張明泰,張華強,靳光遠,王迪

心率是由心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)控制的,而大腦對心率的控制也非常重要。大腦對心率的調(diào)控是一個復雜的過程,大腦的多個區(qū)域可以影響心率,包括前額葉、島葉、前扣帶回、杏仁核及下丘腦等[1]。這些腦區(qū)與情緒行為、應激反應及穩(wěn)態(tài)平衡密切相關,通過自主神經(jīng)系統(tǒng)對心率產(chǎn)生影響[2]。深入了解心率調(diào)節(jié)的腦機制,將有助于闡明各種神經(jīng)疾病(如癲癇導致的突發(fā)性猝死)對心臟影響的潛在病理機制[3]。本文將結合一些最新的文獻,探討相關腦區(qū)對心率調(diào)節(jié)的研究進展。

1 自主神經(jīng)系統(tǒng)對心率的調(diào)節(jié)

心臟的搏動起源于心臟固有傳導系統(tǒng)中心肌細胞的活動,這個傳導系統(tǒng)由竇房結、房室結、希氏束及浦肯野纖維網(wǎng)組成。心率取決于心肌的固有特性,同時也受到自主神經(jīng)系統(tǒng)的控制。心臟內(nèi)的自主神經(jīng)結叢接受迷走神經(jīng)(副交感神經(jīng))和交感神經(jīng)的調(diào)控,從而調(diào)節(jié)心率的快慢[2]。

交感神經(jīng)的興奮可以加快心率,主要是通過激活去甲腎上腺素的β1受體實現(xiàn)[4]。迷走神經(jīng)是自主神經(jīng)系統(tǒng)的一部分,對心臟起著副交感支配作用。迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)的交互作用是調(diào)節(jié)心率的關鍵,是心率晝夜節(jié)律產(chǎn)生的基礎。在清晨時交感神經(jīng)活動增強,導致心率增快;而在睡眠期特別是在非快速眼動睡眠期,迷走神經(jīng)占優(yōu)勢,導致心率減慢。但有研究表明,在快速眼動睡眠期,心率會暫時增快,原因是短暫的迷走神經(jīng)阻斷和交感神經(jīng)活動增強,可能與快速眼動睡眠期大腦活動的變化有關[5]。

2 心率變異性(heart rate variability, HRV)

HRV指2次心跳之間的時間間隔變化,是反映自主神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)活動平衡的重要指標。一般情況下,HRV增加表明向副交感神經(jīng)支配地位轉(zhuǎn)變,而HRV降低則表示交感神經(jīng)輸出較高。有研究表明,在癲癇患者中, HRV通常會降低,這意味著交感神經(jīng)支配地位增加,提示交感神經(jīng)的過度活動可能是導致癲癇發(fā)作的潛在機制[6]。有研究發(fā)現(xiàn),無論何種癲癇類型,在發(fā)作間期交感神經(jīng)活動都有所增加,HRV也有所降低[7]。Lacuey等[8]的研究認為,島葉的切除會加速HRV的改變。然而,目前尚不清楚HRV的改變與癲癇意外猝死風險之間的確切關系。

3 調(diào)節(jié)心率的相關腦區(qū)

心率的快慢不僅僅由自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié),還涉及到許多不同的大腦結構。Benarroch[9]的研究提出了“中央自主神經(jīng)網(wǎng)絡”這一術語,用來描述參與產(chǎn)生適當自主功能狀態(tài)的前腦、腦干及邊緣區(qū)域。在此基礎上,Thayer等[1]的研究提出了一種神經(jīng)內(nèi)臟整合模型,將心臟調(diào)節(jié)與情緒或認知任務聯(lián)系起來,并通過興奮自主神經(jīng)系統(tǒng)實現(xiàn)。在這個模型中,前腦區(qū)域(如前扣帶回、島葉及前額葉皮質(zhì)等皮質(zhì)區(qū)和下丘腦、杏仁核等皮層下結構)起著重要的調(diào)節(jié)作用。這些區(qū)域之間存在相互關聯(lián),能夠啟動情緒相關或應激刺激的綜合自主神經(jīng)、內(nèi)分泌及行為反應,并對心率進行調(diào)節(jié)。

3.1 大腦皮質(zhì)對心率的調(diào)控

神經(jīng)心臟病學經(jīng)典文獻主要研究中樞自主神經(jīng)系統(tǒng)的皮質(zhì)下區(qū)域?qū)π穆实恼{(diào)控作用,但最近的研究認為,大腦皮質(zhì)也可以通過對皮層下結構的作用來調(diào)節(jié)自主神經(jīng)系統(tǒng),從而影響心率[3]。

3.1.1 前額葉

參與心率調(diào)控的前額葉皮質(zhì)區(qū)域主要包括眶額葉(orbitofrontal cortex, OFC)和內(nèi)側前額葉(medial prefrontal cortex, mPFC)。mPFC在自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)心率和血壓的過程中發(fā)揮著重要作用,電刺激mPFC區(qū)域可引起心率變化[10]。

解剖學上mPFC的背側和腹側部分是兩個獨立的區(qū)域,與皮質(zhì)下自主神經(jīng)結構有不同的連接,以調(diào)控交感和副交感神經(jīng)[11]。mPFC腹側區(qū)域主要通過直接投射到孤束核,參與調(diào)控心率。相反,mPFC背側區(qū)域則接受來自丘腦的輸入,并向mPFC腹側區(qū)域和其他皮質(zhì)下結構發(fā)出投射。有研究表明,mPFC在情緒調(diào)節(jié)過程中與中央自主神經(jīng)網(wǎng)絡中的杏仁核相連接,通過抑制杏仁核中的交感神經(jīng)興奮反應,降低心率和升高HRV[12]。

電刺激OFC也可以引起心率的變化,同時還有與OFC癲癇發(fā)作相關的發(fā)作性心動過緩病例[13-14]。有研究表明,通過OFC和下丘腦的連接模式,證實了內(nèi)側OFC和內(nèi)側下丘腦之間具有特異性的功能連接[15]。

3.1.2 島葉

島葉是復雜的腦結構,涉及不同的神經(jīng)系統(tǒng)功能,包括情緒、感知及自主神經(jīng)調(diào)節(jié)等。從細胞結構、連接性和功能的角度,島葉可分為背尾側區(qū)和腹頭側區(qū)。其中,腹頭側區(qū)通過連接前扣帶回和杏仁核,參與情緒過程并調(diào)控心率。

Ming等[16]的研究發(fā)現(xiàn),在接受藥物難治性癲癇手術治療的患者中,電刺激島葉可引起多種自主神經(jīng)反應,其中包括心率的變化。Chou chou等[17]研究發(fā)現(xiàn),刺激左側島葉可更頻繁地產(chǎn)生心動過緩反應,而刺激右側島葉則會引起相反的效果。有研究表明,島葉的不同側對自主神經(jīng)功能有不同的影響[18]。據(jù)此,研究者推測左側島葉主要調(diào)節(jié)副交感神經(jīng),而右側島葉則主要調(diào)節(jié)交感神經(jīng)。功能磁共振成像研究也證實左側島葉的激活與HRV的迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)相關,且島葉激活的側別化與自主神經(jīng)調(diào)節(jié)存在相關性[19-20]。

在人類中,右側島葉主要參與調(diào)節(jié)交感神經(jīng)的活動水平,而左側島葉皮層則主要參與調(diào)節(jié)副交感神經(jīng)的活動水平。

3.1.3 前扣帶回(anterior cingulate cortex, ACC)

ACC是一個位于前額葉內(nèi)側的腦區(qū),與島葉皮質(zhì)、前額葉皮質(zhì)、杏仁核、下丘腦及腦干自主神經(jīng)核有廣泛的聯(lián)系,對交感與副交感系統(tǒng)的調(diào)節(jié)有著重要的作用。ACC主要被分為腹側ACC和背側ACC。腹側ACC的主要功能是參與情緒反應,其中前扣帶回膝前區(qū)與杏仁核及下丘腦等結構有密切聯(lián)系,與調(diào)節(jié)自主神經(jīng)功能和情緒有關。背側ACC則主要通過與前額葉皮質(zhì)的聯(lián)系參與認知功能。

有研究表明,ACC的活動可以調(diào)節(jié)心臟交感神經(jīng)輸出[21]。睡眠性癲癇發(fā)作是由前扣帶回引起的一種癲癇發(fā)作,它可誘發(fā)睡眠覺醒,伴有心率加快[22]。Seamans等[23]的研究借助功能磁共振成像及同步心電圖發(fā)現(xiàn),背側ACC的激活與交感神經(jīng)驅(qū)動的增加相關,導致心率增加;相反的,前扣帶回膝前區(qū)及其相鄰的前額葉腹內(nèi)側區(qū)處于失活狀態(tài),這兩個區(qū)域發(fā)出投射至心臟副交感神經(jīng)。

Matthews等[24]的研究表明,前扣帶回膝前區(qū)的活動與HRV的迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)有關,尤其是在右側半球的前扣帶回膝前區(qū)中表現(xiàn)尤為明顯。

3.2 皮質(zhì)下結構對心率的調(diào)控

在調(diào)節(jié)心率的自主神經(jīng)回路中,皮層下結構通常受大腦皮質(zhì)區(qū)域的影響來調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng),其中杏仁核及下丘腦等結構扮演著重要角色。

3.2.1 杏仁核

作為調(diào)節(jié)情緒反應和自主神經(jīng)輸出的關鍵中樞,杏仁核主要被劃分為基底外側核群(basal lateral amygdala, BLA)及中央核群(central amygdala, CeA)。BLA主要接收和處理應激相關的情感信息,并通過CeA進行整合,然后輸出至下丘腦及腦干的自主神經(jīng)核等腦區(qū),調(diào)節(jié)應激反應。

有研究表明,在癲癇患者中,電刺激杏仁核會引起呼吸暫停和心動過緩,這可能與癲癇突發(fā)性猝死的潛在病理機制相關[25-26]。Inman 等[27]的研究發(fā)現(xiàn),左、右兩側杏仁核之間的心動過緩發(fā)生率相等,但預計電刺激左側杏仁核比電刺激右側杏仁核能引起更明顯的心率減速(每分鐘降低2.18次)。Chouchou 等[17]的研究顯示,電刺激杏仁核可導致海洛因成癮者的心率增加。Sanchez-Larsen等[18]的研究發(fā)現(xiàn),電刺激杏仁核與心血管功能之間沒有顯著的相關性。這可能是由于刺激部位的不同導致研究結果的差異,另一種解釋是杏仁核對心率的影響存在個體差異[28]。

3.2.2 下丘腦

下丘腦可被分為3個區(qū)域,包含多組神經(jīng)元核團。視前核和視交叉上核位于前部,室旁核(paraventricular nucleus, PVN)、背內(nèi)側核(dorsomedial nucleus, DMN)、腹內(nèi)側核(ventromedial nucleus, VMN)及弓形核(arcuate nucleus, ARC)位于結節(jié)區(qū),后核及乳頭體位于后部區(qū)域。關于下丘腦的各個核團在心率調(diào)節(jié)中的作用,已有大量文獻報道。

有研究表明,PVN神經(jīng)元在調(diào)節(jié)交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動方面發(fā)揮一定作用。Deng等[29]的研究在單側或雙側PVN損傷的實驗條件下,從時域和頻域兩個角度分析HRV的變化,得出PVN通過調(diào)節(jié)交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的平衡影響HRV的結論。此外,作為心血管系統(tǒng)的中央調(diào)節(jié)器,PVN與參與調(diào)節(jié)心率的大腦其他區(qū)域相互連接,是整合心血管系統(tǒng)自動性和反應性的重要部位[30-31]。

一項通過對ARC進行化學刺激的實驗研究發(fā)現(xiàn),這種刺激能夠引起心動過速反應[32]。進一步的研究表明,這種反應是通過抑制迷走神經(jīng)輸入和刺激心臟交感神經(jīng)輸入介導的。然而,目前還沒有完全描述由ARC引起心動過速反應的通路。

與ARC一樣,DMN和VMN被認為是對來自脂肪組織的激素瘦素反饋信號作出反應回路的一部分。這些結果表明,DMN和VMN可能是瘦素激活導致心率增快的關鍵部位[33]。DMN也是恐懼回路的一部分,參與調(diào)節(jié)心血管對壓力的反應,如心肌血流增加及心動過速等與防御反應相關的生理反應。VMN和下丘腦外側區(qū)域都向DMN投射,而DMN則向PVN投射,因此DMN在自主神經(jīng)回路中處于重要的節(jié)點位置[34]。

4 總結與展望

近年來,關于相關腦區(qū)對心率調(diào)節(jié)的研究取得了很大進展。這些研究成果的積累,有助于臨床更好地理解相關疾病的病理生理學機制,從而提高對患者的診療水平。識別這些癥狀可以幫助預防和治療心臟并發(fā)癥,并指導癲癇治療。此外,基于心率實時記錄和HRV動態(tài)監(jiān)測,可以開發(fā)越來越精確的非侵入性檢測工具。本文闡述了包括島葉及杏仁核等結構在內(nèi)的中央自主神經(jīng)網(wǎng)絡在影響心率的整個神經(jīng)環(huán)路中充當?shù)慕巧?。然?這些相互作用仍未完全被理解,因此需要進行更密切的監(jiān)測和更深入的研究工作。