第 16 章：脑血流反应性（Cerebral Vasoreactivity）

16.1 Introduction

人脑约含 10^11 量级的神经元（Herculano-Houzel 2009），质量虽只占全身体重的约 2%，却消耗了静息状态下全身摄氧量的约 20%。脑功能高度依赖持续不断的氧气供应：一旦脑部氧供中断，意识可在数秒内丧失（Lassen 1959; Cipolla 2016）。在大多数生理条件下——包括睡眠、静息清醒状态乃至脑力活动期间——全脑总代谢率保持相对稳定，脑血流量（cerebral blood flow, CBF）亦维持在较恒定的水平。但在脑的局部区域，神经元活动增加时可伴随局部代谢需求上升和局部血流增加（Lassen 1959; Heistad and Kontos 2011; Joyner and Casey 2015）。为适应这种特性，脑循环演化出两大关键机制：自身调节（autoregulation）机制和神经-血管偶联（neurovascular coupling, NVC）机制。前者在全身动脉压波动时维持全脑相对稳定的灌注压（Tzeng and Ainslie 2014; Willie et al. 2014; Cipolla 2016），后者以空间和时间特异性的方式保证被激活脑区获得充足血流（Mu~noz et al. 2015; Filosa et al. 2016; Lecrux and Hamel 2016）。本章将依次讨论脑血管系统的一般解剖、脑自身调节和 NVC 的特征，以及参与脑血流反应性调节的多种因素。

16.2 The Anatomy of Cerebral Circulation

脑的血液供应由左右颈内动脉和左右椎动脉承担。颈内动脉主要供应大脑半球，椎动脉供应小脑和脑干。在脑底，颈内动脉、前交通动脉、大脑前动脉、后交通动脉和大脑后动脉共同形成一个循环环路，即 Willis 环（circle of Willis）。其中大脑前动脉和前交通动脉源自颈内动脉，大脑后动脉和后交通动脉源自基底动脉，而基底动脉由左右椎动脉汇合而成。Willis 环发出三对主要动脉——大脑前动脉、大脑中动脉和大脑后动脉——这些动脉逐级分支成更小的动脉和微动脉，沿脑表面走行形成软膜动脉（pial arteries），随后穿入脑实质供应相应皮层区域（Heistad and Kontos 2011; Cipolla 2016）。

脑的静脉回流可分为浅、深两个系统。浅静脉系统位于硬脑膜的骨膜层与脑膜层之间，称为硬膜静脉窦（dural venous sinuses），汇集脑的内外静脉，并通过蛛网膜颗粒吸收蛛网膜下腔中的脑脊液（CSF），最终主要汇入颈内静脉。深静脉系统主要由位于脑深部结构的传统静脉构成，这些静脉在中脑后方汇合形成大脑大静脉（vein of Galen），后者与下矢状窦汇合形成直窦，并在窦汇处与浅静脉系统连通（Uddin et al. 2006; Kiliç and Akakin 2008; Heistad and Kontos 2011; Cipolla 2016）。

脑的毛细血管床构成致密网络，所有毛细血管均被持续灌注血液（Zlokovic 2008）。据估计，脑中几乎每一个神经元都拥有自己专属的毛细血管（Zlokovic 2005）。脑毛细血管主要由单层内皮细胞构成，这些内皮细胞通过紧密连接形成血脑屏障（blood–brain barrier, BBB），这是普通循环中所不存在的结构。BBB 对微生物和大分子或亲水性分子不通透，但允许水、某些气体以及脂溶性分子通过被动扩散通过。脑血管内皮细胞还在顶侧（apical side）表达特异转运体，将营养物质主动从血液运输入脑；在基底侧（basolateral side）则将失活的毒性物质转运回血液。该屏障还包括一层厚的基底膜以及星形胶质细胞的终足（de Vries et al. 1997; Zlokovic 2008）。BBB 在脑室周围器官（CVOs）处缺失，这些器官是位于第三脑室和第四脑室腔面的小型结构。CVO 的脑血管内皮具有窗孔结构，使脑与外周血液之间能够进行交流，例如激素的释放和转运。但 CVO 并非完全无屏障：其屏障功能由伸长细胞（tanycytes）和室管膜细胞承担，使得循环物质可扩散进入 CVO 但不能越过 CVO 进入更深部的脑实质（Duvernoy and Risold 2007; Cipolla 2016）。

16.3 Regulation of Cerebral Circulation

在成年个体中，CBF 通常约为 750 ml/min，相当于约 50 ml/100 g/min 的脑组织平均灌注量，约占心输出量的 15%。静息状态下脑从 CBF 中提取约 20% 的氧气。在睡眠、静息清醒状态以及脑力活动和运动等不同生理条件下，全脑总代谢量保持相对稳定。某些局部脑区的功能及代谢可显著增加，但通常局部神经活动对全脑 CBF 的影响有限（Lassen 1959; Heistad and Kontos 2011）。因此，脑循环的调节可从两个方面实现：(1) 全局层面——在脑灌注压（动脉内压与静脉压之差）处于生理范围内时，主要通过自身调节维持相对稳定的 CBF（Tzeng and Ainslie 2014; Cipolla 2016）；(2) 局部层面——主要通过 NVC 使局部血供匹配神经元活动带来的代谢需求（Mu~noz et al. 2015; Filosa et al. 2016; Lecrux and Hamel 2016）。

16.3.1 Cerebral Autoregulation

脑组织对缺氧/缺血损伤高度敏感；反之，过度的脑血流可导致 BBB 破坏，引发以严重神经系统后遗症为特征的高灌注综合征（Tzeng and Ainslie 2014）。基于对高血压和低血压患者稳态 CBF 与血压测量的经典观点长期以来认为，在约 60–160 mmHg 的平均动脉压（MAP）范围内，CBF 可维持在恒定的灌注水平（Lassen 1959; Tzeng and Ainslie 2014; Cipolla 2016）。但自 20 世纪 80 年代以来，随着影像技术的引入，该概念被发现不够准确：研究表明脑自身调节并非如既往设想的那样在很宽的 MAP 范围内维持恒定灌注，且其对抗急性高血压的作用比对抗低血压更有效（Tzeng and Ainslie 2014; Willie et al. 2014）。在脑循环中，大动脉和小微动脉都参与了 CBF 的自身调节；血管反应性呈现层级性，构成更复杂调节的基础（Heistad et al. 1978; Koller and Toth 2012; Liu et al. 2013）。

肌源性反应（myogenic response）作为 CBF 自身调节的主要决定因素，已在包括人类在内的多种物种体内外条件下得到证实（Vinall and Simeone 1981; Ngai and Winn 1995; Liu et al. 2013; Willie et al. 2014）。肌源性反应是血管平滑肌细胞（VSMCs）的一种内在特性，由压力诱导的 VSMC 牵张触发：膜去极化使电压门控 Ca^2+ 通道开放、Ca^2+ 内流增加，同时牵张还促进肌浆网释放 Ca^2+、提高肌丝对 Ca^2+ 的敏感性，最终导致血管收缩（Drummond et al. 2008; Hill and Meininger 2012; Kauffenstein et al. 2012）。在大鼠离体脑内微动脉中，无流条件下将压力从 20 mmHg 升高至 100 mmHg 可引起血管收缩，且收缩在 60 mmHg 时最为显著；在 60 mmHg 恒压下增加流量时，低流量引起血管扩张、高流量则引起血管收缩（Ngai and Winn 1995）。在体内条件下，压力变化伴随流量变化，流量变化亦可参与肌源性反应诱发的 CBF 自身调节（Koller and Toth 2012）。颈部及脑部大动脉的肌源性反应似乎充当第一道防线，使软膜动脉和皮层微动脉所受的压力变化最小化，从而主要响应局部代谢物（Willie et al. 2014）。

16.3.2 Neurovascular Coupling

脑微循环由脑实质内微动脉供应。这些微动脉由脑实质内的神经末梢支配，神经末梢与星形胶质细胞紧密相邻，星形胶质细胞的终足包裹微动脉；较小程度上，神经末梢也与微动脉本身紧邻。这种结构被称为"神经-血管单元"（neurovascular unit），构成神经生理活动与血流动力学之间偶联（NVC）的形态学基础（Mu~noz et al. 2015; Filosa et al. 2016; Lecrux and Hamel 2016）。在大鼠中，胡须刺激可激活对侧体感皮层第 IV 层特定的桶状结构，并伴随该桶状皮层局部血流的增加。当胡须被刺激时，丘脑-皮层谷氨酸能感觉传入纤维招募锥体细胞：部分含有 2 型环氧合酶（COX-2）的锥体细胞通过释放舒张性前列腺素（PGs）直接影响局部血流；另一些则通过激活星形胶质细胞，间接释放舒张性表氧化酶代谢物（EETs），该过程可能经由代谢型谷氨酸受体（mGluRs）。此外，部分 γ-氨基丁酸（GABA）能中间神经元也参与其中：含小清蛋白的 GABA 中间神经元被静默，从而解除对锥体细胞的抑制并增强皮层活动；GABA 中经元还可通过 GABA_A 受体介导的钙瞬变激活星形胶质细胞中的 EET 通路（Lecrux et al. 2011）（图 16.1）。细胞体位于皮层下脑区的神经元可投射至皮层微血管以控制局部血流。例如，刺激基底前脑可触发神经末梢在特定皮层释放乙酰胆碱（ACh）引起血管扩张；该舒张作用部分由胆碱能皮层中间神经元局部释放 GABA 介导，部分由包裹脑实质微动脉的星形胶质细胞终足释放舒张性 EETs 间接介导（Kocharyan et al. 2008）。不同的皮层中间神经元和星形胶质细胞亦可由来自蓝斑的肾上腺素能输入间接激活，进而引起血管扩张；这些肾上腺素能神经末梢亦可通过释放去甲肾上腺素直接松弛脑实质微动脉（Toussay et al. 2013）。

一些证据提示周细胞（pericytes）也可能参与 NVC 反应（Dalkara and Alarcon-Martinez 2015; Filosa et al. 2016）。周细胞是可收缩细胞，主要与毛细血管相关。脑毛细血管中，周细胞位于内皮细胞和星形胶质细胞之间，由一层薄基底膜隔开（Peppiatt et al. 2006）。周细胞可响应星形胶质细胞和邻近神经末梢释放的信号分子，调节毛细血管血流。周细胞可被收缩剂如 ATP、多巴胺、血管紧张素 II、去甲肾上腺素及 20-羟基二十烷四烯酸（20-HETE）激活，也可被舒张剂如 NO、PGE2 和腺苷激活（Filosa et al. 2016）。神经元活动及神经递质谷氨酸被发现能通过主动松弛周细胞来扩张脑毛细血管，该过程由 PGE2 介导，但需要 NO 释放以抑制收缩性 20-HETE 的合成。在体内条件下，感觉输入增加脑血流，且毛细血管扩张发生在微动脉之前，提示周细胞可能是 NVC 反应的启动者（Hall et al. 2014）。小胶质细胞，尤其是称为近血管小胶质细胞（juxtavascular microglia）的一小群细胞，亦被推测在 NVC 反应中发挥作用。与星形胶质细胞不同，小胶质细胞突起在生理条件下即具有高度活性；其对 NVC 的贡献可能通过释放小分子信使和配体-受体相互作用实现（Filosa et al. 2016）。

16.4 Regulation of Cerebral Vasoreactivity

在外周循环中，血管阻力主要来源于直径 <100 μm 的小微动脉；而在脑循环中，大动脉对总脑血管阻力有重要贡献。在兔脑中，直径 100 μm 软膜微动脉之前的上游动脉约占脑动脉阻力的 50%。在猫和灵长类中也观察到类似现象。大脑血管的反应性是微血管灌注压的重要决定因素。例如，当局部血流增加时，若大动脉阻力不变，上游血管段将出现较大的压降，从而导致微血管灌注压下降，此即所谓的血管"窃血"（vascular "steal"）。然而大动脉通常会对血流增加产生扩张反应，使上游段压降减小，从而维持恰当的微血管灌注压（Faraci and Heistad 1990; Cipolla 2016）。

脑血管活动受到多种局部代谢因素的关键影响，尤其是缺氧、Pco2 变化和腺苷（Willie et al. 2014; Cipolla 2016）。同时，来源于局部神经元、星形胶质细胞和/或内皮细胞的某些血管活性物质在脑血管活动调节中也起重要作用，包括 NO、舒张性 PGs 和 EETs（Attwell et al. 2010）。整个脑血管系统受肾上腺素能和胆碱能纤维的密集支配，其活动对缓冲灌注压骤升及维持脑血管功能完整性至关重要（ter Laan et al. 2013; Willie et al. 2014）。

16.4.1 Hypoxia

Po2 降低对 CBF 无明显影响，直至其下降至约 50 mmHg 以下；低于该阈值后，CBF 显著增加（Johnston et al. 2003; Masamoto and Tanishita 2009）。脑血管对缺氧的扩张反应在高碳酸条件下增强，在低碳酸条件下减弱（Mardimae et al. 2012）。在等碳酸条件下，缺氧可使 CBF 在动脉血氧饱和度每降低 1 个百分点的情况下增加 0.5–2.5%（Querido et al. 2013; Willie et al. 2014）。对于相同严重程度的等碳酸缺氧，正电子发射断层扫描（PET）显示，种系发生上较古老的脑区血流增加程度高于皮层区域（Binks et al. 2008; Lewis et al. 2014）。缺氧诱导脑血管扩张的机制是多因素的（Willie et al. 2014; Cipolla 2016），可能包括：(1) 来自神经-血管单元对局部组织缺氧的应答（Pelligrino et al. 1995; Thompson et al. 2003; Leithner and Royl 2014）；(2) 局部舒血管代谢物如腺苷和 H^+ 由增强的无氧代谢所释放（Nolan et al. 1982; Meno et al. 1993）；(3) 缺氧的直接舒血管作用——激活 ATP 敏感性 K^+ 通道（KATP）（Taguchi et al. 1994）、抑制 Ca^2+ 内流（Pearce et al. 1992）、改变肌浆网 Ca^2+ ATP 酶活性（Guibert et al. 2002）以及增强脑血管的 cGMP 活性（Hoiland et al. 2016）。

16.4.2 CO2

CO2 是 CBF 的基本调节因子之一。从颈内动脉和椎动脉到软膜微动脉和脑实质血管，整个脑血管树对 Pco2 高度敏感。大脑血管在平静呼吸水平以上每升高 1 mmHg CO2，血流增加约 3–6%；在平静呼吸水平以下每降低 1 mmHg，血流减少约 1–3%（Willie et al. 2014）。不同脑区对 Paco2 变化的敏感性在过度通气升高 CO2 范围内似乎相似，但在低 CO2 范围内并不一致；微血管对 CO2 的反应性在灰质中大于白质，可能与白质血管化程度较低有关（Harper and Glass 1965; Mandell et al. 2008; Willie et al. 2012）。

脑血管对 CO2 的反应似乎源于细胞外液 pH 的变化，而分子 CO2 本身并不具有独立的血管活性：脑血管和微动脉的收缩反应与细胞外 pH 的关系比与 Pco2 的关系更密切（Kontos et al. 1977; Toda et al. 1989）。在小鼠中，将外部 pH 从 7.4 降至 7.0 可在常碳及高碳酸条件下引起脑实质微动脉扩张，并伴随 Ca^2+ 火花活性的显著增强。酸性 pH 诱导的扩张可被大电导钙激活 K^+（BKCa）通道阻断剂和 ryanodine 受体（RyRs）阻断剂以非叠加方式削弱约 60%。在 BKCa 通道敲除小鼠的微动脉中，酸中毒所致的扩张反应同样减弱约 60%。这些结果提示，酸化可能通过激活 BKCa 通道扩张脑微动脉，机制可能是 H^+ 抑制 RyRs 后，肌浆网腔内 Ca^2+ 浓度升高导致 Ca^2+ 火花增强（Dabertrand et al. 2012）。

16.4.3 Adenosine

腺苷是脑血管的强效舒张剂。在代谢应激如神经元激活和缺氧条件下，腺苷释放增加并与脑血管扩张相关（O'Regan 2005）。在腺苷 2A 受体（A2AR）敲除小鼠中，缺氧诱发的 CBF 增加较野生型对照显著减弱，提示缺氧性血管扩张中有相当部分由腺苷经 A2AR 介导（Miekisiak et al. 2008）。在猪离体软膜微动脉中，腺苷通过两条途径引起扩张：一是刺激内皮释放 NO，二是直接与 VSMC 上的 A2AR 结合。内皮 NO 经激活平滑肌可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）发挥作用；腺苷对 VSMC 的直接作用则由 cAMP 信号通路介导（Hein et al. 2013）。

16.4.4 NO, PGs, and EETs

大量证据表明 NO、PGs 和 EETs 是神经元活动与局部 CBF 偶联中的关键参与者（Attwell et al. 2010）。在野生型小鼠中，对侧胡须刺激诱发单侧皮层桶状区血流的增加可被 NOS 抑制剂 nitro-L-arginine 削弱约 45%；但在神经元型 NOS（nNOS）敲除小鼠中不出现此现象，提示 nNOS 在 NVC 中起重要作用（Ma et al. 1996）。在神经元中，突触释放的谷氨酸作用于 NMDA 受体（NMDA-R），引起 Ca^2+ 依赖性激活 nNOS，进而增加 NO 生成，NO 通过激活 sGC 使 VSMC 舒张（Attwell et al. 2010）。研究提示内皮型 NOS（eNOS）也可在 NVC 中通过谷氨酸与星形胶质细胞上 NMDA-R 的结合而被激活（Stobart et al. 2013）。nNOS 和 eNOS 均参与神经元活动相关的舒血管反应，但 eNOS 在较低神经元活动水平下更为显著，而 nNOS 在高水平神经元激活下占主导（de Labra et al. 2009）。

在突触释放的谷氨酸刺激下，神经-血管单元中的神经元和星形胶质细胞均可通过 Ca^2+ 激活的磷脂酶 A2 和随后由环氧化酶（COX）将花生四烯酸转化为 PGs 的途径合成舒张性 PGs（主要为 PGE2）。舒张性 PGs 主要通过 cAMP 信号作用于 VSMC。谷氨酸刺激还可引起星形胶质细胞释放 EETs——由花生四烯酸经表氧化酶活性增强产生。EETs 通过使 VSMC 超极化引起扩张。在星形胶质细胞中形成的花生四烯酸可穿过细胞膜扩散进入 VSMC，并在那里经细胞色素 P450 4A（CYP4A）转化为 20-HETE（Attwell et al. 2010; Mu~noz et al. 2015; Lecrux and Hamel 2016）。20-HETE 通过阻断 BKCa 通道使 VSMC 去极化而引起收缩。20-HETE 的合成可被 NO 抑制（Sun et al. 2000; Roman 2002）。

NO、PGs、EETs 和 20-HETE 的合成都需要 O2。25 °C 时 eNOS 和 nNOS 的 O2 Michaelis 常数（Km）分别约为 4 μM 和 350 μM（Stuehr et al. 2004）。37 °C 时 20-HETE 和 EETs 合成的 Km 分别约为 55 μM 和 <10 μM（Harder et al. 1996）；24 °C 时 PGs 合成的 Km 约为 10 μM（Barnett et al. 1994）。体内脑血管细胞外空间的 O2 浓度范围为 20–60 μM，在强烈突触活动期间可进一步降低（Dings et al. 1998）。因此，nNOS 来源 NO 和 20-HETE 的生成比 eNOS 来源 NO、PGs 和 EETs 的生成更受 O2 可用性的限制。此外，随着 O2 浓度下降，糖酵解活性增强，导致乳酸释放入细胞外空间增多。细胞外乳酸抑制前列腺素转运体对 PGE2 的摄取，使 PGE2 累积并导致扩张。同时，缺氧下细胞外腺苷增多可直接扩张脑实质微动脉（Gordon et al. 2008; Attwell et al. 2010; Gordon et al. 2011）（图 16.2）。

16.4.5 Autonomic Regulation of Cerebral Blood Flow

脑血管接受来自外源和内源的肾上腺素能和胆碱能纤维的广泛支配。脑实质外动脉接受来自颈上神经节的肾上腺素能纤维、来自蝶腭神经节的胆碱能纤维以及来自三叉神经节的传入纤维的外源性支配。脑实质内微动脉则接受来自脑内核团如蓝斑、顶核和中缝背核的神经末梢投射的内源性支配（Edvinsson 1987; ter Laan et al. 2013）。

使用神经节阻断剂和 α 肾上腺素受体阻断剂阻断交感神经节后，相同的 MAP 升高会引起更大的 CBF 升高（Kimmerly et al. 2003; Zhang et al. 2004）。紧张性交感活动可保护自身调节在缓冲灌注压骤升方面的作用。该机制主要在大脑血管中起作用：一旦去神经支配，这些大血管在灌注压变化时维持血流的能力即丧失（ter Laan et al. 2013; Willie et al. 2014）。解剖学研究亦揭示脑血管树富含胆碱能神经末梢的分布（Florence and Bevan 1979; Suzuki and Hardebo 1993; Sato et al. 2004; Hamel 2004; Wu et al. 2014）。在离体脑血管中，刺激胆碱能神经主要通过内皮来源的 NO 引起血管扩张。此外，ACh 和 NO 由同一胆碱能-氮能神经共同释放（Lee et al. 2001）。在人类，阻断胆碱能支配使脑自身调节效力下降。评估交感性、胆碱能和肌源性机制对脑自身调节的相对贡献表明：肌源性反应作用最大，其效应主要发生在自身调节较活跃区域之外；而神经源性影响主要在自身调节范围内起作用，其中交感系统的作用大于胆碱能系统（Hamner and Tan 2014）。脑实质内微动脉亦受胆碱能核团的密集支配（Wu et al. 2014）。例如，基底前脑胆碱能神经元可通过以下途径调节皮层微血管活动：直接作用于 VSMC 上的 M5 毒蕈碱受体；通过含 NO 或血管活性肠肽（VIP）的 GABA 中间神经元；以及通过含 VIP 的局部神经-血管中继神经元（Hamel 2004）。

本章个人批注

本章以脑循环的解剖与生理特征为切入，重点介绍两大调节机制——自身调节与 NVC——以及若干局部代谢和神经因素对脑血流反应性的调节。从结构上看，第 16 章与全书之前讨论的体循环/冠脉循环章节形成对照：冠脉循环以心肌代谢需求匹配为主要驱动，而脑循环既要维持整体灌注稳定，又要在局部神经元激活时实现精准的空间-时间匹配，因此其调节器——神经-血管单元——本身就是一个由神经元、星形胶质细胞、周细胞乃至小胶质细胞共同构成的复合体。第 16.4.4 节关于 NO、PGs、EETs、20-HETE 的 Km 与体内 O2 浓度的对应关系，是这一章对我最有启发的地方：它把分子氧的可用性与脂质介质代谢联系起来，解释了为何在不同 O2 水平下会出现不同的血管活性介质偏向，并呼应了图 16.2 中关于星形胶质细胞双向调控的描述。这种"氧敏感 + 代谢重编程"的双重门控机制在冠脉等其他血管床中较少被这样系统地讨论，是脑循环的特殊之处。第 16.4.5 节对外源/内源自主神经支配的描述则提示，在评估脑血流自身调节时不能只看肌源性机制，而要把交感、胆碱能与肌源性放在层级中理解——这一点与我之前读到的外周血管章节中对神经调节的定位有显著差异。

与上下章的衔接（一段话）

第 15 章讨论的是冠脉循环的反应性，重点在于心肌代谢需求与冠脉供血之间的匹配及其在不同病理状态下的变化。第 16 章在器官层面发生了切换：从心脏转向大脑。两个器官的共同点在于对持续血供的高度依赖以及对局部代谢需求匹配的精细调控，但脑循环额外发展出了独特的神经-血管单元，使 NVC 成为一个独立于体循环的调节主题。承接第 16 章的位置，第 17 章（按本书目录顺序推断）很可能继续深入到特定血管床或某种病理状态下的反应性讨论——例如肺循环、肾循环或某种疾病模型下的血管反应性改变。由于本章自身已经系统覆盖了"解剖 → 全局调节 → 局部偶联 → 各类介质"的完整框架，下一章无论选择何种切入，都不可避免地会与本章所列的调节器（NO/PGs/EETs/腺苷/CO2/缺氧/自主神经）发生交叉，这正是本章节作为整书循环系统反应性"工具箱"小结的意义所在。