A gdybyśmy mieli wyjaśnić te mechanizmy za pomocą przykładów?

Jeśli przejdę z nagrzanego pokoju do drugiego, który mocno wywietrzyłam, przez co jest w nim nieco chłodniej, albo wyjdę na zewnątrz w czasie słonecznej pogody, kiedy termometry pokazują około 25 stopni, to dzięki homeostazie uregulowane zostaną mechanizmy pozwalające utrzymać organizmowi stałą temperaturę.

Allostaza odnosi się do mechanizmów uruchamianych w sytuacjach krytycznych, czyli takich, w których nasz organizm nie jest w stanie utrzymać parametrów stałych. Kiedy na zewnątrz jest 40 stopni i termostres przekracza możliwe normy, nasz organizm nie może czekać na to, aby mózg uruchomił mechanizmy regulujące. Aktywują się więc procesy motywujące nas do działania poprzez zmianę miejsca, w którym jesteśmy.

A jak to wygląda z perspektywy mózgu?

W przypadku homeostazy mamy do czynienia przede wszystkim z tymi elementami, które wpływają na regulację temperatury, a więc pole przedwzrokowe przyśrodkowe (MPOA). Jest to obszar w podwzgórzu, który dostaje informacje o temperaturze od pozostałej części mózgu i innych narządów. Równolegle mózg uruchamia mechanizmy w układach autonomicznych, w zależności od temperatury mogą to być: kontrola dreszczy czy pocenia się, dopływ krwi do skóry czy regulacja metabolizmu w brunatnej tkance tłuszczowej. 

Natomiast przy allostazie uruchamia się głównie układ dopaminergiczny. W normalnych warunkach dopamina sprawia, że czujemy przyjemność, ekscytację, ale może być także napędem do ucieczki: w sytuacji termostresu, upalnej pogody może zmotywować nas do przejścia w miejsce chłodniejsze. Tu chodzi o to, żebyśmy znaleźli miejsce o lepszych warunkach. Oczywiście nic nie dzieje się bez udziału mózgu, bo to on wysyła sygnał do walki/ucieczki. Uruchamia się nie tylko dopamina, lecz także nasz układ współczulny, który jest zawsze w gotowości w sytuacji zagrożenia. Tym zagrożeniem może być zarówno nieprzyjemna uwaga przełożonego, jak i wysoka temperatura. Układ współczulny wydziela katecholaminy, na przykład adrenalinę, i stymuluje nas do poszukiwania chłodniejszego miejsca. 

Jest to o tyle ciekawe, że przyjmuje się, że naszą stałą temperaturą jest 36,6 stopni Celsjusza, ale gdybyśmy zrobili pomiar temperatury w rożnych strukturach mózgowych, mogłoby się okazać, że mamy od dwóch do czterech stopni różnicy w poziomie temperatury. Szczególnie narażony na wysoką temperaturę jest móżdżek.

Skąd ta różnica temperatur w różnych strukturach mózgowia?

Jednym z wyjaśnień jest to, że nasz organizm nie ma nieograniczonych zasobów energetycznych, a zatem musimy energią właściwie rozporządzać. Metabolizm tlenowy mózgu jest niezwykle wysoki, najwyższy w całym organizmie, bo to w nim zachodzą najwyższe procesy ekspresji genomu, a istotnym warunkiem dla nich jest utrzymanie właściwej temperatury. Mózg nie aktywuje niektórych części, gdy nie ma takiej potrzeby, żeby utrzymać niższą temperaturę. W ogóle niższa temperatura - nie mówię tu o temperaturach ujemnych - działa neuroprotekcyjnie, czyli chroni nasz mózg. Dlatego przy konkretnych zadaniach mózg "wycisza" pewne obszary, które w danym momencie nie są potrzebne. Oczywiście, trudno sobie wyobrazić, żeby nieaktywne struktury w danym momencie "spały", ale mózg sobie reguluje, w których obszarach metabolizm jest wyższy.

Na podstawie wyników badań mózgu szczurów obserwuje się na przykład część kory mózgowej, w której jest niższa temperatura. Uruchamia się ona jedynie w sytuacji zagrożenia - i nie chodzi tu tylko o wysoką temperaturę, lecz także, na przykład, o zażywanie substancji psychoaktywnych. Najlepszą analogią, która pokazuje, jak działa zbyt wysoka temperatura na mózg, jest działanie kokainy. Na poziomie komórkowym obydwa czynniki podobnie oddziałują na białko, które transportuje dopaminę, tak zwany transporter dopaminowy (DAT). Kokaina blokuje jej działanie, przez co nie dochodzi do wychwytu zwrotnego dopaminy. Wzrasta poziom dopaminy w szczelinach synaptycznych w układzie nagrody, co w konsekwencji prowadzi do odczuwania przyjemności. Aby jednak utrzymać ten stan, mózg zaczyna pracować bardzo intensywnie, aktywując więcej obszarów, nawet tych, które zazwyczaj są chłodniejsze. W konsekwencji mamy do czynienia z efektem, o którym mówi się, że "mózg żarzy się jak czerwona, rozgrzana patelnia", kiedy patrzymy na obrazy mózgu uzyskane w pozytonowej tomografii komputerowej (PET) u osoby, która zażyła dużą dawkę kokainy. W tej sytuacji mózg "rozgrzewa się do czerwoności", następuje wzrost metabolizmu tlenowego i wzrost temperatury w różnych strukturach.

Bezpośrednim następstwem takiego "przegrzania" jest to, że musi nastąpić wyłączenie, które może polegać na zaśnięciu, ewentualnie na bardziej dramatycznym rozwiązaniu, czyli śmierci. Część badaczy uważa, że podobnie dzieje się w sytuacji ekspozycji na bardzo wysoką temperaturę otoczenia. Pojawiają się wtedy takie objawy, jak zmęczenie, bóle głowy, halucynacje. W tym momencie dochodzi do wzrostu przekazu informacji między sieciami neuronalnymi. Wzrasta ryzyko wystąpienia tak zwanego udaru słonecznego, który od pozostałych udarów różni się tym, że pojawia się bezpośrednio pod wpływem działania wysokiej temperatury. W takiej sytuacji mamy do czynienia ze wzrostem ciśnienia przepływu krwi, bo razem z intensyfikacją pracy mózgu dostarczana jest większa ilość metabolitów, w tym tlenu.

Wspomniała pani o transporterze dopaminy. O co chodzi?

Przy hipertermii, czyli wzroście temperatury w naszym mózgu, co zostało już opisane w latach 70. ubiegłego wieku, obserwowane jest bezpośrednie działanie na transporter dopaminy, cząsteczki wychwytującej dopaminę ze szczeliny synaptycznej między dwoma neuronami w układzie nagrody. Transporter dopaminy wpływa na wzrost poziomu dopaminy, która w konsekwencji może powodować uruchomienie związków uszkadzających drogi neuronalne.

W hipotermii, czyli w sytuacji obniżenia temperatury mózgu poniżej normy, niska temperatura może działać neuroprotekcyjnie, czyli chronić nasz mózg. 

Skoro jesteśmy przy upale, każdy z nas jako dziecko słyszał od rodziców, dziadków, żeby chronić głowę przed słońcem. W jednym z raportów badawczych znalazłem informację, że graniczną dla mózgu temperaturą jest 39,9 stopnia Celsjusza, a w ekspozycji na wyższą temperaturę mózg zaczyna się nam gotować. W jaki sposób do tego dochodzi?

To określenie wykorzystywane jest przede wszystkim po to, aby móc zrozumieć, co się z mózgiem dzieje, ale może być w tym kontekście używane. Wzrost temperatury w mózgu jest tak duży, że zaczyna dochodzić do arboryzacji, czyli wzrostu łączności synaptycznej między innymi neuronami. W efekcie nasila się przepływ informacji, co działa tak samo jak zwiększenie napięcia w sieci elektrycznej: dochodzi do "przepalenia przewodów". Przy tego typu przepaleniach w mózgu mogą pojawić się nieodwracalne uszkodzenia struktur mózgowych. 

Oczywiście trudno zredukować do "gotowania" całość złożonych procesów mózgowych, ale biorąc pod uwagę fakt, że w wyniku działania wysokiej temperatury nagrzewa się móżdżek oraz te obszary, które zazwyczaj są chłodniejsze, sytuacja staje się naprawdę dramatyczna. 

Naukowcy z University of Houston w 2018 roku opisali negatywny wpływ wysokiej temperatury powietrza na nasze funkcje poznawcze. W jaki sposób to działa?

Chciałabym zaznaczyć, że wspomniał pan wyniki, które są częścią badań replikacyjnych, a zatem powtarzanych przez różne ośrodki badawcze w celu zweryfikowania ich wyników. Również naukowcy Centrum Klimatu i Globalnego Ocieplenia Uniwersytetu Harvarda przeprowadzili badania na studentach, polegające na tym, że połowa znajdowała się w pomieszczeniu z wysoką temperaturą i bez klimatyzacji, a druga - w tych samych warunkach, ale z klimatyzacją. Każda z tych osób miała przespać noc w przypisanym sobie pomieszczeniu, a następnie wykonać zadania, które mogłyby potwierdzić, że coś dzieje się z funkcjami poznawczymi. Wyniki eksperymentu pokazały spadek szybkości wykonywania działań, zwłaszcza matematycznych, o kilkanaście procent wśród osób, które spały w warunkach termostresu, a więc w pomieszczeniu bez klimatyzacji. Ich czas reakcji był dłuższy, a efektywność - niższa, przez co pojawiało się więcej błędów. 

Dlaczego się tak dzieje? 

Wspomniany już przeze mnie obszar MPOA w podwzgórzu otrzymuje informacje z ciała - z receptorów zarówno znajdujących się w skórze, jak i ukrytych w mózgu, że temperatura otoczenia jest za wysoka. W wielkim skrócie, jest to sytuacja stresowa dla naszego mózgu, więc uruchamiane są mechanizmy, których celem jest koncentracja na tym, żeby zmienić otoczenie. Inne procesy w mózgu stają się wolniejsze. W dodatku zanim dojdzie do pełnej homeostazy po narażeniu na wysoką temperaturę, nasz mózg nie będzie od razu w pełni sprawny. 

Ponadto musimy pamiętać o zachowaniu pewnej równowagi. Skoro jedne procesy przyspieszają, inne muszą zwolnić. Dla mózgu priorytetem są procesy adaptacyjne, czyli te, których celem jest przetrwanie i ochrona. Ważniejsze jest osiągnięcie homeostazy niż szybkie i poprawne wykonanie zadania matematycznego. 

Inni badacze zwrócili uwagę na fakt, że długotrwała ekspozycja ciała na wysokie temperatury może rozregulować poziomy katecholamin oraz serotoniny i dopaminy. Takie rozregulowanie tych związków może być przyczyną trudności psychicznych, takich jak stany lękowe, a nawet depresji. 

Oczywiście. Potwierdzają to badania zarówno przeprowadzone na zwierzętach, jak i na ludziach. Przy prawidłowych poziomach serotoniny, dopaminy czy katecholamin większość procesów mózgowych zachodzi prawidłowo. Pod wpływem dopaminy jesteśmy podekscytowani, pobudzeni, zmotywowani do działania; prawidłowy poziom serotoniny wpływa na poczucie dobrostanu psychicznego, przez niektórych nazywane szczęściem, reguluje apetyt, sen, nastrój, ale też poziom temperatury. Katecholaminy regulują naszą aktywność psychofizjologiczną, w zależności od potrzeb, poprzez układ współczulny lub przywspółczulny. Natomiast każde odchylenie od normy tych związków jest złe dla naszego organizmu, a długotrwałe zaburzenie ich poziomów prowadzi chociażby do stanów lękowych. 

Wspominała pani, że niższa temperatura może oddziaływać neuroprotekcyjnie, a więc chronić nasz mózg. Jednak badacze zauważyli, że w przypadku nagłych spadków temperatur powietrza wzrasta ryzyko udaru na przykład u osób z nadciśnieniem. Dlaczego tak się dzieje?

Tak, neuroprotekcja jest korzystna, ale dotyczy to obniżenia temperatury w niektórych obszarach naszego mózgu w granicach regulacji homeostatycznej. Jeżeli jednak temperatura otoczenia spadnie znacząco i będzie utrzymywać się długo, zawiodą już wszelkie mechanizmy regulujące, a więc homeostaza i allostaza. Może wtedy dojść do ciężkiej hipotermii, kiedy temperatura ciała spada poniżej 28 stopni Celsjusza. Będzie to stan przypominający śmierć, czyli bardzo wolny puls, brak reakcji źrenic na światło, miejscowe kurczenie mięśni. W umiarkowanej hipotermii dochodzi do spowolnienia bądź częściowego zablokowania przepływu krwi w tętnicach, a to powoduje wspomniane przez pana ryzyko udaru.

W przypadku nagłego spadku temperatury konsekwencje u każdego będą inne, ale są grupy osób z chorobami naczyniowymi, dla których nagły spadek temperatury może stanowić dodatkowe ryzyko udaru, szczególnie krwotocznego.

Mówiliśmy o "gotowaniu się" mózgu, a czy możliwe jest, że mózg w niskiej temperaturze zamarza?

O tym, że mózg nam "zamarza", mówimy, śmiejąc się, kiedy latem jemy lody. Jest to stan tymczasowy, do którego dochodzi zwykle pod wpływem drażnienia nerwu trójdzielnego. Może pojawić się wtedy nagły ból głowy i chwilowe uczucie przeszywającego zimna w mózgu. Wystarczy jednak, że dotkniemy językiem podniebienia i wszystko wraca do normy, bo receptory odpowiedzialne za termoregulację nie otrzymują dalszych informacji o chłodzie. 

Zmieniająca się pogoda to nie tylko zmiany temperatur. Czy inne zmienne, tak jak ciśnienie powietrza, jego wilgotność, poziom nasłonecznienia, zachmurzenia, mają wpływ na pracę naszego mózgu?

Oczywiście, że tak. Każdy z nas odczuwa bardziej lub mniej zmiany ciśnienia powietrza. Ponadto wiatr, o którym się mówi, że powoduje, iż bardziej odczuwamy chłód, może również niekorzystnie wpływać na nasze funkcjonowanie, ale to musi być bardzo silny wiatr. Naturalne jest dla nas to, że na poziomie behawioralnym szukamy innego miejsca, by nie być wystawionym na jego działanie.

Ze zmieniającym się ciśnieniem jest nieco trudniej, bo niewiele możemy zrobić, żeby zmniejszyć wpływ ciśnienia atmosferycznego. Badania pokazują, że wysokie ciśnienie w połączeniu z wysoką temperaturą może powodować osłabienie mechanizmów neuroprotekcji i zwiększone ryzyko powstawania złogów amyloidalnych w mózgu. 

Czym są te złogi?

Złogi amyloidalne to skupisko tak zwanych białek amyloidalnych, które utrudniają prawidłową komunikację neuronalną i mogą być jedną z przyczyn choroby Alzheimera.

A co powoduje niskie ciśnienie powietrza? 

Przede wszystkim spowalnia przepływ krwi, a przy okazji dochodzi do jej nierównomiernego przepływu. To prowadzi do bólów głowy, wzrasta ryzyko pojawienia się migren. 

Stosunkowo niedawno pojawiła się bardzo ciekawa praca, będąca wynikiem badania wpływu pogody panującej podczas różnych pór roku na ogromną grupę 3279 osób. Porównywano między innymi skany mózgów w każdej z pór roku i próbowano zaobserwować zmiany związane z sezonowością. Okazało się, że niektóre struktury - przede wszystkim móżdżek - zmieniają swoją objętość o osiem procent. Autorzy tych badań zwracają uwagę, że zmniejszenie objętości niektórych części mózgowia w trakcie lata związane jest z dehydratacją, czyli utratą wody z tkanki mózgowej, a to może przekładać się na utratę masy mózgu. Jest to o tyle ciekawe, że móżdżek funkcjonalnie poza rolą w organizacji i kontroli ruchu łączony jest z przepływem informacji czuciowych. 

Inne badania natomiast opisują wpływ wysokiej temperatury na hipokamp, a zatem część mózgu związaną funkcjonalnie z pamięcią. Okazuje się, że obserwowane są "obkurczenia" w tym obszarze, co mówi nam, że wysoka temperatura niekorzystnie wpływa na procesy pamięciowe. A zatem gorące, suche powietrze nam nie sprzyja - ani zdrowotnie, ani mentalnie. 

Skoro o sezonowości pór mowa, chciałbym dopytać o to, czy przesilenie wiosenne bądź jesienne naprawdę ma wpływ na naszą kondycję psychiczną?

Tak, to prawda. Nagłe zmiany temperatur, czy tak zwana pogoda w kratkę, powodują dezorientację biologiczną. Zanim dojdzie do adaptacji, zanim czynniki homeostatyczne się unormują, mija trochę czasu. Te procesy działają w mózgu, co każdy z nas odczuwa na różny sposób. Pojawia się większe ryzyko infekcji, wzrasta poziom reakcji stresogennych, ponieważ znowu mamy do czynienia z podwyższonym poziomem katecholamin i kortyzolu. Kortyzol w nadmiarze w tej sytuacji nie będzie działać jako eustres (stres pozytywny), ale będzie mieć wpływ negatywny. Oczywiście, posiadamy mechanizm regulujący poziom kortyzolu: sprzężenie ujemne zwrotne, czyli oś podwzgórze-przysadka-nadnercza będzie wysyłać sygnał, że kortyzolu jest za dużo i można obniżyć jego poziom. To jednak nastąpi wraz ze stabilizacją temperatury otoczenia. 

Od kilku lat jednak obserwujemy nagłe i duże skoki temperatur, więc możemy odczuwać pewne formy przesilenia kilka razy w roku: gdy jednego dnia jest ponad dwadzieścia stopni Celsjusza, a kolejnego blisko zera. To dla naszego organizmu szok, więc potrzebuje on czasu na adaptację. 

A propos adaptacji, czy można przyzwyczaić mózg do warunków ekstremalnych, takich, w jakich wspinają się himalaiści na wielotysięczniki czy podróżnicy, chcący zdobyć bieguny?

Myślę, że tak. To wymaga ogromnej pracy zarówno samego mózgu, jak i człowieka, zanim w takich skrajnych warunkach się znajdzie. Chodzi tutaj o przygotowanie się na ogromną zmianę fizjologiczną w mózgu. Pojawia się tu dodatkowa kwestia, dotycząca stężenia tlenu w powietrzu: im wyżej, tym jest go mniej. 

To przygotowanie może polegać na zwiększeniu objętości pęcherzyków płucnych poprzez różne ćwiczenia. Dodatkowo należy powoli przyzwyczajać organizm do coraz niższych temperatur, żeby uniknąć różnego rodzaju szkód termicznych. W takie ekstremalne warunki należy wprowadzać się w taki sposób, żeby mózg nie odbierał informacji o temperaturze jako o zagrożeniu życia. Ta regulacja ma na celu przesunięcie punktów granicznych.

Trzeba również pamiętać, że powrót z takich ekstremalnych warunków do normalnych też musi być powolny. Bez takiej adaptacji nagły powrót do zwyczajnych temperatur będzie sytuacją stresową. Nie wkładamy przecież odmrożonych rąk do gorącej wody, bo to mogłoby skończyć się tragicznie. 

Czy jesteśmy w stanie chronić nasz mózg przed wpływem zmiennych pogodowych? 

Oczywiście, przede wszystkim musimy chronić nasze głowy przed działaniem wysokich temperatur. Nie możemy przebywać w nasłonecznionych miejscach. Opalanie się na słońcu jest po prostu niezdrowe. W kontrze do tłumaczeń, że opalanie wyzwala witaminę D3, chciałabym przypomnieć, że witamina ta wyzwalana jest nawet, gdy promienie słoneczne padają na niewielki obszar skóry przez kilkanaście minut. Nie trzeba leżeć plackiem na pełnym słońcu. 

Pamiętajmy, że temperatury w dni upalne są coraz wyższe. Tym bardziej nie powinniśmy leżeć po kilka godzin na plaży, bo sama czapka też nas nie ochroni przed udarem cieplnym. A przecież do miski z lodem głowy nie wsadzimy, bo efekt będzie odwrotny. 

Musimy również pamiętać o regularnym piciu wody, która jest nam niezbędna do funkcjonowania. Nie możemy dopuszczać do obkurczania się struktur mózgowych. Mówiłam o metabolizmie tlenu, ale bez wody procesy w mózgu nie będą zachodzić we właściwy sposób. Dehydratacja, którą obserwujemy wraz z wiekiem, może powodować osłabienie przepływu informacji w mózgu. Dlatego powinniśmy mniej więcej co 15 minut pić trochę wody. Gdy czujemy suchość w ustach, to jest to bardzo zły sygnał dotyczący ewentualnego niedotlenienia mózgu. 

Osoby starsze i małe dzieci nie powinny w ogóle przebywać na słońcu. A jeśli już, to w czapkach i z osłoniętym ciałem. W przypadku małych dzieci nie ma wykształconego odpowiednio ośrodka regulującego temperaturę MPOA oraz właściwych mechanizmów behawioralnych, które będą chronić nasze pociechy. W efekcie dzieci po spędzeniu jakiegoś czasu na słońcu mogą być rozdrażnione, zmęczone, a idąc dalej, mogą mieć zaburzone mechanizmy układu immunologicznego, czyli być bardziej podatne na zachorowanie. 

MAGAZYN O POGODZIE. ZOBACZ WSZYSTKIE ARTYKUŁY TEGO WYDANIA