Termoregolazione. Controllo a feedback, misura la temperatura e la confronta con un valore di riferimento (temperatura corporea da mantenere)

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1 Termoregolazione Gli animali omeotermi sono in grado di regolare la loro temperatura corporea. Bassa temperatura ambientale: aumento della termo produzione, diminuzione della termodipersione Termocettori cutanei: informazioni sull ambiente esterno Neuroni termocettivi dell ipotalamo anteriore: informazioni sulla temperatura interna. Controllo a feedback, misura la temperatura e la confronta con un valore di riferimento (temperatura corporea da mantenere) Segnale di errore (deviazione dal valore di riferimento) mette in moto risposte che riportano la temperatura al valore di riferimento.

2 La temperatura corporea nell uomo mostra fluttuazioni lievi che non superano 1 C. Malattia, esercizio fisico prolungato, caldo e freddo estremo: fluttuazioni più marcate. Temperatura corporea: equilibrio tra produzione e dispersione.

3 Trasferimento del calore corporeo Il calore prodotto deve avere accesso al mondo esterno. Il sangue trasporta il calore dal nucleo interno verso la cute (guscio esterno), qui possono avvenire gli scambi con l ambiente esterno. Conduzione Convezione Irraggiamento Evaporazione Temperatura della cute più alta di quella ambientale: conduzione, convezione, irraggiamento e evaporazione del sudore Temperatura della cute più bassa di quella ambientale: dispersione solamente attraverso evaporazione del sudore.

4 Nucleo centrale e periferico al freddo e al caldo.

5 Meccanismo di controcorrente Per preservare il calore Arterie e vene profonde corrono vicine e parallele. Sangue arterioso più caldo Sangue venoso più freddo. Il calore non arriva in periferia, rimane nel nucleo profondo. Gradienti di temperatura negli arti.

6 Termoregolazione e esercizio. Termogrammi prima e dopo una corsa all aperto a 30 C con 75% di umidità.

7 Temperatura rettale (temperatura centrale) durante marcia su nastro trasportatore ( 4,5 Km/h) a diverse pendenze di salita.

8 Conduzione e convezione Conduzione termica: trasmissione di calore tra 2 oggetti di differenti temperature che sono a contatto diretto. Trasmissione a livello molecolare secondo un gradiente di temperatura. Molecole: stato di vibrazione continuo. Molecole con maggiore temperatura hanno maggiore energia termica e maggiore velocità di movimento. Molecole a differente energia termica a contatto tra loro, trasferiscono energia. Le più veloci mettono in movimento le più lente, così rallentano e si raffreddano. Le temperature di 2 corpi a contatto finiscono per diventare uguali.

9 Quantità di calore trasmessa per conduzione nell unità di tempo dipende da: 1) Differenza di temperatura dei due corpi 2) Conduttività termica (capacità di trasmettere calore per conduzione da parte della sostanza di cui è composto l oggetto) La pelle può cedere o acquistare calore quando è a contatto con un buon conduttore termico. Es. palla di neve o termoforo. L aria è un cattivo conduttore termico, l acqua e un buon conduttore termico. Acqua della piscina 30 C (freddo) Aria 30 C (caldo)

10 Convezione Trasmissione di energia termica mediante movimenti di materia, es. correnti d aria o d acqua. Es. aria più fredda del corpo: L aria a contatto con la pelle si riscalda, diminuisce la densità e si sposta verso l alto, l aria fredda scende e prende il suo posto (correnti convettive). Se non ci fossero le correnti convettive il corpo non potrebbe cedere calore per conduzione. Il Movimento forzato dell aria potenzia la dispersione per conduzione-convezione, es. vento o movimento del corpo nell aria. Se l aria è più calda del corpo, la convezione associata alla conduzione fa assumere calore all organismo.

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12 Irraggiamento Emissione di radiazioni termiche dalla superficie di un corpo cioè di onde elettromagnetiche che si propagano attraverso lo spazio. Non prevede diretto contatto tra gli scambiatori Non necessita di un mezzo per propagarsi Gli atomi e le molecole eccitati emettono fotoni con frequenza proporzionale alla loro temperatura. Corpi molto freddi inviano microonde Corpi a temperatura ambiente prevalenza di infrarossi Corpi molto caldi luce visibile

13 Il corpo umano emette e assorbe energia raggiante Trasmissione netta dagli oggetti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore. Gli esseri umani cedono per irraggiamento circa la metà della loro energia termica.

14 Evaporazione La pelle cede Il calore e fa passare l acqua dallo stato liquido a gassoso (evaporazione) Questa cessione di calore avviene continuamente Mucose delle vie aeree Pelle La pelle non e completamente impermeabile all acqua, continua evaporazione non controllata indipendente dalle ghiandole sudoripare. Sudorazione: processo attivo per la perdita di calore per evaporazione Sistema nervoso simpatico Temperatura ambiente alta, la sudorazione diviene l unico mezzo per la dispersione di calore.

15 Il sudore Ghiandola esocrina: porzione convoluta e porzione duttale Secrezione primaria (cellule epiteliali della porzione convoluta) e modificazioni successive (cellule duttali). Fibre ortosimpatiche colinergiche (attivano le secrezione) Sudore primario: simile al plasma, senza proteine, Sodio 142 mm e Cloro 104 mm Sudore secondario: la maggior parte di Sodio e Cloro sono riassorbiti. (Sodio 5 mm, Cloro 5 mm) Stimolazione ortosimpatica lieve: produzione primaria bassa, flusso lento, alto riassorbimento di ioni e acqua. Stimolazione ortosimpatica alta: forte produzione primaria, flusso veloce, basso riassorbimento di ioni e acqua.

16 Acclimatazione del meccanismo di sudorazione Ruolo dell aldosterone Soggetto normale: Non più di 1L/ora di sudore in ambiente caldo se resta esposto per 1-6 settimane: raggiunge 2-3 L/ora (accresciuta capacità secretoria) Rimozione del calore 10 volte più efficiente Aumenta il riassorbimento di Sodio e Cloro Ad opera dell aldosterone. Perdita: Soggetto non acclimatato gr al giorno Polipnea Segnali dall ipotalamo al ponte, centro pneumotassico. Aumento degli atti respiratori. Respirazione superficiale. Soggetto acclimatato 3-5 gr al giorno

17 Regolazione della temperatura corporea- La funzione dell Ipotalamo La temperatura del corpo è regolata quasi esclusivamente da meccanismi a feedback che operano attraverso centri termoregolatori situati nell ipotalamo e recettori termosensibili. L utilizzo di Termodi, ha permesso di individuare aree sensibili alla temperatura. Nuclei ipotalamici anteriori e area preottica. Area preottica dell ipotalamo : 2/3 di neuroni sensibili al caldo, 1/3 neuroni sensibili al freddo Aumentano la frequenza di scarica con lo stimolo specifico. Stimolazione area preottica: sudorazione e vasodilatazione cutanea.

18 Recettori cutanei per il freddo (più numerosi) e per il caldo Raffreddamento della cute: Risposte riflesse 1) Stimolo che porta al brivido 2) Inibizione della sudorazione in atto 3) Vasocostrizione cutanea Termocettori profondi: Nel midollo spinale, nei visceri addominali e nelle grosse vene Prevalentemente sensibili al freddo, rilevano la temperatura profonda del corpo. Tutti i segnali dai termocettori periferici, dall area preottica e ipotalamo anteriore arrivano all ipotalamo posteriore che integra le informazioni e genera la risposta.

19 Meccanismi neuronali per aumentare o diminuire la temperatura corporea 1) Per ridurre la temperatura corporea: -Vasodilatazione, inibizione dei centri ortosimpatici dell ipotalamo posteriore ad azione vasocstrittrice -Sudorazione -Diminuzione della produzione di calore, inibiti il brivido e la termogenesi chimica.

20 2) Per aumentare la temperatura corporea: -Vasocostrizione cutanea, attivazione dei centri ortosimpatici dell ipotalamo posteriore -Piloerzione, stimolazione ortosimpatica sui muscoli erettori del pelo (effetto isolante negli animali) -Aumento della produzione di calore a) brivido, b)attivazione ortosimpatica della termogenesi, c) secrezione di tiroxina (T4).

21 Il brivido Centro motorio primario del brivido nell ipotalamo posteriore Normalmente inibito dal centro del caldo situato nell area preottica-ipotalamo anteriore Attivato dai segnali del freddo che arrivano dalla cute e dal midollo spinale Da questo centro i segnali scendono bilateralmente nel tronco dell encefalo, nei cordoni laterali del midollo spinale fino ai motoneuroni anteriori. Aumento generalizzato del tono muscolare, quando supera un certo livello comincia il brivido. Oscillazione a feedback del meccanismo del riflesso da stiramento dei fusi neuromuscolari.

22 Termogenesi chimica Attivazione sistema ortosimpatico, adrenalina e noradrenalina in circolo, ormoni tiroidei: effetto su tessuto adiposo bruno, muscolo, e forse fegato. Disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa formazione di calore (nell uomo aumento del calore del 10-15%). Dipende dalla quantità di tessuto adiposo bruno (cellule con molti mitocondri con fosforilazione ossidativa disaccoppiata) ricca innervazione ortosimpatica. UCP o termogenina Nel neonato più importante Aumento della produzione di calore del 100%

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24 Aumento della secrezione di tiroxina (T4) 1) Raffreddamento area preottica, 2) secrezione dell ormone liberatore della tireotropina (TRH), 3) secrezione di tireotropina (TSH) da parte dell adenoipofisi, 4) promozione della secrezione della tiroxina da parte della tiroide Aumento del metabolismo cellulare nell intero organismo L aumento non è immediato, richiede varie settimane. Es. topi al freddo per un lungo periodo: dimensioni tiroide %.

25 Termoregolazione e esercizio fisico La produzione di calore può essere vantaggiosa quando ci si allena in ambiente freddo (mantiene la normale temperatura corporea) In ambiente neutro o caldo il calore prodotto mette a dura prova i meccanismi di termoregolazione.

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27 Esercizio fisico svolto al caldo Il calore prodotto nei muscoli viene trasportato dal sistema cardiovascolare verso la superficie (dispersione nell ambiente circostante) La gettata cardiaca si suddivide tra muscoli e cute (l aumento di flusso verso una di queste aree diminuisce il flusso nelle altre aree) Es. Corsa con andatura sostenuta al caldo Esercizio, aumento della richiesta di ossigeno nei tessuti, aumento della produzione di calore metabolico. Il centro di termoregolazione fa aumentare il flusso Verso la cute attraverso la vasodilatazione La massa di sangue viene contesa. Maggior volume di sangue alla cute, minor volume di sangue che torna al cuore, riduzione della scarica sistolica. Aumenta la frequenza cardiaca per mantenere la gettata costante.

28 Ad un certo punto l organismo non riesce a compensare Né i muscoli né la cute ricevono un flusso di sangue adeguato Qualsiasi fattore che interferisce con la dispersione di calore può compromettere la prestazione fisica e portare a surriscaldamento

29 L esercizio al caldo aumenta anche il consumo di ossigeno da parte dei muscoli Maggiore utilizzo di glicogeno Esercizi di 15 minuti in ambiente freddo e caldo Maggiore produzione di lattato Tutto questo porta ad un precoce affaticamento. Il maggior consumo di carboidrati sembra dovuto all aumentata secrezione di adrenalina che si verifica con l ipertermia. L adrenalina riduce la secrezione di insulina.

30 - Aumenta la sudorazione - Differenze tra individui allenati e non allenati -Importanza dell aldosterone Un tasso di sudorazione elevato può ridurre la massa sanguigna, ciò impedisce di soddisfare le esigenze del muscolo per il metabolismo e della cute per la termodispersione. diminuisce la prestazione. Fondisti: perdita del 6-10% del peso corporeo con il sudore

31 Per evitare la perdita di liquidi e elettroliti durante l esercizio al caldo L organismo secerne aldosterone e ADH. Ipotalamo neuroipofisi Secrezione di ADH Inserimento di acquaporine nelle cellule del tubulo distale e dotto collettore Riassorbimento di acqua

32 Rischi per la salute durante l esercizio fisico svolto al caldo In condizioni di caldo eccessivo si può raggiungere un punto dove le normali funzioni cellulari vengono compromesse. 4 parametri da considerare: 1) Temperatura dell aria 2) Umidità 3) Velocità dell aria 4) Quantità di irraggiamento termico Influenzano il grado di stress da calore cui è sottoposto un individuo Quale termometro si deve usare per sapere se si può organizzare una gara o un allenamento?

33 Valutazione dello stress da calore 1970 Temperatura di bulbo bagnato considera contemporaneamente conduzione, convezione, evaporazione e irraggiamento Cosi si valuta la capacità di raffreddamento dell aria circostante Bulbo secco (temperatura dell aria) (Tdb) Bulbo umido (temperatura con evaporazione) (Twb) Bulbo nero (irraggiamento) (Tg) Assenza di ventilazione e umidità 100% Tdb = Twb Perché l evaporazione è impossibile Valutazione dell impatto atmosferico complessivo WBGT = 0,1 Tdb + 0,7 Twb + 0,2 Tg

34 Disturbi da calore

35 Crampi da calore Disturbo meno serio, intensa contrattura dei muscoli interessati dal movimento Forse dovuti a perdita di liquidi e elettroliti (più probabilmente dovuti alla fatica) Trattamento: somministrazione di liquidi o soluzione salina, riposo in luogo fresco Collasso da calore Associato a: affaticamento estremo, vertigini, vomito, svenimento, cute fredda e umida o calda e secca, ipotensione, stato confusionale, polso rapido. Diminuzione massa sanguigna (sudorazione) Sangue conteso dai muscoli e dalla cute Flusso insufficiente Collasso. Più esposti soggetti non acclimatati. (temperatura rettale inferiore a 39 C) Trattamento: riposo in luogo fresco con gambe sollevate, somministrazione soluzioni saline (via orale o endovenosa).

36 Colpo di calore Pericolo di vita Temperatura corporea interna superiore a 40 C Interruzione della sudorazione Cute calda e secca Polso e respiro rapidi Ipertensione Stato confusionale e svenimento Senza cure mediche coma poi morte Trattamento: Immersione in acqua fredda (ghiaccio), o lenzuolo umido e flusso d aria Produzione di calore dipende dall intensità dell esercizio e peso corporeo (soggetti pesanti più esposti) Esercizio svolto al caldo = interruzione dell esercizio

37 Diminuzione dell impegno in condizioni pericolose Prevenzione dell ipertermia Riconoscimento dei sintomi dell ipertermia Gara e allenamento all interno se WBTG superiore a 28 C Allenamento e gare prime ore del giorno o alla sera Rifornimento di liquidi ogni minuti Abbigliamento ridotto al minimo per facilitare la dispersione termica. Es. Giocatori di football americano e allenamento con tute impermeabilizzate!!!!

38 Temperatura rettale con una corsa di 2 ore Con ingestione di liquidi Senza ingestione di liquidi Tabella da seguire per fondisti che gareggiano in condizioni di stress calorico

39 Acclimatazione al caldo Adattamenti della sudorazione e flusso ematico. -Aumenta la quantità di sudore nelle zone più efficienti per la dispersione di calore. -Sudore più diluito (effetto dell aldosterone). -La sudorazione inizia prima durante una prova. -dispersione di calore più efficiente a livello della cute. -meno flusso di sangue alla cute -più sangue ai muscoli -maggior volume di sangue (ADH e aldosterone) -aumento della frequenza cardiaca meno marcato -riduzione del tasso di consumo di glicogeno muscolare. I soggetti non aclimatati consumano più glicogeno, dopo alcuni giorni subentra una stanchezza cronica giorni di allenamento al caldo: acclimatazione.

40 Esercizio fisico svolto al freddo -Vasocostrizione cutanea, attivazione dei centri ortosimpatici dell ipotalamo posteriore -Piloerzione, stimolazione ortosimpatica sui muscoli erettori del pelo (effetto isolante negli animali) -Aumento della produzione di calore a) brivido, b)attivazione ortosimpatica della termogenesi, c) secrezione di tiroxina (T4). Fattori che influenzano la perdita di calore corporeo: 1) Quantità di grasso sottocutaneo (ottimo isolante bassa conduttività termica) 2) Rapporto superficie/massa 3) Raffreddamento da vento 4) Dispersione di calore in acqua fredda

41 Grasso sottocutaneo

42 Rapporto tra superficie corporea e massa corporea. Basso rapporto superficie/massa = minore dispersione termica I bambini disperdono calore più facilmente.

43 Raffreddamento da vento Temperatura percepita o equivalente

44 Dispersione del calore in acqua fredda Conduzione termica dell acqua 26 volte superiore a quella dell aria Dispersione per conduzione maggiore rispetto all aria La dispersione in acqua è 4 volte più veloce che in aria. 32 C il corpo mantiene la temperatura Inferiore a 32 C si può andare in ipotermia 15 C la temperatura rettale diminuisce di 2,1 C/h 4 C la temperatura rettale diminuisce di 3,2 C/h Se l acqua è in movimento aumenta la dispersione. Soggetti obesi resistono più a lungo in acqua fredda.

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46 Risposte fisiologiche all esercizio fisico svolto al freddo Bassa temperatura: Diminuisce la forza e la velocità di contrazione muscolare, cambia il sistema di reclutamento delle fibre muscolari Indumenti e calore metabolico possono mantenere la temperatura costante Con la fatica: diminuisce il lavoro muscolare e diminuisce il calore metabolico Potenziale pericolo di ipotermia.

47 Risposte metaboliche L esercizio prolungato aumenta l utilizzo e la mobilitazione degli acidi grassi liberi (FFA). Le catecolamine stimolano il metabolismo dei lipidi Il freddo porta ad aumento delle catecolamine ma gli FFA non aumentano come nell esercizio svolto al caldo Questo perché la vasocostrizione limita il flusso nel tessuto adiposo quindi non ci può essere mobilizzazione degli FFA. Ipoglicemia: impedisce il brivido e quindi riduce la temperatura rettale.

48 Rischi per la salute Immersione in acqua gelida morte in pochi minuti Temperatura rettale da 37 a C Limite di temperatura letale C In alcuni casi di raffreddamento intenzionale sotto anestesia temperatura rettale 9 C Rianimazione dopo 60 min di arresto cardiaco (per abbassare il metabolismo cellulare). L ipotalamo perde parzialmente la capacità di regolare la temperatura corporea sotto i 34,5 C e totalmente sotto i 10 C Torpore e coma

49 Effetti sul sistema cardiorespiratorio Possibili lesioni ai tessuti periferici, al sistema cardiovascolare e respiratorio Sul cuore: ipotermia - morte per arresto cardiaco Con sistema respiratorio funzionante. Effetto sul nodo seno atriale, diminuzione della frequenza, diminuzione della gittata, arresto cardiaco, morte.

50 Effetti sull apparato respiratorio: L aria fredda viene rapidamente riscaldata con il passaggio nella bocca e trachea. Es. figura. Esercizio fisico a temperature inferiori a - 12 C: Irritazione alla bocca, faringe e trachea e bronchi.

51 Trattamento dell ipotermia. Ipotermia leggera: abiti asciutti e bevande calde Ipotermia moderata o grave: lento riscaldamento del corpo per evitare aritmie cardiache, cure ospedaliere.

52 Congelamento: La cute può congelare (pochi gradi sotto lo 0) -29 C circa (tenuto conto del raffreddamento da vento) naso orecchie e dita possono congelarsi. La vaso costrizione periferica diminuisce molto il flusso ematico Il tessuto rimane senza ossigeno e nutrienti e può morire Lesioni gravi (cancrena e perdita di tessuto) Le parti congelate vanno lasciate senza cure fino al momento dello scongelamento (ospedale).

53 Acclimatazione al freddo: Ancora non è pienamente compresa. Esposizione giornaliera all acqua fredda aumenta il tessuto adiposo sottocutaneo. Es aborigeni australiani. (diminuzione della soglia del brivido) Indigeni Alacaluf della terra del fuoco (incremento stabile della termogenesi metabolica) Es. mani dei pescatori.

54 Eschimesi: non ci sono segni particolari di adattamento al freddo (uso di pellicce)

55 Adattamenti nelle pescatrici Ama Pescatrici in apnea coreane. Numerose immersioni giornaliere sia d estate che d inverno con tute di cotone. 1) Aumento del metabolismo di base 2) Questo aumento varia con la stagione, minore d estate e maggiore d inverno. Meccanismo sconosciuto - Escluso aumento di tessuto adiposo sottocutaneo -La dieta è stata esclusa come fattore causale -La termogenesi indipendente da brivido è stata esclusa perché non presentano risposta termogenica dopo infusione di noradrenalina. Riscontrate variazioni stagionali nella sensibilità tissutale agli ormoni tiroidei (ANCHE GLI ORMONI TIROIDEI POSSONO STIMOLARE LA TERMOGENESI CHIMICA ATTRAVERSO LE UCP) Temperatura orale delle Ama durante la giornata lavorativa: In estate diminuzione di 2 C In inverno diminuzione di 4 C Dopo l uso delle tute in neoprene le Ama hanno perso questa forma di adattamento al freddo.

56 Adattamenti particolari Durante la corsa, sangue arterioso 44 C Nessun danno al sistema nervoso Scambio termico controcorrente nel circolo cerebrale Arteria carotide esterna si ramifica in una rete di piccole arterie che attraversano un grande seno venoso, questo accoglie sangue refluo dalle vie nasali (freddo). Temperatura cervello 3 C inferiore rispetto al sangue arterioso.

57 Set point (punto di regolazione) Temperatura del nucleo corporeo a 37,1 C La temperatura corporea varia di circa 1 C per ogni C di variazione della temperatura ambiente. Guadagno molto alto del sistema di feedback Il set-point può essere modificato dalla temperatura cutanea Es temperatura cute 33 C, set point 36,7 C temperatura cute 29 C, set point 37,4 C Cute fredda cambia la soglia del brivido (il brivido inizia a temperature ipotalamiche più alte)

58 Riflessi termoregolatori cutanei locali Es. piede vicino fonte di calore, sudorazione e vasodilatazione locale Avviene il contrario se lo raffreddiamo Febbre: aumento della temperatura corporea al di sopra dei limiti normali Es. -Batteri nel sangue o tessuti -fagocitosi da parte di leucociti, macrofagi tissutali linfociti Killer -liberazione di interleuchina-1 (pirogeno) -formazione di prostaglandina E2 (azione sull ipotalamo) -viene spostato il set-point ad uno stato febbrile Accessi di freddo: meccanismi per elevare la temperatura al set-point (cute fredda, brividi Crisi o defervescenza: se scompare il pirogeno, si abbassa il set-point, meccanismi per abbassare la temperatura (sudorazione e vasodilatazione generalizzata)