College Psychobiologie #3 Thermo Water Voedsel 2015JG (2)

8/17/2019 College Psychobiologie #3 Thermo Water Voedsel 2015JG (2)

1/51

College Psychobiologie

Homeostase:Temperatuur, Drinken, Eten

12 Mei 2015

Fernando Lopes da Silva


2/51

1. Homeostasis, from the Greek words for:

"same” [Greek word hómoios =’alike’, “same] " + “stasis” [Greek word “standing still”, i.e. “state of stability”].

Homeostase: Het in een stabiel evenwicht zijn van het inwendige milieu, en van alle functies in het

lichaam (zoals temperatuur, zuurgraad, bloeddruk, ademhaling), en het vermogen van het lichaam

dit evenwicht te behouden met behulp van regelsystemen (feedback systemen).

Deze systemen zijn niet statisch; ze zijn dynamisch omdat deze systemen steeds in beweging zijn,

zich aanpassend aan de omstandigheden waarin het lichaam verkeert.

Twee basisbegrippen

2. “Feedback”: Is een regelsysteem Terugkoppeling of feedback is een proces waarbij de uitkomst

(output) van een bewerking (proces) wordt teruggekoppeld(feedback) aan de invoer.

Negatieve feedback (tegenkoppeling) heeft de eigenschap om de uitkomst (output) van het proces te

verminderen.

In de fysiologie kennen we veel hormonale regelsystemen met feedbacklussen. De vorming van

hypofysehormonen, b.v, wordt over het algemeen geremd door de hormonen die ze induceren.

---


3/51

10 Doelstellingen van de cursus - Formuleer gepast antwoorden op de

volgende vragen:

1. Wat zijn de kern elementen van een homeostatische systeem?

2. Welke effectoren worden geactiveerd in reactie op een te koud of te

warme omgeving?

3. Waarom voel je dorst als je zout gegeten hebt?

4. Welke factoren kunnen het “setpoint” of ingestelde waarde van de

temperatuur regelsysteem beïnvloeden?5. Hoe kan worden aangetoond dat het lichaamsgewicht is

onderworpen aan homeostatische controle?

6. Hoe kan worden bewezen dat Leptin een belangrijk stuursignaal is

van eetlust?

7. Er bestaan verschillende factoren, o.a. genetische factoren, die

obesitas kunnen veroorzaken; kunt u twee van deze noemen ?

8. Hoe verschillen de effecten van Leptin en Ghrelin van elkaar ?

9. Hoe kan worden aangetoond dat "sociale" signalen eetgedrag

kunnen beïnvloeden?

10. Wanneer kan men zeggen dat iemand vetzucht (obesitas) heeft?

College Homeostase:Temperatuur,Drinken, Eten


4/51

VRAGEN die in de college worden behandeld

• Hoe wordt de lichaamstemperatuur geregeld?

• Waarom krijg je dorst als je zout gegeten hebt?

• Hoe wordt eetlust geregeld?


5/51

Hoe wordt de lichaamstemperatuur geregeld?


6/51

Figure 13.1 Negative Feedback

Hoe regelt men zijn eigen

lichaamstemperatuur?

Endotherme

dieren;

Ectotherme of

Koudbloedige

dieren;

Voorbeeld van hetregelsysteem van

Thermoregulatie


7/51

Thermoregulatie in endotherme dieren: feedback model

.

Thermoregulatie in endotherme dieren:

Model gebaseerd op het principe van negatieve feedback

Uit Greger and

Windhorst (Eds)

Comprehensive

Human Physiology,

Vol 2, Springer,

1996. p. 2210

SET-POINT:Koorts (Pyrogeen)

Lichamelijke inspanning

Slaap

Oestrus cyclus


8/51

Perifere warmte en koude receptoren

Uit Greger and Windhorst (Eds) ComprehensiveHuman Physiology, Vol 2, Springer, 1996. p. 2208.

Huid thermoreceptoren:

(A) Reacties van warmte (W) en

koude (C)-receptoren

(veranderingen van vuur

frekwentie van

actiepotentialen) tgv een

verhoging van de

temperatuur (T1 T2).

(B)

-Statische Impuls frequentie van

W en C receptoren als functie

van de temperatuur.

- Dynamische reacties van W enC receptoren op een

temperatuurverhoging (T1

T2).

Sensoren voor Warm en Koud


9/51

Figure 13.3 Thermoregulation in Humans

Thermoregulatie:

Fysiologische regelsystemen

Verdamping

door de

ademhaling

Vaatverwijding:

Geleiding

(conductie)

Verhoogde

stofwisseling

Warmteproductie Warmteafgifte

Vaatvernauwing

Geleiding

“rillen

thermogenese’

Verdamping

door de huid:

zweet

productie

Verhoogde

verbranding

van vetzuren

S-NA

S-NA

S-Ach


10/51

HypothalamusMedian Pre-Optic Nucleus

Medial Pre-Optic Area

Dorso-Medial Hypothalamus

Rostral Raphe Pallidus Nucleus

Nakamura and Morrison, Central efferent pathways for cold-defensive and febrile shivering. J. Physiol. 2011

Rillen thermogenese

Thermoregulatory

warm afferent

PGE2 –

Prostaglandin E2

Infectie met bv

bacteriëen:

Cytokines

uit immuuncellen;

Prostaglandin

PGE2


11/51

HypothalamusMedian Pre-Optic Nucleus

Medial Pre-Optic Area

Dorso-Medial Hypothalamus

Rostral Raphe Pallidus Nucleus

Nakamura and Morrison, Central efferent pathways for cold-defensive and febrile shivering. J. Physiol. 2011


12/51

Figure 13.7 Basic Elements of Mammalian Thermoregulatory Systems


13/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?


obesitas kunnen veroorzaken; kunt u twee van deze noemen ?8. Hoe verschillen de effecten van Leptin en Ghrelin van elkaar ?






14/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?








15/51

Waarom krijg je dorst als je zout gegeten hebt?


16/51

Table 13.1 Average Daily Water Balance

Osmoregulatie staat ten dienste van de water balans

A h d i f i O l i


17/51

Achtergrond informatie tav Osmoregulatie

Osmotische druk – is afhankelijk van het aantal deeltjes in oplossing: P = RTC

C – molaire concentratie van de opgeloste stof; R = gasconstante; T – absolute temperatuur;

Osmolaliteit – de hoeveelheid opgeloste stof per Kg.

Osmolar iteit – idem maar per Liter.

Osmolaliteit wordt empirisch bepaald door het meten van de vriespuntdaling Δ van het betreffende

medium.

Bv: normaal zeewater met een saliniteit van 34 % heeft een Δ van 1.86 ºC; dit komt overeen met een

osmolaliteit van 1 osmol (=1000 milliOsmol).

W k ij j d t l j t t h bt?


18/51

Waarom krijg je dorst als je zout gegeten hebt?

Op het moment dat je zout eet, komen er meer zouten in je bloed en verandert de

osmolariteit.

Bepaalde osmolariteit-sensoren in je lichaam geven dan een seintje aan je hersenen dat ie

het dorstsignaal moet afgeven.Hierdoor krijg jij een droge keel en ga je drinken.

Doordat je gaat drinken verdun je als het ware het zout en wordt de osmolariteit weer

normaal.

Dieren hebben het vermogen ontwikkeld

om de samenstelling van hun

lichaamsvloeistoffen binnen nauwe

grenzen te houden, zelfs als de

uitwendige milieu sterke fluctuaties

vertoont.

Dwz dat het watergehalte van hun

lichaamsvloeistoffen en de concentraties

van de daarin opgeloste osmotische

actieve stoffen constant gehouden

moeten worden;

Dit is het regelproces van de

Osmoregulatie.

Dit betekent dat het interne milieu tijdens de

Evolutie een hoge mate van stabiliteit heeft

verworven. Het interne milieu vertoont een grote

gelijkenis met zeewater.

Bourque., C. Nature Neuroscience Revs. 2008

H t l d i i ti f db k tb d O l ti


19/51

Homeostase volgens de principe van negatieve feedback tbv de Osmoregulatie

Bourque, C. Central mechanisms of osmosensation and systemic osmoregulation. Nature Neuroscience Revs, 2008.

ADH = Anti-diuretisch

hormoon

nierfunctie

?

O t d ti i h i l


20/51

Osmosensory transduction is a mechanical process

Whole-cell voltage recording from an acutely isolated rat Magnocellular Neurosecretory Cell (MNC) in

rodent Supra-Optic Nucleus (SON) ;

Hyper- osmolality causes Depolarization and increased action potential firing;

Hypo-osmolality causes Hyperpolarization and reduced firing.

Osmosensory transduction is a mechanical

process: MNCs behave as Osmometers

What is the osmosensory transducer in the membrane of MNCs? The discovery that the gene osm-9 is

mutated in C. elegans and encodes for “Transient Receptor Potential channels –TRP channels “ make

these likely transducer candidates; these have a non-selective cation conductance.

I f C b l O t ti it


21/51

Images of Cerebral Osmoreceptor activity

Cerebral Osmosensors are excited by Hypertonicity.

MRI images in the Horizontal and Sagittal planes showing areas

with increased BOLD signals under condition in which thirst

was stimulated by an infusion of Hypertonic saline

ACC – anterior cingulate cortex;OLVT – organum vasculosum lamina terminalis Bourque C. Nature Neuroscience 2008

The discrepancy

between the

attenuation of

thirst sensation

accompanies the

change of BOLD

signal in ACC.

The BOLD signal in

the OLVT, however,

remains high as the

plasma osmolality isalso still high.

Where in the brain

are thirst and salt

appetite perceived

at the consciouslevel?

ACC OLVT

Fysiologische systemen van Osmoregulatie


22/51

Fysiologische systemen van Osmoregulatie

Nervus Vagus

- OVLT

Where are Osmoreceptors situated inside

the Brain:OVLT= Organ Vasculosum laminae terminalis

SFO – Sub-fornical organ;

SON – Supra-optic nucleus;

PVN –Paraventricular nucleus

(magnodellular neurosecretory cells (MNCs)MnPO –Median pre-optic nucleus

Posterior Pituitary or

NeuroHypophysis

Vasopressin of ADH =

anti-diurectic hormone

Renin

Angiotensin Where are

Osmoreceptors

situated outside

the Brain?

Achtergrond

informatie

Anterior

Cingulate Cortex

C ll H t


23/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?








24/51

Hoe wordt eetlust geregeld?

Signals that influence food intake


25/51


a) Homeostase – energie balans: honger

en verzadiging;

b) Hedonistische of genotzuchtige

signalen;

c) Affective of emotieve

signalen;

d) “Cues”- voedsel signalen;

Alexander W. Johnson. Eating beyond metabolic need: how environmental cues influence feeding behavior. Trends inNeurosciences 2013



26/51


a) Homeostase – energie balans

Alexander W. Johnson. Eating beyond metabolic need: how environmental cues influence feeding behavior. Trends inNeurosciences 2013

INPUT:

Food Calories

OUTPUT:

Exercise,

Basal Metabolism,

Thermogenesis,

Fat Biosynthesis.

Box 13 2 Body Fat Stores Are Tightly Regulated Even after Surgical Removal of Fat


27/51

Box 13.2 Body Fat Stores Are Tightly Regulated, Even after Surgical Removal of Fat

Ground squirrels display tightly controlled cyclic variations of body weight

with the seasons of the year even if they have access to same food all the

time, increasing weight in the Spring.

Surgical removal of fat has only a temporary effect.

This is a demonstration that body weight is subject to homeostatic control.

Which area(s) in the brain are responsible for this homeostatic control?

Figure 13 20 Changes in Body Weight after Hypothalamic Lesions:


28/51

Figure 13.20 Changes in Body Weight after Hypothalamic Lesions:

De Hypothalamus speelt een belangrijke rol in de homeostase van de energetische behoeften;

LH – “hongercentrum” (“orexinergic, bevat Orexin/Hypocretin: van het Grieks “oregein” = verlangen);

stimulatie: veroorzaakt overmatige voedselopname: hyperfagie en vetzucht - obesitas;

VMH en PVH of PVN (Paraventricular Hypothalamus of Paraventricular Nucleus) – “verzadiginscentrum”(“anorexinergic”); stimulatie: veroorzaakt remming van eetgedrag.

Homeostase van energetische behoeften – Set-Point

Klassiek beeld van het regelsysteem van voedselopname – de rol van

de Hypothalamus

College Homeostase:T t D i k Et


29/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?









30/51


a) Homeostase – honger en verzadiging;

Alexander W. Johnson.Eating beyond metabolic need: how environmental cues influence feeding behavior. Trends inNeurosciences 2013

Which are thesesignals that

make the

control of

Hunger and

Satiety

possible?

Figure 13 23 Integration of Appetite Signals in the Hypothalamus (Part 1)


31/51

Figure 13.23 Integration of Appetite Signals in the Hypothalamus (Part 1)

Leptin [leptos=thin] – produced by

fat cells: decreases feeding

behaviour;Lack of Leptin causes an

underreporting of body fat, leading

to overeating – obesity.

Insulin – produced in pancreassignals the state of glycemia;

Ghrelin – produced by endocrine

cells in stomach and is appetite

stimulator.

PYY3-36 – peptide secreted by the

gut, suppressing appetite.

Signals from:

- Fat cells;

- Stomach,- Gut,

- Pancreas

Figure 13.22 Inherited Obesity


32/51

Figure 13.22 Inherited Obesity

Leptin [thin] – produced by fat cells and decreases feedingbehaviour;

The production of Leptin by fat cells is affected by the gene Obese

[ob/ob] that leads to elevation of the set point of the appetiteregulating system; the ob/ob mice have defective genes for Leptin.

.


33/51

Farooqi IS

Genetic, molecular, and physiological

insights into human obesity.

Eur. J.Clin. Investigation 2011.

Leptin signaling modulates

energy balance through a

combination of Melanocortin-

dependent POMC

[ProOpioMelanoCortin]

and independent pathways.

Point-mutations in POMC

and in α- and β - MSH-

Melanocyte- Stimulating-Hormone increase the

obesity risk

Under normal conditions

POMC and MSH are

appetite suppressors.

College Homeostase:Temperatuur Drinken Eten


34/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?








35/51

POMC-Pro-opiomelanocortin;

> Appetite suppressing

AgRP – Agouti-related

peptide;

> Appetite increasing

A

Satiety

+++

-stimulating

hormone

The effect of Ghrelin on food

intake needs an intact

EndoCannabinoid pathway

(CB1 receptors)

PVH-VMH

Anorexinergic

LH -

Orexinergic

Simplified Control System

balance between

Appetite & Appetite

Targets of Leptin & Ghrelin & PYY

Arcuate Nucleus of Hypothalamus

Two Populations of Neurons

NB:

CORRECTIES

OP FIG 13.23(Part 2)!

Pro-opiomelanocortin (POMC) is a precursor


36/51

( )

polypeptide with 241 amino acid residues.

POMC is cleaved to give rise to multiple peptide

hormones in response to appropriate stimulation:

- α-MSH produced by neurons in the arcuate nucleus

has important roles in the regulation of appetite and

sexual behavior;

- and also:

- ACTH, β-Endorphin and [Met]enkephalin areendogenous opioid peptides with widespread actions

in the brain.

Agouti-related protein or Agouti-related

peptide (AgRP)

Is a neuropeptide produced in the brain by the

AgRP/NPY neuron.

It is synthesised in NPY-containing cell bodies located

in the ventromedial part of the arcuate nucleus in thehypothalamus.

AgRP works by increasing appetite and decreasing

metabolism and energy expenditure. It is one of the

most potent and long-lasting of appetite stimulators.

Agouti protein was named after the South-American rodent Agouti

because it produces coat color similar to this rodent. In mice, agouti

protein is transiently synthesized in the skin to give different coat colors

during development. Certain mice however possess a mutation in the

Agouti gene inducing a prolonged and ectopic expression of agouti

including in the brain. These animals develop obesity and diabetes by

blocking melanocortin 4 receptors (Mc4r).

Millington, GWM, The role of POMC in feeding behavior. Nutrition & Metabolism 2007


37/51

Melanocortin receptors:Members of the rhodopsin

family of 7-transmembrane G

protein-coupled receptors.There are five known members of themelanocortin receptor system each with

differing specificities for melanocortins:

MC4R - Defects in MC4R are

a cause of autosomal

dominant obesity, accounting

for 6% of all cases of early-onset obesity.

---These receptors are:

inhibited by endogenous

Agouti-related peptide, and

---- activated by endogenousagonist melanocyte-

stimulating hormones (MSH).

- Mutation of Melanocortin

Receptor (MC4R) = Obesity

Fani et al the melanocortin-4 receptor as a target for obesity treatment. Int J. Obesity 2013

Energy utilization

Effect of POMC stimulation, for example by Leptin


38/51

Nasrallah, C. M. & Horvath, T. L. Nat. Rev. Endocrinol. 10, 650–658 (2014)

PVH or PVN –

Paraventricular

Hypothalamic

Nucleus

ARC – Arcuate

Nucleus

_ +

orexinergic Anorexinergic

Stopmet

ETEN!

gene


39/51

Krashes MJ et al . An excitatory PCN to AgRP neuron circuitthat drives hunger. Nature 2014

Optogenetics is een techniek die gebruik maakt van verschillende lichtgevoelige eiwitten; b.v..

Channelrhodopsin2 (ChR2) werkt als ionkanaal [opens Na+ kanalen] in een neuronal membraan dat open

gaat zodra er blauw licht op schijnt.

Using a virus containing [ChannelRhodopsin] & a promotor specific to AgRP

containing neurons in mice, only this neuronal population will express ChR2.

In this way and making use of Cre-recombinase it was demonstrated that AgRP

neurons are monosynaptically connected with a subset (containing “single-minded

gene involved in Drosophila nervous system development) of PVH neurons (satiety

promoting-neurons or anorexigenic neurons) and this GABAergic inhibitory

connection drives feeding (blocked by PTX).



40/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?







In the Control system of appetite and feeding we have to distinguish


41/51

In the Control system of appetite and feeding we have to distinguish

factors that work at different time scales: short- term and long-term

regulators

Short-term

regulation:

Ghrelin – control

of the amount of

food ingested

during a meal,

preventing

overeating;

Long-term

regulation:

Leptin –

Control of the

energy stores

and fat tissue inthe body.

Konturek et al. Neuro-hormonal control of food intake; basic mechanisms and clinical implications.J. PhysiolPharmacol. 2005.

S th i f f di t l t


42/51

Konturek, et al J Physiol Pharmacol 2005

Synthesis of feeding control systems

Ghrelin increases under

fasting conditions,

decreases with a meal,

and increases again after

gastric emptying.

Small doses of Alcohol

increase gastrinproduction.

Leptin and Ghrelin

counteract the release in

the plasma of each

other: “Ghrelin-Leptin

tango”.

Post-prandial satiety

depends on several

signaling molecules

released in gastro-intestinal tract and also

in the Hypothalamic

ARC to inhibit food

intake via activation of

vagal receptors that

stimulate the neuronal

populations responsible

for “satiety”.

VMH or PVH



43/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?









44/51

a) Homeostase – energie balans: honger

en verzadiging;

b) Hedonistische of genotzuchtige

signalen;

c) Affective of emotieve

signalen;

d) “Cues”- voedsel signalen;

Alexander W. Johnson.Eating beyond metabolic need: how environmental cues influence feeding behavior. Trends inNeurosciences 2013

Effect of conditioning on appetite


45/51

Demonstration of “social” signals

on feeding behaviour:

Training:

Rodents are food-deprived andconditioned to get sucrose

reward only after a conditioned

“tone” (CS+) but don’t get it after

a “noise” (CS-) stimulus;

Test:The animals are fed until

saturation; afterwards they are

put again in the chamber with

sucrose ad libitum;

They react, although being

saturated, to the CS+ aspreviously leading to overeating

and obesity.

Alexander W. Johnson. Eating beyond metabolic need:

how environmental cues influence feeding behavior.Trends in Neurosciences 2013



46/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?







Table 13.3 Body Mass Index (BMI) and the problem of OBESITY


47/51

Hoe betrouwbaar is de BMI index als

een indicator van lichaam vetheid?

De correlatie tussen de BMI waarde

en lichaamsvet is vrij sterk;echter de correlatie is afhankelijk van

geslacht, ras en leeftijd.

De betrouwbaarheid is afhankelijk

voornamelijk van de volgende 3

factoren:

1. Vrouwen hebben meer

lichaamsvet dan mannen.

2. Oudere mensen hebben

gemiddeld meer lichaamsvet dan

jongere volwassenen.

3. Goed getrainde atleten kunnen

een hoge BMI index hebben

vanwege een toename

spiermassa in plaats van vet.


48/51

Given how common – and how dangerous

– obesity is, it's amazing how little is

known about the science underlying this

condition.

Why do some people seem predisposed

to weight gain?

Devising an effective strategy to combat

the obesity epidemic will require the

integration of insights from neuroscience,genetics and the behavioral sciences.

NRC.nl --- 6 mei 2015.

World Health Organization (WHO): in

2030 is er een obesitas-epidemie,

maar niet in Nederland.

Europa krijgt in 2030 te maken met een

epidemie van obesitas, zo

waarschuwde de

Wereldgezondheidsorganisatie (WHO)

vandaag op een Europees congres

over obesitas in Praag.



49/51


volgende vragen:



warme omgeving?






van eetlust?







Eating disorders: Anorexia Nervosa, Bulimia, binge eating


50/51

Anorexia nervosa is characterized by exaggerated food restriction, fear of

being fat, a deficient body self-perception.

– The incidence [ the number of new cases in a given period, usually 100.000

population per year] of anorexia nervosa is 8 cases per 100,000 populationper year . The incidence of anorexia nervosa increased over the past century,

until the 1970s.

Bulimia is characterized by frequent episodes of excessive (binge) eating,

followed by anxious efforts to throw food, mainly by vomiting, taking

laxatives, and/or excessive exercise, because of an extensive concern for

getting fat.

-The prevalence rates [prevalence is the total number of cases in the

population] for bulimia nervosa were 1% and 0.1% for young women and

young men, respectively. and the incidence of bulimia nervosa is 12 cases

per 100,000 population per year.

Binge eating is characterized by episodes of excessive uncontrollable eatingwithout subsequent purging; in some cases is seen as the "night eating

syndrome” and may lead to obesity.

- The estimated prevalence of binge eating disorder is at least 1%.

Hoek, HW; van Hoeken, D. Review of the prevalence and incidence of eating disorders. INT. J.

EATING DISORDERS, 2003.

Aanbevolen Literatuur:


51/51

Algemeen: Handboek-

Breedlove, S. Marc and Watson, Neil V., Biological Psychobiology. An Introduction to

Behavioral, Cognitive and Clinical Neuroscience. 7th Edition; Sinauer Ass, Inc.

Publishers, Sunderland, Massachusetts, 2013.Chapter 13: Homeostasis: active regulation of the internal environment.

Geselecteerde artikelen:

Makkelijk:

Rodolfo, Kelvin. What is Homeostasis?. Scientific American. Jan 3, 2000.

Bourque., C. Central mechanisms of osmosensation and systemic osmoregulation.

Nature Neuroscience Reviews. 2008; 9: 519 – 531.

Johnson. Alexander W. Eating beyond metabolic need: how environmental cues

influence feeding behavior . Trends in Neurosciences 2013; 36(2): 101 -.109.

Saper, Chou, Elmquist, The need to feed: Homeostatic and Hedonic control of eating.Neuron 2002

Dietrich and Horvath, Hypothalamic control of energy balance. Trends in Neurosciences,

2014

Moeilijk:

Documents

College Psychobiologie #3 Thermo Water Voedsel 2015JG (2)