脑内神经血管耦合功能调控机制的研究进展

马思明 汪露 杨静雯 曹燕 苏鑫童 刘存志

人脑作为中枢神经系统的核心器官，能够维持呼吸、血压、内分泌等基本生理活动，更承载记忆、学习、决策、情感等一系列高级认知功能，如此大量且重要的功能调节需要与之匹配的脑血流增加以供应足够的氧和葡萄糖[1]。既往研究表明，神经源性调控因素如脑内神经元兴奋性增加，可直接或间接引起脑血流动力学改变，表现为多通路、响应迅速的特点[2]。首先，皮质神经元兴奋直接引起小动脉和毛细血管扩张，这种自发性功能性充血的功能称为神经血管耦合(neurovascular coupling，NVC)[3]。其次，脑内神经核团或外周神经节内神经元兴奋也能够通过神经内分泌相关通路间接介导NVC的血管舒缩功能[4]。在神经影像学领域，NVC是功能磁共振成像方法建立的生理学基础[5]；在病理生理学领域， 其功能的破坏是缺血性卒中等多种中枢神经系统疾病的重要发病机制之一[6]。探索NVC功能及相关信号通路机制成为理解健康及疾病状态下脑血流改变的重要一环。因此，笔者将着重对脑内脑血流神经源性调控机制即NVC的调控机制，及其对未来研究的启示展开总结和论述。

1 NVC功能实现的基本结构

在脑内，神经血管单元由血管平滑肌细胞/周细胞、Virchow-Robin间隙、神经元、星形胶质细胞等构成，承载着NVC的调节功能[7]。大脑Willis环发出丰富的脑动脉分支绕行于软脑膜表面构成脑膜动脉。在深入脑实质的过程中，脑膜动脉移行成为深穿小动脉并在穿入皮质的起始节段与软脑膜形成Virchow-Robin间隙。一旦完全进入脑实质，小动脉管壁与软脑膜逐渐融合，Virchow-Robin间隙形成盲端，小动脉进一步分支成为终末毛细血管。脑实质小动脉主要通过平滑肌细胞实现血管的舒缩功能，而毛细血管的舒缩功能更多依赖于周细胞。二者被星形胶质细胞终足包裹，且周围存在丰富的神经元突触，这一系列复杂结构通过协同或拮抗作用参与基本NVC功能的维持与调节[8]。

2 NVC的基本生理机制

依据不同的血管分支节段及其神经支配来源，脑内存在三种脑血流的神经血管调控机制：(1)皮质内神经元—神经递质调控机制(即：经典的NVC通路)；(2)皮质下核团—神经递质调控机制；(3)外周交感/副交感神经节后神经元—血管活性物质调控机制(表1)。其中，基本的NVC通路既能够由神经元与星形胶质细胞共同信号通路介导[9]，也可受皮质下核团和外周神经节后神经元内分泌的调控。此外，不同的血管分支节段存在差异性的脑血流调节机制。机制1、2主要存在于脑实质内小动脉及毛细血管节段，受脑实质内神经元、神经投射纤维及星形胶质细胞的支配；而机制3存在于颅内大动脉及脑膜动脉，受外周交感/副交感神经节神经元的支配。

2.1 皮质内调控通路

首先，皮质内神经元所介导的NVC通路具有“快速响应”的特点[10]，这一特点可能为皮质实现感觉、运动、思维等重要功能提供支持。皮质内谷氨酸能神经元的兴奋性增加能够直接调控小血管的扩张与收缩[11]，即：突触前兴奋性神经递质谷氨酸的释放激活突触后N-甲基-D-天冬氨酸受体[12]，引起钙离子内流和神经型一氧化氮合酶的活性增加，最终合成一氧化氮引起小血管平滑肌细胞舒张。这种小动脉平滑肌的舒缩功能，在区域性脑血流的调节过程中发挥主要作用[13]。

其次，神经元能够通过星形胶质细胞间接介导脑血管的舒缩作用[10]。但由于小动脉与毛细血管具有不同的解剖结构，二者的调节机制亦不同。在小动脉维度，神经元激活星形胶质细胞表面的代谢型谷氨酸受体[14]或离子型三磷酸腺苷受体P2X1，并引起细胞内钙离子浓度升高[15]，继而激活磷脂酶A2生成花生四烯酸。花生四烯酸经催化产生的环氧二十碳三烯酸和前列腺素E2可引起小动脉扩张，而花生四烯酸的代谢产物20-羟基二十碳四烯酸可直接作用于平滑肌细胞引起小动脉收缩[16]。在无平滑肌细胞覆盖的毛细血管区，星形胶质细胞可通过P2X1-磷脂酶D2通路作用于周细胞表面的前列腺素EP4受体舒张和收缩毛细血管[17]。

2.2 皮质下核团—神经递质调控通路

存在于皮质下的诸多神经核团如蓝斑、基底核、中缝核等向皮质区发出广泛的纤维投射，通过释放去甲肾上腺素、乙酰胆碱、γ-氨基丁酸、5-羟色胺等神经递质，参与维持实质内血管基础舒缩张力，更作为介导NVC效应的条件，调控脑实质内的血流[18]。对蓝斑-去甲肾上腺素网络系统的研究表明，去甲肾上腺素的释放并非介导广泛的皮质缩血管功能，而是收缩氧需求相对较小脑区的血管，优先满足高耗氧脑区的血流，以优化小鼠脑内脑血流供应的机制[19]；而选择性地阻断肾上腺素能α1受体则可以干扰脑区域性血流的优先供应机制[20]。针对乙酰胆碱的研究发现，皮质内血管存在胆碱能的毒蕈碱受体M5，基因敲除小鼠脑内M5，乙酰胆碱扩张血管的作用也随之消失[21]；而兴奋皮质下的基底节区胆碱能神经纤维，能够激活皮质内血管毒蕈碱M受体及尼古丁N受体，扩张皮质血管并增加脑血流[22]。关于5-羟色胺的研究结果表明，利用5，7-二羟色胺损毁中缝核的5-羟色胺能神经元能够增加皮质脑血流[23]。

表1 脑血流神经源性调控相关通路特征

同样，星形胶质细胞表面亦表达大量的神经递质受体。不同核团发出的神经纤维投射能够与相应受体结合，通过NVC间接介导血管的舒缩功能[2]。在刺激清醒小鼠蓝斑后，去甲肾上腺素的增加首先作用于皮质内星形胶质细胞的α1受体，通过介导细胞内Ca2+信号通路协调神经元活性，神经元活性的变化可能进一步介导NVC的功能[24]；在多巴胺能神经环路中，基底节区的兴奋对皮质内脑血流的影响不仅要求皮质γ-氨基丁酸中间神经元的参与，同时也依赖星形胶质细胞表面γ-氨基丁酸-A受体的激活[25]。总之，皮质下核团介导的脑血流动力学改变需要核团内神经元、皮质内神经元和星形胶质细胞发挥协同作用。

2.3 交感/副交感神经节后神经元调控通路

与脑实质内的血管不同，脑内大动脉和脑膜动脉主要接受交感/副交感神经支配，对脑内血压的调节和血流稳定性的维持具有重要意义[26]。既往研究结果证实，交感神经支配的颈上神经节可通过释放去甲肾上腺素和神经肽Y收缩脑内主要大动脉，而副交感神经支配的蝶腭神经节可释放血管活性肠肽、一氧化氮合酶等物质，发挥扩张血管的作用[27]。如在Moyamoya病患者中，切除其颈上神经节后，脑皮质血流量较切除前增加118.8%，交感神经对血管的收缩效应显著下降[28]；而在大鼠大脑中动脉结扎的脑缺血模型中，双侧切除大鼠蝶腭神经节后，副交感神经扩血管的支配作用降低，患侧梗死区面积显著增加，并伴随一氧化氮合酶降低和神经元凋亡[29]。可见，交感与副交感神经相互拮抗，共同调节脑血流。

3 NVC功能障碍的病理机制

3.1 NVC与衰老、缺血

NVC的功能下降与衰老、缺血密切相关。在衰老过程中，周细胞和毛细血管间的有效连接随衰老而减少[30]；有关周细胞缺陷小鼠的研究证明，神经兴奋引起的毛细血管脑血流改变由于周细胞的退行性变而消失[31]，这就意味着周细胞对脑实质内微循环的调控能力随衰老而降低。在脑缺血过程中，缺血早期即可出现小动脉平滑肌收缩和脑血流显著下降[32]，持续的收缩将进一步导致微血栓形成和微循环障碍[13]。而缺血导致的氧和氮自由基增加，能够使毛细血管周细胞产生持续的收缩作用，加重局部脑区缺血[33]。一系列研究结果提示，NVC功能的降低将显著影响脑血流的供应，并在衰老和缺血的发生、发展中扮演重要角色[13，30-33]。

3.2 NVC与内稳态紊乱

3.2.1管周间隙与内稳态：近年来，管周间隙概念的提出及其功能的研究拓宽了对NVC的认知。有研究提出，在脑实质血管周围存在着血管旁通路，脑脊液能够通过星形胶质细胞终足进入这一通路中并与组织液进行交换，将组织代谢产物输送至外周[34]。在衰老、认知下降等病理状态下，管周间隙对代谢产物清除率的下降可能是NVC功能障碍的重要病理机制之一[35]。此外，管周间隙内存在着管周巨噬细胞这一先天免疫细胞，管周巨噬细胞在脑内可能发挥着正反两方面作用：一方面，管周巨噬细胞本身具有吞噬功能，可预防淀粉沉积[36]，但在氧化应激和炎性反应过程中，管周巨噬细胞能够在血管壁附近产生大量的氧自由基，是血管氧化应激的主要来源和NVC功能障碍的病理因素之一[37]。由此可推测，管周巨噬细胞自身数量或性质上的稳定可能对维持大脑内稳态具有一定生物学意义。

3.2.2血管紧张素(angiotensin，Ang)与内稳态：Ang是高血压发生和发展的关键性因子。研究发现，Ang不仅形成和作用于体循环，也可在脑内合成和参与调控脑血流[38]。值得注意的是，Ang对NVC功能的破坏与血压的升高并无显著相关性[39]，表明Ang的增加可能作为一种独立的病理机制影响脑血流循环。脑内Ang主要由星形胶质细胞和皮质神经元产生[40-41]，其对脑血流的调控具有直接和间接两种效应。首先，Ang作为潜在的缩血管物质可以直接作用于血管内皮细胞，收缩实质小动脉[42]；其次，Ang的增加及其与受体血管紧张素Ⅱ受体1的结合，可诱导脑内还原型辅酶Ⅱ的升高和氧化应激反应的增强，间接损伤NVC并最终导致内稳态紊乱[43-44]。

3.2.3血-脑屏障与内稳态:在毛细血管节段，由血管内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞构成的血-脑屏障承担了脑组织与血液之间的物质交换功能[45]。脑血管内皮细胞之间广泛存在着紧密连接，这一致密结构能够表达特定的分子转运蛋白，构成细胞内吞系统以实现分子的囊泡转运[46]。内吞系统紊乱导致的血-脑屏障通透性改变将限制葡萄糖等营养物质的输送及增加代谢产物的堆积。如在缺血性卒中中，血-脑屏障在疾病早期的开放便由胞吞作用介导，并在脑组织损伤后几天内造成紧密连接的中断[47]。周细胞缺失将通过促进内皮细胞的外吞作用增加血-脑屏障的通透性，导致神经血管单元结构破坏和NVC功能障碍[48]，打乱大脑内稳态。

4 启发与展望

虽然在中枢神经系统疾病中导致NVC功能障碍的病理和分子生物学机制有待进一步探索，但现有对病理因素的认识可能为临床疾病诊断和预后提供筛选生物标志物的可能性，而相关信号通路的发现无疑为未来认识疾病的本质提供了大量证据，为相关疾病的治疗提供了切入点。针对NVC功能恢复的研究发现，电或化学刺激特定体表部位或脑干核团可通过增加或降低递质释放对皮质脑血流进行调节[49]。在缺血性卒中的大鼠模型中，前后爪刺激介导的动脉吻合支血流增加可恢复皮质脑血流，提高了神经元活性[50]。刺激蓝斑的去甲肾上腺素能神经元释放的去甲肾上腺素可作用于皮质星形胶质细胞表面的去甲肾上腺素能受体，升高细胞内钙离子浓度并介导小动脉和毛细血管的舒缩作用[51]。在偏头痛患者中，机械性刺激三叉神经眼支的疗法可激活中缝核核团，这种治疗作用在耳迷走神经电刺激后得到增强，可能与中缝核对皮质血流及神经元功能的调节有关[52]。可见，外源性神经刺激可能成为恢复NVC功能的潜在干预途径。

总之，神经元、血管平滑肌细胞/周细胞、星形胶质细胞共同参与NVC功能的发挥，而管周间隙、血-脑屏障等生理结构的破坏以及Ang等体液因素均可造成NVC功能障碍。现有研究分别阐释了相关通路中的不同类型神经元、关键神经递质、受体和离子的部分作用机制，由于NVC机制在脑内广泛存在，且呈现多结构参与、多通路调控的特征，与大脑内稳态的维持密切相关，因此NVC机制的明确不仅为探索神经系统生理功能提供了窗口，也为病理状态下脑血流的恢复提供更多可能干预的靶点，为治疗中枢神经系统相关疾病提供了更广阔的思路。