تاثیر درجه حرارت بر عملکرد مغز و رشد و تکثیر سلولهای مغزی چگونه است قسمت اول

دکتر سید سلمان فاطمی [ متخصص داخلی مغز و اعصاب ]آدرس وب سایت : www.dr-salmanfatemi.ir
آدرس مطب : اصفهان ، خیابان آمادگاه ، روبروی داروخانه سپاهان ، مجتمع اطبا ، طبقه اول تلفن مطب : 32223328 - 031

تأثير درجه حرارت بر سلولهای مغزی و عملکرد آنها چگونه است؟ جواب به این سوال بحث جالبی است- که به امروز و آینده ما مربوط می شود.

افزایش گرمای کره زمین مغزهای ما را تحلیل می برد و یا در دراز مدت ، تاثیر مثبتی بر مغزهای ما دارد ؟
همه نگران گرم شدن زمین هستند ولی آیا اگر زمین سرد می شد بر مغزهای ما تاثیر بهتری داشت؟ آیا اگر به دوره های یخبندان پیش از تاریخ بر مي گشتيم، زندگی بهتری داشتيم ؟ فکر نمی کنم درختان بی بار و بی میوه يخبندانهاي زمستان که هنوز چند ماهي آن را در کشوری مانند ایران تجربه می کنيم، برای موجودات زنده مناسب باشد نمونه آن را میتوان با ماندن زیر خروار برف و یخ تجربه کرد و می بینیم که سلولهاي موجود زنده خيلي زود، عملکرد خود را از دست خواهند داد و خواهد مرد.پس درجه حرارت پایین در حد یخ بستن آب اصلا چیز جالبی برای حیات و عملکرد سلولها از جمله سلولهای مغزی نیست .

درجه حرارت چیست ؟
درجه حرارت یک چیز نسبی است و وابسته به دستگاههای اندازه گیری درجه حرارت می باشد. اینکه بگوئیم مثلا درجه حرارت صفر سلسیوس، یک صفر واقعی است اینگونه نمی باشد، این ما هستیم که با scaling و درجه بندی، مقياسهايي را برای اندازه گیری درجه حرارت ابداع کرده ایم. شاید اگر کسی با دستگاههای اندازه گیری سلسیوس درجه حرارت را اندازه بگیرد، عدد صفر را بخواند . ولی اگر همان فرد با دستگاه اندازه گیری حرارت فارنهایت درجه حرارت را بسنجد، عدد صفر نميخواند بلکه عدد 32 را میخواند ( فرمول تبدیل دو مقیاس 32+ (1.8*سانتی گراد )=فارنهایت )

البته دانشمندان بر اساس بی حرکت شدن و به صفر رسیدن انتروپي، صفر مطلق را تعریف کرده اند . دمای صفر کلوین ( به انگلیسی : Absolute zero) به صفر مطلق معروف است. در واقع در این دما آنتروپی صفر میشود. به طور دقیق این دما برابر ۲۷۳٫۱۵- درجهٔ سلسیوس (سانتیگراد) و یا ۴۵۹٫۶۷- درجهٔ فارنهایت است. لرد کلوین تصور میکرد که از دمای صفر کلوین نمیتوان به دمای کمتری دست یافت.

در سال ۲۰۰۰ دانشگاه صنعتی هلسینکی اعلام کرد که به پایینترین دمای ممکن در آزمایشگاه دست یافتهاند. این دما ۱۰۰ پیکو کلوین است که هنوز ۱۰۰ پیکو کلوین از دمای صفر کلوین گرم تر است. بنابر نظریههای تثبیت شدهٔ ترمودینامیک ومکانیک آماری، دمای صفر کلوین پایینترین دمای ممکن است.در این دما انرژی جنبشی ذرات سازنده به کمینه خود میرسد و آنتروپی نیز صفر میگردد.( Oxford Dictionary of Physics. Oxford Un)

ميدانيم که مایع حیات در کره زمین، آب است و آب در شکل مایع آن میتواند برای حیات سودمند باشد . در شکل جامد آن- که حرکت مولکولهاي آب و قابلیت نفوذ و حرکت آن به شدت کاهش می یابد- فعالیتهای زیستی کند می شود و حالتي ايستا رخ میدهد. باز درجه حرارت آب اگر از حدی بگذرد، مولکولهای آن تحرک و آزادی بیشتری به دلیل انرژی دریافتی به دست مي آورند و تبدیل به بخار می شوند و در اين حالت هم نمیتوانند نقش حمایتی و حرکت در میان سلولهای زنده را ایفا کنند.

پس آب مایع حیات است ولی در درجه حرارت معيني که شکل آب به صورت مایع است و آسیبی به بافتهای دیگر مانند چربی پوشاننده سلولهای بدن نمی رساند . و در درجه حرارت خیلی پایین یا بالا؛ نه تنها عامل حيات نیست بلکه میتواند منجر به ذوب شدن غشای سلولهای بدن شود و آنها را از بین ببرد.البته یخ زدن آب هم مکانیسم جالبی است که به دلیل کم شدن چگالی یخ و پوشاندن سطح آب امکان حیات را در زیر یخ فراهم ميکند( آب حالتی مایع و ایده آل است تا حیات را ایجاد کند و چگالی آن در زمان انجماد، کم ميشود و روی آب می آید و به این ترتیب، یخ اجازه میدهد تا حیات و زندگی، در آبی که زیر آن جاری است ، ادامه یابد)

زندگی در کره زمین وابسته به فاصله آن از خورشيد است، به طوری که اگر اين فاصله کمتر بود، حرارت زیاد خورشید سلولهای زنده را از بین مي برد و رودخانه های پرآب را به خشکی مي کشاند؛ مشابه چنین وضعیتی را در سیارات نزدیکتر به خورشید، در منظومه شمسی داریم. البته این در حالتی است که آب را به عنوان مایع حیات در نظر بگیریم . مواد دیگری هستند که ممکن است به جای آب، در شرایطی متفاوت از کره زمين مایع حیات شوند مثلا آمونیاک که در دماهاي خیلی پائینتر از صفر حالت مایع دارد، میتواند، در سياره ای بسیار سردتر از کره زمین به عنوان مایع حیات تلقی گردد در این سیارات دور از خورشيد، آبها یخ می زنند و قابلیت حیات با آب موجود نیست ولی گازهایی مانند آمونیاک در این سیارات می توانند مایع حیات باشند.

پس گرمای معتدل در کره زمين، برای باقی ماندن سلولها و رشد و تکثیر آنها لازم است.به دلیل اهمیت سلولهای مغزی پوششی چند لایه آن را مي پوشاند تا تاثیرات ضربات و درجه حرارت پایین یا بالا بر آن، کمتر باشد.

پوششهای مغز عبارتند از :
جمجمه ضخیم و استخواني و پرده های مننژ روی آن
شامه یا مننژ(به انگلیسی: meninge) سامانهای متشکل از چند لایه (غشاء) بوده که دستگاه عصبی مرکزی (CNS) را در بر میگیرد. این غشاها کار محافظت، تغذیه، و کاهش ضربه مغزی را به عهده دارند. مننژ اطراف مغز و نخاع دارای سه لایه و پوشش است که از خارج به داخل با نام سختشامه (دورا ماتر)، عنکبوتیه (آراکنوئید)،نرمشاه (پیا ماتر) شناخته میشوند. این پردهها به طور کلی مننژ یا شامه نامیده میشوند و در میان استخوان جمجمه و بافت مغز (و در طناب نخاع بین ستون مهرهها و بافت نخاع) قرار دارند

به علاوه، سیستم خون رسانی وسیع، میتواند از تغییرات درجه حرارت مغز و نخاع جلوگیری کند.به اين ترتيب، مغز و نخاع- که میوه تکاملی کل حیات از ابتدا تا امروز است- مانند جواهری ارزشمند در صندوقی مستحکم و سفت قرار می گیرد به طوری که برای دسترسی به مغز، جراحان نیازمند دريلهاي خیلی قوی برای شکافتن جمجمه هستند.این شرایط حفاظتی میتواند از تاثیرات مضر تغییرات درجه حرارت بر مغز بکاهد ولی اگر درجه حرارت هوا از حدی بالاتر یا پائینتر برود، این سیستم وسیع حمایتی جواب نمیدهد و مغز در معرض آثار مضر سرما و گرما قرار می گیرد.

متابوليسم داخل مغز تولید گرما می کند پس فقط مغز با گرما و یا سرمای محیط مواجه نیست بلکه با گرمای درونی متابولیسم هم باید به نحوی برخورد کند به خصوص وقتی فعالیت مغز بیشتر شود میزان این حرارت، خیلی بالاتر ميرود و دفع اين حرارت بالا از طريق گردش خون مغز- که بسیار هم غنی هست- انجام می شود. باید توجه کرد که وجود سیستم مستحکم استخوانی جمجمه مانع از تاثیرات زیاد هوای گرم و سرد بر مغز می شود ولی شاید یک نقش مضر هم داشته باشد و آن، ایجاد سیستم عایق در برابر گرمای درونی خود مغز است.

تحریکات حسی و جنسي و واکنشهای عملی در برخورد با محیط، همه اینها منجر به بالا رفتن درجه حرارت مغز می شود پس مغز با سلولهای دیگر بدن یک تفاوت آشکار دارد : هر حرکت ارادی و یا هر ديد و نگاه با چشم، حرارتی مضاعف را در مغز ایجاد می کند. همچنین اغلب داروهایی- که مصرف می شود- به خصوص داروهای تحریک کننده مانند ريتالين می تواند درجه حرارت درون مغز را بالا ببرد و این حرارت بالا باید با یک سیستم خود تنظیم و جدا از دیگر قسمتهای بدن از مغز دفع گردد.

به این ترتیب، متابولیسم و جریان خون مغز و حرارت و میزان آب و الکتروليتهای مغز باید یک سیستم خود تنظیم را ایجاد کند.بالا رفتن زياد درجه حرارت مغز منجر به فعال کردن مکانیسمهای پاتوفيزيولوژيک خاص و آسیب به سد بین خون و مغز و نشت مایعات به درون مغز و اسیب و حتی مرگ سلولها مغزی می شود( Siesjo B. Brain Energy Metabolism.New York: Wiley; 1978.)اولین بار مرتيز سیف، فيزيولوژيست آلمانی، حرارت درون مغز را اندازه گیری کرد و نشان داد که دیدن یک تکه گوشت، درجه حرارت مغز سگ را یک درجه بالاتر مي برد. مواجهه با شرایط محیطی استرس زا یا هیجانی و فعالیت می تواند درجه حرارت مغز را بین دو تا سه درجه سانتیگراد افزايش دهد.

بالا رفتن درجه حرارت مغز منجر به انقباض رگهای محیطی بیرون مغز مي شود و عرق کردن را کاهش میدهد و این یک معضل بزرگ است .با این که مغز دو درصد وزن بدن را تشکیل میدهد ولی در حالت استراحت، تا حدود 20% اکسیژن موجود در خون را مصرف ميکند. مصرف انرژی یک سلول عصبي(نورون) 0.54.0 nW است که حدود 300 تا 2500 برابر سلولها دیگر بدن است.
(Laughlin SB, de Ruyter van Steveninck RR, Anderson JC. The metabolic cost of neural information.Nature Neurosci. 1998;1:3641.[PubMed])

اندازه گیری های بيوفيزيکال نشان میدهد که برای انتقال یک بیت اطلاعات به 10 به توان چهار مولکول ATP نیاز است . برای کد کردن یک ليست، حدود 10به توان شش تا 10به توان هفت مولکول ATP مصرف می شود.بیشتر انرژی در متابولیسم مغزي صرف بازیابی پتانسيلهاي الکتریکی پس از ديس شارژ الکتریکی می شود .و بخش دیگری از امر، صرف تولید ماکرومولکولها و انتقال پروتئین از غشاي میتوکندری مي شود. همه این متابوليسم و صرف انرژی به حرارت تبدیل می شود.

روش ابداعی برای چک این حرارت ، استفاده از الکترودهاي دماسنج در قسمتها مختلف مغز موش است . با تحریک موش به وسيله محرکهاي محیطی، درجه حرارت در قسمتهای مختلف مغز به نسبتهای متفاوت بالا می رود. نشان داده شده است که ميزان بالا رفتن درجه حرارت در واکنش به محرکهای محیط وقتی بیشتر است که دمای اوليه در قسمتهای مختلف مغز پایین باشد يعني گرم بودن اولیه مغز، سرعت واکنش مغزی را کاهش می دهد. در درجه حرارت 38-39℃ هیچ تاثیری در افزایش درجه حرارت، در مواجهه با محرکهای محیطی مثلا مواجهه با جنس مخالف دیده نمی شود.( Kovalzon VM. Brain temperature variations during natural sleep and arousal in white rats. Physiol. Beh.1972;10:667670. [PubMed])

قانون مقادیر اوليه(law of initial values) بيان مي کند که وضعیت و درجه حرارت مغز پیش از تحریک، در جواب دهی و سرعت واکنش مغز بسیار موثر است .اندازه گیری درجه حرارت مغز نشان میدهد که قسمتهایی از مغز که در قسمت بالاتر هستند سردترند
dorsal striatum, 36.6°C; hippocampus, 35.6°C

و قسمتهایی که پائینتر قرار دارند گرمترند( ventral tegmental area of midbrain, 37.3°C; medial preoptic area of hypothalamus, 37.3°C; nucleus accumbens or NAcc, 37.3°C)

مثلا قسمت جدید مغز یا کورتکس ،در قسمت سطحی مغز از بقیه جاهای مغز سردتر است. شاید علت این حالت عدم فعالیت نورونی در قسمتهای سطحی در حالت استراحت باشد. بر خلاف این حالت قسمتهای عمقی مانند هیپوتالاموس گرم، در حالت استراحت هم در حال فعالیت هستند . بالا رفتن میزان متابولیسم و حرارت در مغز مانند اندامهای دیگر باعث افزایش جریان خون مغز مي شود و اکسیژن بیشتر، نیازهای قسمتهای فعال مغز را برآورده می کند و گرمای اضافی را از طریق جریان خون منتقل می سازد

مصرف اکسیژن حین فعالیت و ورزش سنگین، ده برابر زمان استراحت می شود و تولید گرما هم از~ 1W/kg at rest to ~10 W/kg (از یک به ده) میرسد . انسان به شکل موفقی با عرق کردن و افزایش جریان خون سطحی می تواند با افزایش درجه حرارت درونی مقابله کند.در انسان چون کارگذاري الکترود داخل مغز ممکن نیست از اندازه گیری درجه حرارت پرده صماخ در گوش برای تعیین حرارات داخل جمجمه استفاده میشود و مشاهده می کنیم در فعالیت زیاد و گرم شدن بدن، سر بسیار خنک تر از دیگر جاها است .

در ورزش نسبتا متعادل، مکانیسمهای جبرانی میتواند از افزايش درجه حرارت داخل مغز جلوگیری کند ولی در ورزش خیلی سنگین ، به دلیل بالا رفتن عمق و سرعت تنفس میزان زیادی گاز Co2. خون دفع می شود و این حالت منجر به تنگ شدن عروق مغز می شود و تا حدی مکانیسم خود تنظیم سرد کننده مغز، مختل می شود.این افزایش زیاد درجه حرارت مغز منجر به اختلال در سد بین خون و مغز می گردد.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3149793/