Согласно основным положениям теории систем, на которой основано описание механизмов терморегуляции, должны существовать элементы, «перерабатывающие» температурную информацию от рецепторов и преобразующие эти входные сигналы в выходные эффекторные сигналы.
Переработка информации в гипоталамусе. Имеется много экспериментальных данных в пользу того, что гипоталамус ― особенно задняя гипоталамическая область, не обладающая сколько-нибудь заметной термочувствительностью служит интегративным центром терморегуляции. Об этом свидетельствуют и электрофизиологические данные. Например, в задней гипоталамической области имеются нейроны, активность (частота разрядов) которых изменяется под влиянием локального термического раздражения преоптической области или шейно-грудного отдела спинного мозга. На границе между передним и задним гипоталамусом обнаружены нейроны, реагирующие на изменения температуры кожи в различных областях конечностей и туловища. Следовательно, задний гипоталамус характеризуется наличием термореагирующих клеток (т.е. клеток, отвечающих на изменения температуры в удаленных структурах, но нечувствительных к изменениям собственной температуры). Однако строгого пространственного разграничения рецептивной и интегрирующей функций не существует. Клетки преоптической области и переднего гипоталамуса, обнаруживающие термочувствительность, отвечают также на изменения температуры кожи, т.е. одновременно являются термореагирующими.
Термоафферентные пути. Предполагается, что сигналы от терморецепторов, локализованных в коже туловища, проводятся в ретикулярную формацию ответвлениями волокон спиноталамического тракта. Термические сигналы от кожи лица, возможно, достигают гипоталамуса через соответствующие проекции ― ядра тройничного нерва, хотя наличие такого пути пока не установлено. Термочувствительные структуры в спинном мозгу связаны с гипоталамусом восходящими трактами в области переднебоковых канатиков. Проведенные исследования показали, что некоторые из кожных афферентов образуют полисинаптический путь к гипоталамусу через две содержащие ядра области нижнего отдела ствола головного мозга (область, находящаяся под голубым пятном, и ядра шва).
Эфферентные пути. Одна из эфферентных связей ― это центральный путь импульсов, вызывающих дрожь, он начинается в заднем гипоталамусе и ведет в моторные ядра ретикулярной формации. Как показали исследования, выполненные на крысах, связи, обеспечивающие регуляцию сосудодвигательных реакций, идут через медиальный пучок переднего мозга. По-видимому, морфологическим субстратом термоинтегративных функций служит задняя часть гипоталамуса.
Наиболее четкие свидетельства участия гипоталамуса в терморегуляции были получены в классических экспериментах с перерезкой различных участков мозга. У кошки при перерезке ствола головного мозга в непосредственной близости от гипоталамуса в ростральном направлении терморегуляция нарушается, тогда как после перерезки кпереди от среднего мозга животные начинают реагировать на температурные раздражения как пойкилотермные. Если хирургическое вмешательство выполнено удачно и окружающая температура поддерживается на соответствующем уровне, то такие искусственно смоделированные пойкилотермные животные могут выживать в течение недель и месяцев.
У крыс некоторая способность к регуляции температуры тела и развитию лихорадочного состояния сохраняется даже после перерезки сразу за промежуточным мозгом. Нейронная основа терморегуляторных функций стала ясна, хотя и не в деталях, после обнаружения терморецепторных структур в среднем мозгу и синапсов термоафферентных волокон в нижнем отделе ствола головного мозга.
Реципрокная взаимосвязь между холодовыми и тепловыми афферентными путями. Наиболее важная отличительная особенность биологической терморегуляции по сравнению с известными простыми техническими системами ― это наличие двух видов рецепторов с различной локализацией; речь идет о холодовых и тепловых рецепторах, между которыми существуют антагонистические взаимоотношения. Более многочисленные и равномернее расположенные кожные холодовые рецепторы активируются, когда температура опускается дальше нижнего предела термонейтральной зоны; их активация вызывает процессы, предназначенные для защиты от холода.
Этим реакциям оказывают противодействие активируемые теплом внутренние терморецепторы, которые включаются при повышении температуры тела, наступающем вследствие чрезмерного действия механизмов защиты от холода либо при интенсивной физической нагрузке. Подобная цепь позволяет защитным механизмам очень быстро включаться в действие в случае понижения наружной температуры ― задолго до того, как начнет снижаться внутренняя температура тела и смогут среагировать внутренние терморецепторы.
В условиях теплового стресса, вызванного, например, усиленным термогенезом при интенсивной физической работе, внутренние тепловые рецепторы возбуждаются и запускают процессы, устраняющие излишки тепла (расширение сосудов, потоотделение). Этому эффекту противодействуют активируемые холодом кожные холодовые рецепторы. Кожные тепловые рецепторы не могут, очевидно, играть большую роль в инициации теплоотдачи при физической работе, так как возникающие в этом случае выделение и испарение пота вызывают охлаждение кожи до температуры ниже той, что соответствует термонейтральной зоне. Однако в случае нагревания извне выделение пота происходит за счет совместного действия кожных и внутренних тепловых рецепторов.
Нейронная модель центрального аппарата контроля. Согласно современным представлениям о функциональной организации гипоталамуса, нейронная основа интегративных терморегуляторных функций выглядит следующим образом. Существует три вида нейронных элементов:
1) эфферентные нейроны, располагающиеся в гипоталамусе; аксоны этих нейронов активируют периферические контролирующие элементы либо непосредственно, либо, что более вероятно, через цепочки интернейронов;
2) интернейроны (или вставочные нейроны) внутри гипоталамуса;
3) температурные афференты, часть из которых берет начало от кожных терморецепторов, а часть ― от внутренних рецепторов (например, от рецепторов преоптической области).
Холодовые рецепторы непосредственно активируют эффекторы, ответственные за термогенез; их ингибирующее влияние на эффекторы теплоотдачи опосредовано вставочными нейронами. Возбуждение распространяется от тепловых рецепторов по эфферентным волокнам к эффекторам теплоотдачи, одновременно (также при участии вставочных нейронов) оказывая тормозное влияние на эффекторы теплопродукции.
Переработка температурной информации. Между кожной температурой и внутренней температурой тела при обычно встречающихся температурных нагрузках имеются значительные различия. Если учесть, что термочувствительные структуры, как указывалось ранее, распределены по всему телу, то нельзя ожидать, чтобы деятельность терморегулирующих эффекторов определялась какой-либо локальной (например, ректальной) температурой. Следовательно, цель термофизиологии состоит в описании терморегулирующих процессов как функции возможно большего набора температур различных термочувствительных участков тела. Для такого описания требуется система уравнений с несколькими переменными. Данные должны быть получены в опытах на животных, у которых при помощи термоэлектродов и теплообменников вызывают местные температурные изменения. Возможности локального изменения в эксперименте температуры тела у человека при сохранении ее в остальных частях тела на постоянном уровне очень ограниченны, поэтому неизвестно, в какой степени результаты опытов на животных распространяются на человека. Можно составить лишь приблизительное описание, представив терморегулирующие параметры как функцию двух температур: внутренней температуры тела (измеренной в определенном участке) и средней кожной температуры. Например, дрожь может быть описана серией кривых в системе координат, где по осям отложены кожная температура и температура внутренних областей тела Дрожь возникает под действием холода, когда температура кожи снижается и становится ниже нормальной. Внутренняя температура тела может несколько повышаться вследствие чрезмерной реакции на холод, однако более значительное повышение внутренней температуры (например, в период физической нагрузки) будет подавлять реакцию дрожи, вызванную холодом. Если холодовой стресс продолжается, как это бывает при купании в холодной воде, внутренняя температура в конце концов начинает снижаться. Если затем быстро согреться (например, на жарком солнце), то сначала повысится кожная температура (до уровня выше порогового для дрожи, так что дрожь прекратится раньше, чем восстановится внутренняя температура). В случае нагревания извне сначала повышается только температура кожи и начинается потоотделение, а внутренняя температура остается близкой к нормальной. При физической работе вначале резко повышается внутренняя температура и начинается потоотделение, а затем в результате испарения пота снижается кожная температура.
Таким образом, чтобы в период физической нагрузки пот выделялся с максимальной интенсивностью, внутренняя температура должна подниматься тем выше, чем ниже окружающая (и, следовательно, кожная) температура. Если принимать во внимание только внутреннюю температуру, то можно сделать заключение, что система терморегуляции работает очень неточно и существует большое расхождение между реальным состоянием и заданным значением (так называемая нагрузочная ошибка). Прежде внутреннюю температуру действительно рассматривали в качестве регулируемой переменной, и указанное расхождение было трудно понять; тогда считали, что при физической работе, как и при лихорадке возникает сдвиг самого заданного значения, соответствующего стабильной температуре тела. Однако если терморегуляцию рассматривать как многоканальную систему, а в качестве регулируемой переменной взять взвешенное среднее значение температуры тела, то нет необходимости предполагать сдвиг заданного значения температуры. С другой стороны, проведенные в последнее время исследования показали, что при физической работе в прямостоячем положении пороговый уровень для реакции сосудорасширения сдвигается в сторону более высокой температуры тела сильнее, чем при физических нагрузках в лежачем положении. Эта задержка реакции сосудорасширения, отражающая, по-видимому, взаимосвязь систем, регулирующих кровяное давление и температуру, увеличивает перепад температуры между внутренними и наружными частями тела и вызывает подъем внутренней температуры.
При «нормальной» температуре рецепторы обоих типов могут быть одинаково активны, и их взаимно противоположные влияния в таком случае будут уравновешиваться. При положительном или отрицательном отклонении от заданного значения, связанном с преимущественным поступлением тепловых или холодовых сигналов соответственно, будут активироваться соответствующие регуляторные процессы. В этом случае «смещение заданного значения» будет связано с изменением функциональных характеристик терморецепторов. Функциональные характеристики (внутренних) терморецепторов, изменяются при экспериментально вызванной лихорадке.