侯清華 洪華

1中山大學附屬第七醫(yī)院神經(jīng)醫(yī)學中心（廣東深圳518107）；2中山大學第一附屬醫(yī)院神經(jīng)科（廣州510080）

人腦是高代謝器官，但自身能量儲備卻很低，其功能正常發(fā)揮需要穩(wěn)定的血流來維持。已經(jīng)明確，腦血流調節(jié)異常與多種腦疾病有關，包括腦卒中、帕金森病和認知障礙等。有關腦血流調節(jié)障礙發(fā)生的機制和檢測日益引起人們的重視，本文對此做一評述。

1 腦血流調節(jié)的基礎

正常腦血流的穩(wěn)定調節(jié)有賴于3個方面：（1）在一定灌注壓波動范圍內（通常對應于平均血壓50～60 mmHg至150～170 mmHg之間），腦血管自動舒縮從而保持腦血流量穩(wěn)定，即腦血流自動調節(jié)（cerebral auto-regulation，CA）；（2）腦血管內活性物質（如O2、CO2和pH值等）水平改變時，腦血管發(fā)生適應性舒縮以調節(jié)血流量供應，即所謂腦血管反應性（cerebrovascular reactivity，CVR）；（3）在神經(jīng)元活動增加時，腦血流能相應調節(jié)變化，即神經(jīng)血管耦聯(lián)（neurovascular coupling，NVC）。

1.1 CACA包括兩個層次的調節(jié)，一種是靜態(tài)CA，用來適應以分鐘或小時計的較緩慢的血壓變化；另一種是動態(tài)CA（dynamic cerebral auto-regulation，dCA），應對的是比如每一次心臟搏動周期的血壓瞬時變化。這二者都有賴于阻力血管的主動縮舒來發(fā)揮“閘門”效應，實現(xiàn)在一定血壓波動范圍內的腦血流量穩(wěn)定。

毛細血管網(wǎng)形成前的小、微動脈（arterioles）是公認的阻力血管。在肌源性血管舒縮反射、內在的自主神經(jīng)支配、血管切應力、血管平滑肌和內皮細胞上對壓力敏感的相應受體的調節(jié)下，這些部位的血管對跨壁壓力變化產(chǎn)生舒縮反應［1]。而近端大動脈是否參與CA一直存疑。最近，WARNERT等［2]利用動脈自旋標記（arterial spin labeling，ASL）MRI技術并以運動作為刺激手段，測量8例成人的腦動脈順應性，結果運動后Willis環(huán)水平及其下游的腦動脈順應性下降，伴隨收縮期管腔內血流量減少，其上游血管則無明顯改變。該結果間接反映運動后Willis環(huán)水平及其下游腦血管阻力升高，提示人類顱內大血管也參與腦血流調節(jié)過程。由于小微血管的管壁普遍較薄，顱內大血管的肌性收縮阻抗在急性血壓波動調節(jié)可能起較大的作用，可以保證增高的血壓不會突破至腦循環(huán)遠端薄壁的小血管和毛細血管。

1.2 CVR血供的一個重要職責是輸送O2和帶走CO2等代謝產(chǎn)物，局部組織的CO2、O2張力則反過來對腦血流有很強的調節(jié)作用。血管內CO2張力升高可通過降低L-型鈣離子通道、增加ATP依賴鉀離子通道的活動來舒張小動脈的血管平滑??；CO2還可以穿過血腦屏障影響血管周圍的pH值，引起血管擴張。血管內O2的張力對腦血管活動也有重要影響。血管內O2降低可通過增加ATP依賴的鉀離子通道和Vallinoid（V）型瞬時受體電位的活動引起血管舒張，反之，血管內O2升高引起血管收縮［3]。

1.3 NVC在腦實質內，隨著血管分支越分越細，血管內皮與神經(jīng)組織之間的組織和液體間隙消失，神經(jīng)元和膠質細胞直接與血管構件（內皮細胞、周細胞和血管平滑肌細胞）接觸關聯(lián)，構成“神經(jīng)血管單元”。在動物實驗中，單純刺激三叉神經(jīng)的舌下神經(jīng)支的中樞端對腦血流量無明顯影響，但如果合用γ-氨基丁酸（GABA）的拮抗劑則可以使腦血流量顯著增加［4]。已經(jīng)知道，皮層中間神經(jīng)元是GABA能的，直接作用于血管壁和星形膠質細胞可發(fā)揮血管舒張作用，也可通過調節(jié)皮層下血管收縮性（來自藍斑核，Raphe核和腹側被蓋區(qū)的暗物質等）和血管舒張性（來自Meynert核和額葉基底部等）神經(jīng)末梢的張力對血管活動進行調節(jié)［4]。因此，上述結果提示皮層中間神經(jīng)元和皮層下神經(jīng)元均參與調節(jié)“神經(jīng)血管單元”的血流調節(jié)，并且GABA能中間神經(jīng)元在調節(jié)NVC中可能占有較主要的作用。此外，腦細胞釋放的具有血管活性的物質如腺苷、一氧化氮、氫離子和乳酸等，也可能參與NVC的調節(jié)。但是，這些物質的釋放是神經(jīng)元主動為之還是僅僅是神經(jīng)元活動增加的結果［3]，目前還不能確定。

2 影響腦血流調節(jié)的因素

2.1 高血壓KIM等［5]采用血氧水平依賴（blood oxygen level dependent，BOLD）MRI技術對比3～4個月齡的自發(fā)性高血壓大鼠（SHR）和Wistar大鼠（WKY）的CVR，結果SHR大鼠CO2吸入引起的CBF和BOLD信號改變均顯著高于WKY大鼠，但二者之間仍然存在良好的相關性，提示早期高血壓可以導致CA在更高的血壓水平運行［6]，但大鼠的CVR并不受損。持續(xù)的高血壓可興奮交感神經(jīng)，后者除了通過神經(jīng)遞質縮小血管管徑，其神經(jīng)末梢還能發(fā)揮營養(yǎng)性作用，改變血管壁膠原的占比和平滑肌細胞的分化（收縮性還是非收縮性表型），促進血管重塑性改變。因此，慢性高血壓可以加速腦血流調節(jié)異常出現(xiàn)［7]。在另一項動物實驗中，LI等［8]發(fā)現(xiàn)隨著高血壓病程延長，SHR大鼠CVR在20周齡開始下降，借助3D磁共振血管成像（3D-MRA）他們還發(fā)現(xiàn)明顯的血管狹窄出現(xiàn)后，SHR大鼠的CVR下降更明顯，而在部分吸入CO2后CBF反應陰性區(qū)域，其CVR受損程度也與供應血管狹窄的嚴重程度相關。上述研究結果提示高血壓的病程及是否合并血管并發(fā)癥對CVR影響較大。

2.2 年齡隨著年齡的增長，腦血管結構會發(fā)生增齡性改變。KANG等［9]采用熒光顯微鏡在體直接觀察發(fā)現(xiàn)年長小鼠的軟腦膜血管迂曲、分叉減少，免疫印跡分析則提示血管膠原纖維/彈力纖維的比例隨年齡而升高，且伴隨著血流動力學的改變，比如血流平均通過時間延長等。而BALBI等［10]發(fā)現(xiàn)，雖然激光多普勒流速儀測定顯示FVB/N小鼠在12月齡前CBF和CO2CVR均無明顯改變，但在在體熒光顯微鏡腦表面血管的直接觀察中，8月齡的小鼠已經(jīng)可見顯著的年齡相關性CO2CVR和NVC受損。在人類，總體測量的CVR和NVC在老年人跟青年人之間多數(shù)差異并不顯著，但這可能與由于老年人對CO2升高引起的系統(tǒng)血壓上升要高于青年人，可以一定程度代償顱內動脈擴張反應的不足有關［11]，因為如果對白質和灰質分別測量，即可見健康老年人灰質的CVR顯著低于青年人［12]。因此，年齡對CVR的影響并不均一，腦表面的血管較深部腦實質血管的CVR更容易受損。

2.3 血管狹窄據(jù)研究，顱內外的主要血管狹窄，不管是頸內動脈（internal carotid artery，ICA）還是大腦中動脈（middle cerebral artery，MCA），如果達到一定程度，如MCA狹窄＞50%，ICA狹窄＞70%，可引起同側甚至對側半球CVR異常［13-14]。血管狹窄引起CVR異常的機制仍不甚明了。REINHARD等［15]利用近紅外光譜學（near-infrared spectroscopy，NIRS）技術研究一組ICA重度狹窄或閉塞患者的dCA，結果發(fā)現(xiàn)僅有前分水嶺區(qū)的dCA存在差異，在這以外的區(qū)域的dCA并未受影響，提示血管狹窄后造成低灌注可能是狹窄血管下游腦血流調節(jié)異常的原因之一。然而，GOMEZ-CHOCO等［16]通過超聲造影劑和TCD技術檢測不同程度ICA病變的患者，發(fā)現(xiàn)狹窄造成的超聲造影劑延遲到達和CVR并不相關。因此，單純血管狹窄后的低灌注并不能完全解釋CVR受損。與此同時，SWEET等［17]在動物實驗中證實，一側ICA閉塞造成的慢性低灌注并不會導致明顯的血管重構。

那血管狹窄后CVR異常是否是由于狹窄病變以遠的血管內皮、平滑肌功能障礙以及神經(jīng)元活動性改變引起呢？在腦血管狹窄后，血管功能障礙和神經(jīng)元興奮性的改變常常夾雜在一起，并且隨時間和狹窄程度變化而變化［18-19]。同時，慢性血管狹窄還常合并側支開放和增生，要厘清二者在血管狹窄后血流調節(jié)障礙中所起的作用非常困難。最近，ARTEAGA等［20]利用BOLD-MRI技術檢測40例癥狀性ICA狹窄的患者，結果發(fā)現(xiàn)其中15例在吸入CO2后，其流域內BOLD信號反映血流無顯著變化，即呈CO2激發(fā)BOLD陰性反應。在這15例患者中，其中3例表現(xiàn)顯著的CBF下降并且證實為盜血，6例表現(xiàn)CBF增加，而剩下的表現(xiàn)CBF無明顯改變。提示血管狹窄和閉塞的CVR異常的原因很可能是多樣的，部分與血流動力學改變有關，部分則與實際的腦血流調節(jié)和（或）代謝障礙相關。

2.4 缺血性腦卒中SALINET等［21]利用TCD隨訪觀察15例腦梗死患者在發(fā)病急性期（病程＜72 h）、2周、1個月和3個月的腦血流速度（cerebral blood flow velocity，CBFv）、CA和NVC，結果發(fā)現(xiàn)腦血流CBFv從梗死急性期到腦梗死慢性期呈現(xiàn)3個時相性改變，在急性期雙側均下降，1個月后健側開始上升，腦梗死3個月時雙側均基本回復正常。CA雖然也有類似的動態(tài)改變，但在各時間點與正常人比較差異無顯著統(tǒng)計學意義，這可能是由于腦梗死急性期患者多存在輕度過度呼吸，CA常難以準確測量的緣故［22]，因為如果換用dCA做為評價指標，則可觀察到在腦梗死1周內，梗死同側半球的dCA下降［23]。

由于CVR和NVC容易相互影響，GERANMAYEH等［24]在TCD測定的基礎上，結合BOLD-fMRI及屏氣試驗進行分析，采用3種算法進行分析，同時分別在腦梗死亞急性期（5～28 d）和慢性期（84～200 d）比較梗死組織、梗死周圍組織和同側大腦半球健康組織上述兩個指標的動態(tài)變化，以期更好區(qū)分急性腦梗死對NVC和CVR的影響。結果顯示，雖然病灶側的健康腦組織也可見BOLD-MRI信號改變，但該部位CVR和正常對照的CVR并無明顯差異，提示該區(qū)域的CA異常源于神經(jīng)元活動性改變引起的NVC異常，而非CVR異常。而在梗死灶周圍，其CVR一直處于降低狀態(tài)，并且在觀察到梗死后4個月以后仍然如此，提示這一區(qū)域的BOLD信號異?？赡苁且驗镃VR和NVC均受損的緣故。

2.5 神經(jīng)變性疾病神經(jīng)變性疾病病因復雜，越來越多的研究證實血管病變的因素夾雜于其發(fā)病機制之中。HSIAO等［25]在觀察亨廷頓病轉基因小鼠腦血管密度、VEGF-A的表達和周細胞的覆蓋情況以及其CVR時發(fā)現(xiàn)，亨廷頓病致病基因表達不僅造成神經(jīng)元變性，同樣還造成星形膠質細胞顯著變性，并使后者表達VEGF-A異常造成炎癥反應，導致血管周細胞數(shù)量降低，以至于雖然該小鼠的腦實質血管密度增加，但其CVR卻降低。因此，神經(jīng)變性疾病中變性常常不單純累及神經(jīng)元，在NVC過程中扮演重要作用的膠質細胞、血管周細胞也常受累，且可能更甚于或更早于神經(jīng)元，使神經(jīng)元在活動增加時不能得到充足的血供支持使變性加速，形成惡性循環(huán)。這種狀況在阿爾茨海默病、帕金森病和多系統(tǒng)萎縮等神經(jīng)變性疾病中均有報道［26]。

除上述因素之外，F(xiàn)ROSCH等［27]采用ASL MRI技術對比一組肥胖/超重伴有或不伴胰島素抵抗和參照人群的CVR，結果前者CO2吸入檢測的CVR顯著低于后者，并且合并胰島素抵抗的患者，在矯正體質量指數(shù)等干擾因素后其CVR反應性與胰島素的敏感性呈顯著的正相關，提示單純胰島素抵抗即可損害CVR。而糖尿病對CA的損害更是在實驗及臨床研究層面均已得到證實［28-29]。此外，也有研究表明吸煙、睡眠呼吸暫停等均可損害腦的血流自動調節(jié)能力［30-31]。

可以說，凡是可以引起血管內皮功能損傷、影響腦血管重構和腦血管的自主神經(jīng)調節(jié)的因素都可以影響腦血流的自動調節(jié)。

3 CA的檢測

CA的檢測主要通過人為制造血壓、血管內血管活性物質水平和神經(jīng)元活動的變化，并觀察腦血流的相應改變。比如檢測CA，可通過下肢袖帶加壓、持續(xù)壓迫雙側CCA、行Valsava動作使回心血量下降、快速姿位改變（從坐到站或從臥位到站位，甚至間歇蹲立及被動直立傾斜）、等長收縮握拳動作和冷加壓試驗等［32]，讓系統(tǒng)血壓發(fā)生波動，然后利用腦血流隨系統(tǒng)血壓變化的情況來反映CA。dCA通過檢測機體內在的血壓波動伴隨的腦血流變化來推定腦血流調節(jié)的情況，該方法不需要人為干預血壓，但是需要較復雜的后處理計算，測試的時間也相應要長，常用的指標為增益（gain）、相位差（phase shift）和自動調節(jié)指數(shù)。CVR的檢測常常需要通過吸入CO2、屏氣或者注射乙酰唑胺來改變動脈血管內的CO2（PaCO2）水平，然后用處理前后腦血流的變化百分比來表示CVR。

3.1 TCDTCD是最早用于CA檢查的工具。TCD主要檢測血管流速的變化，如用TCD結合CO2吸入來檢測CVR，則該CVR=△V/V×100%，其中△V是試驗前后血流速度的變化值，V是實驗前的基線血流速度值。如果采用屏氣的方法，因屏氣時間長短可影響CO2改變的程度，將屏氣時間納入對上述CVR進行校正，即屏氣指數(shù)（breath-holding index，BHI）=［△V/V×100%] /屏氣時間（s）。TCD的優(yōu)勢是有較高的時間分辨率、便攜、相對價格低廉，并且易于與其他檢測裝置實現(xiàn)整合［33]。在檢測CA時，TCD也可以很方便地將體位改變（傾斜試驗）、下肢束帶或加壓等動作和藥物干預等整合進來。TCD不足之處也較突出，包括：（1）不能進行直接的結構觀察；（2）不能定量分析，因其測量只是相對測量值（通過半球間計較和最大-最小值間比較）而非絕對值測量，通常只能利用前后變化的CBFV差值進行比較，敏感性較低。近年來，利用傳遞函數(shù)分析（transfer function analysis）算法，TCD可以在增益、相位差等水平對dCA進行量化分析。（3）檢測結果高度依賴操作者本人；（4）無顳窗者不能檢測；（5）結果合并有顱內動脈狹窄或者貧血、心臟疾病也會影響結果。

3.2 MRIMRI由于具有極佳的空間分辨率、1 s左右的時間分辨率，技術更新迅速，使用靜息態(tài)檢測技術可以通過分析呼吸過程中CO2波動伴隨的腦血管反應來定量檢測CVR，目前在腦血流調節(jié)檢測領域的運用正變得越來越廣泛。

3.2.1 BOLD技術腦活動增加的一個直接效應是耗氧增加，組織中的脫氧血紅蛋白（deoxyHb）的濃度升高。由于deoxyHb是順磁性的，它的濃度升高可以改變血管內和血管周圍的磁場均一性，這種在血流調節(jié)之前的氧合血紅蛋白（HbO2）降低是神經(jīng)元活動的最可靠反映。以T2*-weighted梯度回波序列為基礎的BOLD技術即利用這一原理對CA進行檢測，在吸入CO2時，高碳酸血癥使血管擴張，CBF增加，腦組織中的耗氧代謝率升高而表現(xiàn)BOLD信號增強，為陽性BOLD-CVR反應。BOLD-MRI技術檢測CVR，有其局限性：（1）容易受基線腦灌注的影響，在實際應用中需合用ASL或動態(tài)磁敏感增強（dynamic susceptive contrast，DSC）技術來測定基礎灌注情況，以保證觀察所見的BOLD信號改變是源于CVR而非由于基礎腦灌注變動引起；（2）腦不同部位的CBF存在差異，在時間動態(tài)特性上并不均一；而在刺激試驗中，血流改變需要經(jīng)歷短暫的血管舒張或收縮才能達到，但目前的技術還不能檢測血管的這種快速變化。因此，CBF和引起B(yǎng)OLD信號變化的HbO2濃度之間的關系相當不直接，在合并血管狹窄等血管病變時更是如此［34]。而傳統(tǒng)的CVR算法是基于血流變化和BOLD信號變化呈線性關系來計算的，其結果難免會出現(xiàn)偏差。

3.2.2 ASL技術ASL利用反轉脈沖標記動脈血中的質子，將標記前后采集的圖像進行減影，得到組織灌注的信息。就理論而言，ASL是檢測CA的最佳的辦法，因其可以量化CBF，同時也可以將CO2試驗前后的信號變化轉換為CBF的變化。并且，由于不需要注射造影劑，可進行動態(tài)和重復觀察，對研究認知任務引起的灌注改變非常有利。但目前ASL的缺點也較突出：（1）ASL信號微弱，需要非常嚴格矯正T1的信號背景；（2）容易受標記動脈的血流通過時間影響，如存在血管狹窄/閉塞則ASL信號易出現(xiàn)扭曲［35]；（3）還不能支持動態(tài)ASL測定，需使用所謂假性連續(xù)標記（pseudo-continuous labeling）技術才可能實現(xiàn)對全腦動態(tài)灌注的觀察［36]。由于以上不足，目前ASL技術多用于沒有狹窄或閉塞性血管病的健康人、認知或神經(jīng)變性性疾病的研究，在腦血流調節(jié)研究中使用遠遠少于BOLD-MRI技術。

3.2.3 DSC技術通過測定磁敏感造影劑的首過效應，DSC可以顯示腦組織的灌注。WU等［37]在一組慢性前循環(huán)血管狹窄-閉塞疾病患者中，DSC灌注顯像測定的白質體素及灰、白質標化CBF與采用乙酰唑胺激發(fā)試驗和BOLD技術檢測的CVR有良好的相關性，證明該技術也可用于CVR的檢測。該技術的主要缺陷是必須在血管活性物質刺激前后注射2次造影劑，這就給動態(tài)測定造成困難。此外，在有血腦屏障損害的情況下，該技術不易準確定量測量。

3.3 NIRS技術大腦內載色體的氧化狀態(tài)（HbO2和deoxyHb比例）可影響腦對近紅外光的吸收率，NIRS據(jù)此可以用來檢測神經(jīng)元活動和血流變化的關系。相對于其他技術的一個最大優(yōu)勢是它對檢查環(huán)境和體動的要求非常低，可用于嬰幼兒和兒童等配合較差的人群，也可在被試活動甚至步行的時候進行檢查。然而，ZIRAK等［34]在乙酰唑胺試驗中通過NIRS檢測腦微血管血流量變化來反映微血管CVR，通過TCD的CBFv變化來反映大血管的CVR，結果發(fā)現(xiàn)僅有大血管的CVR才與頸動脈狹窄存在顯著相關，同時HbO2和微血管血流量與CBF流速也不相關，提示利用doxyHb檢測CVR或NVC的精確性仍有待提高。

3.4 其他單光子斷層掃描（SPECT）和正電子斷層掃描（PET）能較準確地定量測量CBF，同時能夠通過標記示蹤劑評估腦的能量和氧代謝的情況，也可以用于腦血流調節(jié)的研究，但其可獲得性較低，空間分辨率也存在不足［38]。灌注CT技術（perfusion CT，PCT）可測定團注的造影劑在腦組織中流入-流出也常用于腦灌注的評估，相比灌注MRI技術，其造影劑與腦血流之間的線性測量較容易實現(xiàn)。但PCT同樣也需進行2次造影劑的團注和掃描，這不僅增加放射照射和造影劑的用量，前一次的團注殘留在腦組織中的造影劑還容易影響第2次的結果。另外，大多數(shù)PCT掃描一次覆蓋腦范圍有限也是其固有缺陷之一。

4 展望

腦血流的穩(wěn)定供應與否以及能否與神經(jīng)元活動相協(xié)調關乎腦組織的健康，這一領域規(guī)律的揭示將會是腦血管病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病研究的一個突破口。功能影像檢測技術的快速進展為在體研究腦血流調節(jié)提供了可能，必將有力推動該類疾病發(fā)病機制的研究。