riepilogo: Un leggero aumento della temperatura durante la stimolazione cerebrale può modificare l’attività cerebrale, a volte con conseguenze negative.
fonte: Yale
La scorsa estate, devastanti incendi hanno imperversato nelle gelide regioni della Siberia, dell’Alaska e del Canada. Sono stati causati in parte dall’aumento delle temperature globali, che hanno accelerato la capacità dei batteri del suolo di metabolizzare la materia vegetale e animale.
Questi fenomeni ambientali hanno dimostrato un principio fondamentale della fisica: la temperatura è un componente chiave di una reazione chimica e anche cambiamenti apparentemente piccoli possono portare a effetti catastrofici. Riscalda una torbiera siberiana più velocemente di quanto possa rilasciare carbonio nell’atmosfera e avrai un incendio tra le mani, anche a temperature sotto lo zero.
I ricercatori ora sanno che la fisica alla base di questo fenomeno ambientale si applica anche all’attività cerebrale. In un articolo pubblicato in Giornale di ingegneria neuraleI ricercatori hanno scoperto che piccoli aumenti di temperatura durante la stimolazione cerebrale possono alterare drasticamente l’attività cerebrale, a volte con conseguenze negative.
Stephen Schiff, MD, vicepresidente della salute globale in neurochirurgia presso la Yale University School of Medicine, è specializzato nell’intersezione tra ingegneria e neurochirurgia, che gli fornisce le basi per applicare i principi della fisica ai processi biologici del cervello.
Poiché l’attività nei fili produce calore, tutta la stimolazione elettrica e magnetica del cervello deposita energia termica nel cervello. Schiff ei suoi colleghi hanno teorizzato che i dispositivi di stimolazione cerebrale elettrica come la stimolazione cerebrale profonda, utilizzati nei pazienti con epilessia e morbo di Parkinson, dovrebbero portare a cambiamenti nella temperatura cerebrale.
I cambiamenti di temperatura nel cervello influenzano anche l’attivazione dei neuroni. Il rivestimento delle membrane delle cellule nervose sono pompe molecolari che caricano elettricamente le cellule con l’energia che rilasciano durante l’attività cerebrale. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che se le cellule vengono riscaldate più velocemente di quanto le cariche possano sopportare, possono produrre più o meno attività neuronale del normale.
Anche lievi variazioni di temperatura dovute alla stimolazione elettrica del cervello, inferiori a 1°C, possono portare a cambiamenti sostanziali nell’attività neuronale. Quando i neuroni sono caldi possono diventare silenziosi. Lasciali raffreddare alla loro temperatura normale e possono diventare ancora più caldi.
“Vedere effetti così drammatici sull’attività cerebrale da piccoli cambiamenti di temperatura significa che ora dobbiamo tenere conto di questi piccoli cambiamenti di temperatura”, afferma Schiff, autore principale dello studio.
“[Physicist James] Joule ci ha insegnato, molto tempo fa, che non c’è modo di aggirare questo problema. Se fai passare una corrente elettrica attraverso piccoli fili conduttori per generare campi elettrici o magnetici per stimolare il cervello, generi calore sia nei fili che nel cervello conduttore”.
Questo documento sul cambio di paradigma è stato presentato nel dicembre 2022, all’incontro della Epilepsy Society of America a Washington, DC, dove è stato accolto con grande interesse.
In che modo questi cambiamenti di temperatura influiscono sul paziente e come possono essere sfruttati per migliorare i risultati? In ambito clinico, i chirurghi hanno precedentemente notato che un effetto collaterale comune dell’impianto di neurostimolatori è che l’attività cerebrale stimolata spesso diminuisce con la stimolazione elettrica o magnetica.
Il documento indica una ragione forte e convincente per questo fenomeno. Se vero, afferma il dott. Schiff, questa scoperta potrebbe aiutare i medici a calibrare l’uso di questi dispositivi in modo più accurato.
dice William Stacy, MD, PhD, professore associato presso il Dipartimento di Neuroscienze e Ingegneria Biomedica presso l’Università del Michigan.
“La combinazione della modellazione con esperimenti intelligenti ha presentato un risultato molto interessante e inaspettato che il calore può inibire l’attivazione dei nervi. Questo modello può anche fornire alcuni nuovi approcci alla manipolazione dell’attività neurale”.
Anche Goldenholz, MD, PhD, assistente professore di epilessia all’Università di Harvard e autore di un recente articolo sul perché il raffreddamento focale è importante per il futuro del trattamento dell’epilessia focale, ha trovato importanti i risultati.
“Penso che il lavoro del dottor Schiff e colleghi evidenzi l’enorme importanza dei cambiamenti di temperatura nel tessuto cerebrale ed è potenzialmente rilevante per i trattamenti dell’epilessia che possono includere il raffreddamento focale. Queste fluttuazioni devono essere meglio comprese e considerate se vogliamo rendere i nostri trattamenti più preciso. .
“Sarei molto entusiasta di vedere come le scoperte del Dr. Schiff verranno sfruttate in futuro per il trattamento delle convulsioni e per la neuromodulazione”, afferma Goldenholz.
Informazioni su questa notizia sulla ricerca sulle neuroscienze
autore: Jennifer Chen
fonte: Yale
comunicazione: Jennifer Chen – Yale
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Ricerca originale: accesso libero.
“Effetti termici sui neuroni durante la stimolazione cerebraleScritto da TaeKen Kim et al. Giornale di ingegneria neurale
un sommario
Effetti termici sui neuroni durante la stimolazione cerebrale
Guarda anche
Tutta la stimolazione elettrica e magnetica del cervello deposita energia termica nel cervello. Ciò avviene o attraverso il riscaldamento joule dei conduttori che trasportano corrente attraverso gli elettrodi e le bobine magnetiche, o attraverso la dissipazione di energia nel cervello conduttivo.
obbiettivo.
Sebbene l’interazione elettrica con il tessuto cerebrale sia inseparabile dagli effetti termici quando si utilizzano gli elettrodi, l’induzione magnetica ci consente di separare il riscaldamento Joule dagli effetti di induzione variando la guida CA e CC delle bobine magnetiche utilizzando la stessa deposizione di energia all’interno dei conduttori. Poiché i neuroni corticali dei mammiferi non hanno alcuna sensibilità nota ai campi magnetici statici, e se non vi è alcuna evidenza di un effetto sulla temporizzazione dei picchi dei campi magnetici oscillanti, possiamo ipotizzare che le correnti elettriche indotte all’interno del cervello siano inferiori al rumore di tiro molecolare in quanto vi è nessuna interazione con il tessuto puramente termico.
In avvicinamento.
In questo studio, abbiamo esaminato una gamma di frequenze prodotte da bobine micromagnetiche che operano al di sotto della soglia del rumore molecolare dell’interazione elettrica con i singoli neuroni.
Risultati chiave.
Troviamo che le piccole temperature aumentano e diminuiscono di 1 ∘C ha indotto una costante soppressione transitoria ed eccitazione dei neuroni durante il cambiamento di temperatura. La modellazione numerica biofisica ha dimostrato che la pompa Na-K e, in misura minore, il potenziale di Nernst, possono spiegare questi effetti transitori. Questi effetti dipendono dai flussi ionici parziali e dalla velocità di variazione della temperatura.
indicazione.
Una nuova biforcazione è stata descritta nella dinamica del modello che tiene conto della soppressione e dell’eccitazione transitoria; Inoltre, notiamo la notevole somiglianza della dipendenza dalla velocità di questa biforcazione con altri punti critici dipendenti dalla velocità di riscaldamento nelle dinamiche del riscaldamento globale.
Questi risultati sperimentali e teorici dimostrano che la stimolazione cerebrale deve tenere conto dei piccoli effetti termici che sono onnipresenti nella stimolazione elettrica e magnetica.
Modelli più sofisticati dell’interazione della corrente elettrica con i neuroni combinati con gli effetti termici porteranno a una modulazione più sottile dell’attività neuronale.
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