Neuroni-Immagine Credit Public Domain-
La scorsa estate, devastanti incendi hanno imperversato nelle regioni ghiacciate della Siberia, dell’Alaska e del Canada. Sono stati causati in parte dall’aumento delle temperature globali, che hanno accelerato la capacità dei batteri nel suolo di metabolizzare la materia vegetale e animale. Questi fenomeni ambientali hanno dimostrato un principio di base della fisica: la temperatura è uno dei componenti principali di una reazione chimica e anche cambiamenti apparentemente piccoli possono provocare impatti catastrofici.
I ricercatori ora sanno che la fisica alla base di questo fenomeno ambientale si applica anche all’attività cerebrale. In un articolo pubblicato sul Journal of Neural Engineering, i ricercatori hanno scoperto che piccoli aumenti di temperatura durante la stimolazione del cervello possono alterare profondamente l’attività cerebrale, a volte con conseguenze negative.
Steven Schiff, MD, vicePresidente per la salute globale in Neurochirurgia presso la Yale School of Medicine, è specializzato nell’intersezione tra ingegneria e neurochirurgia, una materia che gli fornisce le basi per applicare i principi della fisica ai processi biologici del cervello.
Tutta la stimolazione elettrica e magnetica del cervello deposita energia termica nel cervello. Schiff e i suoi coautori hanno teorizzato che i dispositivi cerebrali stimolanti elettrici come la stimolazione cerebrale profonda, utilizzati nei pazienti con epilessia e malattia di Parkinson, devono portare a cambiamenti di temperatura nel cervello.
I cambiamenti di temperatura nel cervello influenzano anche l’attivazione dei neuroni. All’interno delle membrane delle cellule nervose ci 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 adattarsi, possono produrre più attività neuronale o meno del solito. Anche piccole variazioni di temperatura dovute a stimoli elettrici del cervello inferiori a 1°C, potrebbero portare a cambiamenti sostanziali nell’attività neuronale. Man mano che i neuroni si riscaldano, possono tacere. Lasciali raffreddare alla loro temperatura normale e possono diventare molto eccitabili.
“Vedere questi drammatici effetti sull’attività cerebrale dovuti a piccoli cambiamenti di temperatura significa che ora dobbiamo tenere conto di tali piccoli cambiamenti di temperatura“, afferma Schiff, autore principale dello studio. “Il fisico James Joule, molto tempo fa, ci ha insegnato che se fai passare la corrente elettrica attraverso piccoli fili conduttivi per generare campi elettrici o magnetici per stimolare il cervello, generi calore sia nei fili che nel cervello“.
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Questo documento che cambia paradigma è stato presentato nel dicembre 2022, al meeting dell’American Epilepsy Society a Washington DC, dove è stato accolto con grande interesse.
“Questo documento è un vero tour de force di combinazione di diversi modelli di comportamento fisico per riesaminare alcuni ‘vecchi standard'”, afferma William Stacey, MD, Ph.D., Professore associato del dipartimento di neurologia e ingegneria biomedica presso l’Università del Michigan. “La combinazione di modellazione con sperimentazione intelligente ha fornito il risultato molto intrigante e inaspettato che il calore potrebbe sopprimere l’attivazione neurale. Forse questo modello potrebbe anche fornire alcuni nuovi metodi per manipolare l’attività neurale”.
Immagine:(a) Vista schematica della profondità (sopra) e dall’alto (sotto) della configurazione sperimentale, che mostra la posizione dell’elettrodo di registrazione del morsetto patch, dei sensori di temperatura e della bobina di stimolazione rispetto alla fetta cerebrale. (b) Foto della camera di registrazione e delle bobine di stimolazione. (c) Risposte rappresentative delle cellule piramidali dello strato V alla stimolazione AC (500 Hz sinusoidale continua, colonna di sinistra) e alla stimolazione DC (colonna di destra), frequenza di picchi combinata durante la prova di stimolazione (al centro) e temperatura misurata . Le barre nere indicano la durata dello stimolo. Credito: Università di Yale-
Daniel M. Goldenholz, MD, Ph.D., assistente Professore ad Harvard e autore di un recente articolo sul perché il raffreddamento è importante per il futuro del trattamento dell’epilessia, ha trovato importanti anche i risultati di questo studio. “Penso che il lavoro del Dr. Schiff e colleghi evidenzi la grande importanza dei cambiamenti di temperatura nel tessuto cerebrale e sarà probabilmente rilevante nei trattamenti dell’epilessia che possono includere il raffreddamento focale. Queste fluttuazioni devono essere meglio comprese e spiegate se vogliamo che le nostre terapie diventino più accurate. Sarei molto entusiasta di vedere come i risultati del Dr. Schiff verranno sfruttati in futuro per il trattamento delle convulsioni e per la neuromodulazione”, afferma Goldenholz.
