Samedi 1 décembre 2007
la lettre d'information du site N°64
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Yawning as a brain cooling mechanism: nasal breathing and forehead cooling diminish the incidence of contagious yawning
Andrew C. Gallup, Gordon G. Gallup Jr
Department of Psychology
State University of New York at Albany USA
evolutionary psychology
with the so valuable help of
Pier Luigi Parmeggiani
Professor Emeritus of Physiology
Department of Human and General Physiology
University of Bologna
REM sleep related increase in brain temperature: a physiologic problem
Parmeggiani PL
Archives italiennes de biologie
Prolonged unintended brain cooling may inhibit recovery from brain injuries: case study and literature review
Ford GP, Reardon DC
Med Sci Monit
Intrinsic functional architecture in the anaesthetized monkey brain.
Vincent JL, Patel GH, Fox MD, et al.

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.

Signes tirés du bâillement
Signes tirés des pandiculations
François Joseph Double
Verdun-sur-Garonne 1776 - Paris 1842
Un des fondateurs de l'Académie de Médecine

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.

in Original Poems
and Translations
London, 1761
avec l'aide de
Anna Fitzgerald

A mechanical solution of the propagation of yawning
Francis Fawkes
Momus, the Mimic of the Gods above,
In his mock mood impertinently spoke,
About the birth, some low, ridiculous joke:
Jove, sternly frowning, glow'd with vengeful ire,
And thus indignant said th'Almighty Sire;
"Loquacious slave, that laugh'st without a cause,
"Thou shalt conceive, and bring forth at thy jaws."
He spoke --- stretch'd in the hall the Mimic lies,
Supinely dull, thick vapours dim his eyes:
And as his jaws a horrid chasm disclose,
The Gallic trumpet sounded from his nose;
Harth was the strain, and horrible to hear,
Like German jargon grating on the ear.
At length was Polychasmia brought to light,
Like her strange sire, and grandmother Old Night.
Her eyes to open oft in vain she try'd,
Lock'd were the lids, her mouth distended wide.
Her?? when Prometheus happen'd to survey
(Rival of Jove, that made mankind of clay)
He dared to emulate the wondrous frame,
Nor sought assistance from celestial flame:
To three Lathaean cups he learned to mix
Deep sighs of virgins, with three blasts from Styx,
The bray of asses, with the grunt of boar,
The sleep-preceeding groan, and hideous snore.
Thus took the Goddess her mirac'lous birth,
Helpful to all the muzzy sons of earth.
Behold! The motley multitude from far
Haste to the town, and crowd the clam'rous bar.
The prest bench groans with many a squire and knight,
Who weigh out justice, and distribute right:
Severe they seem, and formidably big,
With awful aspect and tremendous wig.
The pale delinquent pays averse his fine,
And the fat landlord trembles for his sign.
Poor, pilfering villains skulk aloof dismay'd,
And conscious terrors seize the pregnant maid.
Soon Polychasmia, who was always near,
Full fraught with morning cups of humming beer,
Steals to his worship's brain; thence quickly ran
Prodigious yawning, catch'd from man to man:
Silent they nod, and with laborious strain
Stretch out their arms, then listless yawn again:
For all the flowers of rhetoric they can boast,
Amidst their wrangings, is to gape the most:
Ambiguous quircks, and friendly wrath they vent,
And sire and take the leaden argument.
Une solution mécanique à la propagation du bâillement
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.

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."

Le bâillement, du réflexe à la pathologie
Le bâillement : de l'éthologie à la médecine clinique
Le bâillement : phylogenèse, éthologie, nosogénie
 Le bâillement : un comportement universel
La parakinésie brachiale oscitante
Yawning: its cycle, its role
Warum gähnen wir ?
Fetal yawning assessed by 3D and 4D sonography
Le bâillement foetal
Le bâillement, du réflexe à la pathologie
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Résultats du sondage
 au 3o novembre 2007
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avec l'aide de FreeFind

Nombre de questionnaires remplis : 2681
Combien de fois bâillez-vous par jour ? <5 = 24,8%.. 5-10 = 24,8%.. 10-15 = 15.4%.. 15-20 = 9,2%.. >20 = 25,7%
Ressentez-vous des baillements excessifs ?
62,9% = non, tant mieux
30,2% = oui et je ne sais pas pouquoi
7,9% = oui et je prends des antidépresseurs
1,1% = oui et je prends des anti-épileptiques
5% = oui et je prends d'autres médicaments
2,6% = oui et j 'ai des troubles neurologiques
2,2% = oui et j 'ai des troubles hormonaux
2,1% = oui et j 'ai des tics moteurs
1,8% = oui et j 'ai des tocs
déclenchez-vous facilement le bâillement d'autrui ? 75,2%
êtes-vous sensible au bâillement d'autrui ? 72,5%
The Ballad of Reading Gaol
Oscar Wilde (1854-1900)
With yawning mouth the horrid hole
Gaped for a living thing;
The very mud cried out for blood
To the thirsty asphalte ring:
And we knew that ere one dawn grew fair
The fellow had to swing.
écrits et réalisés par
le Dr Walusinski
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