ホメオスタシスとフィードバック制御

生理学の組織化された概念：動物が、センサー、コントローラー、エフェクターから構築されたフィードバックループを用いて、絶え間ない擾乱に対して内部環境の状態をいかに安定に保つか。

Definition

ホメオスタシスとは、外部および内部からの擾乱にもかかわらず、比較的安定した内部環境を維持することであり、主にセンサー、統合中枢、エフェクターを結びつける負のフィードバックループからなる制御システムによって達成されます。これらのシステムは、調節変数の設定値からの逸脱を検出し、それに拮抗するように作用します。

Scope

このトピックは、ホメオスタシスの原理とそれを達成する制御システムについて扱います。具体的には、内部環境とその調節の概念、負および正のフィードバックループの構造、設定値とその調整、神経系および内分泌系エフェクターの統合などです。ホメオスタシスを生理学の統一的な枠組みとして扱い、温度、血液ガス、イオン、燃料などの調節変数がどのように安定化されるかを検証します。比較および概念的な内容を含みます。

Core questions

• 一定の内部環境を維持するとはどういう意味ですか？
• フィードバックループはどのように構成されており、なぜ負のフィードバックがこれほど一般的なSのですか？
• 設定値の役割は何ですか、またそれは変化しうるのですか？
• 不安定化する傾向があるにもかかわらず、正のフィードバックが有用なのはどのような場合ですか？

Key theories

ホメオスタシスと内部環境の恒常性

動物は、体液の組成やその他の内部状態をほぼ一定に保つように調節します。これはベルナールの内部環境の概念に根ざし、キャノンによってホメオスタシスと名付けられた考えであり、生理学の組織原理として機能します。

負のフィードバック制御

調節変数は、センサーが設定値からの逸脱を検出し、エフェクターがそれを逆転させるように作用する負のフィードバックループによって安定化されます。一方、時折生じる正のフィードバックは、自己増幅的なプロセスを完了へと導きます。

Mechanisms

ホメオスタシス制御システムは、調節変数を監視するセンサー、それを設定値と比較する統合中枢、および逸脱を修正するために作用するエフェクターを含みます。主要なモードである負のフィードバックでは、変数のいかなる変化もそれに拮抗する応答を引き起こし、変数を設定値に戻し、狭い範囲内に保ちます。例としては、体温、血液ガス、イオン、血糖、体液バランスの制御があり、しばしば神経系と内分泌系のエフェクターが組み合わされて作用します。設定値は固定されておらず、発熱時に体温設定値が上昇したり、順応によって変化したりするように、リセットされることがあります。正のフィードバックは、応答が元の変化を増幅するものであり、神経インパルスや迅速に完了する必要がある事象などのプロセスを駆動するために控えめに使用されます。複数のループの冗長性と統合が、生理学的調節に安定性をもたらします。

Clinical relevance

ホメオスタシスとフィードバックの枠組みは、生理学的調節の解釈、およびその破綻が内部環境の擾乱にいかに繋がるかの解釈の基礎となります。この項目は教育的な参考資料であり、医学的な助言を提供するものではありません。

History

クロード・ベルナールによる19世紀の内部環境の恒常性という概念は、ウォルター・キャノンによって発展され、彼は1932年にホメオスタシスという用語を造語しました。その後、制御理論の考え方がフィードバック調節を形式化し、ホメオスタシスを現代生理学の中心的な組織原理としました。

Key figures

• Claude Bernard
• Walter Cannon
• Knut Schmidt-Nielsen
• Arthur Guyton

Seminal works

• cannon1932
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

なぜ負のフィードバックは体内でそれほど重要なのですか？

負のフィードバックは、調節変数の設定値からのあらゆる逸脱に自動的に拮抗し、温度、血糖、イオンレベルなどの状態を、絶え間ない外部からの指示なしに安定に保ちます。

体は正のフィードバックを使用することがありますか？

はい、しかし控えめに使用されます。正のフィードバックは変化を増幅し、安定性を維持するためではなく、神経インパルスの立ち上がり相のように、迅速に完了する必要があるプロセスを駆動するために使用されます。