Анатомические аспекты охлаждения головного мозга

АНАТОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА

В.Е.АВАКОВ, И.А.ШАХОВА

Anatomical aspects of brain cooling

V.E.AVAKOV, I.A.SHAHOVA

Ташкентская медицинская академия

Подробно описаны методы, используемые для непосредственного охлаждения головного мозга: транскраниальное охлаждение, охлаждение через верхние дыхательные пути и охлаждение артериальной кровью, поступающей от тела. В представленном руководстве подчеркивается, что совокупное использование неинвазивных методов селективного охлаждения мозга способствует достижению наилучших результатов.

Ключевые слова: температура мозга, теплообмен, селективное охлаждение мозга, тяжелая черепно-мозговая травма.

The methods used for direct brain cooling: transcranial cooling, cooling through the upper respiratory tract and cooling the arterial blood coming from the body have been described in details. The combined use of non-invasive methods of selective brain cooling (COM) promotes to achieve the best results.

Keywords: brain temperature, heat exchange, selective brain cooling, severe traumatic brain injury.

Клинические руководства

УДК: 616.831-002-091

Температура мозга зависит от баланса между производством тепла и его отдачей. Все механизмы теплообмена делят следующим образом [33]:

— радиация (radiation): перемещение тепла с одной поверхности на другую с помощью протонов и электромагнитной радиации без их непосредственного участия, независимо от температуры близлежащего воздуха; составляет 50-70% тепловых потерь бодрствующих пациентов;

— проводимость (conduction): прямая передача тепла с одной поверхности на противоположную; теплообмен зависит от уровня температуры поверхности и ее изоляции; основной механизм потери тепла сидячих и лежачих пациентов;

— конвекция (convection): отдача тепла с поверхности кожи в окружающую атмосферу в соответствии с температурными различиями между пациентом и окружающим его воздухом, а также скоростью циркуляции воздуха; составляет 20-30% тепловых потерь при комнатной температуре;

— испарение (evaporation): отдача тепла в результате испарения воды с поверхности кожи (5% основного метаболизма) и легких (10% основного метаболизма) в нормальных условиях.

Методы, используемые для непосредственного охлаждения мозга [28]:

Неинвазивные методы Охлаждение через верхние дыхательные пути

— назальный поток газа

— назальный лаваж жидкости (кондукция) Охлаждение через череп

— обдувание, охлаждающие капюшоны

— холодовые пакеты, охлаждающие кепки и шлемы

Инвазивные методы

— Антероградная церебральная перфузия

— Интракаротидная инфузия

— Открытое орошение поверхности мозга

— Полузакрытое и закрытое орошение поверхности мозга, желудочков

— Контактное охлаждение определенных участков

головного мозга

Мозг — один из наиболее метаболически активных органов, в покое он потребляет 20% общего кислорода организма. В покое метаболический показатель составляет =35 нл 02 г-1 мин-1 [24], коэффициент мозговой теплопродукции — =0,6 Дж г-1 мин-1 - поддерживает температуру головного мозга на 0,3-0,4°С выше температуры артериальной крови [41].

Главные физиологические механизмы, ответственные за снижение мозговой температуры: 1) охлаждение артериальной кровью, поступающей от охлажденного через поверхностную венозную сеть тела; 2) транскраниальное охлаждение венозных пазух, дипло-ических и эмиссарных вен; 3) охлаждение через верхние дыхательные пути [42]. Их вклад в фактическое охлаждение различен [35, 44]. Главными регуляторами температуры мозга, таким образом, выступают мозговой кровоток и температура поступающей артериальной крови [35, 44]. Показатель теплоотдачи мозговой ткани может быть оценен продуктом регионального мозгового кровотока и температурной разницей между мозговой тканью и артериальной кровью [41].

Термином селективное охлаждение мозга (СОМ) называют снижение уровня температуры головного мозга, целого или локально, ниже температурного уровня артериальной крови [19].

Рассмотрим первый механизм, согласно которому снижение температуры мозга достигается вследствие поступления артериальной крови тела, охлажденной в свою очередь через поверхностную венозную сеть.

Вся метаболическая энергия в конечном итоге, должна быть рассеяна, чтоб поддержать термически устойчивое состояние организма. Около 95% ее рассеивается с кожи, остальное количество — с дыхательных путей [4]. В отсутствие потения кожные потери энергии составляют только 10% (хотя эта фракция может быть высокой у младенцев, особенно недоношенных) [18]. Самыми чувствительными к температуре являются верхняя часть тела и лицо.

В процессе СОМ выделяют два подхода. Поддержание нормотермии тела вместе с изолированным охла-

ждением мозга может быть необходимым для предотвращения охлаждения тела прохладной венозной кровью, оттекающей от мозга. Или охлаждение головы может сопровождаться вторичным охлаждением тела (направленное на мозг системное охлаждение) [28].

Методы поверхностного охлаждения способствуют теплоотдаче через череп (второй механизм снижения температуры мозга) [31]. Транскраниальные методы охлаждения головного мозга используются у новорожденных с энцефалопатией [14] и у взрослых с применением охлаждающего шлема; они оказались практичными, удобными и относительно безопасными, способствовали улучшению неврологических результатов [25,34,39]. При поверхностном охлаждении с использованием шлема происходит неравномерное распределение холода [23,35]. Этот метод кажется менее выполнимым у «активных» пациентов и до сих пор не был проверен у пациентов с острым ишемическим синдромом. Кроме того, в экспериментальных исследованиях использование охлаждающего шлема не позволяло достичь необходимого снижения температуры глубоких отделов головного мозга - температура снижалась не ниже 36,1°С [21,38]. Однако доказано, что дополнительное использование охлаждающих воротников, покрывающих каротидную бифуркацию, действительно приводило к значительному температурному сокращению глубоких слоев мозговой ткани [21]. А при использовании интраназальных охлаждающих методик нижняя лобная доля, гипоталамус и задние отделы ствола мозга первыми подвергались охлаждению [9].

Верхние дыхательные пути также могут использоваться для теплообмена (третий механизм охлаждения мозга) [31]. Поверхность дыхательных путей может быть охлаждена путем прямой отдачи тепла в окружающую среду и путем испарения жидкости. Такое охлаждение в нормальных условиях составляет 10% общих потерь тепла при высокой температуре тела [16]. Вдыхание воздуха, имеющего низкую температуру, вызывает конвективное охлаждение слизистой оболочки дыхательных путей, тогда как вдыхание воздуха, имеющего низкую влажность, - испаряющее (парообразующее) [29]. При каждом условии увеличение вентиляции облегчает потери тепла слизистой оболочкой [29]. Установлено, что непрерывный поток холодного воздуха у пациентов приводит к снижению температуры на 0,15-0,8°С [10,17,27]. Например, Z.Mariak и соавт. [27] продемонстрировали, что СОМ (т.е. естественное охлаждение мозга или части его) может произойти у человека через верхние дыхательные пути. Авторы измеряли интракраниальную температуру между решетчатой пластинкой и лобной долей у четырех интубированных пациентов, находящихся в ясном сознании. Уровень эзофагеальной температуры пациентов составлял 36,9-37,5°С. Когда поток воздуха через верхние дыхательные пути был восстановлен экстубацией пациента, температура мозга снизилась на 0,4-0,9°С, а у трех пациентов интракраниальная температура оказалась ниже пищеводной. После стабилизации температуры пациентов просили дышать глубоко в течение 3 минут, делая вдох через нос, а выдох - через рот. Это вызвало дополнительное снижение температуры еще на 0,2-0,3°С.

Недавно трансназальное испаряющее охлаждение было успешно испытано у пациентов после остановки

сердца [8]. Такие методы как омывание назофаринге-альной области у крыс холодным физраствором [15] или фарингеальной области холодной водой через тонкую трубку [37] оказались эффективными в нейро-протекции у животных.

W.Zenker, S.Kubik [42] объясняли анатомические аспекты охлаждения головного мозга у людей через череп и верхние дыхательные пути. Испарение жидкости через скальп и лицо и через секрецию носа приводит к охлаждению крови в диплоических и эмиссарных венах. Эта кровь переносится через дуральные венозные синусы к твердой мозговой оболочке. Твердая мозговая оболочка может передать охлаждение цереброспинальной жидкости, которая оказывает прямое воздействие на паренхимальную температуру не только через ткань головного мозга, но и через артерии субарахноидального пространства, питающие мягкую мозговую оболочку. Некоторые авторы считают, что пещеристый синус, который охлаждается за счет впадающих в него лицевых вен и вен охлажденной слизистой оболочки носа, вовлечен также в процесс охлаждения мозга, т.к. через него проходит внутренняя сонная артерия. Они вместе способствуют увеличению поверхности, доступной для теплообмена [5,6,11,12, 30]. Помимо этого, от кавернозного синуса кровь разносится по другим крупным синусам мозга. В нижнем отделе перегородки носа находится сосудистое сплетение (locus Kiesselbahii), состоящее из артериол, капилляров и венозных сосудов. Венозная система сложно связана, расположена между орбитой, носовой полостью, пазухами, кожей носа и кавернозным синусом. Различные вены впадают в большие венозные синусы. Вены формируют главный компонент слизистой оболочки и называются раковинами. Эти сосудистые «подушки» составляют боковую стенку носа и способствуют теплообмену в верхних дыхательных путях [40]. G.Du Boulay и соавт. [11] предположили, что через позвоночное венозное сплетение, которое получает кровь от всего зева, может происходить охлаждение позвоночной артерии, расположенной вблизи трахеи, гортани, глотки, и питающей ствол мозга.

Таким образом, СОМ через череп и верхние дыхательные пути представляется анатомически возможным, так как он почти полностью окружен холодной венозной кровью и холодным воздухом [42].

СОМ было продемонстрировано в присутствии каротидной сети и без нее [3,7,22]. Каротидная сеть представляет собой обширную сосудистую сеть, которая лежит в основании мозга и является ветвями сонной артерии перед входом в виллизиев круг. Эта сеть находится в тесном контакте с пещеристой пазухой, в которую впадает охлажденная от слизистой оболочки носа и лица венозная кровь. Охлажденная через ангу-лярную вену глаза кровь в каротидной сети отвечает за 80% и выше селективного охлаждения мозга [26]. Адренорецепторы ангулярной вены глаза - а-типа -мягкие, тогда как лицевая вена имеет рецепторы ß-типа, которые обычно приводят к ее сокращению, даже в периоде покоя. Направление охлажденной крови через ангулярную вену глаза к каротидной сети возможен, если ее сфинктер расслаблен. Это создает эффективный теплообменник, который способствует снижению температуры целого мозга на 2°C и выше [20]. Однако высокая симпатическая активность при-

Анатомические аспекты охлаждения головного мозга

водит к сужению сфинктера ангулярной вены глаза, что способствует шунтированию охлажденной крови далеко от пещеристой пазухи, через лицевую вену, к телу. Это наблюдалось в то время, когда СОМ проводилось во время умеренной гипертермии и отдыха и было ингибировано в течение периода физической нагрузки и интенсивных упражнений. Такая система позволяет регулировать температуру мозга и тела. Это создает необходимый стимул для гипоталамуса, который стремится уравновесить механизмы теплоотдачи и теплового стресса. Для повышения температуры мозга необходимо максимально активировать механизмы теплоотдачи - одышка, потение [36].

Отсутствие каротидной сети у животных позволяет сделать СОМ возможным через пещеристый синус [7,13].

Следующим возможным методом снижения температуры мозга может служить поступление артериальной крови к мозгу, охлажденной в области шеи. Она может теоретически снизить температуру приблизительно на 1,1°С [43]. Однако было показано, что из-за короткого времени транзита в области шеи фактическое уменьшение температуры артериальной крови составляло меньшее 0,1°С [32].

Разделение методов локального охлаждения мозга проведено между инвазивными и неинвазивными, т.к. инвазивные методы требуют большего навыка для их осуществления и могут быть более опасными, в связи с чем они с меньшей вероятностью могут использоваться во внебольничных условиях. Ограничение к госпитальному использованию заключается еще и в том, что скорость инициации охлаждения после получения травмы мозгом также влияет на исходы [28].

Таким образом, анализ литературы с очевидностью показывает неравномерное распределение охлаждения между различными структурами головного мозга при использовании определенной методики. Так, при применении охлаждающего шлема первыми охлаждению подвергаются зоны головного мозга, непосредственно прилегающие к черепу, - кора головного мозга и конвекситальные поверхности лобной, теменной, височной, затылочной долей. Стволовые структуры головного мозга, сосредоточивающие в себе центры, регулирующие жизненно важные функции организма, остаются почти незатронутыми. В то же время данные о поражении стволовых структур при тяжелых черепно-мозговых травмах заставляют насторожиться: их значение достигает 81% [2]. Использование охлаждающих воротников способствует охлаждению глубоких слоев мозга и его латеральных частей - наружные и нижние поверхности лобной и височной долей. При интраназальном охлаждении нижняя лобная поверхность, гипоталамус и задние отделы ствола мозга подвергаются охлаждению первыми. Кроме того, при инициации охлаждения необходимо учитывать его скорость, которая также влияет на клинические исходы. Гипотермию головного мозга необходимо начинать уже на догоспитальном этапе, так как со временем возможность ее нейропротектив-ного действия снижается.

Следовательно, совокупное использование неин-вазивных методов СОМ приводит к достижению наилучшего результата. Так, интраназальное охлаждение способствует снижению температуры мозга на

2,5°С, одновременное использование интраназально-го охлаждения и хладоэлементов, покрывающих область каротидной бифуркации, снижает температуру мозга на 3,3°С, а сочетанное применение интра-назального и каротидного охлаждения с охлаждением свода черепа способствует снижению температуры мозга на 4,0°С [1].

Литература

1. Аваков В.Е., Шахова И.А. Повышение эффективности неинвазивной краниоцеребральной гипотермии. Вестн экстрен мед 2011; 4: 13-17.

2. Сабиров Д.М., Хашимова Д.Х., Акалаев Р.Н. и др. Анализ причин летальности больных с тяжелыми черепно-мозговыми травмами. Вестн экстрен мед 2011; 4: 5-9.

3. Baker M.A., Stocking R.A., Meehan J.P. Thermal relationship between tympanic membrane and hypothalamus in conscious cat and monkey. J Appl Physiol 1972; 32:739-742.

4. Bickler P., Sessler DI. Efficiency of airway heat and moisture exchangers in anesthetized humans. Anesth Analg 1990; 71:415-418.

5. Cabanac M., Brinnel H. Blood flow in the emissary veins of the human head during hyperthermia. Eurор J Appl Physiol Occup Physiol 1985; 54 (2):172-176.

6. Cabanac M., Caputa M. Natural selective cooling of the human brain: Evidence of its occurrence and magnitude. J Physiol 1979; 286:255-264.

7. Caputa M., Kadziela W., Narebski J. Significance of cranial circulation for the brain hypothermia in rab-bits.II. The role of the cranial venous lakes in the defence against hypothermia. Acta Neurobiol Exp 1976; 36:625-638.

8. Castren M., Nordberg P., Svensson L. et al. Intra-arrest trans-nasal evaporative cooling: a randomized prehospital multicenter study PRINCE (Pre-ROSC Intra Nasal Cooling Effectiveness). Circulation 2010; 122:729-736.

9. Covaciu L., Weis J., Bengtsson C. et al. Brain temperature in healthy volunteers subjected to intranasal cooling. Dissertation of Doctor of Philosophy (Faculty of Medicine). Sweden, 2010.

10.Dohi K., Jimbo H., Abe T. et al. Positive selective brain cooling method: a novel, simple and selective nasopharyngeal brain cooling method. Acta Neurochirurg 2006; 96:S406-412.

11.du Boulay G., Lawton M., Wallis A. Selective brain cooling in animals: Internal carotid's significance for sudden infant death syndrome. Ambul Child Health 2000; 6 (1):36-38.

12.du Boulay G.H., Lawton M., Wallis A. The story of the internal carotid artery of mammals: from Galen to sudden infant death syndrome. Neuroradiology 1998; 40:697-703.

13.Fuller C.A., Baker M.A. Selective regulation of brain and body temperature in the squirrel monkey. Amer J Physiol 1983; 245:R293-297.

14.Gluckman P.D., Wyatt J.S., Azzopardi D. et al. Selective head cooling with mild systemic hypothermia after neonatal encephalopathy: multicentre randomized trial. Lancet 2005; 365:663-670.

15.Hagioka S., Takeda Y., Takata K., Morita K. Nasopha-ryngeal cooling selectively and rapidly decreases brain temperature and attenuates neuronal damage, even if

initiated at the onset of cardiopulmonary resuscitation in rats. Crit Care Med 2003; 31:2502-2508.

16.Hanson R.G. Respiratory heat loss at increases core temperature. J Appl Physiol 1974; 37:103-107.

17.Harris B.A., Andrews P.J., Murray G.D. Enhanced upper respiratory tract airflow and head fanning reduce brain temperature in brain-injured, mechanically ventilated patients: a randomized, crossover, factorial trial. Brit J Anaesth 2007; 98:93-99.

18. Hey E.N., Katz G. Evaporative water loss in the newborn baby. J Physiol 1969; 200:605-619.

19.IUPS Thermal Physiology Commission. Glossary of terms for thermal physiology. Third edition. Revised by The Commission for Thermal Physiology of the International Union of Physiological Sciences. Jap J Physiol 2001; 51: 245-280.

20.Jenssen C. Selective brain cooling in mammals and birds. Jpn J Phsyiol 2001; 51:291-301.

21.Keller E., Mudra R., Gugl C. et al. Theoretical evaluations of therapeutic systemic and local cerebral hypothermia. J Neurosci Methods 2009; 178:345-349.

22.Kuhnen G., Jessen C. Threshold and slope of selective brain cooling. Phlugers Arch 1991; 418: 176-183.

23.Laptook A.R., Shalak L., Corbett R.J. Differences in Brain Temperature and Cerebral Blood Flow During Selective Head Versus Whole-Body Cooling. Pediatrics 2001; 108:1103-1110.

24.Lassen N.A. Normal average value of CBF in young adults is 50 ml/100 g/min. J Cerebral Blood Flow Metab 1985; 5: 347-349.

25. Liu W.G., Qiu W.S., Zhang Y. et al. Effects of selective brain cooling in patients with severe traumatic brain injury: a preliminary study. J Int Med Res 2006; 34: 58-64.

26.Maloney S.K., Mitchell G. Selective brain cooling: role of angularis oculi vein and nasal thermoreception. Amer J Physiol 1997; 273:1108-1116.

27.Mariak Z., White M.D., Lewko J. et al. Direct cooling of the human brain by heat loss from the upper respiratory tract. J Appl Physiol 1999; 87: 1609-1613.

28.Mayer S.A., Sessler D.L. Therapeutic hypothermia. NY 2005; 62.

29.McFadden E.R. Respiratory heat and water exchange: physiological and clinical implications. Amer Rev Respir Dis 1992; 146:S8-10.

30.Mcintosh D.N., Zajonc R.B., Vig P.S., Emerick S.W. Facial movement, breathing, temperature, and affect: implications of the vascular theory of emotional effer-ence. Cogn Emot 1997; 11(2):171-195.

31.Nagasaka T., Brinnel H., Hales J.R.S., Ogawa T. Selective brain cooling in hyperthermia: the mechanisms and medical implications. Medical Hypotheses 1998; 50, 203-211.

32.Nybo L., Secher N.H., Nielsen B. Inadequate heat release from the human brain during prolonged exercise with hyperthermia. J Physiol 2002; 545: 697-704.

33.Polderman K.H. Application of therapeutic hypothermia in the ICU: opportunities and pitfalls of a promis-

ing treatment modality. Part 1: Indications and evidence. Intensive Care Med 2004; 30:556-575. 34.Qiu W., Shen H., Zhang Y. et al. Noninvasive selective brain cooling by head and neck cooling is protective in severe traumatic brain injury. J Clin Neurosci 2006; 13:995-1000.

35.Sukstanskii A.L., Yablonskiy D.A. Theoretical limits on brain cooling by external head cooling devices. Europ J Appl Physiol 2007; 101:41-49.

36.Taylor C.R., Lyman C.P. Heat storage in running antelopes: independence of brain and body temperatures. Amer J Physiol 1972; 222:114-117.

37.Trubel H., Herman P., Kampmann C. et al. A novel approach for selective brain cooling: implications for hypercapnia and seizure activity. Intensive Care Med 2004; 30:1829-1833.

38.Varon J., Acosta P. Therapeutic hypothermia: Past, Present and Future. Chest 2008; 133:1267-1274.

39.Wang H., Olivero W,. Lanzino G. et al. Rapid and selective cerebral hypothermia achieved using a cooling helmet. J Neurosurg 2004; 100:272-277.

40.Watelet J.B., Cauwenberge Van P. Applied anatomy and physiology of the nose and paranasal sinus-es.Allergy 1999 54:14-25.

41.Yablonskiy D.A., Ackerman J., Raichle M.E. Coupling between changes in human brain temperature and oxidative metabolism during prolonged visual stimulation. PNAS 2000; 97:7603-7608.

42.Zenker W., Kubik S. Brain cooling in humans-anatomical considerations. Anat Embryol (Berl) 1996; 193:1-13.

43.Zhu L. Theoretical evaluation of contributions of heat conduction and countercurrent heat exchange in selective brain cooling in humans. Ann Biomed Eng 2000; 28:269-277.

44.Zhu M., Ackerman J.J., Sukstanskii A.L., Yablonskiy D.A. How the body controls brain temperature: the temperature shielding effect of cerebral blood flow. J Appl Physiol 2006; 101:1481-1488.

БОШ МИЯНИ СОВУТИШНИНГ АНАТОМИК ЖАБ^АЛАРИ

В.Е.Аваков, И.А.Шахова Тошкент медицина академияси

Бош мияни бевосита совутиш учун кулланиладиган услублар батафсил ёритилган (транскраниал совутиш, юкори нафас йуллари оркали ва бадандан келаётган артериал кон окими оркали). Ушбу услубий кулланма-да бош мияни селектив совутишнинг ноинвазив усул-ларини бирга куллаш энг яхши натижаларни олишга ёрдам бериши таъкидланган.

Контакт: Шахова Ирина Александровна. 100081, Ташкент, 3-й проезд Домбрабод, 20а. Тел.: +99894-6446724