Кіріспе

Гемодинамикада дене физикалық белсенділіктерге, сыртқы температураға және басқа да факторларға гомеостаздық түрде қан ағынын реттеу арқылы жауап беруі керек, бұл қан ағыны оттегі және глюкоза сияқты қоректік заттарды стресстелген тіндерге жеткізіп, олардың жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Гемодинамикалық жауап (ГД) белсенді нейрондық тіндерге қанды жылдам жеткізуге мүмкіндік береді. Ми көп мөлшерде энергия тұтынады, бірақ сақталған энергия субстраттарының қоры жоқ. Мидағы жоғары деңгейдегі процестер дерлік үнемі жүріп жатқандықтан, мидағы қан ағыны нейрондардың, астроциттердің және мидың басқа да жасушаларының күшін сақтау үшін маңызды. Нейрондық белсенділік пен қан ағыны арасындағы осы байланыс нейроваскулярлық байланыс деп те аталады.

Қан тамырларының анатомиясы туралы жалпы түсінік

Қанның бас сүйек тіндеріне қалай жеткізілетінін түсіну үшін, осы кеңістіктің қан тамырлары анатомиясын түсіну маңызды. Мидағы ірі ми артериялары кішкентай артериолаларға бөлінеді, олар гиапаль артериялары деп те аталады. Бұл артериолалар эндотелий жасушалары мен тегіс бұлшық еттерден тұрады, және осы гиапаль артериялары тармақталып, миға тереңдей түскенде, глиальды жасушалармен, атап айтқанда астроциттермен байланысады. Ми ішіндегі артериолалар мен капиллярлар жүйелік артериолалар мен капиллярлардан өзгеше, олар заттардың олар арқылы оңай диффузиялануына жол бермейді; олар қан-ми кедергісін (ҚМК) құру үшін тығыз байланыстармен біріктірілген. Эндотелий жасушалары, тегіс бұлшық еттер, нейрондар, астроциттер және перициттер мида бірлесіп жұмыс істейді, ҚМК-ні сақтау үшін, сонымен бірге тіндерге қоректік заттар жеткізіп және бас сүйек ішіндегі қан ағынын реттеу арқылы гомеостазды сақтауға көмектеседі. Олар функционалдық нейроваскулярлық бірлік ретінде жұмыс істейтіндіктен, жасушалық деңгейдегі өзара әрекеттесулерінің өзгеруі мидағы қан ағысын (HR) бұзуы мүмкін және қалыпты жүйке функциясының бұзылуына әкелуі мүмкін.

Механизмдер

Әртүрлі жасуша түрлері ГЖ-да қатысады, оның ішінде астроциттер, тегіс бұлшық жасушалары, қан тамырларының эндотелий жасушалары және перициттер. Бұл жасушалар тамырлардың тарылуын немесе кеңеюін реттейді, ол нейрондық тіндерге жеткізілетін оттегі мен глюкоза мөлшерін анықтайды.

Астроциттер

Астроциттер қан тамырлары мен нейрондар арасындағы делдалдық қызмет атқаратын бірегей жасушалар. Олар басқа астроциттермен аралық байланыс арқылы қарым-қатынас жасай алады және нейрондық синапстармен өзара әрекеттесетін аяқ процестеріне ие. Бұл процестер норэпинефрин (НЭ) және глутамат сияқты әртүрлі нейротрансмиттерлерді сіңіре алады және нейрондық ортада химиялық және электрлік гомеостазды сақтау үшін түрлі функцияларды атқарады. In vitro жағдайында, НЭ синапсқа орналасып, астроциттердің рецепторларына сіңген кезде тамырлардың тартылуы байқалады. НЭ сіңіруі астроциттердегі жасуша ішкі Ca деңгейінің артуына алып келеді. Бұл кальций иондары толқындары астроцит бойымен тарағанда, фосфолипаза А (PLA) белсендіріледі, ол арахидон қышқылын босатады. Бұл екі зат тегіс бұлшық еттерге тасымалданып, цитохром P450-мен реакцияға түсіп, 20-гидроксиэйкозатетраено қышқылы (20 HETE) түзеді, ол әлі анықталмаған механизмдер арқылы қан тамырларының тартылуын тудырады. Сонымен қатар, метаботроптық глутамат рецепторларының (mGluR) агонисттері де жасуша ішкі Ca деңгейін көтеріп, тамырлардың тартылуына себеп болатыны дәлелденді.

Сәл бұлшық еттер

Дилатация эндотелийлік жасушалардан азот оксидінің (NO) босатылуы және жақын орналасқан тамырлы тегіс бұлшық еттерге таралуы нәтижесінде пайда болады. Гемодинамикалық зерттеулер NO-мен шақырылған тамыр кеңеюінің бірнеше механизмін ұсынды. NO 20 HETE синтезін тежейтіні көрсетілді, бұл астроциттердің тарылу жолдарына бөгет қойып, тамыр кеңеюіне алып келуі мүмкін. Сондай-ақ, NO астроциттерге Ca ағынын күшейтуге және Ca-ға тәуелді калий каналдарын белсендіруге қабілетті, соның салдарынан K интерстициалдық кеңістікке шығарылып, тегіс бұлшық ет жасушаларының гиперполяризациясын тудырады деп ұсынылған. Бұл бұлшық ет жирылуының азаюына және одан кейін қан тамырларының кеңеюіне әкеледі. Тамырлардың тарылуы немесе кеңеюі нейрондық тіндерге жеткізілетін оттегі мен глюкоза мөлшерін анықтайды.

Қаңқалар

Перициттердің басты қызметтерінің бірі – астроциттермен, тегіс бұлшық жасушаларымен және бас сүйегінің ішіндегі басқа жасушалармен өзара әрекеттесу арқылы қан-ми кедергісін құру және қан тамырларының мөлшерін реттеу болып табылады, бұл нейрон тіндеріне оттегі мен қоректік заттардың дұрыс жеткізілуін және таралуын қамтамасыз етеді. Перициттерде холинергиялық (α2) және адренергиялық (β2) рецепторлары бар. Соңғыларының стимуляциясы қан тамырларының кеңеюіне, ал холинергиялық рецепторларды стимуляциялау жиырылуға алып келеді. Паракриндық белсенділік және оттегінің болуы перициттердің қызметін де реттейді. Ангиотензин II және эндотелин 1 (ET 1) пептидтері перициттерге байланысады және вазоактивті болып табылады. Эндотелий жасушалары эндотелин 1-дің өршуін шақырады, бұл NO өндірісіне және қан тамырларының кеңеюіне әкеледі. Тәжірибелер оттегі деңгейінің перициттердің жиырылуын және одан кейін қан тамырларының жиырылуын да өзгертетінін көрсетті. In vitro жағдайында жоғары оттегі концентрациясы перициттердің тартылуына, ал жоғары CO концентрациясы босаңсуға алып келеді. Бұл перициттердің оттегіге қажеттілік болғанда қан тамырларын кеңейтуге, ал артық болғанда қысқартуға қабілетті екенін көрсетеді, осылайша тіндерге қан ағынының жылдамдығын олардың метаболизміне байланысты өзгертеді.

Асқынулар

Гемодинамикалық жауап – белсенді нейрондық тіндерге қанның жылдам жеткізілуі. Бұл жауаптағы асқынулар жедел коронарлық синдромдар мен өкпе артериялық гипертензияда туындайды. Бұл асқынулар миға қан ағынының реттелуін өзгертеді, нәтижесінде нейрондарға жеткізілетін глюкоза мен оттегі мөлшері өзгереді, бұл жүйке жүйесі ғана емес, барлық дене жүйелерінің жұмысына да елеулі әсер ете алады.

Жіті коронарлық синдром

Жүрек қабығының қабынуы (ЖҚҚ) сияқты жіті инфекциялар жіті коронарлық синдромдардың (ЖКС) тудырушы факторы болып табылады. ЖКС – коронарлық артериялардың бітелуінен туындайтын белгілермен айналысады. Осы бітелудің салдарынан атеросклеротикалық тақталар орналасқан жерлерде тромбоздық асқынулар пайда болады. Диагноз қоюға көмектесетін ең көп кездесетін белгі – жүрек ауыруы, құсық пен тершеңдікпен қатар жүреді. Емдеуге әдетте аспирин, клопидогрел, нитроглицерин және кеудедегі ауыру сақталса, морфин кіреді. Жақында жасалған зерттеулер тыныс жолдарының жіті инфекциясы ЖКС-тің тудырушы факторы болуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл өз кезегінде маңызды протромботикалық және гемодинамикалық әсерлерге ие. Жалпы алғанда, өкпе артериясының қысымы мен ЖКС – нейрондық тіндердің гипоксиясына алып келетін көптеген аурулардың бір бөлігі ғана, бұл гемодинамикалық жауапты нашарлатады және нейрондық өлімге әкеледі. Ұзаққа созылған гипоксия апоптоз арқылы нейрондық өлімді тудырады. Бұзылған гемодинамикалық жауаппен, мембраналық деполяризация нәтижесінде белсенді нейрондық тіндер қан ағынының бұзылуынан сигналдарды таратуға қажетті энергиядан айырылады. Бұл организмнің көптеген функцияларына әсер етеді және ауыр симптомдарға алып келуі мүмкін.

Альцгеймер ауруы

Осы ауруда мида бета-амилоидты ақуыз жинақталады. Бұл, ақырында, гемодинамикалық жауаптың төмендеуіне және мидағы қан ағынының азаюына әкеледі. Бұл қан ағынының төмендеуі оттегі мен глюкоза жетіспеушілігінен нейрондық жасушаларды ғана емес, сонымен қатар мидың бета-амилоидты жою қабілетін де төмендетеді. Денсаулы мида осы ақуыз фрагменттері ыдырап, жойылады. Альцгеймер ауруында фрагменттер жинақталып, қан ағынын азайтатын қатал, ерімейтін плакалар құрайды. Бета-амилоидтың жинақталуына екі ақуыз қатысады: сарысу жауап факторы немесе SRF және миокардин. Осы екі ақуыз бірлесіп, қан тамырларының тегіс бұлшық еттерінің жиырылуын анықтайды. SRF және миокардин Альцгеймер ауруы бар адамдардың миында белсендірек болады. Бұл ақуыздар белсенді болғанда, SREBP2-ні қосады, ол LRP 1-ді тежейді. LRP 1 миға бета-амилоидты жоюға көмектеседі. Сондықтан SRF және миокардин белсенді болғанда, бета-амилоидты ақуыз жинақталады, бұл қан тамырларының жиырылуынан миға қан ағынының азаюына соқтырады.

Ишемия

Инсульт немесе жарақаттан кейін ми тамырларындағы қан айналымының төмендеуі ишемия деп аталатын жағдайға алып келуі мүмкін. Жалпы алғанда, миға қан ағынының төмендеуі қан тамырларының ішінара немесе толық түрде бітелуіне, жүйелік қан айналымының (соның салдарынан мидың) гипотензиясына немесе жүрек тоқтауына себеп болатын тромбоздың нәтижесі болуы мүмкін. Ми тамырлары жүйесіндегі қан ағынының төмендеуі нейрондар мен глиальды жасушалардың тудыратын метаболикалық қалдықтардың жиналуына және оларға оттегі мен глюкоза жеткізілімінің азаюына әкелуі мүмкін. Соның салдарынан жасушалық энергия тапшылығы, нейрондық және глиальды мембраналардың деполяризациясы, ісіну және артық нейротрансмиттерлер мен кальций иондарының бөлінуі мүмкін. Бұл, тікелей жасушалардың өліміне ұласады, себебі жасушалар метаболизмдерін қуаттандыруға қажетті қоректік заттардың жетіспеушілігіне және бос радикалдар мен артық иондарға толы, уытты ми ортасына тап болады, бұл жасушалардың қалыпты органеллаларының жұмысын бұзады.

Клиникалық қолдану

Мидың белсенділігіндегі өзгерістер сол аймақтардағы қан ағынының өзгеруімен тығыз байланысты, және бұл факт адам миының функцияларын картаға түсіруде өте пайдалы болды. Клиникалық жағдайда гемодинамикалық жауапты өлшеу арқылы мидың аса белсенді және белсенді емес аймақтарын ажырататын бейнелер жасауға болады. Бұл нейрондық ауруларды диагностикалауда немесе хирургиялық операцияға дайындық кезеңінде жоспарлауда қолданылуы мүмкін. Функционалдық МРТ және ПЭТ сканилеуі – ми функцияларын картаға түсіру үшін гемодинамикалық жауапты пайдаланатын ең көп таралған техникалар. Дәрігерлер осы бейнелеу әдістерін мидың анатомиясын зерттеу, мидың нақты бөліктерінің қандай жоғары деңгейдегі функцияларды атқаратынын анықтау, дегенеративтік аурулардың әсерін бағалау және тіпті миға хирургиялық емдеуді жоспарлау үшін пайдаланады.

Функционалдық магниттік резонанс бейнелеу

Функционалдық магниттік-резонанстық томография (фМРТ) – мидың нейрондық белсенділікке байланысты гемодинамикалық жауабын өлшеуге арналған медициналық бейнелеу әдісі. Бұл ми функцияларын өлшеуге қолданылатын ең көп таралған құралдардың бірі және клиникалық жағдайда орындау үшін салыстырмалы түрде қолжетімді. Нейрондық белсенділіктің басталуы қан тамырларының жергілікті желісінде жүйелі физиологиялық өзгерістерге алып келеді, оларға ми тінінің бірлігіне шаққандағы ми қан көлемінің (МҚК) өзгеруі, ми қан ағынының жылдамдығының өзгеруі және оксигемоглобин мен дезоксигемоглобин концентрациясының өзгеруі кіреді. Әртүрлі фМРТ техникалары гемодинамикалық жауаптың жоғарыда аталған компоненттерінің әрқайсысының өзгеруіне сәйкес функционалдық сигналды анықтай алады. Функционалдық бейнелеудің ең көп қолданылатын сигналы – қандағы оттегі деңгейіне тәуелді сигнал (BOLD), ол негізінен дезоксигемоглобин концентрациясына сәйкес келеді. BOLD эффектісі мидың бір бөлігінде нейрондық белсенділік күшіндегенде, сол аймаққа қан ағынының артуымен байланысты, бұл гемодинамикалық жауаптың негізі болып табылады. Қан ағынының артуы осы аймақтағы оттегімен қаныққан гемоглобин мен оттегісіз гемоглобин арақатынасының артуына әкеледі. Оксигемоглобин мен дезоксигемоглобиннің магниттік қасиеттерінің айырмашылығы фМРТ бейнелеуіне қай нейрондар белсенді, ал қайсысы белсенді емес екенін анық карта жасауға мүмкіндік береді. Қысқасы, дезоксигемоглобин парамагниттік, ал оксигемоглобин диамагниттік. Диамагниттік қан (оксигемоглобин) магниттік-резонанстық (МР) сигналына аз кедергі келтіреді, бұл нейрондық белсенділігі жоғары аймақта МР сигналының жақсаруына әкеледі. Ал парамагниттік қан (дезоксигемоглобин) жергілікті магнит өрісін біркелкі емес етеді. Бұл доменде шығарылатын сигналдың фазасын өзгертуге әсер етеді, байқалатын МР сигналында деструктивті интерференция тудырады. Сондықтан дезоксигемоглобиннің көп мөлшері сигналдың төмендеуіне алып келеді. Нейрондық белсенділік дезоксигемоглобин концентрациясының төмендеуіне сәйкес келетін жергілікті МР сигналының күшеюіне әкеледі. Егер фМРТ сау мидағы қан ағынының қалыпты ағысын анықтауға көмектесе алса, дегенеративті ауруларға ұшыраған мидың проблемаларын анықтауға да қолданылуы мүмкін. Гемодинамикалық жауапты пайдаланатын функционалдық МРТ инсульт және Альцгеймер ауруы сияқты басқа дегенеративті аурулардың ми функциясына тигізетін әсерін бағалауға көмектеседі. ФМРТ-ны ми операцияларын жоспарлау үшін де қолдануға болады. Хирургтар фМРТ арқылы мидың ең белсенді аймақтарындағы қан ағынын және ойлау, сөйлеу, қозғалыс сияқты маңызды функцияларға қатысатын аймақтарды анықтай алады. Осылайша, ми операциялары қауіпсіз болады, себебі ми картасы адам өмірі үшін маңызды аймақтарды көрсетеді. Гемодинамикалық жауап фМРТ және клиникалық қолдану үшін маңызды, өйткені қан ағынын зерттеу арқылы ми анатомиясын зерттеп, ми операцияларын тиімді жоспарлауға және мидың дегенеративті ауруларының себептерін анықтауға болады. Тынығудағы фМРТ белгілі бір тапсырма орындалмаған кезде ми аймақтарының өзара әрекеттесуін бағалауға мүмкіндік береді. Бұл әдепкі режимдегі желілерді көрсету үшін де қолданылады.

ПЭТ сканерлеу

ПЭТ сканерлеу немесе позитрондық эмиссиялық томографиялық сканерлеу миды бейнелеу үшін фМРТ-мен қатар қолданылады. ПЭТ сканерлеу гемодинамикалық немесе метаболикалық жолмен, глюкоза сіңіру арқылы мидың белсенді аймақтарын анықтай алады. Олар мидың кез келген бөлігіндегі қан ағынын немесе метаболизмді бақылауға мүмкіндік береді. Қан ағынының және/немесе глюкоза сіңірудің артуымен белсендірілген аймақтар ПЭТ суретінде сигналдың күшеюі арқылы көрінеді. ПЭТ сканерлеуді бастамас бұрын, пациентке глюкоза немесе оттегі сияқты іздеушіге (tracer) бекітілген радиоактивті дәрінің шағын дозасы инъекцияланады. Сондықтан, егер ПЭТ сканерлеудің мақсаты ми белсенділігін анықтау болса, ФДГ немесе фтордезоксиглюкоза қолданылады. ФДГ – глюкозаға бекітілген радиоактивті фтордың күрделі қосылысы. Мидың белгілі бір бөлігі қаншалықты белсендірек болса, соншалықты көп глюкоза немесе энергия қажет болады және ФДГ соғұрлым көп сіңіріледі. Глюкоза сіңірудің артуы ПЭТ суретінде сигналдың күшеюі арқылы анықталады. ПЭТ сканерлері осы мүмкіндікті қамтамасыз етеді, себебі олар радиоизаотоптың позитрондары мидағы электрондармен соқтығысқанда бөлінетін энергияны өлшейді. Радиоизаотоп ыдыраған сайын, көбірек позитрондар пайда болады және ПЭТ сканерлеуде сигналдың күшеюі байқалады.