Высочайшая церебральная метаболическая активность (20% всей теплоты организма в покое) требует для обеспечения не менее чем 20% всего утилизированного организмом кислорода и 25% глюкозы. При исходной средней интенсивности обменных процессов организма в комфортных условиях покоя около 1500 ккал, мозг потребляет почти 300 ккал только для обеспечения базовой активности [46].
Около 60% энергии, вырабатывающейся при утилизации глюкозы, выделяется в виде первичной теплоты, а 40% затрачивается на синтез АТФ, при этом в процессе энергетического обеспечения трансмембранных нейрональных событий высвобождается вторичная теплота.
Температура головного мозга определяется активностью метаболизма нейронов (теплопродукция) и состоятельностью путей удаления избытка теплоты (теплоотдача). Основной путь теплоотведения обеспечивается мощным притоком артериальной крови [47]. Особенностью его является наличие своеобразных противоточных теплообменных областей. В частности, оттекающая от поверхности кожи головы, лица, слизистых оболочек верхних дыхательных путей и носоглотки охлажденная венозная кровь собирается в систему яремных венозных сосудов, тесно контактирующих с внутренней сонной артерией. Более холодная венозная кровь охлаждает притекающую к мозгу артериальную кровь, температура которой понижается и становится на 0,2°С ниже, чем в аорте. При этом, оттекающая от мозга кровь оказывается на 0,2°С выше, чем в аорте.
Церебральный кровоток составляет не менее 15% минутного объема кровообращения, обеспечивая среднюю перфузию тканей мозга около 50 мл/100г/мин, а для коры больших полушарий – не менее 75 мл/100г/мин. В условиях нормы и покоя этого оказывается достаточно, чтобы сбалансировать процессы теплопродукции и теплоотведения. Однако, при повышении температуры тела приток теплой крови ухудшает условия удаления избытка теплоты от мозга, которая начинает накапливаться. Снижение перфузии в областях мозга при отеке и повышении ВЧД также ухудшает теплоотведение, что подчеркивает уязвимость данного механизма поддержания теплового баланса мозга.
Кроме того, конвекционный механизм удаления избытка теплоты формируется за счет охлаждения коры больших полушарий венозной кровью оттекающей от кожи головы [48]. Охлажденная во внешней среде венозная кровь достигает венозных синусов твердой мозговой оболочки благодаря тому, что эмиссарные вены от кожи скальпа проникают через перфорантные отверстия (перфорантные вены) височной и теменной костей, далее кровь попадает в синусы, а по мозговым венам – непосредственно к поверхности мозга. Этот очень короткий транзитный путь холодной венозной крови к коре больших полушарий кажется весьма эффективным, однако его вклад в поддержание термогомеостаза мозга недостаточно изучен. В тоже время ясно, что чем холоднее кожа головы и оттекающая от неё венозная кровь, тем эффективней окажется элиминация избытка теплоты
Следует учитывать, что головной мозг – единственный орган, кровоснабжение которого осуществляется с поверхности. Центральный приток крови по внутренним сонным артериям, распределяясь от Виллизиевого круга к мозговым артериям, в первую очередь, обеспечивает охлаждение поверхности мозга, также, как и венозная кровь перфорантных вен. За счет этого кора больших полушарий оказывается холоднее центральных структур на 0,5°С, в среднем составив 36,2-36,5°С. Таким образом, механизмы поддержания теплового баланса мозга направлены, в первую очередь, на охлаждение нейронов коры больших полушарий.
Роль верхних дыхательных путей не ограничивается их участием в охлаждении крови во внутренних сонных артериях. Показано, что температура лобных долей мозга понижается при охлаждении слизистых оболочек носоглотки. Толщина костей в этой области не препятствует теплопередаче между носоглоткой и передней черепной ямкой. Нарушения данного пути теплоотведения, например, при интубации, приводит к повышению температуры мозга, что в свою очередь позволило рассматривать гипервентиляцию и даже акт зевания, как компенсацию повышения церебральной температуры [49]. Малозначимо участвует в удалении избытка теплоты от мозга прямая теплопередача от поверхности мозга наружу через кости черепа и мягкие ткани головы в связи с низкой теплопроводностью тканей. Тем не менее, этот путь следует рассматривать в контексте обсуждения методик искусственного понижения температуры мозга, например, при краниоцеребральном охлаждении.
Таким образом, церебральный температурный гомеостаз в основном определяется уровнем метаболической теплопродукции, температурой притекающей крови и состоятельностью мозгового кровотока. Головной мозг рассматривают как составляющую часть теплового центра организма. Однако высокая теплопродуктивность, особенности регуляции и уязвимость механизмов удаления избытка теплоты демонстрируют уникальность теплового баланса мозга, что приобретает особое значение при перегревании и церебральных катастрофах.