¿Cómo regula el cerebro su temperatura?

Recientemente me encontré con una paradoja biofísica mientras intentaba resolver un problema de ingeniería, usando la forma de la naturaleza como guía; a saber, el cerebro.

Estoy trabajando en el diseño de un sistema totalmente nuevo de refrigeración por líquido/gas para un proyecto. En los sistemas normales, el refrigerante primero se enfría en un punto y luego se envía a las áreas objetivo; sin embargo, el refrigerante se calienta demasiado en el camino y no puede alcanzar mi objetivo en uno de los componentes finales. Las aletas de enfriamiento externas adicionales a lo largo del camino aún no compensan.

Tomé clases de biología en la universidad y recuerdo algunos mecanismos del cerebro y también imágenes (generalmente mostrando el cerebro como todo blanco internamente). Entonces, teoricé que tal vez el refrigerante (sangre) no estaba en contacto directo con el cerebro en un volumen sustancial; sin embargo, eso fue desacreditado: ¿ Por qué el cerebro es blanco?

Por lo que deduzco de la respuesta principal, la forma en que el cerebro logra la homeostasis podría presentar la respuesta a mis problemas. Hay mucha sangre en el cerebro. Esta sangre proviene de las arterias carótidas, lo que significa que proviene de la circulación principal y, por lo tanto, está a temperatura corporal {considerando la homeostasis de todos los órganos del cuerpo, es decir, los pulmones en este caso}. ¡Por connotación, el cerebro debería ser el órgano más caliente del cuerpo!

Teniendo en cuenta el volumen de sangre en el cerebro, ¿cómo regula su temperatura?

Gran pregunta, gracias por publicarla como una nueva pregunta. +1
Bueno, la sangre es altamente tóxica para el cerebro, por lo que existe una barrera hematoencefálica y astrocitos y células gliales que interactúan entre los vasos sanguíneos y el sistema nervioso central. La homeostasis se mantiene químicamente mucho más que mecánicamente y es más la tarea de las células gliales mantener la homeostasis en el SNC. En cuanto a la disipación de calor, la mayor parte ocurre a través de la enorme superficie de la piel. Básicamente, todo el cuerpo actúa como un radiador. Y no, la temperatura corporal central es de 37°C, salvo una infección o inflamación. No hay órgano más caliente o más frío.
Lo que vio en la publicación a la que se vinculó es la cantidad de vasculatura que circula alrededor del cráneo, pero eso apenas es diferente de la cantidad de vasculatura en el resto del cuerpo. Sí, el cuerpo puede desviar el flujo de sangre a diferentes áreas bajo diferentes condiciones usando hormonas, pero la red de vasos sanguíneos sigue ahí. Si realmente quiere comparar eso con un sistema de enfriamiento, calcule el volumen y el área de superficie de todos esos vasos sanguíneos con el volumen y el área de superficie del cerebro, luego compare eso con los componentes de enfriamiento en su proyecto,...
... y si tuviera una milésima parte de la cantidad de capacidad de enfriamiento corriendo a través de su dispositivo en comparación con el cerebro, o cualquier parte del cuerpo, estaría muy sorprendido... el ser humano promedio tiene 96 mil kilómetros de vasos sanguíneos en ellos. Por lo general, las células nunca se encuentran a más de 50 micrómetros de un vaso sanguíneo, y todo el entorno es acuoso, lo que disipa el calor mucho mejor que el aire. O necesita ir muy frío, N2 (l), o necesitará mejores tolerancias para los componentes aguas abajo. O hacer lo que hace el cuerpo, muchas tuberías juntas recorriendo distancias cortas.
¡Asombroso! Creo que acabo de recibir mi respuesta. El enfriamiento químico que mencionaste. Todo lo que necesito es encontrar un líquido refrigerante intermedio cuyo volumen en cualquier componente a lo largo del camino regulará la cantidad de calor eliminado a lo largo de ese camino antes del componente final. Aunque es más fácil decirlo que hacerlo. Gracias.
@AMR: ¿ la sangre es altamente tóxica para el cerebro ? Si bombeara agua desmineralizada alrededor, moriría fácilmente :)
@AliceD Sí, absolutamente lo es. Solo piense en los efectos que tendrían las proteínas del complemento si se acercaran al tejido del cerebro.
@AMR: de acuerdo, es solo que el conocimiento distante de OP sobre Bio puede hacer que lo interprete como si la sangre es algo malo en el cerebro. Que no es.
@AliceD. El flujo de sangre a través de vasos altamente especializados no lo es. Hay dos tipos de trazos. Uno es obstructivo, el otro es hemorrágico. Ambos pueden causar una discapacidad severa y ambos pueden ser fatales. Su pregunta dice que "(la sangre) no estuvo en contacto directo con el cerebro en un volumen sustancial; sin embargo, eso fue desacreditado", pero no está en contacto directo. Tiene células endoteliales extremadamente apretadas de los vasos sanguíneos del cerebro. Tienes astrocitos que rodean los vasos sanguíneos y células gliales que protegen las neuronas. La arquitectura del cerebro ha evolucionado para mantener la sangre fuera.
@AMR oh sí, definitivamente. La sangre se mantiene confinada en cualquier parte del cuerpo, solo un poco más en el cerebro a través de BBB. No estoy argumentando en contra, solo el tono de la declaración.
@AliceD. El uso de la homeostasis en su pregunta también es problemático, ya que es mucho más que una simple regulación de la temperatura, pero lo dejé pasar. Y el BBB es mucho más que un poco más en comparación con el resto del cuerpo. Es como el punto de acceso a una instalación militar de alto secreto a la puerta de malla en un porche, o para usar un ejemplo de Biología, una instalación BSL 3 o 4 a un laboratorio de primer año. Y en cuanto al tono, pase un día en una UCI de Neuro y vea qué piensan de la sangre y el cerebro que entran en contacto entre sí.
El sector del juego y los centros de datos han trabajado mucho en el uso de refrigeración líquida. Además, si observa el Centro de Computación Avanzada de Texas o el CERN, es probable que hayan publicado mucho material sobre el enfriamiento de componentes.
Hay una suposición que el OP está haciendo que es problemática y es que los sistemas biológicos y los sistemas hechos por el hombre operan bajo los mismos principios. Los sistemas hechos por el hombre tienden a ejecutarse con la máxima eficiencia o empujamos los límites, acelerando una CPU, postquemadores en motores a reacción, etc. y luego desarrollamos sistemas de enfriamiento robustos para tratar de mantener los componentes en el umbral de falla sin superándolo. Los sistemas biológicos casi nunca hacen esto, y la actividad metabólica está estrictamente controlada con enzimas que catalizan las reacciones químicas de manera controlada y con bucles de retroalimentación negativa.
Solo en raras ocasiones un sistema biológico empuja el sobre, y eso generalmente tiene que ver con los mecanismos de supervivencia que son para la preservación del organismo, incluso si se soportan algunos efectos nocivos... Señales de lucha o huida, respuesta inflamatoria a la infección, persecución presa, etc. Es por eso que estas cosas suceden en ráfagas cortas durante períodos cortos de tiempo, porque la falla en un sistema biológico conduce a una discapacidad grave o la muerte.

Respuestas (1)

De lo que puedo deducir de su pregunta es que asume que la sangre en el cerebro es algo malo en términos de control de temperatura. No lo es. Por el contrario, la circulación sanguínea es crucial para mantener la temperatura cerebral.

En condiciones en las que el cerebro se está calentando, lo que parece ser el foco de su pregunta, existen mecanismos para extraer este calor y disiparlo. La temperatura ambiente suele ser más baja que la temperatura corporal, e incluso en climas cálidos, la transpiración y la evaporación del agua pueden enfriar la piel.

De hecho, durante la hipertermia, el flujo sanguíneo venoso de la piel de la cara y el cuero cabelludo que alimenta la duramadre (las membranas del cerebro) aumenta y enfría el cerebro (Brinnel et al ., 1989) . Además, la sangre de las membranas mucosas nasales y paranasales que fluye hacia la duramadre enfría el cerebro debido al enfriamiento por evaporación del sudor o la mucosidad. La duramadre también puede transmitir cambios de temperatura al compartimiento del líquido cefalorraquídeo (Zenker & Kubik, 1996) .

Referencias
- Brinnel et al ., Arch Dermatol Res (1989);281 (1): 66-72
- Zenker y Kubik, Anatomy Embryol (1996); 193 (1): 1-13

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