实用大脑生理(更正版）

Applied cerebral physiology

Claudia Craven

Ugan Reddy

实用大脑生理

锈刀十一编译

 

摘要

大脑使用大量的葡萄糖供应其基础代谢，其需求量在大脑活动增多时进一步增加。为了使葡萄糖能够提供这种能量，需要充足且不间断的氧供。因此，脑血流量对正常脑功能至关重要。其控制由局部代谢需求的内在因素以及动脉血压，动脉二氧化碳和氧气压力，温度和神经因素等外部因素决定。本文回顾了脑代谢和脑血流量以及两者的监测技术。

关键词 脑自动调节; 脑血流量 脑代谢; 颅内压

 

 

脑代谢和血流

大脑的主要功能是对刺激产生神经元动作电位。逆电梯度的离子运动以及神经递质在突触中的释放和重复是该过程的核心。这些功能需要三磷酸腺苷（ATP）代谢形式的大量能量（供应）。在正常条件下，代谢底物几乎只有葡萄糖，氧化过程需要适当的氧气供应。本文揭示了大脑接收其重要的葡萄糖和氧气供应机制，以及如何平衡这些与需求之间的关系（表1）。

 

脑代谢

大脑消耗的能量超过身体其他任何组织。葡萄糖是大脑的主要能源。葡萄糖（CMRG1）的脑代谢率约为30 mg / 100g / min，约占全身葡萄糖消耗的25％。大部分能量用于通过Na ⁺ / K ⁺ -ATPase离子泵维持跨越神经元膜的离子梯度。葡萄糖通过GLUT 1转运蛋白穿过脑屏障，然后通过不同的葡萄糖转运蛋白（即GLUT 1到星状胶质细胞，GLUT 3至神经元和GLUT 5到小神经胶质细胞）进入细胞内。

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在正常的有氧条件下，葡萄糖进入三羧酸（TCA）循环和氧化磷酸化，为能量代谢提供ATP。其余部分转化为氨基酸，蛋白质和脂质。在乏氧条件下，葡萄糖受体被上调。葡萄糖通过糖酵解厌氧代谢形成乳酸盐，其在神经元中转化为丙酮酸，然后可以用于TCA循环。乳酸可以通过单羧酸转运蛋白主动穿过血脑屏障。在禁食期间，大脑使用酮体（从肝脏输出），并分解成乙酰辅酶A（乙酰辅酶A），其通过TCA循环氧化以产生能量。在这种情况下也可能发生葡萄糖生成。如果脑血流量（CBF）停止，糖原储备可在2分钟内耗尽。低血糖导致脑细胞功能障碍，表现为焦虑和混乱，抽搐，最终昏迷。

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脑血流量（CBF）

正常有氧脑代谢需要不间断地供应氧气。大约70％的CBF由颈动脉供血，其余部分由后侧的椎动脉供血。这些前后循环在大脑基底部Willis环相连接，50％的人的吻合支是不完全的。

大脑接受15％的心输出量（成人750毫升/分钟），静息CBF约为50毫升/ 100克/分钟（表1）。相比于白质中的20ml / 100克/分钟，由于代谢更活跃，灰质的每分钟血流量更大，为90毫升/ 100克/分钟。因此，灰质的脑氧代谢率更高（CMRO 2 ）（表1）。

                           

当CBF降低至约20ml / 100g /分钟时，几秒钟内意识丧失，约3小时后出现脑细胞坏死（梗死），而血流速为10ml / 100g /分钟，30分钟后出现脑细胞坏死。

 

 

脑灌注压（CPP）

大脑的灌注压依赖于驱动压或平均动脉压（MAP）和颅内压（ICP）之间的压力差-这是需要克服（的阻力），以提供大脑足够的血液。该压力差被称为CPP。正常CPP为70 - 80mmHg; 临界局部缺血的阈值为30 -40 mmHg。即使在正常水平的MAP，ICP升高超过20mmHg将危及CPP。这强调了在头部受伤等情况下保持足够的MAP以确保充分灌注的重要性。

脑灌注压=平均动脉压- 颅内压

 

颅内压

颅骨的内容物是由脑实质（80％），血液（9％），脑脊液（6％）和组织间质液（5％）构成的。正常颅内压被认为是7 -12 mmHg。ICP是一个动态的压力，动脉搏动，位置，呼吸，咳嗽和紧张都会引起波动（图1）。门罗· 凯利（Monroe e Kellie）法则指出，由于颅内体积是固定的，因此颅内任何一个部分容积增加，除非伴随其他部分容积减少，否则会引起ICP升高。当脑容量增加时，首先是通过CSF进入脊柱间隙来补偿，同时伴随着脑血容量的减少。然而，由于补偿机制有限，颅内容积增加很小就会引起ICP急剧升高（图2）。严重升高ICP会压迫脑干引起血压升高，心动过缓和呼吸不规则（库兴反射）。

降低ICP的手术方法包括脑脊液引流或减压术。为降低颅内血容量，可通过降低动脉二氧化碳压力（PaCO₂），引起脑血管收缩；或抬高床头以增加静脉引流；或提供良好的镇静和肌松以降低胸腔内（压力）。间质液体积减少可以通过限制液体或通过给予利尿剂或皮质类固醇来实现。

 

CSF

CSF是血液中的超滤液，可以自由地遍布整个脑室系统，大脑和脊髓浸泡其中。它以约500毫升/天的速率生成。当CSF的生成速率超过再吸收速率（例如，如果存在CSF循环的阻塞），则发生脑积水。

 

传统观点，CSF的流动是单向的，由脉络丛产生并流经脑室，包绕脊髓和蛛网膜下腔，并最终被蛛网膜下腔绒毛重新吸收到大脑静脉窦中。

 

越来越多的证据表明，在血脑屏障中还有脑脊液、血和组织间液之间的持续的双向流动。在BBB上发生的CSF的流量大大超过了传统源头脉络丛的生成率。因为它能将废物从CSF带入静脉系统，所以蛛网膜下腔内的这种对血管性脑脊液循环已被认为是淋巴系统。

BBB是由三个细胞层组成的血流与CNS之间的半透膜性屏障：血管内皮，星状胶质细胞和细胞周边的紧密连接。它可以防止可能有害的物质进入大脑。由于渗透梯度，水通过星状胶质细胞的水通道蛋白-4（AQP4）穿过BBB。因此，血浆渗透压的突然变化有可能会引起脑组织中可能有害的液体转移。这凸显了缓慢纠正钠和葡萄糖异常的重要性。

 

与血浆相比，CSF蛋白含量非常低（0.2与60g /升），CSF蛋白水平升高提示BBB破坏。类似地，脑脊液中钾，钙，葡萄糖，尿素和淋巴细胞的浓度也较低。与蛋白质和充满电荷（如钠离子）（的物质）不同，亲脂性物质（二氧化碳，挥发性麻醉剂）可自由通过BBB。蛋白质和药物除非发炎（例如脑膜炎），否则不能穿过血脑屏障。高血压，中风，创伤，癫痫持续状态，高碳酸血症，缺氧和炎症会破坏BBB。

 

脑血流的调控

存在多种机制来保证足够的基线CBF为大脑提供（代谢）底物。另外，局部的调节机制指挥血液直接流向更为活跃的脑部区域（即血液流动与局部代谢需求相结合）。此外，其他生理变量也会影响CBF（方框1）。

流量代谢耦合和局部的化学调节

调节因素

局部神经元活动导致CMRO₂和CMRG1的增加，并且伴随着局部CBF的增加以使葡萄糖和氧耗量与输送相匹配。CMRO 2、CMRG1和CBF的平行变化称为流量代谢耦合。有证据表明，在缺氧条件下，CBF的调控可能受到葡萄糖消耗的变化而不是氧耗量的影响。血管收缩通过游离钙离子，血栓素和内皮素的作用而产生。有效的血管扩张剂包括血管周围钾（癫痫发作和缺氧期间释放）腺苷，ATP代谢物（对动脉低血压和缺氧做出反应）以及前列腺素（例如PGE2和前列环素（PGI2）），乳酸盐，乙酰胆碱，5-羟色胺，物质P和一氧化氮。

 

自动调节

自动调节是指在CPP发生变化时，通过改变脑血管阻力（CVR）来维持恒定的CBF。在正常情况下，当ICP和脑静脉压都低时，全身动脉灌注压（即MAP）成为CPP的主要决定因素。在50mmHg和150mmHg的MAP之间，平均CBF保持恒定在50ml/ 100g /分钟。自动调节具有其生理极限，高于和低于极限时，CBF与CPP直接相关（图3）。在CPP从50 mmHg增加到150 mmHg时，大脑小动脉收缩，因而限制了CBF进一步的增加。

交感神经系统的活性可以改变自动调节。因此，慢性高血压或交感神经刺激将自动调节曲线向右移动，而交感神经阻滞或颈交感神经切断术曲线将向左移动。局部缺血症状只有当MAP在自动调节下限的60％以下时才会出现。存在颅内病变，低氧血症，高碳酸血症，僵化的血管阻塞（例如颈动脉粥样硬化）和使用挥发性麻醉剂的情况时，自动调节作用将被破坏。

 

升高的脑静脉压力

脑静脉压升高可减少脑静脉引流，增加脑血容量，破坏毛细血管静水压引起脑水肿，增加颅内压因而CBF减少。颈围领压迫颈部引起静脉回流受阻，头低位（例如中心静脉置管时）或胸内压增高（例如来自咳嗽，不完全的肌肉松弛以及正压通气时使用呼气末正压）。

 

动脉二氧化碳分压

二氧化碳是脑血管的强力血管扩张剂。当PaCO₂在3.5kPa（26 mmHg）和8kPa（60 mmHg）之间上升时，CBF呈线性增加（图4）。PaCO₂高于8kPa时，脑血管最大程度地扩张，血管直径不能进一步增加。相反，在PaCO₂为3kPa时，脑血管最大程度地收缩。低碳血症是通过脑组织中氢离子（H +）的增加来影响脑血管的。

 

动脉氧分压和氧气含量

CBF直接随氧气输送的变化而变化，直到达到6.8 kPa（50 mmHg）的动脉氧分压（PaO ₂ ）阈值后保持不变。低于此阈值则CBF显着上升（图5）。这正对应于氧离曲线的陡峭部分（即，CBF不随PaO ₂而是随氧含量的变化而变化）。这种效应解释了为什么当吸入100％氧气时CBF仅适度增加（增加10％）。

 

血细胞压积：血细胞压积是血液粘度和氧含量（因此氧气输送）的主要决定因素。CBF与全血粘度呈反比。血细胞压积在正常范围内时，这对CBF具有最小的影响。然而，在某些情况下，当CBF病理性降低（例如蛛网膜下腔出血后的脑血管痉挛）时，通过血液稀释法减少血细胞比容可能会改善CBF。

 

温度

低温（低于35℃）降低CMRO ₂和CMRGl，这是CBF减少时血流代谢耦合的结果。体温高于42 ℃是（生理作用）相反的，高于该温度时，会造成神经元损伤以及氧摄取相应的降低。体温每下降1℃，CBF下降5％。在18℃时，脑代谢率很低，因此可以在不引起脑缺血性损伤的情况下可以安全地停止循环（例如在心脏手术中）。

 

自主神经系统调节

颅内大血管有来源于丰富的自主神经和感觉神经节神经供给。这些包含许多作用于血管管径调节的传感器。虽然各种神经元的确切功目前难以界定，但似乎是副交感神经扩张血管而交感神经刺激收缩血管。同样，较小的颅内小动脉具有许多神经递质和丰富的神经支配。

 

脑血流的测量

Kety-Schmidt技术（1945）

Fick定律指出，可以通过测量单位时间内器官从血液中清除的惰性物质（Q）量，并将该值除以器官的动脉血中物质浓度[A]与静脉血[V]浓度的差异来测量血流量。

CBF = Q /[A] - [V]

Kety和Schmidt使用一氧化二氮（N ₂ O）作为惰性物质。分布从外周动脉和颈静脉球中抽取血液。吸入N2O的总量是通过计算平衡时颈静脉血液中N2O浓度获得的。然而，这种技术是耗时的，常低估CBF并且只能估算全脑的CBF。

 

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氙133洗出（法）

为测量局部皮质血流量，可以通过使用放于头部的配有电池的闪烁计数器来监测放射性同位素氙-133的衰变。放射性示踪剂的洗出曲线的斜率与探测器下的CBF成比例。在单光子发射CT（SPECT）中，可以使用CT重建实现三维分辨率。

 

正电子发射断层扫描：由于代谢与血流紧密耦合，可以使用2-脱氧葡萄糖的摄取来估计区域血流量。如果用正电子发射体（例如氧-15，氟-18，碳-11）标记2-脱氧葡萄糖，则可以使用正电子发射断层扫描（PET）扫描来跟踪其摄取，并可估算CBF。

 

功能性MRI：功能性MRI（fMRI）可以生成大脑功能图，其中大脑神经元活动的变化可通过局部CBF的变化中来反映。断层扫描图像也可以通过被称为血氧水平依赖（BOLD）功能磁共振成像技术生成。神经胶质细胞代谢的局部性增加，特别是大脑皮层，引起含氧血红蛋白的流入，从而降低局部脱氧血红蛋白水平，导致MRI信号强度增加。

 

经颅多普勒超声（TCD）

经颅多普勒超声（TCD）是使用低频超声束穿过骨瓣较薄的颞窗，评估大脑中动脉和大脑前动脉。并可通过多普勒效应来确定这些血管的血流速。

 

   

脑氧合测量

颈静脉血氧饱和度测定

颈静脉血氧饱和度测量包括颈静脉球部置管（使用Seldinger技术）和采血测量氧饱和度。假设氧耗保持不变，较低的（氧饱和度）值反映大脑摄入较多，因此血液流量较少。这种技术的主要缺点是如果CBF和氧耗均下降（例如在严重的脑损伤），颈静脉饱和度可能是不变的。

 

 

脑内微透析：该技术是将细导管插入脑实质，导管内含有用林格氏溶液灌注的透析膜。它可以直接监测参与脑代谢途径的分子，这可以提供脑氧合和血流的准确信息。乳酸盐：丙酮酸比例反映了局部脑氧供应，并已在临床中用于头部损伤和蛛网膜下腔出血的监测。比例上升提示无氧代谢; 随后可采取治疗来纠正这种生理障碍。

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脑氧分压：主要是一种研究技术，可在脑实质内插入传感器，以测量大脑细胞外液中的氧分压（pBRO₂），反映氧的利用率。获得的值通常反映了氧气输送和消耗之间的平衡。

 

近红外光谱：近红外区（650 -900 mm）波长的光透过组织，可检测透射光强度。氧合血红蛋白，脱氧血红蛋白和氧化细胞色素氧化酶具有可以使用近红外监测检测的特征性吸收光谱，因此可用于估计其浓度。该技术的临床（监测）应用包括监测脑氧合、CBF和容积