脑血流调节检测研究进展

侯清华 洪华

1中山大学附属第七医院神经医学中心（广东深圳518107）；2中山大学第一附属医院神经科（广州510080）

人脑是高代谢器官，但自身能量储备却很低，其功能正常发挥需要稳定的血流来维持。已经明确，脑血流调节异常与多种脑疾病有关，包括脑卒中、帕金森病和认知障碍等。有关脑血流调节障碍发生的机制和检测日益引起人们的重视，本文对此做一评述。

1 脑血流调节的基础

正常脑血流的稳定调节有赖于3个方面：（1）在一定灌注压波动范围内（通常对应于平均血压50～60 mmHg至150～170 mmHg之间），脑血管自动舒缩从而保持脑血流量稳定，即脑血流自动调节（cerebral auto-regulation，CA）；（2）脑血管内活性物质（如O2、CO2和pH值等）水平改变时，脑血管发生适应性舒缩以调节血流量供应，即所谓脑血管反应性（cerebrovascular reactivity，CVR）；（3）在神经元活动增加时，脑血流能相应调节变化，即神经血管耦联（neurovascular coupling，NVC）。

1.1 CACA包括两个层次的调节，一种是静态CA，用来适应以分钟或小时计的较缓慢的血压变化；另一种是动态CA（dynamic cerebral auto-regulation，dCA），应对的是比如每一次心脏搏动周期的血压瞬时变化。这二者都有赖于阻力血管的主动缩舒来发挥“闸门”效应，实现在一定血压波动范围内的脑血流量稳定。

毛细血管网形成前的小、微动脉（arterioles）是公认的阻力血管。在肌源性血管舒缩反射、内在的自主神经支配、血管切应力、血管平滑肌和内皮细胞上对压力敏感的相应受体的调节下，这些部位的血管对跨壁压力变化产生舒缩反应［1]。而近端大动脉是否参与CA一直存疑。最近，WARNERT等［2]利用动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）MRI技术并以运动作为刺激手段，测量8例成人的脑动脉顺应性，结果运动后Willis环水平及其下游的脑动脉顺应性下降，伴随收缩期管腔内血流量减少，其上游血管则无明显改变。该结果间接反映运动后Willis环水平及其下游脑血管阻力升高，提示人类颅内大血管也参与脑血流调节过程。由于小微血管的管壁普遍较薄，颅内大血管的肌性收缩阻抗在急性血压波动调节可能起较大的作用，可以保证增高的血压不会突破至脑循环远端薄壁的小血管和毛细血管。

1.2 CVR血供的一个重要职责是输送O2和带走CO2等代谢产物，局部组织的CO2、O2张力则反过来对脑血流有很强的调节作用。血管内CO2张力升高可通过降低L-型钙离子通道、增加ATP依赖钾离子通道的活动来舒张小动脉的血管平滑肌；CO2还可以穿过血脑屏障影响血管周围的pH值，引起血管扩张。血管内O2的张力对脑血管活动也有重要影响。血管内O2降低可通过增加ATP依赖的钾离子通道和Vallinoid（V）型瞬时受体电位的活动引起血管舒张，反之，血管内O2升高引起血管收缩［3]。

1.3 NVC在脑实质内，随着血管分支越分越细，血管内皮与神经组织之间的组织和液体间隙消失，神经元和胶质细胞直接与血管构件（内皮细胞、周细胞和血管平滑肌细胞）接触关联，构成“神经血管单元”。在动物实验中，单纯刺激三叉神经的舌下神经支的中枢端对脑血流量无明显影响，但如果合用γ-氨基丁酸（GABA）的拮抗剂则可以使脑血流量显著增加［4]。已经知道，皮层中间神经元是GABA能的，直接作用于血管壁和星形胶质细胞可发挥血管舒张作用，也可通过调节皮层下血管收缩性（来自蓝斑核，Raphe核和腹侧被盖区的暗物质等）和血管舒张性（来自Meynert核和额叶基底部等）神经末梢的张力对血管活动进行调节［4]。因此，上述结果提示皮层中间神经元和皮层下神经元均参与调节“神经血管单元”的血流调节，并且GABA能中间神经元在调节NVC中可能占有较主要的作用。此外，脑细胞释放的具有血管活性的物质如腺苷、一氧化氮、氢离子和乳酸等，也可能参与NVC的调节。但是，这些物质的释放是神经元主动为之还是仅仅是神经元活动增加的结果［3]，目前还不能确定。

2 影响脑血流调节的因素

2.1 高血压KIM等［5]采用血氧水平依赖（blood oxygen level dependent，BOLD）MRI技术对比3～4个月龄的自发性高血压大鼠（SHR）和Wistar大鼠（WKY）的CVR，结果SHR大鼠CO2吸入引起的CBF和BOLD信号改变均显著高于WKY大鼠，但二者之间仍然存在良好的相关性，提示早期高血压可以导致CA在更高的血压水平运行［6]，但大鼠的CVR并不受损。持续的高血压可兴奋交感神经，后者除了通过神经递质缩小血管管径，其神经末梢还能发挥营养性作用，改变血管壁胶原的占比和平滑肌细胞的分化（收缩性还是非收缩性表型），促进血管重塑性改变。因此，慢性高血压可以加速脑血流调节异常出现［7]。在另一项动物实验中，LI等［8]发现随着高血压病程延长，SHR大鼠CVR在20周龄开始下降，借助3D磁共振血管成像（3D-MRA）他们还发现明显的血管狭窄出现后，SHR大鼠的CVR下降更明显，而在部分吸入CO2后CBF反应阴性区域，其CVR受损程度也与供应血管狭窄的严重程度相关。上述研究结果提示高血压的病程及是否合并血管并发症对CVR影响较大。

2.2 年龄随着年龄的增长，脑血管结构会发生增龄性改变。KANG等［9]采用荧光显微镜在体直接观察发现年长小鼠的软脑膜血管迂曲、分叉减少，免疫印迹分析则提示血管胶原纤维/弹力纤维的比例随年龄而升高，且伴随着血流动力学的改变，比如血流平均通过时间延长等。而BALBI等［10]发现，虽然激光多普勒流速仪测定显示FVB/N小鼠在12月龄前CBF和CO2CVR均无明显改变，但在在体荧光显微镜脑表面血管的直接观察中，8月龄的小鼠已经可见显著的年龄相关性CO2CVR和NVC受损。在人类，总体测量的CVR和NVC在老年人跟青年人之间多数差异并不显著，但这可能与由于老年人对CO2升高引起的系统血压上升要高于青年人，可以一定程度代偿颅内动脉扩张反应的不足有关［11]，因为如果对白质和灰质分别测量，即可见健康老年人灰质的CVR显著低于青年人［12]。因此，年龄对CVR的影响并不均一，脑表面的血管较深部脑实质血管的CVR更容易受损。

2.3 血管狭窄据研究，颅内外的主要血管狭窄，不管是颈内动脉（internal carotid artery，ICA）还是大脑中动脉（middle cerebral artery，MCA），如果达到一定程度，如MCA狭窄＞50%，ICA狭窄＞70%，可引起同侧甚至对侧半球CVR异常［13-14]。血管狭窄引起CVR异常的机制仍不甚明了。REINHARD等［15]利用近红外光谱学（near-infrared spectroscopy，NIRS）技术研究一组ICA重度狭窄或闭塞患者的dCA，结果发现仅有前分水岭区的dCA存在差异，在这以外的区域的dCA并未受影响，提示血管狭窄后造成低灌注可能是狭窄血管下游脑血流调节异常的原因之一。然而，GOMEZ-CHOCO等［16]通过超声造影剂和TCD技术检测不同程度ICA病变的患者，发现狭窄造成的超声造影剂延迟到达和CVR并不相关。因此，单纯血管狭窄后的低灌注并不能完全解释CVR受损。与此同时，SWEET等［17]在动物实验中证实，一侧ICA闭塞造成的慢性低灌注并不会导致明显的血管重构。

那血管狭窄后CVR异常是否是由于狭窄病变以远的血管内皮、平滑肌功能障碍以及神经元活动性改变引起呢？在脑血管狭窄后，血管功能障碍和神经元兴奋性的改变常常夹杂在一起，并且随时间和狭窄程度变化而变化［18-19]。同时，慢性血管狭窄还常合并侧支开放和增生，要厘清二者在血管狭窄后血流调节障碍中所起的作用非常困难。最近，ARTEAGA等［20]利用BOLD-MRI技术检测40例症状性ICA狭窄的患者，结果发现其中15例在吸入CO2后，其流域内BOLD信号反映血流无显著变化，即呈CO2激发BOLD阴性反应。在这15例患者中，其中3例表现显著的CBF下降并且证实为盗血，6例表现CBF增加，而剩下的表现CBF无明显改变。提示血管狭窄和闭塞的CVR异常的原因很可能是多样的，部分与血流动力学改变有关，部分则与实际的脑血流调节和（或）代谢障碍相关。

2.4 缺血性脑卒中SALINET等［21]利用TCD随访观察15例脑梗死患者在发病急性期（病程＜72 h）、2周、1个月和3个月的脑血流速度（cerebral blood flow velocity，CBFv）、CA和NVC，结果发现脑血流CBFv从梗死急性期到脑梗死慢性期呈现3个时相性改变，在急性期双侧均下降，1个月后健侧开始上升，脑梗死3个月时双侧均基本回复正常。CA虽然也有类似的动态改变，但在各时间点与正常人比较差异无显著统计学意义，这可能是由于脑梗死急性期患者多存在轻度过度呼吸，CA常难以准确测量的缘故［22]，因为如果换用dCA做为评价指标，则可观察到在脑梗死1周内，梗死同侧半球的dCA下降［23]。

由于CVR和NVC容易相互影响，GERANMAYEH等［24]在TCD测定的基础上，结合BOLD-fMRI及屏气试验进行分析，采用3种算法进行分析，同时分别在脑梗死亚急性期（5～28 d）和慢性期（84～200 d）比较梗死组织、梗死周围组织和同侧大脑半球健康组织上述两个指标的动态变化，以期更好区分急性脑梗死对NVC和CVR的影响。结果显示，虽然病灶侧的健康脑组织也可见BOLD-MRI信号改变，但该部位CVR和正常对照的CVR并无明显差异，提示该区域的CA异常源于神经元活动性改变引起的NVC异常，而非CVR异常。而在梗死灶周围，其CVR一直处于降低状态，并且在观察到梗死后4个月以后仍然如此，提示这一区域的BOLD信号异常可能是因为CVR和NVC均受损的缘故。

2.5 神经变性疾病神经变性疾病病因复杂，越来越多的研究证实血管病变的因素夹杂于其发病机制之中。HSIAO等［25]在观察亨廷顿病转基因小鼠脑血管密度、VEGF-A的表达和周细胞的覆盖情况以及其CVR时发现，亨廷顿病致病基因表达不仅造成神经元变性，同样还造成星形胶质细胞显著变性，并使后者表达VEGF-A异常造成炎症反应，导致血管周细胞数量降低，以至于虽然该小鼠的脑实质血管密度增加，但其CVR却降低。因此，神经变性疾病中变性常常不单纯累及神经元，在NVC过程中扮演重要作用的胶质细胞、血管周细胞也常受累，且可能更甚于或更早于神经元，使神经元在活动增加时不能得到充足的血供支持使变性加速，形成恶性循环。这种状况在阿尔茨海默病、帕金森病和多系统萎缩等神经变性疾病中均有报道［26]。

除上述因素之外，FROSCH等［27]采用ASL MRI技术对比一组肥胖/超重伴有或不伴胰岛素抵抗和参照人群的CVR，结果前者CO2吸入检测的CVR显著低于后者，并且合并胰岛素抵抗的患者，在矫正体质量指数等干扰因素后其CVR反应性与胰岛素的敏感性呈显著的正相关，提示单纯胰岛素抵抗即可损害CVR。而糖尿病对CA的损害更是在实验及临床研究层面均已得到证实［28-29]。此外，也有研究表明吸烟、睡眠呼吸暂停等均可损害脑的血流自动调节能力［30-31]。

可以说，凡是可以引起血管内皮功能损伤、影响脑血管重构和脑血管的自主神经调节的因素都可以影响脑血流的自动调节。

3 CA的检测

CA的检测主要通过人为制造血压、血管内血管活性物质水平和神经元活动的变化，并观察脑血流的相应改变。比如检测CA，可通过下肢袖带加压、持续压迫双侧CCA、行Valsava动作使回心血量下降、快速姿位改变（从坐到站或从卧位到站位，甚至间歇蹲立及被动直立倾斜）、等长收缩握拳动作和冷加压试验等［32]，让系统血压发生波动，然后利用脑血流随系统血压变化的情况来反映CA。dCA通过检测机体内在的血压波动伴随的脑血流变化来推定脑血流调节的情况，该方法不需要人为干预血压，但是需要较复杂的后处理计算，测试的时间也相应要长，常用的指标为增益（gain）、相位差（phase shift）和自动调节指数。CVR的检测常常需要通过吸入CO2、屏气或者注射乙酰唑胺来改变动脉血管内的CO2（PaCO2）水平，然后用处理前后脑血流的变化百分比来表示CVR。

3.1 TCDTCD是最早用于CA检查的工具。TCD主要检测血管流速的变化，如用TCD结合CO2吸入来检测CVR，则该CVR=△V/V×100%，其中△V是试验前后血流速度的变化值，V是实验前的基线血流速度值。如果采用屏气的方法，因屏气时间长短可影响CO2改变的程度，将屏气时间纳入对上述CVR进行校正，即屏气指数（breath-holding index，BHI）=［△V/V×100%] /屏气时间（s）。TCD的优势是有较高的时间分辨率、便携、相对价格低廉，并且易于与其他检测装置实现整合［33]。在检测CA时，TCD也可以很方便地将体位改变（倾斜试验）、下肢束带或加压等动作和药物干预等整合进来。TCD不足之处也较突出，包括：（1）不能进行直接的结构观察；（2）不能定量分析，因其测量只是相对测量值（通过半球间计较和最大-最小值间比较）而非绝对值测量，通常只能利用前后变化的CBFV差值进行比较，敏感性较低。近年来，利用传递函数分析（transfer function analysis）算法，TCD可以在增益、相位差等水平对dCA进行量化分析。（3）检测结果高度依赖操作者本人；（4）无颞窗者不能检测；（5）结果合并有颅内动脉狭窄或者贫血、心脏疾病也会影响结果。

3.2 MRIMRI由于具有极佳的空间分辨率、1 s左右的时间分辨率，技术更新迅速，使用静息态检测技术可以通过分析呼吸过程中CO2波动伴随的脑血管反应来定量检测CVR，目前在脑血流调节检测领域的运用正变得越来越广泛。

3.2.1 BOLD技术脑活动增加的一个直接效应是耗氧增加，组织中的脱氧血红蛋白（deoxyHb）的浓度升高。由于deoxyHb是顺磁性的，它的浓度升高可以改变血管内和血管周围的磁场均一性，这种在血流调节之前的氧合血红蛋白（HbO2）降低是神经元活动的最可靠反映。以T2*-weighted梯度回波序列为基础的BOLD技术即利用这一原理对CA进行检测，在吸入CO2时，高碳酸血症使血管扩张，CBF增加，脑组织中的耗氧代谢率升高而表现BOLD信号增强，为阳性BOLD-CVR反应。BOLD-MRI技术检测CVR，有其局限性：（1）容易受基线脑灌注的影响，在实际应用中需合用ASL或动态磁敏感增强（dynamic susceptive contrast，DSC）技术来测定基础灌注情况，以保证观察所见的BOLD信号改变是源于CVR而非由于基础脑灌注变动引起；（2）脑不同部位的CBF存在差异，在时间动态特性上并不均一；而在刺激试验中，血流改变需要经历短暂的血管舒张或收缩才能达到，但目前的技术还不能检测血管的这种快速变化。因此，CBF和引起BOLD信号变化的HbO2浓度之间的关系相当不直接，在合并血管狭窄等血管病变时更是如此［34]。而传统的CVR算法是基于血流变化和BOLD信号变化呈线性关系来计算的，其结果难免会出现偏差。

3.2.2 ASL技术ASL利用反转脉冲标记动脉血中的质子，将标记前后采集的图像进行减影，得到组织灌注的信息。就理论而言，ASL是检测CA的最佳的办法，因其可以量化CBF，同时也可以将CO2试验前后的信号变化转换为CBF的变化。并且，由于不需要注射造影剂，可进行动态和重复观察，对研究认知任务引起的灌注改变非常有利。但目前ASL的缺点也较突出：（1）ASL信号微弱，需要非常严格矫正T1的信号背景；（2）容易受标记动脉的血流通过时间影响，如存在血管狭窄/闭塞则ASL信号易出现扭曲［35]；（3）还不能支持动态ASL测定，需使用所谓假性连续标记（pseudo-continuous labeling）技术才可能实现对全脑动态灌注的观察［36]。由于以上不足，目前ASL技术多用于没有狭窄或闭塞性血管病的健康人、认知或神经变性性疾病的研究，在脑血流调节研究中使用远远少于BOLD-MRI技术。

3.2.3 DSC技术通过测定磁敏感造影剂的首过效应，DSC可以显示脑组织的灌注。WU等［37]在一组慢性前循环血管狭窄-闭塞疾病患者中，DSC灌注显像测定的白质体素及灰、白质标化CBF与采用乙酰唑胺激发试验和BOLD技术检测的CVR有良好的相关性，证明该技术也可用于CVR的检测。该技术的主要缺陷是必须在血管活性物质刺激前后注射2次造影剂，这就给动态测定造成困难。此外，在有血脑屏障损害的情况下，该技术不易准确定量测量。

3.3 NIRS技术大脑内载色体的氧化状态（HbO2和deoxyHb比例）可影响脑对近红外光的吸收率，NIRS据此可以用来检测神经元活动和血流变化的关系。相对于其他技术的一个最大优势是它对检查环境和体动的要求非常低，可用于婴幼儿和儿童等配合较差的人群，也可在被试活动甚至步行的时候进行检查。然而，ZIRAK等［34]在乙酰唑胺试验中通过NIRS检测脑微血管血流量变化来反映微血管CVR，通过TCD的CBFv变化来反映大血管的CVR，结果发现仅有大血管的CVR才与颈动脉狭窄存在显著相关，同时HbO2和微血管血流量与CBF流速也不相关，提示利用doxyHb检测CVR或NVC的精确性仍有待提高。

3.4 其他单光子断层扫描（SPECT）和正电子断层扫描（PET）能较准确地定量测量CBF，同时能够通过标记示踪剂评估脑的能量和氧代谢的情况，也可以用于脑血流调节的研究，但其可获得性较低，空间分辨率也存在不足［38]。灌注CT技术（perfusion CT，PCT）可测定团注的造影剂在脑组织中流入-流出也常用于脑灌注的评估，相比灌注MRI技术，其造影剂与脑血流之间的线性测量较容易实现。但PCT同样也需进行2次造影剂的团注和扫描，这不仅增加放射照射和造影剂的用量，前一次的团注残留在脑组织中的造影剂还容易影响第2次的结果。另外，大多数PCT扫描一次覆盖脑范围有限也是其固有缺陷之一。

4 展望

脑血流的稳定供应与否以及能否与神经元活动相协调关乎脑组织的健康，这一领域规律的揭示将会是脑血管病、中枢神经系统变性疾病研究的一个突破口。功能影像检测技术的快速进展为在体研究脑血流调节提供了可能，必将有力推动该类疾病发病机制的研究。