Температурные изменения в головном мозге влияют на активность нейронов
Ученые исследуют влияние температурных изменений на активность нейронов головного мозга, 21 февраля сообщает Journal of Neural Engineering.
Летом прошлого года сильные лесные пожары бушевали в достаточно холодных регионах Сибири, Аляски и Канады. Пожары повлекли за собой различные биологические процессы, в том числе способность бактерий в почве метаболизировать растительную и животную пищу. Эти явления окружающей среды продемонстрировали основной принцип физики, что температура является одним из основных компонентов химической реакции, и даже, казалось бы, небольшие изменения могут привести к катастрофическим последствиям.
Нагрейте сибирское торфяное болото быстрее, чем оно сможет выбросить углерод в атмосферу, и вы получите лесной пожар — даже при отрицательных температурах.
Исследователи теперь знают, что физика, лежащая в основе этого явления окружающей среды, применима и к мозговой деятельности. Они обнаружили, что небольшое повышение температуры при стимуляции мозга может сильно изменить активность мозга, иногда с негативными последствиями.
Стивен Шифф, доктор медицинских наук, заместитель председателя по глобальному здравоохранению в области нейрохирургии Йельской школы медицины, специализируется на стыке инженерии и нейрохирургии, что дает ему основу для применения принципов физики к биологическим процессам в мозге.
Поскольку активность проводов приводит к выделению тепла, всякая электрическая и магнитная стимуляция мозга отдает тепловую энергию в мозг. Шифф и его соавторы предположили, что электрические стимуляторы головного мозга, такие как глубокая стимуляция мозга, используемые у пациентов с эпилепсией и болезнью Паркинсона, должны приводить к изменениям температуры в мозге.
Температурные изменения в мозге также влияют на возбуждение нейронов. Выстилающие мембраны нервных клеток молекулярные насосы электрически заряжают клетки энергией, которую они высвобождают во время активности мозга. Исследователям удалось доказать, что если клетки нагреваются быстрее, чем могут приспособиться заряды, то они могут либо производить больше активности нейронов, либо меньше, чем обычно. Даже небольшие изменения температуры вследствие электрической стимуляции мозга менее чем на 1°С могут привести к существенным изменениям активности нейронов. Когда нейроны нагреваются, они могут замолчать. Дайте им остыть до нормальной температуры, и они могут стать очень возбудимыми.
«Наблюдение за этими эффектами мозговой активности от небольших изменений температуры означает, что теперь нам необходимо принимать во внимание даже небольшие изменения температуры», — говорит Шифф, ведущий автор исследования.
«Физик Джеймс Джоуль давно научил нас, что эту проблему невозможно обойти. Если вы пропускаете электрический ток через тонкие проводящие провода, чтобы генерировать электрические или магнитные поля для стимуляции мозга, вы выделяете тепло как в проводах, так и в проводящий мозг».
Этот документ, меняющий парадигму, был представлен в декабре 2022 года на собрании Американского общества эпилепсии в Вашингтоне, округ Колумбия, где он был встречен с большим интересом.
Как эти изменения температуры влияют на пациента и как их можно использовать для улучшения результатов, еще предстоит выяснить. В клинических условиях хирурги ранее наблюдали, что распространенным побочным эффектом имплантации стимуляторов нервной системы является то, что активность стимулированного мозга часто снижается при электрической или магнитной стимуляции. В документе указывается на сильную правдоподобную причину этого явления. Если это правда, говорит доктор Шифф, это открытие может помочь врачам более точно откалибровать использование этих устройств.
Даниэль М. Гольденхольц, доктор медицинских наук, доцент кафедры эпилепсии в Гарварде и автор недавней статьи о том, почему фокальное охлаждение важно для будущего лечения фокальной эпилепсии, также считает результаты важными.
Работа доктора Шиффа и его коллег подчеркивает огромную важность температурных изменений в тканях головного мозга и, вероятно, будет уместна при лечении эпилепсии, которое может включать фокальное охлаждение. Эти колебания необходимо лучше понять и учесть, если мы хотим, чтобы наши методы лечения становились более точными.
