la perdita di calore mediante l’utilizzo del calore latente di vaporizzazione dell’acqua è una componente importante dello spettro di fisiologica strategie disponibili per le specie che non controllo la temperatura del corpo e il volto di variabile carichi termici. I migliori metodi noti per aumentare la perdita di calore evaporativo sono ansimare, sudare e diffondere la saliva. Questa recensione si concentrerà sul ansimare come strategia termolitica. Un sacco di ricerca in ansimante si è verificato prima del 1975, con una ripresa di interesse dopo il 1995 che ha accompagnato i progressi tecnici sia in telemetria e la raccolta e l’analisi dei dati.

La funzione del sistema respiratorio è spesso vista come correlata principalmente allo scambio di gas, e altre funzioni come il controllo acido-base, la fonazione e la termoregolazione sono spesso trascurate. L’evoluzione e il successo dell’endotermia hanno permesso al controllo della temperatura corporea in ambienti freddi di essere indipendente dall’ambiente termico esterno, ma ha richiesto lo sviluppo di appropriate strategie di perdita di calore in ambienti caldi. Poiché lo scambio di gas respiratorio richiede l’umidificazione dell’aria inspirata, un aumento della ventilazione respiratoria eleverà anche l’evaporazione respiratoria finché non si verificherà la deumidificazione respiratoria e il raffreddamento (35). Quindi la perdita di calore evaporativo ansimando sarebbe una funzione relativamente semplice da ospitare. In termini di perdita di calore evaporativo di endoterme terrestri è possibile che, da un punto di vista evolutivo, sia ansimante o saliva diffusione potrebbe essere stato il primo meccanismi di perdita di calore ad emergere che ha utilizzato il calore latente di vaporizzazione dell’acqua per aumentare la perdita di calore. Tuttavia, anche lo scambio alveolare di ossigeno e anidride carbonica dovrebbe essere controllato per preservare i requisiti per lo scambio di gas e l’omeostasi del pH. Idealmente l’aumento della ventilazione dovrebbe quindi essere confinato nello spazio morto dove avviene l’umidificazione e non dovrebbe compromettere lo scambio gassoso alveolare, requisito che può essere raggiunto da un aumento della frequenza respiratoria con una diminuzione proporzionata del volume di marea (15), che, di fatto, diventa una definizione di ansimante (Fig. 1). Se si esamina la misura in cui ansimare è usato come meccanismo di perdita di calore evaporativo nel regno animale, si trova a verificarsi in alcuni rettili, negli uccelli e in molte specie di mammiferi. C’è una difficoltà nel determinare dalla misurazione visiva della frequenza respiratoria da solo che ansimando, come definito, esiste veramente. Solo l’approccio tecnicamente difficile utilizzato in Fig. 1 per cui la ventilazione respiratoria è partizionata nei suoi componenti alveolari e morti dello spazio o la misurazione diretta della perdita di acqua respiratoria soddisferà veramente la conclusione che ansimare è un meccanismo di perdita di calore evaporativo. Tuttavia, un’attenta osservazione visiva dei cambiamenti nella profondità della respirazione spesso discrimina tra gli aumenti associati al ansimare, all’esercizio fisico o all’ipermetabolismo dell’ipertermia.

Le specie non piantanti più notevoli nelle specie terrestri dei mammiferi (i mammiferi marini per ovvi motivi relativi alla fisica del trasferimento di calore nell’acqua non hanno bisogno di tale meccanismo) sono elefanti e umani. L’elefante non ha meccanismi di perdita di calore evaporativo identificati che possono essere attivati come parte dell’omeostasi termica; l’elefante memorizza semplicemente il calore durante il giorno e lo dissipa di notte (16). I primati, diversi dagli esseri umani, dimostrano ansimare in misura limitata (17). Nell’uomo nessuna risposta respiratoria all’esposizione al calore rientra nella definizione di ansimare.

Quando viene effettuato un confronto di efficacia relativa delle due modalità principali di perdita di calore per evaporazione, cioè, ansante e sudato, è spesso concluso che, anche se il movimento dell’aria attraverso le superfici umide del turbinate ossa della cavità nasale aiuta l’evaporazione dell’acqua in modo generalmente non disponibili per la superficie della pelle di sudorazione specie, la perdita di calore del dipinto è limitato dall’aumento di produzione del calore dei muscoli della respirazione. Tuttavia, il costo energetico di ansimare, se misurato come la variazione del consumo totale di ossigeno tra le zone termoneutrale e termolitica, si trova ad essere zero (12, 14), veramente un’efficienza del 100%! La soluzione a questo paradosso è stato rivelato da Hales (11), che rispetto alla distribuzione della gittata cardiaca prima e durante l’esposizione al calore e ha dimostrato che un aumento del flusso di sangue ai muscoli respiratori durante ansimando è stato compensato da una riduzione del flusso di per alcuni nonrespiratory muscoli, per giungere alla conclusione che, se il flusso di sangue e ossigeno al consumo sono abbinati, il metabolismo dei muscoli respiratori può infatti essere elevata durante ansimando, ma che di altri muscoli, sarebbe altrettanto depresso. Un’ulteriore caratteristica che contribuisce all’elevata efficienza energetica dell’ansimante è che la frequenza massima di ansimante si verifica alla frequenza di risonanza dell’apparato respiratorio (5). Poiché la frequenza massima di ansimare sarà quindi inversamente correlata alla dimensione corporea, ciò potrebbe spiegare l’osservazione che in una gamma di animali bovidi di diverse dimensioni del corpo adulto che usano sia ansimare che sudare, le specie più grandi utilizzano la sudorazione più che ansimare come strategia per aumentare la perdita di calore evaporativo (33). Si può ipotizzare, quindi, che se ansimare rappresenta una forma primitiva di perdita di calore evaporativo dei primi mammiferi, che erano piccoli, la successiva evoluzione di specie più grandi ha richiesto lo sviluppo di una forma supplementare di perdita di calore evaporativo, vale a dire sudorazione. La perdita di calore evaporativo del canguro è unica in quanto vengono utilizzate tutte e tre le strategie per aumentare l’evaporazione: saliva che si diffonde e ansima a riposo e sudorazione durante l’esercizio (7).

TERMOLISI E SCAMBIO GASSOSO

La perdita di acqua e calore della respirazione dipende sia dall’umidità ambientale che dalla ventilazione minima. In condizioni di freddo, sia la perdita di calore respiratorio convettivo che quello evaporativo sono in gran parte incontrollate e possono dover essere contrastate da un aumento del metabolismo e della ventilazione respiratoria nell’interesse dell’omeostasi termica. Così gli alpinisti ad alta quota in un ambiente ipossico con una maggiore ventilazione respiratoria e l’inalazione di aria di bassa umidità si trovano ad affrontare la doppia minaccia di acqua significativa e perdita di calore, che possono contribuire al rischio di disidratazione e ipotermia. Tuttavia, una riduzione della ventilazione minuto dopo l’esposizione a temperature fredde porterà ad ipercapnia e una maggiore estrazione di ossigeno dall’aria inspirata (37). Uno studio dettagliato sugli effetti dell’esposizione al freddo sulla respirazione dei bovini ha dimostrato una riduzione della perdita totale di calore respiratorio, espressa in percentuale della produzione di calore metabolico, inversamente proporzionale alla temperatura ambiente e accompagnata da ipercapnia arteriosa e ipossiemia (8). Il sistema respiratorio può quindi essere visto come sensibile a, ed essere parte di, una cascata di reazioni all’ambiente termico con un continuum che si estende dall’ipoventilazione nel freddo all’iperventilazione nel calore.

Sebbene gli aumenti della ventilazione nel panting siano in gran parte confinati nello spazio morto, vi è inevitabilmente un piccolo ma rilevabile aumento della ventilazione alveolare e una conseguente ipocapnia; la ventilazione dello spazio morto non può essere fisicamente separata dalla ventilazione alveolare e la miscelazione diffusiva dei gas è destinata a verificarsi. Se la perdita di calore evaporativo è inadeguata e la temperatura corporea aumenta, c’è un cambiamento nel modello di respirazione tale che il volume di marea aumenta e la frequenza respiratoria diminuisce e ansimando cambia da respirazione a bocca aperta chiusa. La conseguente iperventilazione alveolare porta ad un progressivo sviluppo di alcalosi respiratoria profonda (15). Così sono state descritte due forme di ansimante: una senza alcun cambiamento importante nella ventilazione alveolare e l’altra iniziata con l’aumento della temperatura interna in cui vi è una significativa iperventilazione alveolare (Fig. 1). Una spiegazione per l’iperventilazione ipertermica potrebbe essere che la resistenza al flusso d’aria nasale aumenta a tal punto che sarebbe necessario passare a una modalità di ventilazione a bassa resistenza, cioè attraverso la bocca. L’elegante modello dell’apparato respiratorio il flusso d’aria sulla base della misura anatomica dei turbinati ideato da Schroter e Watkins nel 1989 (36) indica che i numeri di Reynolds le lacune sono abbastanza bassi per prevedere che anche ad alto tasso di ventilazione flusso d’aria sarà sempre laminare e la resistenza delle vie aeree è improbabile che sia un fattore di trasferimento a bocca aperta e ansimando.

L’esercizio fisico può portare a iperventilazione in molte specie, e la domanda è stata posta che, oltre all’iperventilazione anticipatoria che si verifica nell’uomo prima dell’esercizio, lo stimolo respiratorio per l’iperventilazione può essere multifattoriale, originato dall’esercizio dei muscoli stessi e quindi essere una funzione dell’intensità dell’esercizio o da un aumento della concentrazione di lattato nel sangue, o In studi condotti su pecore, che è una specie ansimante, Entin et al. nel 1998 (10) ha identificato la temperatura corporea come l’unica variabile significativa nell’iperventilazione indotta dall’esercizio. Sia nell’iperpnea passiva che nell’esercizio fisico, l’azionamento termoregolatorio sembra essere la modalità comune. Tuttavia, l’ipocapnia ipertermica può sopprimere l’azionamento del chemorecettore alla respirazione. Questo apparente conflitto è stato esaminato in tre studi. Hales et al. (13) denervato i chemorecettori carotidei e non ha trovato alcuna prova di alcun ruolo significativo per i chemorecettori periferici nella risposta ventilatoria al riscaldamento negli ovini. Maskrey et al. (28) ha arricchito l’aria inspirata delle pecore con anidride carbonica per mantenere la normocapnia e ha riscontrato una riduzione della frequenza di ansimamento e un aumento del volume delle maree, il che ha suggerito che la risposta dei chemorecettori di soglia all’anidride carbonica fosse abbassata dall’ipertermia. Entin et al. (9) ha anche concluso che all’aumentare della temperatura corporea c’è uno spostamento verso il basso nel livello di controllo o “set point” di Pco2 arterioso che compensa qualsiasi apparente conflitto omeostatico tra termolisi e controllo del pH. Tale regolazione della soglia respiratoria o della sensibilità alla Pco2 può essere significativa nelle specie che si basano sul ansimare come principale mezzo di perdita di calore evaporativo in quanto rimuove ogni possibile effetto “frenante” dell’ipocapnia sulla termolisi.

STUDI SUGLI ESSERI UMANI

Se è accettato che ci sia poca o nessuna prova per ansimare come meccanismo termoregolatore negli esseri umani, gli effetti dell’ipertermia passiva o indotta dall’esercizio sulla respirazione dovrebbero separare le conseguenze unicamente respiratorie dell’ipertermia da quelle relative alla regolazione della temperatura. Il lavoro di Cabanac e White (4) e White e Cabanac (39) ha mostrato che, contrariamente alla situazione nelle specie ansimanti in cui non esiste una temperatura corporea soglia chiara per l’inizio dell’iperventilazione (10), un cambiamento nella respirazione si verifica solo quando la temperatura corporea interna è salita a un valore soglia; una volta superata una temperatura soglia, ne consegue l’iperventilazione. Questa soglia è significativamente superiore alle temperature di soglia sia per l’inizio della sudorazione che per l’aumento del flusso sanguigno cutaneo, dimostrando che la risposta respiratoria all’ipertermia non può essere analoga alla risposta ansimante e far parte del solito gruppo di riflessi termolitici (38). L’iperventilazione ipertermica osservata nelle specie ansimanti, come cani e pecore, può essere analoga a quella osservata negli esseri umani non trapiantati e quindi essere una proprietà fondamentale del sistema respiratorio di tutte le specie di uccelli e mammiferi, indipendentemente dal fatto che utilizzino ansimanti come meccanismo di perdita di calore. La caratteristica comune agli esseri umani e agli animali non trapiantati potrebbe essere la relazione tra respirazione e raffreddamento selettivo del cervello.

IL RAFFREDDAMENTO SELETTIVO DEL CERVELLO

Ansimante comporta l’inalazione di aria attraverso il naso e nella maggior parte delle specie la bocca è chiusa. Sebbene sia risaputo che il cane mostra ansimanti a bocca aperta, l’aria ispirata entra nella cavità nasale ed esce attraverso la bocca (34). L’umidificazione dell’aria inspirata avviene quindi dal fluido secreto sulla superficie dell’epitelio nasale (3). Un aumento del flusso sanguigno alla mucosa nasale fornisce il calore necessario per l’evaporazione e il sangue venoso che scarica i turbinati viene quindi raffreddato. La successiva distribuzione del sangue venoso è variabile; può entrare nella vena angularis occuli e poi nei seni cavernosi cranici prima di entrare definitivamente nella vena giugulare, o in alternativa può entrare nella vena facciale e quindi nella vena giugulare. Il percorso di direzione del flusso è sotto il controllo neurale simpatico del mantello muscolare di entrambe le vene, che agiscono come sfinteri e reindirizzano il flusso lungo una via o l’altra (21). L’angularis occuli possiede recettori α-adrenergici, la cui stimolazione porta alla venocostrizione, mentre i recettori della vena facciale sono venodilatatori della varietà β-adrenergica (21). Sotto stimolazione simpatica generalizzata, sono essenzialmente antagonisti nella loro funzione. Il sangue che entra nei seni cavernosi cranici circonda l’afflusso di sangue arterioso alla base del cervello, che, in molte specie ansimanti, consiste in una rete di vasi nota come rete carotidea (6). Tale disposizione è un efficiente scambiatore di calore controcorrente che consente di raffreddare l’alimentazione arteriosa al cervello (2). Sebbene l’esistenza del raffreddamento del cervello sia stata dimostrata in molte specie che possiedono una rete carotidea, non esiste una tale struttura negli esseri umani, nei conigli e nei cavalli. Tuttavia, l’arteria carotide interna di queste specie attraversa il seno cavernoso cranico, e c’è un potenziale di raffreddamento controcorrente, anche se l’assenza di una rete vascolare come la rete carotidea dovrebbe ridurre al minimo l’efficacia del trasferimento di calore. McConaghy et al. (29) ha studiato il raffreddamento selettivo del cervello del cavallo, una specie che non ha rete carotidea e potrebbe anche non essere un animale ansimante. Hanno chiaramente dimostrato il raffreddamento del sangue nel tratto respiratorio superiore e il raffreddamento selettivo del cervello durante l’esposizione al calore e l’esercizio fisico. Anche se gli esseri umani non pant, sudorazione dalla testa è particolarmente ben sviluppato e sia la perdita di calore evaporativo cutanea e respiratoria potrebbe contribuire al raffreddamento selettivo del cervello. Utilizzando la temperatura della membrana timpanica come indice di temperatura cerebrale e temperatura esofagea come indice di temperatura arteriosa Cabanac e White (4) e White e Cabanac (39) hanno fornito prove di raffreddamento cerebrale selettivo negli esseri umani durante l’ipertermia sia passiva che fisica. L’uso della temperatura della membrana timpanica come indice della temperatura cerebrale è stato messo in discussione fino a quando alcune misurazioni dirette delle temperature intracraniche e subdurali sono state fatte da Mariak e colleghi (27) su pazienti sottoposti a intervento chirurgico per emorragia subaracnoidea. Hanno confermato non solo la relazione tra temperatura intracranica e temperatura della membrana timpanica (26), ma anche il legame tra raffreddamento respiratorio superiore e raffreddamento cerebrale selettivo (27). Hanno anche concluso che, sulla base della velocità di risposta all’evaporazione respiratoria, il trasferimento di calore dall’epitelio nasale era mediante meccanismi convettivi e non conduttivi.

L’identificazione del raffreddamento cerebrale selettivo sia negli animali ansimanti che non trapiantati, sia in quelle specie che non possiedono una rete carotidea è stata inizialmente percepita come un meccanismo per la protezione di un organo termicamente vulnerabile. Tuttavia, questa conclusione può essere una semplificazione eccessiva e gli studi sugli animali liberi dimostrano una significativa variabilità nella misura in cui si verifica; per citare Jessen e Kuhnen (19), c’è un “need bisogno di cautela nell’assegnare una funzione specifica al meccanismo di raffreddamento selettivo.”Tuttavia, può essere possibile in tutte le apparenti conclusioni contraddittorie generare una possibile ipotesi di lavoro. L’entità del raffreddamento cerebrale selettivo dipenderà da 1) il grado di raffreddamento nasale, e in questo contesto il raffreddamento della pelle mediante sudorazione negli esseri umani può contribuire se il drenaggio venoso cutaneo è permesso di entrare nella vena angularis occuli; 2) distribuzione non solo del sangue venoso fresco al seno cavernoso cranico, ma anche l’instradamento del sangue arterioso agli scambiatori di calore; 3) la misura in cui l’aria inalata viene assorbita attraverso il naso o la bocca; e 4) il ruolo del raffreddamento selettivo del cervello come componente dell’omeostasi termica.

Il lavoro di Jessen e colleghi è stato importante nel chiarire i fattori termici che determinano l’avvio del raffreddamento selettivo del cervello. I sensori di temperatura ipotalamici stessi sono raffreddati e il raffreddamento selettivo del cervello sarebbe, quindi, parte di un ciclo di feedback con la temperatura del cervello che è la variabile regolata. Quando i sistemi di affettori termici sono suddivisi in quelli del cervello o del tronco, Kuhnen e Jessen (23, 24) hanno concluso che la termosensibilità cranica determina in gran parte la soglia di temperatura per il raffreddamento selettivo del cervello, mentre le temperature del tronco influenzano la pendenza della risposta al di sopra della soglia. Tale sistema di controllo integra tutti gli ingressi termici e smorza eventuali oscillazioni nella perdita di calore evaporativo respiratorio.

Il ciclo di feedback per il raffreddamento selettivo del cervello sopprimerà ansimando. È stato proposto che nella disidratazione il miglioramento del ansimante e l’uso del raffreddamento cerebrale selettivo combinato con la soppressione della sudorazione nelle capre (18, 32) può essere visto come un meccanismo di ritenzione idrica in quanto conserverà ∼35% dell’assunzione di acqua (22). Il raffreddamento del cervello diventa così parte della cascata di risposte di conservazione dell’acqua alla disidratazione che fanno parte dell’ipertermia della disidratazione. Il significato del ansimante a bocca aperta e l’alcalosi respiratoria che si verifica durante l’ipertermia è stato un mistero in termini di comprensione del suo ruolo nella termoregolazione. Il lavoro di Aas-Hansen et al. (1) ha dimostrato che durante la bocca aperta ansimando in renna, c’è un reindirizzamento del flusso d’aria ispirato lontano dalla cavità nasale alla bocca. Di conseguenza, potrebbe esserci un ridotto flusso di sangue venoso nel seno cavernoso cranico e una riduzione del raffreddamento selettivo del cervello. Di conseguenza la temperatura del cervello aumenta e rimuove l’inibizione della perdita di calore evaporativo respiratorio, contribuendo così alla dissipazione del calore totale del corpo.

In generale, la dimostrazione e la replicazione del raffreddamento cerebrale selettivo sono coerenti in condizioni di laboratorio. Tuttavia, fattori non termici come la presenza di un investigatore nell’area sperimentale sopprimeranno il raffreddamento selettivo del cervello (25). Presumibilmente questi periodi transitori di abbandono del raffreddamento cerebrale selettivo sono mediati da un reindirizzamento del flusso sanguigno venoso lontano dal seno cavernoso. Un evento simile è stato osservato in studi su animali liberi in cui è ovvio che uno stretto controllo termico non è sempre evidente a causa di fattori non termici. Questi possono includere lo spavento di essere inseguiti osservati negli gnu (20) o attacchi di attività spontanea segnalati negli springbok liberi (30). L’esercizio fisico o la stimolazione simpatica generalizzata possono quindi attivare i recettori α-adrenergici del muscolo sfintere della vena angularis occuli e deviare il flusso nella vena facciale e portare a una perdita di raffreddamento selettivo del cervello.

Sebbene vi siano prove di raffreddamento selettivo del cervello negli esseri umani, recenti osservazioni sul raffreddamento totale del cervello durante l’esercizio fisico con o senza ipertermia (31) sembrano negare l’idea di raffreddamento selettivo del cervello. Tuttavia, la tesi generale del raffreddamento cerebrale selettivo è stata che l’area raffreddata del cervello è limitata alle regioni termosensibili dell’ipotalamo e che il raffreddamento cerebrale generalizzato potrebbe non aver luogo.

In sintesi, l’evoluzione della ricerca sulla perdita di calore evaporativo respiratorio e cutaneo dalla testa e la sua relazione con il raffreddamento selettivo del cervello si è allontanata dal concetto di cervello come unicamente vulnerabile all’ipertermia per la nozione che rappresenta parte del meccanismo di controllo per l’omeostasi termica.