脑局部血流量与神经元活动耦合机制的研究进展

李俊宏(综述)，刘菊英(审校)

(湖北医药学院附属太和医院麻醉科，湖北 十堰 442000)

神经元对能量的需求很高，尤其是在被激活的时候需要大量能量供应，但是整个大脑的血液供应不能一直保持高水平，因此为了确保工作中的神经元能够获得充足的氧气和营养物质，及时区域性地增加被激活的大脑区域的血流量(cerebral blood flow,CBF)至关重要，这种紧密的调节机制则被定义为神经血管耦合(neurovascular coupling，NVC)。大脑正常功能的行使就取决于神经血管耦合,即神经活动迅速增加局部血流量以满足局部脑能量需求的瞬时变化[1]。神经血管单元是由神经元、星形胶质细胞和由周细胞、平滑肌细胞和内皮细胞组成的脑血管共同构成的一个动态的单元，其控制着神经递质、神经调节剂和血管活性介质的释放，由此形成了NVC机制。由于脑血管节段及其神经支配不同，NVC机制存在三种不同的通路：皮质内神经元-神经递质调控、皮质下核团-神经递质调控、外周交感/副交感神经节后神经元-血管活性物质调控。其中，神经血管耦合既能够既通过神经元与星形胶质细胞信号通路介导，也能够通过皮质下核团和外周神经节后神经元内分泌通路的调控，这些激活途径存在交替的级联。例如，皮质内神经元受皮质下核团调节通路的控制，皮质下核团产生并释放特异性神经调节剂，如乙酰胆碱(acetylcholine，ACh)，去甲肾上腺素(noradrenaline，NA)或血清素(serotonin，5-HT)，它们通过选择性受体作用于神经血管单元中的组分，从而驱动皮质脑血流的变化，这种变化与皮质活动在睡眠或清醒状态下发生的变化相对应[2]。NVC机制的研究不仅需要了解神经元活动和神经调节过程中的通路，也需要观测神经元活动和血流动力学信号在感觉刺激反应中的变化，通过测量特定神经元直接激活后的血流动力学信号，可以进一步了解神经血管单元中每个细胞成分的作用。例如目前已有研究指出，锥体细胞即为躯体感觉皮层NVC的“神经中枢”[3]；γ-氨基丁酸(γ-aminobu tyric acid,GABA)神经元在协调来自皮层下区域的神经调节信号、塑造皮层活动和随后的血流动力学反应方面的作用尤其突出[4]。在简要概述了NVC的构成及其一般机制之后，将阐述以下问题:①当释放不同神经递质的不同脑通路被激活时，神经元活动和血流动力学之间的紧密耦合会发生什么变化；②当大脑状态改变时，NVC会发生什么改变；③疾病状态对NVC的可靠性是否有改变。

1 NVC研究简史

大脑功能的维持和神经元的存活依赖于来自脑循环的恒定血液供应，并且大脑具有几种机制可以将脑血流量维持在整个生理状态的正常范围内。主要机制是脑自动调节，使脑血流量在平均动脉血压的变化中保持稳定[5]。此外，NVC指的是在活动引起的神经元活动增加的区域内，脑血流量快速和局部增加。近年来，NVC的潜在分子和细胞机制以及信号级联已经有了很大的发展，下面将介绍一些关键性工作。

1890年，Roy和Sherrington首次提出了感觉刺激与脑血流量变化存在紧密联系的内在大脑机制，从而提出了NVC的概念[6]。自19世纪末开创性的研究以来，神经血管单元解剖学和功能的知识增长以及实验技术的同步进步，人们对脑血流量和神经元活动之间关系的理解已经有了很大的发展。早期，通过使用可扩散示踪剂进行放射自显影，血流动力学信号可以在整个大脑中得到空间解析[7]。后来，激光多普勒血流测量法通过利用速度变化的高时间分辨率作为大脑血流的一项指标，集成在一个体积通常接近1 mm3的组织中[8]。近年来，基于含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量变化或其吸收光谱不同的原理，血氧水平依赖(blood-oxygen level dependent,BOLD)功能磁共振成像和双光子显微镜成像技术诞生，可以绘制出大脑表面含氧信号的图谱和显现大脑皮层各层微血管直径的变化[9]。

血流动力学信号的变化是神经血管单元各组分如神经元、星形胶质细胞、周细胞等在NVC中所发挥的相应功能的体现。有研究发现，对中间神经元的单细胞刺激能够转化为皮质微血管中的血管舒缩反应，并且通过药理学研究发现，对大脑微血管产生血管活性作用的相关化合物为GABA中间神经元共同表达的肽，如血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)、生长抑素(somatostatin，SOM)和神经肽Y(neuropeptide Y，NPY)，由此证实了GABA中间神经元是NVC的皮质中继，并且GABA中间神经元的特异性光遗传学靶向更加证实了其在皮质NVC中的作用[10]。此外，最近的研究中表明，星形胶质细胞是激活的神经元和血管之间通信的关键参与者。NVC中的星形胶质细胞的功能与其释放血管活性物质有关，如花生四烯酸衍生物环氧二十碳三烯酸(epoxyeicosatrienoic acids，EETs)和K+，其通过多种途径起作用，如大电导Ca2+激活的K+(large-conductance Ca2+-activated K+channels，BK)通道、微血管上的内向整流器K+(inward rectifier K+，Kir)和TRPV4通道[11]。还有研究指出，周细胞具有改变毛细血管直径的能力，因此也被认为是NVC的积极参与者。通过对血管树内的NVC动态信号的检测发现，在毛细血管水平上存在一个初始的由周细胞扩张引起的血流动力学反应，并向上传递到小动脉，除了实质小动脉的上游扩张之外，由胶质界膜水平的星形胶质细胞信号传导并通过内皮细胞传递也引起软膜小动脉扩张，两者均能够将足够的血液输送到扩张的下游血管[12]，由此可见，一个最佳的NVC反应需要在实质血管和软膜血管之间进行协调的响应。

通过结合电生理记录，能够发现诱发的血流动力学反应与生理条件下神经元活动的变化有关。诱发的血流动力学变化与局部场电位(local field potentials，LFPs)之间的相关性更强，这与神经元信息的局部处理相对应。此外，血流动力学信号的变化与神经活动的变化在LFP信号的高频率功率下相关性最好，即伽马带，它被描述为参与神经网络的一个特征[13]。总体而言，血流动力学反应与精确的神经元相关性的鉴定是复杂的，因为它不仅可以反映单个神经元事件，而且可以反映神经元活动的动态整合，其中LFP或多单元活动的α、β和γ范围内的振荡可以解释血液动力学反应的不同组成，例如信号的幅度或时间[14]。但是由于不同脑区产生的振荡是不同的，因此血流动力学信号可能至少是区域特异性的。

综上所述，因为血液流动的变化比神经元活动更容易体现，通过测量脑血流量的变化，以血流动力学为基础的神经元活动可以在整个大脑中被展现，而且是无创的、可重复的，这种紧密的关系形成了现代大脑功能成像技术的基础，，这些脑功能成像技术已经将神经科学领域推向了一个新的时代。

2 脑血流量和神经元活动之间的联系依赖于激活的大脑通路

皮质神经血管单元接收多种来源的信号输入，例如源自局部皮质区域和释放各种神经活性分子的皮质下核。皮质神经元可以对主要兴奋性神经递质-谷氨酸产生反应，也可以对乙酰胆碱、钠、5-HT或多巴胺等神经调节剂产生反应[15]。神经递质或神经调节剂的初始释放是否会改变皮质活动，从而导致不同的NVC机制，这是一个相对未知的问题。可以通过比较由皮质内谷氨酸能通路(感觉刺激)或神经调节通路(皮质下胆碱能或去甲肾上腺素能通路)的激活而诱导的NVC反应的细胞机制来解决这个问题。如下所述，募集神经元网络和激活这些通路后释放的血管活性介质都表明，NVC的机制略有不同，这取决于在激活的皮层区域释放的神经递质或神经介质的性质。

2.1脑血流反应与特定神经网络的激活有关 NVC通常是通过刺激感觉通路来研究的，在这个通路中，物理刺激被感觉受体接收，并通过脑干和丘脑的继电器传递到感觉皮层的相应区域，这一途径会在皮层中产生强烈地NVC反应。例如，刺激一根胡须就会在相应的桶状体感皮层中产生精确的局部血流动力学反应,这种反应是由谷氨酸的释放介导的，谷氨酸可局部激活锥体细胞和GABA中间神经元，GABA中间神经元含有共同定位于中间神经元的VIP和(或)乙酰胆碱转移酶(choline acetyltransferase，ChAT)，而SOM中间神经元在很大程度上是不会被激活的[16]。这个网络与光遗传学的研究结果相匹配，这些结果支持VIP中间神经元在选择性抑制SOM中间神经元活动中的关键作用。

与精确定位的谷氨酸介导的感觉反应相反，神经调节通路的刺激会导致广泛的皮层区域的血流增加,这适用于基底前脑胆碱能通路、中缝核5-羟色胺能通路、多巴胺能通路和蓝斑去甲肾上腺素能通路[17]。这些神经调节通路支配着神经血管单元的所有细胞，即锥体细胞、GABA中间神经元、血管平滑肌细胞和内皮细胞，以及血管周围星形胶质细胞。通过药物作用或电刺激基底前脑而释放于皮层的ACh募集了谷氨酸能锥体细胞和胆碱能GABA中间神经元，主要是那些含有SOM的中间神经元[18]。相比之下，蓝斑-去甲肾上腺素能通路的激活需要锥体细胞和广泛的皮质GABA中间神经元网络。不过目前为止，由其他已知可以引起脑血流量改变的神经调节通路(如5-羟色胺和多巴胺能通路)所募集的精确的神经网络和血管活性信号级联还尚不清楚。

2.2脑血流反应与特定的血管活性介质有关 除了释放血管活性介质(包括NO、K+和腺苷)之外，NVC对感觉刺激的反应需要在锥体细胞中通过环氧化酶2(cyclooxygenase-2,COX-2)合成和释放花生四烯酸代谢物前列腺素E2(prostaglandin,PGE2)，或在星形胶质细胞中合成和释放来自细胞色素CYP450环加氧酶的EETs，还需要激活谷氨酸和GABA-A受体[17]。类似地，对基底前脑和蓝斑刺激后诱发的ACh和NA的NVC反应，需要激活锥体细胞和GABA中间神经元，从而激活谷氨酸和GABA受体，以及EETs的释放[19]。因此，参与从不同神经元途径诱发的NVC反应的血管活性介质存在共性。

然而，NVC信号级联的差异也是显而易见的。例如，刺激基底前脑胆碱能通路或局部应用乙酰胆碱时的血流动力学反应不依赖于COX-2衍生的血管活性代谢产物。谷氨酸通过N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid,NMDA)受体激活COX-2，而ACh不激活COX-2，这提示PGE2并不介导ACh介导的血流动力学反应。COX-2代谢物在NVC对NA能通路激活的反应中也发挥了不同的作用，COX-2的抑制作用增强而不是减弱[5]。此外，星形胶质细胞中的信号级联反应在毛细血管和小动脉之间存在不同，这表明星形胶质细胞在血管树中的位置可能决定了其信号级联反应。

总之，这些研究表明皮质血流量的变化是由特定神经元网络的激活和信使的释放引起的，这取决于传入神经元释放的神经介质，且随后可能导致神经元的和星形胶质细胞释放不同的血管活性信使。该发现与NVC和BOLD-fMRI信号模型一致，表明存在着影响血流动力学反应的多个神经通路，这种血管活性途径的多样性可以反映大脑的高度专业化功能和针对特定途径失效的保护机制。

3 脑血流和神经元活动之间的联系取决于大脑状态

在感觉刺激时，皮质活动不仅受到来自环境的刺激的影响，而且还受到内部信号的影响，特别是对应于不同大脑状态的信号。由不同程度的觉醒、睡眠、兴奋或注意力改变引起的大脑状态变化是由神经调节通路驱动的，其中包括基底前脑胆碱能通路和蓝斑去甲肾上腺素能通路[20]。鉴于它们对皮质活动的强大影响以及它们与神经血管单元的所有细胞的密切联系，确定神经调节通路对感觉刺激时NVC反应的影响显得至关重要。

最近的研究表明，增强ACh的释放可以通过跨皮层的LFP的更高的功率增强感觉刺激诱发的血流动力学和神经元活动的变化[1]。这种增强的NVC反应是由于皮层神经元网络内的活动增加，包括含有COX-2的锥体细胞，以及共表达VIP和(或)ChAT的GABA中间神经元，但是没有或几乎没有胆碱感受性SOM中间神经元。相反，感觉刺激的同时，NA水平的急性升高将会降低皮层感觉诱发的血流动力学反应，这主要是通过减少反应的扩散来实现的。

通过对基底前脑神经元的急性药理学抑制或皮质的慢性胆碱能去神经支配而减少对皮质的胆碱能输入，会导致感觉刺激的血液动力学反应急剧下降(约40%)，因为慢性皮层胆碱能缺乏会导致桶状皮层的感觉映射范围变小，导致感觉诱发的神经元反应减弱[21]。值得注意的是，皮质胆碱能和NA能神经终末的丢失是阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)的早期特征，记忆和认知障碍相关的皮质胆碱能去神经支配可能和AD中早期大脑状态的改变相关，进一步的研究应探讨NA能调节丢失对AD所体现的NVC反应损害的确切影响。

总之，急性和慢性增强或损害大脑的注意力状态、觉醒状态，以及通过操纵胆碱能和NA能皮质下通路而模拟的睡眠/觉醒周期的改变，都能调节NVC对感觉刺激的反应。NVC对胆碱能去神经或NA调节刺激的反应减弱，进一步强调了胆碱能和NA能调节是神经元活动和血流动力学反应充分耦合所必需的。这些结果表明，感觉诱发的NVC反应受损可能反映了感觉通路的中断，或神经调节输入受损，或两者兼而有之，这个结果对进一步研究基础机制以解释不同大脑状态下基于血流动力学反应的成像数据提供新的思路。

4 在脑血管病变情况下脑血流与神经元活动有关

依赖于血流动力学信号和NVC反应的诸如BOLD-fMRI的技术越来越多地用作各种脑疾病的诊断工具，并在AD、血管性认知障碍和痴呆(vascular cognitive impairment and dementia,VCID)以及中风中显示出相关变化。尽管这些脑血管疾病中出现的神经功能障碍可能导致NVC受损，但伴随的脑实质内血管结构的改变如何影响作为神经元活动变化标志的血流动力学信号机制目前尚不清楚，软脑膜微动脉功能的改变可能对其有影响。

4.1AD中的神经血管耦合改变 AD是一种神经退行性疾病，其特点是神经元和突触的改变、过度磷酸化的tau蛋白的神经原纤维缠结和脑实质内的淀粉样蛋白(Aβ)沉积，此外，AD也影响神经血管单元的每个组分。研究证实了早期AD中大脑激活和NVC的改变，以及具有AD遗传风险因素的认知的改变[22]。fMRI信号的变化也可见于静息状态(测量大脑的“功能连接性”，没有任何刺激或任务)，特别是在AD患者的“默认模式网络”中。AD的血管结构改变是多方面的，包括毛细血管扭曲、毛细血管稀薄、基底膜增厚和毛细血管退化(弦状血管)。其他改变包括由Aβ引起的血管氧化应激和血管周围Aβ沉积，促进大脑血管的收缩性张力，从而降低了对NVC反应至关重要的血管扩张能力[23]。总之，这些改变共同导致了在疾病早期可观察到的慢性脑灌注不足。此外，周细胞在AD中也受到影响，这可能与CBF减少、神经血管解偶联和大脑供氧受限有关。

因此，神经血管单元的改变似乎导致了NVC缺陷，与神经元功能的改变无关。这对从血流动力学信号解释临床影像学数据以直接推断脑血管病患者神经活动改变提出了警告。事实上，功能磁共振成像在AD早期检测到的灌注信号减少可能反映了血管功能障碍，而不是神经活动的改变。

4.2VCID中的神经血管耦合改变 VCID包括因不同来源的与年龄有关的脑血管疾病导致的认知功能减退，这些脑血管疾病会损害CBF。即使CBF的轻微降低也会对大脑功能产生重大影响，包括老年人的认知能力，这也可以在衰老的动物模型中看到[24]。VCID脑血管系统的改变包括动脉粥样硬化和血管壁完整性的丧失，动脉基底膜增厚，曲度增加，毛细血管数量减少等。VCID最常见的形式与影响白质的小血管疾病(small vessel disease,SVD)引起的血管损伤有关，这种改变将体现为功能缺陷[25]。在VCID中，实验研究发现NVC缺陷与氧化应激增加有关，氧化应激可能通过引起血管结构的氧化损伤而导致疾病的发生。在一种没有神经元或认知功能缺陷、过度表达细胞因子转化生长因子β1的转基因脑血管病小鼠模型中，FDGmicroPET发现了胡须诱发的NVC反应，表明NVC反应的减弱是由于脑血管功能障碍所致[26]。这些临床和临床前的研究结果表明受损的脑血管将影响NVC反应，在根据患者的血流动力学反应和神经元活动进行相关性分析时，应该考虑到这种变化。

4.3中风的神经血管耦合改变 脑缺血后，血液供应的急剧减少会导致缺血核心的神经元死亡，而周围的半暗区是一个可能被挽救的区域，基于NVC的脑成像技术(例如fMRI-BOLD信号)有助于评估中风后的脑恢复情况。卒中的有害级联与NVC信号通路有共同之处，例如前列腺素、NO、钙和K+通路的改变。因此，在脑缺血后，多项研究报告了NVC对感觉刺激的反应或对高碳酸血症受损的脑血管反应的改变，这种反应包括重叠的信号级联，如NO或ATP的释放[27]。目前，结合电生理和血流动力学的研究主要集中在确定脑缺血后NVC信号受损的时间、范围和性质，以及研究NVC在恢复期的长期机制。在脑组织微梗死后数周，病灶周围组织表现出受损的血流动力学反应，但用c-fos免疫组织化学方法检测到神经元活动的恢复，显示了神经血管的解耦性，表明其血流与潜在的神经元活动并不完全匹配[28]。

脑功能成像技术，无论是PET还是fMRI，都显示了中风后急性到慢性阶段皮质激活模式的改变，这样的改变可能转化为血流动力学信号下的神经元相关性改变，这将对基于NVC的神经成像数据的解释产生很大的影响。目前已有研究证实，对运动皮质或丘脑V层神经元进行光遗传刺激能够促进卒中后神经元回路的重新布线，并改善卒中的结局，类似地，针对NVC所涉及的特定神经元网络和皮质下输入进行研究或许可以为促进卒中后恢复提供新的治疗手段。基于目前对中风NVC和潜在的代偿机制仍然知之甚少，深入地理解与探究中风急性期与恢复期后NVC信号改变的潜在机制至关重要。

5 结 论

NVC是一个动态的过程，在这个过程中，神经网络和血管活性介质的信号级联可以对各类刺激(如视觉、听觉、嗅觉或体感刺激)产生相应的血流动力学反应，大脑因此能够对不同类型的刺激做出特定反应。但是由于脑血管的病理改变能够显著影响血流动力学信号作为神经元活动反应的有效性，因此在评估血管变化背后的神经网络的完整性和破译特定血流动力学信号中相应的兴奋性和抑制性神经元的改变之前，还需对脑血管生理和病理机制进行更加深入的研究，这仍然是一个漫长的探索过程。

脑功能成像技术基于血流动力学信号变化来映射大脑神经元活动变化，尽管任务脑功能成像技术具有一定的缺陷，例如大脑激活区域有限、患者执行任务困难等，但是神经元活动增强与血流动力学信号改变是一个动态过程，任务脑功能成像技术能够从整体和动态的角度考察参与任务过程中的脑区及它们的时空关系和反应模式，并能够建立脑内与信息加工相关的网络模型，所以相比于静息态脑成像技术的未知可靠性，探索一种更完善的任务脑功能成像技术更具有研究意义。因此，对NVC机制的深入研究不仅为探索神经系统生理病理学机制提供了窗口，也为中枢神经系统疾病探索更精准的诊疗手段提供了更广阔的思路。