelegen axonen binnen te dringen.

Eetstoornissen

Er wordt veel onderzoek gedaan naar waarom bepaalde mensen overgewicht krijgen en andere niet. Vroeger was men bezorgd om niet genoeg eten binnen te krijgen, maar in de moderne tijd is men meer bezorgd om overgewicht te hebben. Onderzoekers vragen zich af hoe het kan dat twee personen die toegang hebben tot evenveel eten, toch van elkaar verschillen wat gewicht betreft. Eén reden is omgevingsinvloed: blootstelling aan veel vet voedsel voor de geboorte is een voorbode voor kinderen met een toegenomen eetlust en lichaamsgewicht. Ook dacht men dat obesitas samenhing met psychologische stress. Vaak zie je in films (of ken je het van jezelf) dat mensen die verdrietig zijn, zoete dingen gaan eten. Echter, volgens onderzoek blijkt stemming een zwakker relatie te hebben met gewichtstoename.

Genetica en lichaamsgewicht

Het is je vast opgevallen dat dikke ouders vaak ook dikke kinderen hebben en dunne ouders dunne kinderen. Een onderzoek met geadopteerde kinderen liet zien dat het gewicht van geadopteerde kinderen meer correlatie vertoonde met het gewicht van de biologische ouders, dan met het gewicht van de adoptieouders. Die resultaat wordt vaak als bewijs genomen voor genetische invloed, maar het kan ook als bewijs voor de prenatale omgeving gelden. Er wordt tevens een grote invloed gevonden van genetische invloeden op lichaamsgewicht, en er zijn drie soorten overgewicht die genetisch bepaald zijn:

• Syndroom overgewicht. Dit overgewicht is het resultaat van een ziekte die door een gen genetisch is overgedragen.
• Monogenetisch overgewicht. Dit overgewicht ontstaat als een enkele gen leidt tot overgewicht, zonder andere fysieke of mentale afwijkingen.
• Polygenetisch of normaal overgewicht. Dit type overgewicht is gerelateerd aan veel verschillende soorten genen.

De effecten van al deze betrokken genen hangen erg af van de omgeving.

Afvaltechnieken

Veel behandelingen om gewicht kwijt te raken vragen een verandering van levensstijl; meer bewegen en minder eten. Als dit niet helpt zijn er dieetpillen, echter met veel voorkomende bijwerkingen en soms zelfs medische complicaties. Een laatste mogelijkheid is een operatie waarbij een deel van de maag wordt verwijderd. Vanwege complicaties is dit enkel een mogelijkheid in zware gevallen van overgewicht.

Boulimia nervosa

Bij boulimia nervosa worden eetbuien afgewisseld met streng diëten en bij de meeste mensen overgeven. Boulimia komt de laatste paar jaar vaker voor. Mensen met boulimia hebben onder andere een toegenomen productie van ghrelin (geassocieerd met een hogere eetlust), wat eerder een resultaat dan een oorzaak is. Boulimische cycli van diëten en eetbuien kunnen als een verslaving worden gezien. Het eten van lekker eten activeert dezelfde hersengebieden als verslavende drugs (zoals de nucleus accumbens). Drugsverslaafden die niet aan drugs kunnen komen, gaan soms te veel eten en mensen die te weinig eten hebben, hebben meer kans om drugs te gaan gebruiken dan mensen die voldoende eten hebben.

Anorexia nervosa

Anorexia nervosa wordt gekenmerkt door het weigeren van eten om een gezond lichaamsgewicht te behouden. In sommige gevallen kan dit levensbedreigend zijn. Onderzoeken naar de hersenfuncties van mensen met anorexia nervosa laten vooral oorzaken zien die veel waarschijnlijker juist een gevolg zijn van de stoornis. Een andere visie op deze stoornis is dat het probleem juist begint bij het gewichtsverlies zelf. Om dit probleem op te lossen, moeten mensen eerst hun angst voor eten en overgewicht kwijtraken.