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The Autonomic Nervous System (ANS):

 

 

After studying these lectures, you should be able to. . 

 

1. Compare the structures and pathways of the autonomic system with 

those involved in the control of skeletal muscle. 

2.  Explain  how  autonomic  innervation  of  involuntary  effectors  differs 

from the innervation of skeletal muscle. 

3.  Describe  the  structure  and  general  functions  of  the  sympathetic 

division of the autonomic system. 

4. Describe the structure and general functions of the parasympathetic 

division of the autonomic system. 

5.  List  the  neurotransmitters  of  the  preganglionic  and  postganglionic 

neurons of the sympathetic and parasympathetic systems. 

6.  Describe  the  structural  and  functional  relationships  between  the 

sympathetic system and the adrenal medulla. 

7. Distinguish between the different types of adrenergic receptors and 

explain the physiological and clinical significance of these receptors. 

8. Explain how the autonomic system is controlled by the brain. 

 

The ANS coordinates cardiovascular, respiratory, digestive, urinary and 

reproductive functions. 

This system helps to control arterial pressure, gastrointestinal motility, 

gastrointestinal secretions, urinary bladder, sweating, body temperature, and 
many  other  activities.  Some  of  theses  activity  regulated  partially  and  some 

others entirely regulated by ANS. 

The most striking characteristic of ANS is the rapidity and intensity with 

which it can change visceral functions.  For example, it can increase heart rate 

twice normal within 3 to 5 seconds, and within 10 to 15 seconds the arterial 

pressure  can  be  double;  or  at  other  extreme,  the  arterial  pressure  can 

decrease within 5 seconds to fainting! 

 

Basic anatomy of ANS:  

• Preganglionic neuron 

– Cell body in brain or spinal cord. 
– Axon is myelinated type B fiber that extends to autonomic ganglion. 

 

• Postganglionic neuron 

– Cell body lies outside the CNS in an autonomic ganglion 
– 

Axon  is  unmyelinated  type  C  fiber  that  terminates  in  a  visceral 

effector. 


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2

 

 

 

 

The  ANS  is  composed  of  2  anatomically  and  functionally  distinct 

divisions,  the  sympathetic  system  and  the  parasympathetic  system.  Both 

systems  are  tonically  active.  In  other  words,  they  provide  some  degree  of 

nervous  input  to  a  given  tissue  at  all  times.  Therefore,  the  frequency  of 

discharge  of  neurons  in  both  systems  can  either  increase  or  decrease.  As  a 

result, tissue activity may be either enhanced or inhibited. This characteristic 

of the ANS improves its ability to more precisely regulate a tissue's function. 

Without tonic activity, nervous input to a tissue could only increase. 

Many tissues are innervated by both systems. Because the sympathetic 

system and the parasympathetic system typically have opposing effects on a 

given  tissue,  increasing  the  activity  of  one  system  while  simultaneously 

decreasing the activity of the other results in very rapid and precise control of 

a tissue's function. 

Sympathetic Division 

The  sympathetic  division  is  also  called  the  thoracolumbar  division  of 

the  autonomic  system  because  its  preganglionic  fibers  exit  the  spinal  cord 

from  the  first  thoracic  (T1)  to  the  second  lumbar  (L2)  levels.  Most 

sympathetic  nerve  fibers,  however,  separate  from  the  somatic  motor  fibers 

and synapse with postganglionic neurons within a double row of sympathetic 
ganglia,  called  paravertebral  ganglia,  located  on  either  side  of  the  spinal 

cord.  Ganglia  within  each  row  are  interconnected,  forming  a  sympathetic 

chain of ganglia that parallels the spinal cord on each lateral side. 

 


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3

 

 

 

The myelinated preganglionic sympathetic axons exit the spinal cord in 

the  ventral  roots  of  spinal  nerves,  but  they  soon  diverge  from  the  spinal 

nerves  within  short  pathways.  The  axons  within  each  ramus  enter  the 

sympathetic  chain  of  ganglia,  where  they  can  travel  to  ganglia  at  different 

levels and synapse with postganglionic sympathetic neurons. 

These ganglion chains, which run parallel immediately along either side 

of the spinal cord, each consist of 22 ganglia. The preganglionic neuron may 

exit the spinal cord and synapse with a postganglionic neuron in a ganglion at 

the same spinal cord level from which it arises. The preganglionic neuron may 

also travel more upward or downward in the ganglion chain to synapse with 


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4

 

postganglionic  neurons  in  ganglia  at  other  levels.  In  fact,  a  single 
preganglionic  neuron  may  synapse  with  several  postganglionic  neurons  in 

many different ganglia. 

The long postganglionic neurons originating in the ganglion chain then 

travel  outward  and  terminate  on the  effector  tissues.  This  divergence of  the 

preganglionic  neuron  results  in  coordinated  sympathetic  stimulation  to 

tissues throughout the body. The concurrent stimulation of many organs and 

tissues in the body is referred to as a mass sympathetic discharge. 

Other preganglionic neurons exit the spinal cord and pass through the 

ganglion chain without synapsing with a postganglionic neuron. Instead, the 

axons  of  these  neurons  travel  more  peripherally  and  synapse  with 

postganglionic neurons in one of the sympathetic collateral ganglia.  

These  include  the  celiac,  superior  mesenteric  and  inferior  mesenteric 

ganglia. Postganglionic fibers that arise from the collateral ganglia innervate 

organs of the digestive, urinary, and reproductive systems. 

Finally, the preganglionic neuron may travel to the adrenal medulla and 

synapse  directly  with  this  glandular  tissue.  The  cells  of  the  adrenal  medulla 

have  the  same  embryonic  origin  as  neural  tissue  and,  in  fact,  function  as 

modified  postganglionic  neurons.  Instead  of  the  release  of  neurotransmitter 

directly at the synapse with an effector tissue, the secretory products of the 

adrenal medulla are picked up by the blood and travel throughout the body to 

all of the effector tissues of the sympathetic system. 

An  important  feature  of  this  system,  which  is  quite  distinct  from  the 

parasympathetic  system,  is  that  the  postganglionic  neurons  of  the 
sympathetic system travel within each of the 31 pairs of spinal nerves. This 

allows for the distribution of sympathetic nerve fibers to the effectors of the 

skin including blood vessels and sweat glands. In fact, most innervated blood 

vessels  in  the  entire  body,  primarily  arterioles  and  veins,  receive  only 

sympathetic  nerve  fibers.  Therefore,  vascular  smooth  muscle  tone  and 

sweating  are  regulated  by  the  sympathetic  system  only.  In  addition,  the 

sympathetic  system  innervates  structures  of  the  head  (eye,  salivary  glands, 

and mucus membranes of the nasal cavity), thoracic viscera (heart, lungs) and 

viscera of the abdominal and pelvic cavities (eg, stomach, intestines, pancreas, 

spleen, adrenal medulla, and urinary bladder). 

 

Parasympathetic Division 

The  preganglionic  neurons  of  the  parasympathetic  system  arise  from 

several nuclei of the brainstem and from the sacral region of the spinal cord 

(segments  S2-S4).  The  axons  of  the  preganglionic  neurons  are  quite  long 

compared  to  those  of  the  sympathetic  system  and  synapse  with 

postganglionic  neurons  within  terminal  ganglia  which  are  close  to  or 

embedded  within  the  effector  tissues.  The  axons  of  the  postganglionic 


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neurons, which are very short, then provide input to the cells of that effector 
tissue. 

The  preganglionic  neurons  that  arise  from  the  brainstem  exit  the  CNS 

through the cranial nerves. The occulomotor nerve (III) innervates the eyes; 

the  facial nerve  (VII) innervates the  lacrimal gland,  the  salivary glands  and 

the mucus membranes of the nasal cavity; the glossopharyngeal nerve (IX) 

innervates the  parotid  (salivary)  gland;  and  the  vagus nerve  (X) innervates 

the  viscera  of  the  thorax  and  the  abdomen  (e.g.,  heart,  lungs,  stomach, 

pancreas,  small  intestine,  upper  half  of  the  large  intestine,  and  liver).  The 

physiological  significance  of  this  nerve  in  terms  of  the  influence  of  the 

parasympathetic  system  is  clearly  illustrated  by  its  widespread  distribution 

and the fact that 75% of all parasympathetic fibers are in the vagus nerve. The 

preganglionic neurons that arise from the sacral region of the spinal cord exit 
the CNS and join together to form the pelvic nerves. These nerves innervate 

the viscera of the pelvic cavity (eg, lower half of the large intestine and organs 

of the renal and reproductive systems). 

Because  the  terminal  ganglia  are  located  within  the  innervated  tissue, 

there is typically little divergence in the parasympathetic system compared to 

the sympathetic system. In many organs, there is a 1:1 ratio of preganglionic 

fibers  to  postganglionic  fibers.  Therefore,  the  effects  of  the  parasympathetic 

system tend to be more discrete and localized, with only specific tissues being 

stimulated at any given moment, compared to the sympathetic system where 

a more diffuse discharge. 

 
 

Neurotransmitters  of  the  Autonomic  Nervous 

System: 

 

The 2 most common neurotransmitters released by neurons of the ANS 

are  acetylcholine  and  norepinephrine.  Neurotransmitters  are  synthesized  in 

the axon varicosities and stored in vesicles for subsequent release.  

 

 

Nerve  fibers  that  release  acetylcholine  are  referred  to  as  cholinergic 

fibers. These include all preganglionic fibers of the ANS, both sympathetic and 

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parasympathetic  systems;  all  postganglionic  fibers  of  the  parasympathetic 
system;  and  sympathetic  postganglionic  fibers  innervating  sweat  glands. 

Nerve fibers that release norepinephrine are referred to as adrenergic fibers. 

Most sympathetic postganglionic fibers release norepinephrine. 

 

Distinguishing  Features  of  Neurotransmitters  of  the  Autonomic 

Nervous System were summarized in this table. 

 

 

 

 

 

 

As  previously  mentioned,  the  cells  of  the  adrenal  medulla  are 

considered  modified  sympathetic  postganglionic  neurons.  Instead  of  a 

neurotransmitter, these cells release hormones into the blood. Approximately 

20%  of  the  hormonal  output  of  the  adrenal  medulla  is  norepinephrine.  The 

remaining  80%  is  epinephrine.  Unlike  true  postganglionic  neurons  in  the 


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7

 

sympathetic system, the adrenal medulla contains an enzyme that methylates 
norepinephrine  to  form  epinephrine.  The  synthesis  of  epinephrine,  also 

known  as  adrenaline,  is  enhanced  under  conditions  of  stress.  These  2 

hormones released by the adrenal medulla are collectively referred to as the 

catecholamines. 

Receptors for Autonomic Neurotransmitters 

 

As  discussed  in  the  previous  section,  all  of  the  effects  of  the  ANS  in 

tissues and organs throughout the body, including smooth muscle contraction 

or  relaxation,  alteration  of  myocardial  activity,  and  increased  or  decreased 

glandular  secretion,  are  carried  out  by  only  3  substances,  acetylcholine, 

norepinephrine, and epinephrine. Furthermore, each of these substances may 

stimulate activity in some tissues and inhibit activity in others. 

 

The cholinergic nerve fibers: 

 

 

Cholinergic Neurons 

• Cholinergic neurons release the neurotransmitter 

In the ANS, the cholinergic neurons include: 

1) All sympathetic and parasympathetic preganglionic neurons 

2)  Sympathetic  postganglionic  neurons  that  innervate  most  sweat 

glands 

3) All parasympathetic postganglionic neurons 

Acetylcholine is stored in synaptic vesicles and released by exocytosis. 

It  diffuses  across  the  synaptic  cleft  and  binds  with  specific  cholinergic 

receptors, integral proteins in the postsynaptic plasma membrane. 

 

 Excitation or inhibition depending upon receptor subtype and organ 

involved 

 The two types of cholinergic receptors are nicotinic and muscarinic 

receptors. 

 Activation of nicotinic receptors causes excitation of the postsynaptic 

cell. 

=norepinephrine & epinephrine


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 Nicotinic receptors are found on the cell bodies of all postganglionic 

neurons,  both  sympathetic  and  parasympathetic,  in  the  ganglia  of  the  ANS 

(and  at  neuromuscular  junction).  Acetylcholine  released  from  the 

preganglionic  neurons  binds  to  these  nicotinic  receptors  and  causes  a  rapid 

increase in the cellular permeability to Na

+

 ions and Ca

++

 ions. The resulting 

influx  of  these  2  cations  causes  depolarization  and  excitation  of  the 

postganglionic neurons the ANS pathways. 

  Nicotine  mimics  the  action  of  acetylcholine  by  binding  to  these 

receptors. 

 Muscarinic receptors are found on the cell membranes of the effector 

tissues  and  are  linked  to  G  proteins  and  second  messenger  systems  which 
carry out the intracellular effects. 

  Activation  of  muscarinic  receptors  can  cause  either  excitation  or 

inhibition  depending  on  the  cell  that  bears  the  receptors.  For  example, 

muscarinic  receptor  stimulation  in  the  myocardium  is  inhibitory  and 

decreases  heart  rate  while  stimulation  of  these  receptors  in  the  lungs  is 

excitatory,  causing  contraction  of  airway  smooth  muscle  and 

bronchoconstriction. 

  Muscarinic  receptors  are  found  on  plasma  membranes  of  all 

parasympathetic  effectors.  Examples:  smooth  muscle,  cardiac  muscle  and 

glands. 

 

The adrenergic nerve fibers: 

 

 

In

 

The ANS, adrenergic neurons release norepinephrine (noradrenalin). 

 Most sympathetic postganglionic neurons are adrenergic. 

NE  is  synthesized  and  stored  in  synaptic  vesicles  and  released  by 

exocytosis. 

 Molecules of NE diffuse across the synaptic cleft and bind to specific 

adrenergic receptors on the postsynaptic membrane, causing either excitation 

or inhibition of the effector cell. 


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 The main types of adrenergic receptors are alpha and beta receptors. 

These  receptors  are  found  on  visceral  effectors  innervated  by  most 

sympathetic postganglionic axons. 

These receptors are further classified into subtypes. 

– Alpha1 and Beta1 receptors produce excitation 

– Alpha2 and Beta2 receptors cause inhibition 

 

  Effects  triggered  by  adrenergic  neurons  typically  are  longer  lasting 

than those triggered by cholinergic neurons 

  Cells  of  most  effectors  contain  either  alpha  or  beta  receptors. 

Norepinephrine stimulates alpha receptors more strongly than beta receptors 

 All of these receptors are linked to G proteins and second messenger 

systems which carry out the intracellular effects. 

Alpha receptors are the more abundant of the adrenergic receptors. Of 

the  2  subtypes,  α

1

  receptors  are  more  widely  distributed  on  the  effector 

tissues.  Alpha  one  receptor  stimulation  leads  to  an  increase  in  intracellular 

calcium.  As  a  result,  these  receptors  tend  to  be  excitatory.  For  example, 

stimulation  of  α

1

  receptors  causes  contraction  of  vascular  smooth  muscle 

resulting  in  vasoconstriction  and  increased  glandular  secretion  by  way  of 

exocytosis. 

Termination of Neurotransmitter Activity 

For any substance to serve effectively as a neurotransmitter, it must be 

rapidly  inactivated  or  removed  from  the  synapse  or,  in  this  case,  the 

neuroeffector junction. This is necessary in order to allow new signals to get 

through and influence effector tissue function. 

  The  primary  mechanism  used  by  cholinergic  synapses  is  enzymatic 

degradation.  Acetylcholinesterase  hydrolyzes  acetylcholine  to  its component 

choline  and  acetate.  It  is  one  of  the  fastest  acting  enzymes  in  the  body  and 

acetylcholine removal occurs in less than 1 msec. 

  The  most  important  mechanism  for  the  removal  of  norepinephrine 

from the neuroeffector junction is the reuptake of this neurotransmitter into 

the  sympathetic  nerve  that  released  it.  Norepinephrine  may  then  be 

metabolized intraneuronally by monoamine oxidase (MAO). 

 The circulating catecholamines, epinephrine and norepinephrine, are 

inactivated by catechol-O-methyltransferase (COMT) in the liver. 


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 ●  Certain  postganglionic  autonomic  axons  produce  their  effects 

through  mechanisms  that  do  not  involve  either  norepinephrine  or 

acetylcholine.  This  can  be  demonstrated  experimentally  by  the  inability  of 

drugs  that  block  adrenergic  and  cholinergic  effects  from  inhibiting  the 

actions of those autonomic axons. 

These  axons,  consequently,  have  been  termed  “nonadrenergic, 

noncholinergic  fibers.”  Proposed  neurotransmitters  for  these  axons  include 

ATP, a polypeptide called vasoactive intestinal peptide (VIP), and nitric oxide 

(NO). 

The  nonadrenergic,  noncholinergic  parasympathetic  axons  that 

innervate the blood vessels of the penis cause the smooth muscles of these 

vessels to relax, thereby producing vasodilation and a consequent erection of 

the penis.  

In a similar manner, nitric oxide appears to function as the autonomic 

neurotransmitter that causes vasodilation of cerebral arteries. 

Studies suggest that nitric oxide is not stored in synaptic vesicles, as are 

other  neurotransmitters,  but  instead  is  produced  immediately  when  Ca2+ 

enters  the  axon  terminal  in  response  to  action  potentials.  This  Ca2+ 

indirectly  activates  nitric  oxide  synthetase,  the  enzyme  that  forms  nitric 

oxide  from  the  amino  acid  L-arginine.  Nitric  oxide  then  diffuses  across  the 

synaptic  cleft  and  promotes  relaxation  of  the  postsynaptic  smooth  muscle 

cells. 

Nitric  oxide  can  produce  relaxation  of  smooth  muscles  in  many 

organs,  including  the  stomach,  small  intestine,  large  intestine,  and  urinary 
bladder.  

Indeed,  nitric  oxide  is  a  member  of  a  class  of  local  tissue  regulatory 

molecules called paracrine regulators. Regulation can therefore be a complex 

process  involving  the  interacting  effects  of  different  neurotransmitters, 

hormones, and paracrine regulators. 

 

Functions of the Autonomic Nervous System 

The 2 divisions of the ANS are dominant under different conditions. As 

stated  previously,  the  sympathetic  system  is  activated  during  emergency 

“fight-or-flight” reactions and during exercise. The parasympathetic system is 

predominant  during  quiet  conditions  (“rest  and  digest”).  As  such,  the 

physiological  effects  caused  by  each  system  are  quite  predictable.  In  other 
words,  all  of  the  changes  in  organ  and  tissue  function  induced  by  the 

sympathetic system work together to support strenuous physical activity and 

the changes induced by the parasympathetic system are appropriate for when 

the body is resting.  

 

 


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The “fight-or-flight” reaction elicited by the sympathetic system is 

essentially a whole body response. 

 

Changes  in  organ  and  tissue  function  throughout  the  body  are 

coordinated  so  that  there  is  an  increase  in  the  delivery  of  well-oxygenated, 

nutrient-rich  blood  to  the  working  skeletal  muscles.  Both  heart  rate  and 

myocardial contractility are increased so that the heart pumps more blood per 

minute.  Sympathetic  stimulation  of  vascular  smooth  muscle  causes 

widespread vasoconstriction, particularly in the organs of the gastrointestinal 

system  and  in  the  kidneys.  This  vasoconstriction  serves  to  “redirect”  or 

redistribute  the  blood  away  from  these  metabolically  inactive  tissues  and 

toward  the  contracting  muscles.  Bronchodilation  in  the  lungs  facilitates  the 

movement of air in and out of the lungs so that the uptake of oxygen from the 

atmosphere  and  the  elimination  of  carbon  dioxide  from  the  body  are 

maximized. An enhanced rate of glycogenolysis (breakdown of glycogen into 

its  component  glucose  molecules)  and  gluconeogenesis  (formation  of  new 

glucose  from  noncarbohydrate  sources)  in  the  liver  increases  the 

concentration  of  glucose  molecules  in  the  blood.  This  is  necessary  for  the 

brain  as  glucose  is  the  only  nutrient  molecule  that  it  can  utilize  to  form 

metabolic energy. An enhanced rate of lipolysis in adipose tissue increases the 

concentration  of  fatty  acid  molecules  in  the  blood.  Skeletal  muscles  then 

utilize these fatty acids to form metabolic energy for contraction. Generalized 

sweating  elicited  by  the  sympathetic  system  enables  the  individual  to 
thermoregulate  during  these  conditions  of  increased  physical  activity  and 

heat production. Finally, the eye is adjusted such that the pupil dilates letting 

more light in toward the retina (mydriasis) and the lens adapts for distance 

vision. 


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The parasympathetic system decreases heart rate which helps to 

conserve energy under resting conditions. 

 

Salivary  secretion  is  enhanced  to  facilitate  the  swallowing  of  food. 

Gastric  motility  and  secretion  are  stimulated  to  begin  the  processing  of 

ingested food. Intestinal motility and secretion are also stimulated to continue 

the  processing  and  to  facilitate  the  absorption  of  these  nutrients.  Both 

exocrine  and  endocrine  secretion  from  the  pancreas  is  promoted.  Enzymes 

released from the exocrine glands of the pancreas contribute to the chemical 

breakdown  of  the  food  in  the  intestine  and  insulin  released  from  the 

pancreatic islets promotes the storage of nutrient molecules within the tissues 

once  they  are  absorbed  into  the  body.  Another  bodily  maintenance  type  of 

function caused by the parasympathetic system is contraction of the urinary 

bladder  which  results  in  urination.  Finally,  the  eye is  adjusted  such that  the 

pupil contracts (miosis) and the lens adapts for near vision. 

 

Adrenal Medulla 

A mass sympathetic discharge, which typically occurs during the “fight-

or-flight” response and during exercise, involves the simultaneous stimulation 

of organs and tissues throughout the body. Included among these tissues are 

the  adrenal  medullae  which  release  epinephrine  (80%)  and  norepinephrine 

(20%)  into  the  blood.  In  large  part,  the  indirect  effects  of  these 

catecholamines  are  similar  to  and,  therefore,  reinforce  those  of  direct 

sympathetic  stimulation.  However,  there  are  some  important  differences  in 
the  effects  of  the  circulating  catecholamines  and  those  of  norepinephrine 

released from sympathetic nerves. 


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Figure 2: The direct release of NE to the blood. 

 The duration of activity of the catecholamines is significantly longer 

than that of neuronally released norepinephrine. Therefore, the effects on the 

tissues are more prolonged. This difference has to do with the mechanism of 
inactivation  of  these  substances.  Norepinephrine  is  immediately  removed 

from  the  neuroeffector  synapse  by  way  of  reuptake  into  the  postganglionic 

neuron.  This  rapid  removal  limits  the  duration  of  the  effect  of  this 

neurotransmitter. In contrast, there are no enzymes in the blood to degrade 

the  catecholamines.  Instead,  the  catecholamines  are  inactivated  by  COMT  in 

the liver. As one might expect, the hepatic clearance of these hormones from 

the blood would require several passes through the circulation. Therefore, the 

catecholamines are available to cause their effects for a comparatively longer 

period of time (up to 1-2 minutes as opposed to milliseconds). 

  Because  they  travel  in  the  blood,  organs  and  tissues  throughout  the 

body  are  exposed  to  the  catecholamines.  Therefore,  they  are  capable  of 
stimulating tissues that are not directly innervated by sympathetic nerve 

fibers: airways smooth muscle, hepatocytes, and adipose tissue, in particular. 

As  a  result,  the  catecholamines  have  a  much  wider  breadth  of  activity 

compared to norepinephrine released from sympathetic nerves. It also causes 

a great increase in the basal metabolic rate (BMR). 

  The  third  important  feature  that  distinguishes  the  catecholamines 

from neuronally released norepinephrine involves epinephrine's  affinity for 

β

2

 receptors. Norepinephrine has a very limited affinity for these receptors. 

Therefore,  circulating  epinephrine  causes  effects  that  differ  from  those  of 

direct sympathetic innervations including a greater stimulatory effect on the 

heart  and  relaxation  of  smooth  muscle  (vascular,  bronchial,  gastrointestinal, 
and genitourinary). 

Epinephrine and norepinephrine have equal affinity for β

1

 receptors, the 

predominant  adrenergic  receptor  on  the  heart.  However,  the  human  heart 

also contains a small percentage of β

2

 receptors which, like β

1

 receptors are 


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15

 

excitatory. Therefore, epinephrine is capable of stimulating a greater number 
of receptors and of causing a greater stimulatory effect on the myocardium. 

Beta  two  adrenergic  receptors  are  also  found  on  smooth  muscle  in 

several  organ  systems.  These  receptors  tend  to  be  inhibitory  and  cause 

relaxation of the smooth muscle. Vascular smooth muscle in skeletal muscle 

contains both α

1

 and β

2

 receptors. Norepinephrine, which stimulates only the 

excitatory  α

1

  receptors,  causes  strong  vasoconstriction.  However, 

epinephrine,  which  stimulates  both  types  of  receptors,  causes  only  weak 

vasoconstriction.  The  vasodilatation  resulting  from  β

2

  receptor  stimulation 

opposes  and,  therefore,  weakens  the  vasoconstriction  resulting  from  α

1

 

receptor  stimulation.  Given  that  skeletal  muscle  may  account  for  40%  of  an 

adult's  body  weight,  the  potential  difference  in  vasoconstriction,  blood 
pressure, and the distribution of blood flow could be quite significant. 

Another noteworthy example of the relaxation of smooth muscle by way 

of  β

2

  receptor  stimulation  involves  the  airways.  Bronchodilation,  or  the 

opening of the airways, facilitates airflow in the lungs. Any direct sympathetic 

innervation  to  the  lungs  is  irrelevant  in  this  respect,  as  only  circulating 

epinephrine  is  capable  of  stimulating  these  receptors  on  airway  smooth 

muscle. 

Synthesis of NE: 

 

Tyrosine 

 

(hydroxylation) 

═►

DOPA 

 

(decarboxylation) 

══►

Dopamine transport in vesicles ═ (hydroxylation) ═►nor epinephrine ═ 

(methylation) ═► Epinephrine 

 

When NE or E come in contact with receptors on cell membrane of the 

effector  cells  →  receptor  transmitter  complex  →activated  enzyme  adenyl 

cyclase → cyclic AMP → Phosphorylation of Voltage-dependent Ca

++

 channels 

→ increase intracellular Ca

++ 

 . 

Sympathetic and parasympathetic tones: 

The  ANS  is  continuously  active.  The  basal  rate  of  activity  is  called 

"Tone". The tone can be increased or decreased. 


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16

 

 

 

Interactions  between  the  Sympathetic  and 

Parasympathetic Divisions: 

Most  visceral  organs  receive  dual  innervation—they  are 

innervated by both sympathetic and parasympathetic fibers. In this 

condition,  the  effects  of  the  two divisions  of  the  autonomic  system 

may be antagonistic, complementary, or cooperative 

 

Antagonistic Effects 

The effects of sympathetic and parasympathetic innervation of 

the  pacemaker  region  of  the  heart  is  the  best  example  of  the 

antagonism  of  these  two  systems.  In  this  case,  sympathetic  and 
parasympathetic  fibers  innervate  the  same  cells.  Adrenergic 

stimulation  from  sympathetic  fibers  increases  the  heart  rate, 

whereas  the  release  of  acetylcholine  from  parasympathetic  fibers 

decreases the heart rate. A reverse of this antagonism is seen in the 

digestive  tract,  where  sympathetic  nerves  inhibit  and 

parasympathetic  nerves  stimulate  intestinal  movements  and 

secretions. 

 

Complementary and Cooperative Effects 

The  effects  of  sympathetic  and  parasympathetic  nerves  are 

generally  antagonistic;  in  a  few  cases,  however,  they  can  be 

complementary  or  cooperative.  The  effects  are  complementary 
when sympathetic and parasympathetic stimulation produce similar 

effects. The effects are cooperative, or synergistic, when sympathetic 

and parasympathetic stimulation produce different effects that work 

together to promote a single action. 

The effects of sympathetic and parasympathetic stimulation on 

salivary gland secretion are complementary. The secretion of watery 


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17

 

saliva is stimulated by parasympathetic nerves, which also stimulate 
the  secretion  of  other  exocrine  glands  in  the  digestive  tract. 

Sympathetic  nerves  stimulate  the  constriction  of  blood  vessels 

throughout the digestive tract. The resultant decrease in blood flow 

to the salivary glands causes the production of thicker, more viscous 

saliva.  

The effects of sympathetic and parasympathetic stimulation on 

the reproductive and urinary systems are cooperative. 

Erection  of  the  penis,  for  example,  is  due  to  vasodilation 

resulting from parasympathetic nerve stimulation; ejaculation is due 

to stimulation through sympathetic nerves. The two divisions of the 

autonomic  system  thus  cooperate  to  enable  sexual  function  in  the 

male.  

 

Organs without Dual Innervation 

Although most organs are innervated by both sympathetic and 

parasympathetic  nerves,  some—including  the  adrenal  medulla, 

arrector pili muscles, sweat glands, and most blood vessels—receive 

only sympathetic innervation. In these cases, regulation is achieved 

by increases or decreases in the tone (firing rate) of the sympathetic 

fibers.  Constriction  of  cutaneous  blood  vessels,  for  example,  is 

produced  by  increased  sympathetic  activity  that  stimulates  alpha-

adrenergic  receptors,  and  vasodilation  results  from  decreased 

sympathetic nerve stimulation. 

The  sweat  glands  in  the  trunk  secrete  a  watery  fluid  in 

response to cholinergic sympathetic stimulation. Evaporation of this 

dilute  sweat  helps  to  cool  the  body.  At  the  end  of  exercise, 

sympathetic stimulation is reduced, causing cutaneous blood vessels 

to  dilate.  This  increases  blood  flow  to  the  skin,  which  helps  to 

eliminate metabolic heat. 

 

 

Regulation of Autonomic Nervous System Activity 
 

The  efferent  nervous  activity  of  the  ANS  is  largely  regulated  by 

autonomic  reflexes.  In  many  of  these  reflexes,  sensory  information  is 

transmitted to homeostatic control centers, in particular, those located in the 

hypothalamus  and  brainstem.  Much  of  the  sensory  input  from  the  thoracic 

and  abdominal  viscera  is  transmitted  to  the  brainstem  by  afferent  fibers  of 

cranial nerve X, the vagus nerve. Other cranial nerves also contribute sensory 

input to the hypothalamus and the brainstem. This input is integrated and a 


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18

 

response is carried out by the transmission of nerve signals that modify the 
activity of preganglionic autonomic neurons. Many important variables in the 

body  are  monitored  and  regulated  in  the  hypothalamus  and  the  brainstem 

including heart rate, blood pressure, gastrointestinal peristalsis and glandular 

secretion,  body  temperature,  hunger,  thirst,  plasma  volume,  and  plasma 

osmolarity. 

An example of this type of autonomic reflex is the baroreceptor reflex. 

Baroreceptors  located  in  some  of  the  major  systemic  arteries  are  sensory 

receptors  that  monitor  blood  pressure.  If  blood  pressure  decreases,  the 

number  of  sensory  impulses  transmitted  from  the  baroreceptors  to  the 

vasomotor center in the brainstem also decreases. As a result of this change in 

baroreceptor stimulation and sensory input to the brainstem, ANS activity to 
the  heart  and  blood  vessels  is  adjusted  to  increase  heart  rate  and  vascular 

resistance so that blood pressure increases to its normal value. 

These  neural  control  centers  in  the  hypothalamus  and  the  brainstem 

may also be influenced by higher brain areas. Specifically, the cerebral cortex 

and  the  limbic  system  influence  ANS  activities  associated  with  emotional 

responses  by  way  of  hypothalamic-brainstem  pathways.  For  example, 

blushing during an embarrassing moment, a response most likely originating 

in the frontal association cortex, involves vasodilation of blood vessels to the 

face.  Other  emotional  responses  influenced  by  these  higher  brain  areas 

include fainting, breaking out in a cold sweat, and a racing heart rate. 

Some  autonomic  reflexes  may  be  processed  at  the  level  of  the  spinal 

cord.  These  include  the  micturition  reflex  (urination)  and  the  defecation 

reflex.  Although  these  reflexes  are  subject  to  influence  from  higher  nervous 

centers, they may occur without input from the brain. 

 

End

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
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