Joule découvrit en 1840 que « les effets calorifiques de quantités égales d’électricité transmise sont proportionnels aux résistances opposées à son passage ». Le chauffage Joule est fonction du frottement du flux de charge dans un conducteur, et la génération de chaleur résistive est indépendante du stockage d’énergie dans les éléments de circuit capacitifs ou inductifs.
En conséquence, toute stimulation du système nerveux génère de la chaleur dans les composants électriques et les conducteurs neuronaux à travers lesquels le courant électrique circule. Les effets de la stimulation neurale sont généralement liés aux courants électriques induits et aux gradients de potentiel plutôt qu’aux effets thermiques. Cependant, les effets thermiques de la stimulation sont toujours présents.
L’été dernier, des incendies de forêt dévastateurs ont fait rage en Sibérie, en Alaska et dans les régions gelées du Canada. Ils ont été en partie causés par la hausse des températures mondiales, qui a accéléré la capacité des bactéries à métaboliser les matières végétales et animales dans le sol.
Ces conditions environnementales illustrent un principe physique fondamental : la température est un facteur clé des réactions chimiques. Même de minuscules variations peuvent avoir des effets désastreux, même à des températures inférieures à zéro. Un incendie de forêt peut se déclencher si vous chauffez une tourbière sibérienne plus rapidement qu’elle ne peut libérer de carbone dans l’environnement.
Les chercheurs ont découvert que la physique de ce phénomène environnemental est également liée à l’activité cérébrale. Ils ont également découvert que même des augmentations de température mineures tout en stimulant le cerveau peuvent modifier profondément l’activité cérébrale avec des conséquences négatives.
Steven Schiff, MD, vice-président pour la santé mondiale en neurochirurgie à la Yale School of Medicine, se spécialise à l’intersection de l’ingénierie et de la neurochirurgie, ce qui lui permet d’appliquer les principes de la physique aux processus biologiques du cerveau.
Toutes les formes de stimulation électrique et magnétique du cerveau y déposent de l’énergie thermique car l’activité dans les fils génère de la chaleur. Selon Schiff et ses co-auteurs, les changements de température dans le cerveau doivent être causés par des dispositifs de stimulation cérébrale électrique comme la stimulation cérébrale profonde, qui sont utilisés chez les patients atteints d’épilepsie et de la maladie de Parkinson.
La décharge des neurones est également affectée par les changements de température dans le cerveau. Les pompes moléculaires tapissent les membranes des cellules nerveuses, les chargeant électriquement avec l’énergie libérée pendant l’activité cérébrale. Les chercheurs ont démontré que si les cellules sont chauffées plus rapidement que les charges ne peuvent s’ajuster, elles peuvent produire plus ou moins d’activité neuronale que d’habitude. Même des variations de température mineures causées par une stimulation électrique du cerveau (moins de 1oC) peuvent entraîner des changements importants dans l’activité neuronale. Les neurones peuvent devenir silencieux lorsqu’ils se réchauffent. Ils peuvent devenir très excités si vous les laissez refroidir à leur température moyenne.
Schiff, l’auteur principal de l’étude, a dit“Voir ces effets dramatiques sur l’activité cérébrale de petits changements de température signifie que nous devons maintenant prendre en compte ces petits changements de température,”
« Il y a longtemps, le physicien James Joule nous a appris qu’il n’y avait pas moyen de contourner ce problème. Lorsque le courant électrique passe à travers de petits fils conducteurs pour générer des champs électriques ou magnétiques afin de stimuler le cerveau, de la chaleur est générée à la fois dans les fils et dans le cerveau conducteur.
William Stacey, MD, Ph.D., professeur agrégé de neurologie et de génie biomédical à l’Université du Michigan, a déclaré: «Cet article est un véritable tour de force consistant à combiner différents modèles de comportement physique pour réexaminer certaines «anciennes normes».
“La combinaison de la modélisation avec une expérimentation intelligente a fourni le résultat très intrigant et inattendu que la chaleur pourrait supprimer le déclenchement neuronal. Ce modèle pourrait également fournir de nouvelles méthodes pour manipuler l’activité neuronale.
Goldenholz a déclaré: “Il serait très intéressé de voir comment les découvertes du Dr Schiff sont appliquées à l’avenir pour le traitement des crises et la neuromodulation”,
Les résultats étaient également importants pour Daniel M. Goldenholz, MD, Ph.D., professeur adjoint d’épilepsie à Harvard et auteur d’un article récent expliquant pourquoi le refroidissement focal est essentiel pour l’avenir du traitement de l’épilepsie focale. Le Dr Schiff et son équipe soulignent l’importance des changements de température dans les tissus cérébraux. Il sera probablement pertinent dans les traitements de l’épilepsie qui peuvent inclure un refroidissement focal. Ces fluctuations doivent être mieux comprises et prises en compte pour améliorer la précision de leurs thérapies.
Cet article révolutionnaire a été présenté en décembre 2022 lors de la réunion de l’American Epilepsy Society à Washington, DC, et a été bien accueilli.
Il reste à voir comment ces changements de température affectent le patient et comment ils peuvent être utilisés pour améliorer les résultats. Les chirurgiens ont déjà observé dans des contextes cliniques qu’un effet secondaire courant de l’implantation de stimulateurs du système nerveux est que l’activité du cerveau stimulé diminue souvent avec une stimulation électrique ou magnétique.
L’article fournit une explication convaincante de ce phénomène. Selon le Dr Schiff, cela pourrait aider les cliniciens à calibrer plus précisément l’utilisation de ces appareils.
Les résultats montrent que bien que l’interaction électrique avec le tissu cérébral soit indissociable des effets thermiques lorsque des électrodes sont utilisées, l’induction magnétique permet à chacun de séparer le chauffage Joule des effets d’induction en contrastant l’entraînement AC et DC des bobines magnétiques en utilisant le même dépôt d’énergie dans les conducteurs.
Référence de la revue :
- TaeKen Kim, Andrew J Whalen et al. Effets thermiques sur les neurones lors de la stimulation du cerveau. Ingénierie neuronale. EST CE QUE JE: 10.1088/1741-2552/ac9339
