Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Каноническая функция гемодинамического ответа (HRF). Спайк указывает на короткий интенсивный период стимуляции нейронов, который требует увеличения притока крови и питательных веществ. Когда потребности нейрональной активности удовлетворяются, кровоток возвращается к гомеостатическому уровню.

В гемодинамике организм должен реагировать на физическую активность, внешнюю температуру и другие факторы, гомеостатически регулируя кровоток, чтобы доставлять питательные вещества, такие как кислород и глюкоза, в напряженные ткани и позволять им функционировать. Гемодинамический ответ ( HR ) позволяет быстро доставлять кровь к активным нейрональным тканям. Мозг потребляет большое количество энергии, но не имеет запаса энергетических субстратов. Поскольку высшие процессы в головном мозге происходят почти постоянно, церебральный кровоток необходим для поддержаниянейроны , астроциты и другие клетки головного мозга. Эта связь между нейрональной активностью и кровотоком также называется нейроваскулярной связью .

Обзор анатомии сосудов [ править ]

Чтобы понять, как кровь доставляется к тканям черепа, важно понимать анатомию сосудов самого пространства. Крупные церебральные артерии в головном мозге разделяются на более мелкие артериолы , также известные как пиальные артерии. Они состоят из эндотелиальных клеток и гладкомышечных клеток , и по мере того, как эти пиальные артерии разветвляются и проникают глубже в мозг, они связываются с глиальными клетками, а именно с астроцитами. Внутримозговые артериолы и капилляры отличаются от системных артериол и капилляров тем, что они не позволяют веществам легко диффундировать через них; они связаны плотными контактами , чтобы сформировать гематоэнцефалический барьер(BBB). Эндотелиальные клетки, гладкие мышцы, нейроны, астроциты и перициты работают вместе в головном мозге, чтобы поддерживать ГЭБ, при этом доставляя питательные вещества в ткани и регулируя кровоток во внутричерепном пространстве для поддержания гомеостаза . Поскольку они работают как функциональная нервно-сосудистая единица , изменения в их взаимодействиях на клеточном уровне могут ухудшить ЧСС в головном мозге и привести к отклонениям в нормальной нервной функции. [1]

Механизмы [ править ]

Различные типы клеток играют роль в HR, включая астроциты, гладкомышечные клетки, эндотелиальные клетки кровеносных сосудов и перициты. Эти клетки контролируют, сужены ли сосуды или расширены, что определяет количество кислорода и глюкозы, которое может достичь нервной ткани.

Сосудистая сеть головного мозга как функция кровотока. Красные стрелки показывают обрезку сосудов, а белые стрелки указывают на расширение сосудов в ответ на усиление кровотока. [2]

Астроциты [ править ]

Астроциты уникальны тем, что являются посредниками между кровеносными сосудами и нейронами. Они способны общаться с другими астроцитами через щелевые соединения и имеют отростки на концах стопы, которые взаимодействуют с нейронными синапсами . Эти процессы обладают способностью поглощать различные нейротрансмиттеры , такие как норадреналин (NE) и глутамат , и выполнять различные другие функции для поддержания химического и электрического гомеостаза в нейрональной среде.

Было показано, что сужение происходит in vitro, когда NE помещается в синапс и поглощается рецепторами астроцитов. Поглощение NE приводит к увеличению внутриклеточного Ca 2+ астроцитов . Когда эти волны ионов кальция распространяются по длине астроцита, активируется фосфолипаза A (PLA 2 ), которая, в свою очередь, мобилизует арахидоновую кислоту . Эти два соединения транспортируются в гладкую мускулатуру и там реагируют с цитохромом P450 с образованием 20-гидроксиэйкозатетраеновой кислоты (20-HETE), которая действует посредством еще не определенных механизмов, вызывая сужение сосудов. Кроме того , было показано , что агонисты по метаботропных глутаматных рецепторов(mGluR) также увеличивают внутриклеточный Ca 2+, вызывая сужение. [3]

Гладкая мышца [ править ]

Расширение происходит, когда оксид азота (NO) высвобождается из эндотелиальных клеток и диффундирует в близлежащие гладкие мышцы сосудов. Несколько предложенных путей NO-индуцированной вазодилатации были предложены посредством гемодинамических исследований. Было показано, что NO ингибирует синтез 20-HETE, который может мешать путям сокращения астроцитов и приводить к расширению сосудов. Кроме того , было предложено , что NO может усилить астроцитов Ca 2+ приток и активировать Ca 2+ -зависимые калиевые каналы , высвобождая K + в интерстициальное пространство и вызывая гиперполяризацию клеток гладких мышц. [3] В дополнение к этому, уже было показано, что NO стимулирует повышенноеуровни циклического GMP (cGMP) в клетках гладких мышц, вызывающие сигнальный каскад, который приводит к активации cGMP-зависимой протеинкиназы (PKG) и окончательному снижению концентрации Ca 2+ в гладких мышцах . [4] Это приводит к уменьшению мышечного сокращения и последующему расширению кровеносных сосудов. Суженные или расширенные сосуды определяют количество кислорода и глюкозы, которое может достичь нервной ткани.

Перициты [ править ]

Основная функция перицитов заключается во взаимодействии с астроцитами, гладкомышечными клетками и другими внутричерепными клетками для формирования гематоэнцефалического барьера и изменения размера кровеносных сосудов для обеспечения правильной доставки и распределения кислорода и питательных веществ в нейронных тканях. Перициты имеют как холинергические (α2), так и адренергические (β2) рецепторы. Стимуляция последних приводит к расслаблению сосудов, а стимуляция холинергических рецепторов - к сокращению.

Было показано, что паракринная активность и доступность кислорода также модулируют активность перицитов. Пептиды ангиотензин II и эндотелин-1 (ЕТ-1) связываются с перицитами и являются вазоактивными. Эндотелиальные клетки индуцируют экспрессию эндотелина-1, что приводит к продукции NO и расширению сосудов. Эксперименты показали, что уровень кислорода также влияет на сокращение перицитов и последующее сокращение кровеносных сосудов. In vitro высокие концентрации кислорода вызывают сужение перицитов, а высокие концентрации CO 2 вызывают расслабление. Это говорит о том, что перициты могут иметь способность расширять кровеносные сосуды, когда требуется кислород, и сужать их, когда его избыток, изменяя скорость кровотока к тканям в зависимости от их метаболической активности.[5]

Осложнения [ править ]

Гемодинамический ответ - это быстрая доставка крови к активной нервной ткани. Осложнения этого ответа возникают при острых коронарных синдромах и легочной артериальной гипертензии . Эти осложнения приводят к изменению регуляции кровотока в головном мозге и, в свою очередь, количества глюкозы и кислорода, которые поступают в нейроны, что может иметь серьезные последствия не только для функционирования нервной системы, но и для функционирования всех. телесные системы. [6]

Острый коронарный синдром [ править ]

Острые инфекции, такие как внебольничная пневмония (ВП), вызывают острые коронарные синдромы (ОКС). ACS лечит симптомы, возникающие в результате закупорки коронарных артерий . Из-за этой непроходимости возникают тромботические осложнения на участках атеросклеротических бляшек . Наиболее частым симптомом, который требует постановки диагноза, является боль в груди, связанная с тошнотой и потоотделением. Лечение обычно включает аспирин , клопидогрель , нитроглицерин и, если боль в груди не проходит, морфин.. Недавнее исследование предполагает, что острая респираторная инфекция может спровоцировать ОКС. Это, в свою очередь, имеет серьезные протромботические и гемодинамические эффекты. [6]

Эти эффекты являются результатом коагуляции , которая обычно предотвращается в эндотелии сосудов за счет экспрессии антитромботических факторов на его поверхности. Сепсис , вызывающий разрушение и апоптозэндотелиальных клеток приводит к переключению эндотелия на прокоагулянтный фенотип. Это способствует адгезии и агрегации тромбоцитов. Более того, только после разрушения поверхности бляшки эти протромботические эффекты могут оказаться значимыми в патогенезе ОКС. Сепсис также во многом связан с гемодинамическими изменениями. Давление перфузии коронарной артерии снижается при периферической вазодилатации, что приводит к снижению артериального давления и снижению сократимости миокарда. Эндотелиальная дисфункция вызывает сужение коронарных сосудов. Это вызвано выбросом катехоламинов и инфекциями. Тяжелые инфекции приводят к увеличению метаболических требований миокарда и гипоксии.. Когда нейронная ткань лишена достаточного количества кислорода, гемодинамический ответ оказывает меньшее влияние на активную нейронную ткань. Все эти нарушения увеличивают вероятность ОКС из-за разрыва коронарной бляшки и тромбоза. В целом ОКС возникает в результате поражения коронарных сосудов атеросклерозом, поэтому первичная профилактика ОКС заключается в предотвращении атеросклероза путем контроля факторов риска. Это включает в себя здоровое питание, регулярные упражнения и контроль уровня холестерина. [6]

Легочная артериальная гипертензия [ править ]

Легочная гипертензия (ЛАГ) - это заболевание мелких легочных артерий, которое обычно вызывается более чем одним механизмом. Это включает пневмонию , паразитарные инфекции, уличные наркотики, такие как кокаин и метамфетамины , вызывающие сужение кровеносных сосудов, и многое другое. Вазоактивные медиаторы, такие как оксид азота и простациклин , наряду со сверхэкспрессией вазоконстрикторов не только влияют на тонус сосудов, но и способствуют их ремоделированию. ЛАГ способствует повышению артериального давления в легочных артериях, что приводит к одышке, головокружению, обморокам, редко кровохарканью., и многие другие симптомы. ЛАГ может быть тяжелым заболеванием, которое может привести к снижению толерантности к физической нагрузке и, в конечном итоге, к сердечной недостаточности. Он включает в себя сужение кровеносных сосудов, соединенных с легкими и находящихся внутри них. В результате сердце с трудом перекачивает кровь через легкие, и кровеносные сосуды в конечном итоге подвергаются фиброзу . Повышенная нагрузка на сердце вызывает гипертрофиюправого желудочка, что приводит к тому, что меньше крови перекачивается через легкие и уменьшается кровь к левой стороне сердца. В результате всего этого левая часть сердца с трудом перекачивает достаточный запас кислорода к остальному телу, что ухудшает эффект гемодинамической реакции. Нарушение гемодинамических реакций, в свою очередь, снижает способность к физической нагрузке у пациентов с ЛАГ. Тяжесть гемодинамической дисфункции во время прогрессирующей нагрузки при ЛАГ может быть зарегистрирована с помощью сердечно-легочного теста с нагрузкой (CPET) и / или импедансной кардиографии.(ICG). Кроме того, в настоящее время не существует методов лечения легочной артериальной гипертензии, но есть варианты лечения пациентов с этим заболеванием, которые помогают продлить их выживаемость и качество жизни. Некоторые из этих методов лечения включают базовую терапию, блокаторы кальциевых каналов и терапию простациклином. Базовая терапия может привести к значительным клиническим улучшениям у пациентов с правожелудочковой недостаточностью за счет назначения диуретической терапии. Это снижает преднагрузку правого желудочка. Более того, высокие дозы блокаторов кальциевых каналов у пациентов, у которых есть ответ на это лечение, могут продлить выживаемость и улучшить легочную гемодинамику. Препараты, блокирующие кальциевые каналы, приводят к регрессу гипертрофии правого желудочка. С другой стороны, терапия простациклином продлевает выживаемость, вызывая расслабление гладких мышц сосудов. Это стимулирует выработкуциклический АМФ (цАМФ), который подавляет рост гладкомышечных клеток. [7]

В целом, легочное артериальное давление и острые коронарные синдромы - лишь немногие из многих заболеваний, которые приводят к гипоксии нейрональной ткани, что, в свою очередь, ухудшает гемодинамический ответ и приводит к гибели нейронов. Продолжительная гипоксия вызывает гибель нейронов через апоптоз. При дисфункциональной гемодинамической реакции активной нейрональной ткани из-за деполяризации мембраны не хватает энергии, необходимой для распространения сигналов, в результате затруднения кровотока. Это влияет на многие функции организма и может привести к серьезным симптомам.

Заболевания с пониженным гемодинамическим ответом [ править ]

Болезнь Альцгеймера [ править ]

При этом заболевании в головном мозге происходит наращивание бета-амилоидного белка. В конечном итоге это приводит к снижению гемодинамической реакции и уменьшению кровотока в головном мозге. Это снижение мозгового кровотока не только убивает нейронные клетки из-за нехватки кислорода и глюкозы, но также снижает способность мозга удалять бета-амилоид. В здоровом мозге эти фрагменты белка расщепляются и удаляются. При болезни Альцгеймера фрагменты накапливаются с образованием твердых нерастворимых бляшек, которые уменьшают кровоток. В этом накоплении бета-амилоида участвуют два белка: сывороточный фактор ответа или SRF и миокардин. [8]Вместе эти 2 белка определяют, сокращаются ли гладкие мышцы кровеносных сосудов. SRF и миокардин более активны в мозге людей с болезнью Альцгеймера. Когда эти белки активны, они включают SREBP2, который ингибирует LRP-1. LRP-1 помогает мозгу удалять бета-амилоид. Следовательно, когда SRF и миокардин активны, происходит накопление бета-амилоидного белка, что в конечном итоге приводит к уменьшению кровотока в головном мозге из-за сужения кровеносных сосудов. [9]

Ишемия [ править ]

Снижение кровообращения в сосудистой сети головного мозга из-за инсульта или травмы может привести к состоянию, известному как ишемия . Как правило, снижение притока крови к мозгу может быть результатом тромбоза, вызывающего частичную или полную закупорку кровеносных сосудов, гипотонию в системном кровообращении (и, следовательно, в головном мозге) или остановку сердца. Это снижение кровотока в сосудистой системе головного мозга может привести к накоплению метаболических отходов, производимых нейронами и глиальными клетками, и снижению доставки к ним кислорода и глюкозы. В результате может произойти сбой клеточной энергии, деполяризация нейрональных и глиальных мембран, отек и избыточное высвобождение нейротрансмиттеров и ионов кальция. [10] В конечном итоге это заканчивается гибелью клеток, поскольку клетки уступают место недостатку питательных веществ, необходимых для их метаболизма, и токсичной среде мозга, полной свободных радикалов и избыточных ионов, которые нарушают нормальную функцию клеточных органелл.

Клиническое использование [ править ]

Изменения активности мозга тесно связаны с изменениями кровотока в этих областях, и знание этого оказалось полезным при картировании функций мозга у людей. Измерение гемодинамического ответа в клинических условиях можно использовать для создания изображений головного мозга, в которых особенно активные и неактивные области показаны отдельно друг от друга. Это может быть полезным инструментом при диагностике невральных заболеваний или при предоперационном планировании. Функциональная МРТ и ПЭТ сканированиеявляются наиболее распространенными методами, которые используют гемодинамический ответ для картирования функции мозга. Врачи используют эти методы визуализации для изучения анатомии мозга, чтобы определить, какие конкретные части мозга выполняют определенные функции высокого порядка, для оценки эффектов дегенеративных заболеваний и даже для планирования хирургического лечения мозга.

Функциональная магнитно-резонансная томография [ править ]

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) - это метод медицинской визуализации, используемый для измерения гемодинамической реакции мозга на нервную активность. [11] Это одно из наиболее часто используемых устройств для измерения функций мозга, и оно относительно недорогое для использования в клинических условиях. Начало нейронной активности приводит к систематическому ряду физиологических изменений в локальной сети кровеносных сосудов, которые включают изменения объема церебральной крови на единицу мозговой ткани (CBV), изменения скорости церебрального кровотока и изменения концентрация оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Существуют различные методы фМРТ, которые могут улавливать функциональный сигнал, соответствующий изменениям в каждом из ранее упомянутых компонентов гемодинамического ответа. Наиболее распространенным сигналом функциональной визуализации является сигнал, зависящий от уровня кислорода в крови (жирный шрифт), который в первую очередь соответствует концентрации дезоксигемоглобина. [12]Эффект BOLD основан на том факте, что при повышении активности нейронов в одной части мозга также увеличивается приток церебральной крови к этой области, что является основой гемодинамического ответа. Это увеличение кровотока приводит к увеличению отношения оксигенированного гемоглобина к деоксигенированному гемоглобину в этой конкретной области. Разница в магнитных свойствах оксигенированного и деоксигенированного гемоглобина - это то, что позволяет с помощью фМРТ создавать эффективную карту, показывающую, какие нейроны активны, а какие нет. Короче говоря, дезоксигенированный гемоглобин парамагнитен, в то время как оксигенированный гемоглобин диамагнитен . Диамагнитная кровь ( оксигемоглобин ) мешаетсигнал магнитного резонанса (MR) меньше, и это приводит к улучшенному сигналу MR в области повышенной нейрональной активности. Однако парамагнитная кровь (дезоксигемоглобин) делает локальное магнитное поле неоднородным. Это имеет эффект расфазировки сигнала, излучаемого в этой области, вызывая деструктивные помехи в наблюдаемом МР-сигнале. Следовательно, большее количество дезоксигемоглобина приводит к меньшему сигналу. Активность нейронов в конечном итоге приводит к усилению локальной передачи сигналов MR, что соответствует снижению концентрации дезоксигемоглобина. [13]

Этот образец фМРТ показывает, как есть определенные области активации во время стимуляции.

Если фМРТ можно использовать для определения регулярного кровотока в здоровом мозге, ее также можно использовать для выявления проблем с мозгом, который подвергся дегенеративным заболеваниям. Функциональная МРТ с использованием гемодинамического ответа может помочь оценить последствия инсульта.и другие дегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, на функции мозга. Еще один способ использования фМРТ - это планирование операций на головном мозге. Хирурги могут использовать фМРТ для обнаружения кровотока в наиболее активных областях мозга и областях, участвующих в критических функциях, таких как мысль, речь, движение и т. Д. Таким образом, операции на мозге менее опасны, потому что есть картирование мозга, которое показывает, какие области жизненно важны для жизни человека. Гемодинамический ответ жизненно важен для фМРТ и клинического использования, потому что, изучая кровоток, мы можем исследовать анатомию мозга и эффективно планировать процедуры мозга и связывать воедино причины дегенеративных заболеваний мозга. [14]

ФМРТ в состоянии покоя позволяет оценить взаимодействие областей мозга, когда не выполняется конкретная задача. [15] Это также используется для отображения сети в режиме по умолчанию .

ПЭТ сканирование [ править ]

ПЭТ-сканирование или позитронно-эмиссионная томография также используются вместе с фМРТ для визуализации мозга. ПЭТ-сканирование может обнаружить активные области мозга гемодинамически или метаболически через потребление глюкозы. Они позволяют наблюдать кровоток или обмен веществ в любой части мозга. Области, которые активируются усиленным кровотоком и / или повышенным потреблением глюкозы, визуализируются в увеличенном сигнале на ПЭТ-изображении. [16]

Перед началом сканирования ПЭТ, пациент будет введен с небольшой дозой радиоактивного меченого медицины к трассера , такие как глюкоза или кислород. Следовательно, если целью ПЭТ-сканирования является определение активности мозга, в качестве лекарственного средства будут использоваться ФДГ или фтордезоксиглюкоза . ФДГ представляет собой комплекс радиоактивного фтора, меченного глюкозой. Если определенная часть мозга более активна, там потребуется больше глюкозы или энергии, и будет поглощено больше ФДГ. Это увеличение потребления глюкозы будет обнаруживаться по усилению сигнала на ПЭТ-изображении. ПЭТ-сканеры обладают этой функцией, потому что они измеряют энергию, излучаемую позитронами из радиоактивного индикатора.сталкиваются с электронами в мозгу. По мере того, как радиоактивный индикатор разрушается, образуется больше позитронов, и сигнал при сканировании ПЭТ увеличивается. [17]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Iadecola Константино (2004). «Нейроваскулярная регуляция в нормальном мозге и при болезни Альцгеймера». Обзоры природы Неврология . 5 (5): 347–49. DOI : 10.1038 / nrn1387 . PMID  15100718 . S2CID  36555564 .
  2. ^ Седвик C (2012). «Обрезка сосудов головного мозга для повышения эффективности» . PLOS Biol . 10 (8): e1001375. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1001375 . PMC 3424260 . PMID 22927793 .  
  3. ^ a b Koehler Raymond C (2006). «Роль астроцитов в регуляции мозгового кровообращения» . Журнал прикладной физиологии . 100 (1): 307–17. DOI : 10.1152 / japplphysiol.00938.2005 . PMC 1819408 . PMID 16357084 .  
  4. ↑ Grange Robert W .; Исотани Эйдзи (2000). «Оксид азота способствует расслаблению гладких мышц сосудов в сокращающихся быстро сокращающихся мышцах» . Физиологическая геномика . 5 (1): 35–44. DOI : 10.1152 / physiolgenomics.2001.5.1.35 . PMID 11161004 . S2CID 7117482 .  
  5. ^ Бергерс Габриэле; Песня Стивена (2005). «Роль перицитов в формировании и поддержании кровеносных сосудов» . Нейроонкология . 7 (4): 452–64. DOI : 10.1215 / S1152851705000232 . PMC 1871727 . PMID 16212810 .  
  6. ^ a b c " Bazaz, Rohit; Marriott, Helen M .; Francis, Sheila E .; Dockrell, David H. (2013)." Механистические связи между острыми респираторными инфекциями и острыми коронарными синдромами ". Journal of Infection . 66 ( 1): 1–17. Doi : 10.1016 / j.jinf.2012.09.009 . PMID 23046969 . 
  7. Перейти ↑ Humbert Marc (2004). «Лечение легочной артериальной гипертензии». Медицинский журнал Новой Англии . 351 (14): 1425–1436. DOI : 10.1056 / NEJMra040291 . PMID 15459304 . 
  8. ^ «Кровоток при болезни Альцгеймера». ScienceDaily. ScienceDaily, 29 июня 2009 г. Web. 4 ноября 2012 г. https://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090624211135.htm
  9. ^ "Блог Доктора". Белки сердечно-сосудистой системы играют роль в болезни Альцгеймера. Np, nd Web. 4 ноября 2012 г. http://www.docblog.org/cardiovascular-system-proteins-play-a-role-in-alzheimers.html
  10. ^ Arcinlegas, Дэвид Б., доктор медицинских наук. "Гипоксико-ишемическая травма головного мозга | Internationalbrain.org." Гипоксико-ишемическая травма головного мозга | Internationalbrain.org. Международная ассоциация травм головного мозга, март 2010 г. Интернет. < http://www.internationalbrain.org/?q=node/131 >
  11. ^ Бакстон Ричард; Улудаг Камил; Лю Томас (2004). «Моделирование гемодинамического ответа на активацию мозга» (PDF) . NeuroImage . 23 : S220 – S233. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2004.07.013 . PMID 15501093 . S2CID 8736954 .   
  12. ^ Барбе, Курт, и Гай Nagels. «Извлечение гемодинамического ответа из функциональных данных МРТ». IEEE Xplore. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=06210369 , nd Web. 3 ноября 2012 г. < http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=06210369 >
  13. ^ Бакнер, Рэнди Л. «Событийный FMRI и гемодинамический ответ». Картирование человеческого мозга. Wiley-Liss Inc., 1998. Интернет. 10 октября 2012 г.
  14. ^ Attwell, Дэвид. «Нейронная основа сигналов функциональной визуализации мозга». Университетский колледж Лондона, nd Web. < http://dx.dio.org/10.1016/s0166-2236(02 ) 02264-6 >
  15. ^ Biswal, BB (15 августа 2012). «ФМРТ в состоянии покоя: личный анамнез». NeuroImage . 62 (2): 938–44. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2012.01.090 . PMID 22326802 . S2CID 93823 .  
  16. ^ «Узнайте больше о технологиях визуализации мозга». Узнайте больше о технологиях визуализации мозга. Np, nd Web. 3 ноября 2012 г. < http://learn.genetics.utah.edu/content/adission/drugs/brainimage.html Архивировано 21 января 2013 г. в Wayback Machine >
  17. ^ Shibasaki, Hiroshi. «Картирование мозга человека: гемодинамический ответ и электрофизиология». Эльзевир. Np, nd Web. < http://moodle.technion.ac.il/pluginfile.php/195507/mod_resource/content/0/week1/FunctionalBrainImaging.pdf >

Внешние ссылки [ править ]

  • Анимация нервно-сосудистой связи