Who knows whether
there is really a need for cooling the
brain?
A critical
review
Gallup
& Gallup conducted two experiments that implicate
yawning as a thermoregulatory mechanism.
Gallup and Gallup propose to renew the theory of the
yawn's finality. In order to observe yawns among the
participants with the experiments, they projected a film
showing the successive yawns of eight people (men and
women) randomly stopped by scenes of laughter or neutral
facial expressions. Then, they counted up the yawns
induced by "contagion" (echokinesia). In general, the
unavoidable interaction between voluntary and automatic
control affects the outcome of many experiments in
humans. Moreover, contagious yawning is not identical to
spontaneous yawning.
First
experiment : They show that the yawns occur
normally and that 45% of the participants yawn when they
can open the mouth but that no yawn takes place if the
instruction is given to hold the mouth completely
closed.
"The first experiment demonstrates that different
patterns of breathing influence susceptibility to
contagious yawning. When participants were not directed
how to breathe or were instructed to breathe orally
(inhaling and exhaling through their mouth), the
incidence of contagious yawning in response to seeing
videotapes of people yawning was about 48%. When
instructed to breathe nasally (inhaling and exhaling
through their nose), no participants exhibited contagious
yawning."
Second
experiment :"In a second experiment, applying
temperature packs to the forehead also influenced the
incidence of contagious yawning. When participants held a
warm pack (46°C) or a pack at room temperature to
their forehead while watching people yawn, contagious
yawning occurred 41% of the time. When participants held
a cold pack (4°C) to their forehead, contagious
yawning dropped to 9%. These findings suggest that
yawning has an adaptive/functional component that it is
not merely the derivative of selection for other forms of
behavior."
The only fact of laying a cold stimulus on the
forhead is enough to stimulate the awakening and inhibits
the yawn. In the same way, a constant attention does not
make receptive to the echokinesia of yawning. Inversely,
heat does not have this waking up effect. The increase in
the ambient temperature facilitates sleepiness and thus
yawning.
Room temperature is not considered. However, a
quantitative analysis of the effects of different
temperatures of the air inhaled via nose or mouth would
be interesting.
Forehead cooling is not affecting directly and only
the brain. It is a peripheral thermal input favoring
inhibition and reinforcement of oral and nasal
respiration, respectively, to warm the inhaled air. Oral
ventilation in this condition would be necessary only to
comply with the oxygen demand during exercise.
The researchs of Cabanac
M. and Brinnel H. as reported by G & G relate to
the control of the cerebral temperature during the
fever. There is no work (to my knowledge) indicating
that the cerebral activity modifies the internal
temperature of the brain in a variable way according to
the level of attention. Functional MRI studies in
humans have shown that even when the brain is not engaged
in any specific tasks, spontaneous fluctuations occur in
the blood-oxygen-level dependent (Bold) signal (which is
thought to reflect neural activity). These resting state
fluctuations are not chaotic but are in fact anatomically
and temparally consistent. The significance of this
resting state activity is unclear but, intriguingly, it
even occurs when humans or animals are unconscious. Thus,
spontaneous fluctuations in brain activity maintain the
brain in constant temperature somehow the step of
neuronal activities (Vincent
JL. et al.).
Sleep onset is likeliest to occur on the falling limb
of the temperature cycle. The offset of sleep occurs most
often on the rising limb of the circadian body
temperature curve. In human, the most pronounced
occurrences of yawning stays at awakening in the morning,
in association with the stretching of muscles
(pandiculation), and as sleep is about to occur, without
stretching, as well as in any condition of lessened
vigilance (Baenninger
1996, Greco 1993). Repetitive and monotonous
activities trigger repeated yawns as have shown studies
of individuals at their work stations. In not a single
circumstance, the yawns appear with the acme of the
circadian rhythm of the temperature.
The old authors often spoke about the yawns during
the fever but have given to them the significance of a
clinical sign fortelling the onset of vigilance's
disorders. The assertion "deep inhalation of cool air
taken into the lungs during a yawn can later the
temperature the temperature of the blood in the brain
through convection" appears largely conjectural. The air
in the lung attains 37° so far its inhalation and
prevents to harm the lungs. Ford GP, Reardon DC. report
that intubated delivery of air into the lungs at a
temperature significantly below body temperature,
especially over a prolonged period, is likely to inhibit
recovery from brain injuries.
Many authors (Parmeggiani
2007) have reported changes in brain temperature
during the ultradian sleep cycle in several mammalian
species. The temperature decrease in NREM sleep appears
as a normal effect of thermoregulation operating at a
lower set point temperature than in wakefulness. In
contrast, the increase in brain temperature related to
REM sleep appears paradoxical from the viewpoint of
normal thermoregulation. The problem of the physiologic
mechanisms underlying this temperature change remains
unresolved.
Changes in brain temperature are in general relevant
to both the energy metabolism of the brain and the
function of the preoptic-hypothalamic thermostat. Heat is
produced by cellular energy metabolism and is transferred
to the arterial blood in inverse relation to its
temperature, which is lower than that of the brain in
normal conditions. It is obvious that brain homeothermy
is altered essentially by quantitative imbalances between
metabolic heat production and heat loss.
There are different mechanisms for cooling the brain
in mammals and more than a single mechanism may be
operative. In general, the cool venous blood flowing from
the systemic heat exchangers of the body (upper airway
mucosa, ear pinna, horn, tail, skin, according to
species) to the heart mixes with the warm venous blood
returning to the heart from heat-producing body
tissues.
This systemic mechanism cools the arterial blood
including that flowing to the brain (systemic brain
cooling). In addition to systemic brain cooling, there is
also a mechanism for selective brain cooling. In species
like the cat, dog, sheep and goat, the carotid blood
supply to the brain is again thermally conditioned prior
to entering into the circle of Willis by countercurrent
heat exchange between carotid rete and venous sinuses
(e.g., sinus cavernosus). The carotid rete is a network
of fine vessels (rudimental in the dog), derived from the
external branch of the common carotid artery. The
arterial blood flowing to the brain in the carotid rete
is surrounded by sinus venous blood cooled in the upper
airway mucosa and flowing in an opposite direction to the
heart. The carotid rete is connected to the circle of
Willis through a short artery (homologous to the distal
part of the internal carotid artery of species lacking
the carotid rete). As a result of the countercurrent heat
exchange, the temperature of the carotid blood reaching
the circle of Willis is further decreased with respect to
that of the aortic arch blood. Vertebral artery blood is
not thermally conditioned by a countercurrent heat
exchange mechanism and enters into the circle of Willis
at the temperature of the blood in the aortic arch. In
conclusion, the difference between the temperatures of
vertebral artery blood (systemic cooling only) and
carotid artery blood (both systemic and selective
cooling) flowing into the circle of Willis depends on the
heat loss from the carotid rete.
Another mechanism for selective brain cooling is
typical of species lacking the carotid rete (e.g., rabbit
and rat). It is provided by conductive heat exchange
between the basal portion of the brain, including the
circle of Willis, and the basal venous sinuses that drain
cool venous blood from the upper airway mucosa.
The effects of systemic and selective brain cooling
appear in the temperatures of the hindbrain and
forebrain, respectively. This is shown by the positive
difference between pontine and preoptic-hypothalamic
temperatures in cats, rabbits and rats.
Heat loss from systemic heat exchangers, affecting
carotid blood temperature through the systemic venous
return to the heart (systemic brain cooling), is the most
important determinant of brain temperature in primates.
Concerning humans, in particular, there is no consensus
as to whether a mechanism for selective brain cooling
plays a significant role. The arguments advanced by G
& G appear quite slight and little demonstrated.
Qui sait si le
cerveau a besoin d'être refroidi et comment le
serait-il ?
Revue
critique
Gallup
& Gallup ont mené deux expériences
afin de tester l'hypothèse que le bâillement
joue un rôle de régulation thermique. Ils
souhaitent ainsi renouveler les théories du
rôle physiologique du bâillement.
Afin d'étudier les bâillements de leurs
patients, ils leur projettent les bâillements de
huit personnes (4 hommes et 4 femmes),
aléatoirement présentés au sein de
séquences de rires ou de faces à
l'expression neutre. C'est alors qu'ils comptent les
bâillements induits par échokinésie.
En général, l'inévitable interaction
entre actes volontaires et automatiques affecte les
résultats de telles expériences, chez
l'homme, d'autant plus, que les bâillements
contagieux ne sont pas forcément identiques aux
bâillements spontanés (horaires et rythme
circadien, finalité).
Dans
une première expérience, ils
montrent que les bâillements apparaissent
normalement et que 45% des participants bâillent
sauf si une instruction de garder la bouche fermée
leur avait été précédemment
donnée.
Dans
une seconde expérience, ils trouvent que,
lorsqu'un pack chauffé à 46° est
posé sur le front, les bâillements par
contagion apparaissent dans 41% des cas, alors que,
lorsqu'un pack refroidi à 4° y est
appliqué, les bâillements n'apparaissent que
dans 9% des cas.
Le seul fait de déposer du froid sur le front
est un stimulus suffisant pour stimuler l'éveil et
donc inhiber les bâillements. De même, une
attention soutenue suffit à empêcher les
bâillements induits par échokinésie.
Inversement, la chaleur n'est pas facteur d'induction de
l'éveil. L'augmentation de la température
ambiante est un facteur de somnolence et donc facilite
les bâillements. La température de la
pièce n'a pas été prise en compte.
Il serait, en effet, intéressant d'analyser
l'effet de l'inhalation d'air à différentes
températures, tant par la bouche que par le
nez.
Le refroidissement du front n'affecte pas directement
et uniquement le cerveau. C'est un inducteur thermique
périphérique favorisant l'inhibition ou
l'augmentation de la respiration respectivement soit
orale soit nasale afin de réchauffer l'air
inhalé.
Les recherches de Cabanac
M. and Brinnel H., telles que rapportées par
G& G, décrivent les régulations de la
température cérébrale au cours de la
fièvre. Il n'existe pas de travaux (à ma
connaissance) montrant que l'activité
cérébrale modifie sa température
interne, de façon variable, suivant
différents niveaux dattention. Les explorations
dIRM fonctionnelle ont montré que même
lorsque le cerveau n'est pas engagé dans une
activité précise, des fluctuations
spontanées de la consommation de l'oxygène
sanguin apparaissent, assimilées au reflet de
l'activité neuronale. Ces fluctuations n'ont rien
de chaotique mais ont une logique anatomique et
temporelle. La signification de cette activité
basale n'est pas actuellement clairement établie,
mais elle persiste intrinsèquement chez l'homme ou
l'animal inconscient. Ainsi, des fluctuations
spontanées de l'activité cérbrale
maintiennent le cerveau à une température
constante quelque soit l'intensité de
l'activité neuronale (Vincent
JL. et al.).
L'endormissement survient
préférentiellement lors de la baisse de la
température corporelle. L'éveil survient
lors de la remontée de la courbe de cette
température. Chez l'homme, la plus grande
fréquence des bâillements survient lors de
l'éveil, en association aux pandiculations et peu
avant l'endormissement quand la pression de sommeil
augmente ainsi que dans toutes circonstances de moindre
vigilance. Des activtés monotones et
répétitives déclenchent des
bâillements répétés (Baenninger
1996, Greco 1993). A aucun moment, les
bâillements n'apparaissent à l'acmé
de la courbe circadienne de la température
corporelle /cérébrale.
Les auteurs anciens ont souvent évoqué
les bâillements en rapport avec les fièvres
mais en leur donnant la signification d'état
clinique grave, faisant craindre l'installation de
troubles de la vigilance. L'assertion "la profonde
inspiration d'air frais par les poumons durant le
bâillement peut baisser la température du
sang et ensuite celle du cerveau" semble pure
conjecture.
Des auteurs ont rapporté des variations de la
température cérébrale suivant un
rythme ultradien chez de nombreuses espèces de
mammifères. La baisse de la température
cérébrale pendant le sommeil profond se
conçoit comme l'abaissement du niveau de la
température corporelle basale par rapport à
celle de l'éveil. A l'inverse, l'augmentation de
cette température pendant le sommeil paradoxal
appraît paradoxale du point de vue de la
thermorégulation normale. Les mécanismes
physiologiques de ces variations de la température
ne sont pas actuellement élucidés.
Les changements de température sont le
résultat du métabolisme
énergétique du cerveau et de
l'activité du thermostat preoptico-hypothalamique.
La chaleur est produite par l'activité
métabolique cellulaire et est
transférée au sang artériel en
relation inverse avec sa température, laquelle est
plus basse que celle du cerveau à létat
basal normal. Il est clair que l'homéothermie
cérébrale est essentiellement
perturbée par un déséquilibre
quantitatif entre le chaleur métabolique produite
et les mécanismes de baisse thermique.
Il existe différents mécanismes de
baisse de la température cérébrale
chez les mammifères et plusieurs mécanismes
sont actifs simultanément. En
général, la chaleur drainée par le
flux veineux vers les émonctoirs thermiques
systémiques (muqueuses des voies aériennes
supérieures, les lobes des oreilles, les cornes,
la queue, la peau suivant les espèces) est
mélangé au sang veineux retournant vers le
coeur comme celui des autres tissus.
Ces mécanismes systémiques abaissent la
température du sang artériel et donc aussi
celui du flux sanguin cérébral. Mais il
existe aussi un mécanisme spécifique
à la circulation cérébrale. Chez des
espèces comme le chat, le chien, le mouton ou la
chèvre, le flux sanguin carotidien à
destination cérébrale est
conditionné, avant d'entrer dans le polygone de
Willis, par des échanges entre le rete carotidien
et les plexus veineux (sinus caverneux). Le rete
carotidien est un réseau de fins capillaires
dérivés de l'artère carotide
externe, branche de la carotide commune. Le sang
artériel à destinée
cérébrale traverse ce rete carotidien qui
est emprisonné et rafraichi dans / par des sinus
veineux en provenance des muqueuses des voies
aériennes supérieures où le sang
circule à sens inverse du flux carotidien venant
du coeur. Le ret carotidien est connecté au
polygone de Willis par une brève artère,
homologue de la carotide interne chez l'homme. Ainsi le
sang arrivant au cerveau est à une
température inférieure à celui
circulant dans la crosse de l'aorte, à l'inverse
du sang du réseau vertébral qui lui n'est
pas refroidi et arrive à la température du
sang cardiaque. En conclusion, la différence de
température entre le sang artériel
vertébral et carotidien, destiné au
polygone de Willis, dépend de la
déperdition thermique au sein du rete
carotidien.
Un autre mécanisme abaissant la
température du sang cérébral est
typique des espèces ne possédant pas de
rete carotidien. Il existe, dans ce cas, des
échanges thermiques entre les artères
à la base du cerveau, y compris le polygone de
Willis, et les sinus veineux de la base du cerveau qui
drainent le sang veineux rafraichi dans les voies
ORL.
Les effets du refroidissement de la
température du sang artériel
systémique ou sélectif se remarquent entre
le cerveau antérieur et le postérieur. On a
mesuré cette différence entre la sang
circulant au niveau du pont et celui circulant dans la
zone pré-optique de l'hypothalamus chez le chat,
le lapin et le rat.
Chez les primates, le déterminant principal de
la température cérébrale
résulte des échanges entre les
réseaux artériels et veineux au niveau
systémique. Il n'existe pas de preuve de
mécanismes locaux d'abaissement de la
température du sang artériel. Les arguments
avancés par G & G paraissent bien minces et
peu prouvés.
Skin or hypothalamus cooling: a behavioral choice
by rat
Dib B, Cabanac M.
Brain Res.
1984;302(1):1-7
Rats were chronically implanted with
a hypothalamic thermode. After recovery the thermode was
heated and the rats were exposed to 4 ambient
temperatures (Ta) 20, 30, 35 and 40 degrees C. For each
Ta they were subjected to 3 conditions: (1) they could
press a bar which provided them with a cool wind; (2)
they could press a bar which cooled the hypothalamic
thermode; and (3) both bars were active and the rat could
press either one. Skin, hypothalamic, and rectal
temperatures were recorded at the same time. The results
indicate that when rats had either only or by choice
access to the lever that cooled their hypothalamus, they
used it in such a way as to prevent their hypothalamus
from overheating. A lower priority was given to the
maintenance of skin temperature.
Des considérations rapides sur le
mécanisme du bâillement, laissent facilement
entrevoir le degré d'influence qu'il doit avoir
sur l'économie. Quelle idée ne prendra-t-on
pas de son importance, si l'on réfléchit
à l'état général de
l'économie qui le précède et qui le
termine, et par exemple à l'espèce de
stupeur et d'engourdissement qui le prépare, au
sentiment de lassitude et de faiblesse qui le devance, et
au contraire à la sensation agréable qui le
suit, au délassement et au bien-être qu'il
procure. C'est dans la méditation ce ces divers
objets, que l'on retrouve l'indication de la plupart des
signes que l'expérience a attaché au
bâillement.
........
Dans les affections spasmodiques et nerveuses, le
bâillement est l'indice de la cessation du spasme;
quelquefois, cependant, les bâillemens annoncent
l'invasion de ces mêmes maladies nerveuses ou du
moins certaines. Cela est particulièrement vrai
pour l'épilepsie que j'ai vue plusieurs fois
sûrement annoncée par des bâillemens
plus ou moins fréquens. Hoffmannen avait fait la
remarque dans un cas particulier : «Post quemdam
languorem et brevem oscitationem protinùs ger
omnium nescius concidit, etc.»
....................
Les bâillemens sont un signe des embarras
gastriques et des congestions vermineuses; ils
précèdent quelques fois l'apoplexie,
très souvent les accès d'histéricie
et d'hypochondrie, et presque toujours la syncope.
A partir d'une traduction anglaise
d'un poème écrit en latin par Christopher
Smart, M.A.
Lorsque Pallas Athéna
naît en jaillissant du crâne de Jupiter
[Jove/Zeus], Momos [divinité mineure
de la Moquerie] tourne la situation en
dérision. Pour le punir, Jupiter lui impose de
donner la vie à son tour, mais à partir de
sa bouche. Momos se retrouve donc allongé par
terre, le regard troublé par d'épaisses
vapeurs. Sa bouche s'ouvre, révélant un
effroyable gouffre [« chasm »], et son
nez produit le son d'une « trompette gauloise
», un bruit horrible et grinçant, que
l'auteur compare à la langue
allemande.
Ce processus donne naissance
à Polychasmia, qui par son père
Momos serait la petite fille de Nyx, la déesse de
la nuit. Ses paupières sont comme fermées
à clé malgré ses efforts pour ouvrir
les yeux, mais sa bouche, par contre, est grande ouverte.
Ensuite l'auteur fait référence à
Prométhée, le rival de Jupiter, celui qui
aurait créé les hommes à partir
d'une motte d'argile. Quelques mots semblent manquer dans
le poème, mais on peut penser que
Prométhée a également
façonné Polychasmia en mélangeant
des soupirs de vierge avec trois jets du fleuve Styx,
ainsi que le cri des ânes et le reniflement du
sanglier, pour produire le grognement qui
précède le sommeil et le hideux
ronflement. La naissance de cette déesse du
bâillement est décrite comme
étant utile aux esprits confus de la
terre.
...
L'opinion.ma
Bouteina Bennani
Les huiles
essentielles à action psychologique (?
?)
"Selon les spécialistes, la
première des manifestations significatives
après un petit massage par ces huiles est le
bâillement qui est le processus de
libération émotionnelle. D'ailleurs, c'est
ce qui arrive au cours d'une séance
d'aérobic, phénomène encore
inexpliqué par les chercheurs. C'est, parait-il le
bien-être corporel et mental qui en est à
l'origine. Après le baillement s'ensuit une
respiration régulière."
Autres documents mis en ligne ce mois-ci :
Le bâillement
dans Les oeuvres de JB Van Helmont 1671
