Введение

В гемодинамике организм должен реагировать на физическую активность, внешнюю температуру и другие факторы, гомеостатически регулируя кровоток для доставки питательных веществ, таких как кислород и глюкоза, к тканям, испытывающим нагрузку, и обеспечения их функционирования. Гемодинамический отклик (ГДО) обеспечивает быструю доставку крови к активным нейронным тканям. Мозг потребляет большое количество энергии, но не имеет запасов энергетических субстратов. Поскольку высшие процессы в мозге происходят практически постоянно, мозговой кровоток необходим для поддержания нейронов, астроцитов и других клеток мозга. Эта взаимосвязь между нейронной активностью и кровотоком также называется нейроваскулярным связыванием.

Обзор анатомии сосудов

Чтобы понять, как кровь поступает в ткани черепа, важно понять сосудистую анатомию самого пространства. Крупные мозговые артерии в головном мозге разветвляются на более мелкие артериолы, также известные как пиальные артерии. Они состоят из эндотелиальных клеток и клеток гладкой мускулатуры, и по мере дальнейшего ветвления и углубления этих пиальных артерий в мозг, они взаимодействуют с глиальными клетками, в частности, с астроцитами. Внутримозговые артериолы и капилляры, в отличие от системных артериол и капилляров, не пропускают вещества свободно; они соединены плотными соединениями для формирования гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Эндотелиальные клетки, гладкая мускулатура, нейроны, астроциты и перициты работают совместно в мозге для поддержания ГЭБ, обеспечивая при этом доставку питательных веществ к тканям и регулируя кровоток во внутричерепном пространстве для поддержания гомеостаза. Поскольку они функционируют как единая нейрососудистая единица, изменения во взаимодействии между ними на клеточном уровне могут нарушить регуляцию кровотока в мозге и привести к отклонениям в нормальной нервной функции.

Механизмы

Различные типы клеток играют роль в ГР, включая астроциты, гладкомышечные клетки, эндотелиальные клетки кровеносных сосудов и перициты. Эти клетки контролируют, находятся ли сосуды в состоянии сокращения или расширения, что определяет количество кислорода и глюкозы, способных достигать нейронной ткани.

Астроциты

Астроциты уникальны тем, что выступают посредниками между кровеносными сосудами и нейронами. Они способны общаться с другими астроцитами посредством щелевых контактов и имеют концевые отростки, взаимодействующие с нейронными синапсами. Эти отростки способны захватывать различные нейротрансмиттеры, такие как норэпинефрин (НЭ) и глутамат, и выполнять ряд других функций для поддержания химического и электрического гомеостаза в нейронной среде. In vitro показано, что сужение происходит при помещении НЭ в синапс и его захвате астроцитарными рецепторами. Захват НЭ приводит к увеличению внутриклеточного кальция в астроцитах. Когда эти волны ионов кальция распространяются вдоль астроцита, активируется фосфолипаза А (PLA), которая, в свою очередь, высвобождает арахидоновую кислоту. Оба этих соединения транспортируются в гладкую мускулатуру, где взаимодействуют с цитохромом P450, образуя 20-гидроксиэйкозатетраеновую кислоту (20 HETE), которая посредством пока не установленных механизмов вызывает вазоконстрикцию. Также было показано, что агонисты метаботропных глутаматных рецепторов (mGluR) также повышают внутриклеточный уровень кальция, вызывая сужение.

Гладкие мышцы

Расширение происходит, когда оксид азота (NO) высвобождается из эндотелиальных клеток и диффундирует в расположенные рядом клетки гладкой мускулатуры сосудов. Несколько предполагаемых механизмов, посредством которых NO вызывает вазодилатацию, были предложены в ходе гемодинамических исследований. Показано, что NO ингибирует синтез 20 HETE, что может нарушать пути сужения астроцитов и приводить к расширению сосудов. Также было предложено, что NO может усиливать приток кальция в астроциты и активировать кальций-зависимые калиевые каналы, высвобождая калий в интерстициальное пространство и вызывая гиперполяризацию клеток гладкой мускулатуры. Это приводит к уменьшению сокращения мышц и, как следствие, к расширению кровеносного сосуда. То, сужены или расширены сосуды, определяет количество кислорода и глюкозы, которое может достичь нейронной ткани.

Перициты

Основная функция перицитов заключается во взаимодействии с астроцитами, клетками гладкой мускулатуры и другими клетками внутричерепного пространства для формирования гематоэнцефалического барьера и модуляции размеров кровеносных сосудов, обеспечивая надлежащую доставку и распределение кислорода и питательных веществ к нейронным тканям. Перициты обладают как холинергическими (α2), так и адренергическими (β2) рецепторами. Стимуляция последних приводит к расслаблению сосудов, а стимуляция холинергических рецепторов – к их сокращению. Показано, что паракринная активность и доступность кислорода также модулируют активность перицитов. Пептиды ангиотензин II и эндотелин-1 (ET 1) связываются с перицитами и проявляют вазоактивные свойства. Эндотелиальные клетки индуцируют экспрессию эндотелина-1, что приводит к продукции NO и вазодилатации. Эксперименты продемонстрировали, что уровень кислорода также влияет на сокращение перицитов и, как следствие, на сокращение кровеносных сосудов. В условиях in vitro высокие концентрации кислорода вызывают сужение перицитов, а высокие концентрации CO – расслабление. Это позволяет предположить, что перициты способны расширять кровеносные сосуды при повышенной потребности в кислороде и сужать их при его избытке, регулируя скорость кровотока к тканям в зависимости от их метаболической активности.

Осложнения

Гемодинамический ответ – это быстрое поступление крови к активной нейронной ткани. Осложнения этого ответа возникают при острых коронарных синдромах и лёгочной артериальной гипертензии. Эти осложнения приводят к изменению регуляции кровотока в мозге, а следовательно, к изменению количества глюкозы и кислорода, поступающих к нейронам, что может серьезно повлиять не только на функционирование нервной системы, но и на функционирование всех систем организма.

Острый коронарный синдром

Острые инфекции, такие как внебольничная пневмония (CAP), выступают триггером для острых коронарных синдромов (ACS). ACS охватывает симптомы, возникающие в результате обструкции коронарных артерий. Вследствие этой обструкции развиваются тромботические осложнения в местах атеросклеротических бляшек. Наиболее частым симптомом, побуждающим к диагностике, является боль в груди, сопровождающаяся тошнотой и потливостью. Лечение обычно включает аспирин, клопидогрель, нитроглицерин, а при сохраняющейся боли в груди – морфин. Недавние исследования показывают, что острая инфекция дыхательных путей может выступать триггером для ACS. Это, в свою очередь, оказывает выраженное протромботическое и гемодинамическое воздействие. В целом, легочная артериальная гипертензия и острые коронарные синдромы – лишь некоторые из множества заболеваний, приводящих к гипоксии нейронной ткани, что ухудшает гемодинамический ответ и вызывает гибель нейронов. Длительная гипоксия индуцирует гибель нейронов посредством апоптоза. При нарушенной гемодинамической реакции активная нейронная ткань, вследствие деполяризации мембраны, испытывает недостаток энергии, необходимой для проведения сигналов из-за затруднения кровотока. Это влияет на многие функции организма и может привести к серьезным симптомам.

Болезнь Альцгеймера

При этом заболевании в мозге происходит накопление бета-амилоидного белка. Это в конечном итоге приводит к снижению гемодинамического ответа и уменьшению кровотока в мозге. Это снижение мозгового кровотока не только приводит к гибели нейронных клеток из-за недостатка кислорода и глюкозы, но и снижает способность мозга удалять бета-амилоид. В здоровом мозге эти фрагменты белка расщепляются и выводятся из организма. При болезни Альцгеймера фрагменты накапливаются, образуя твердые, нерастворимые бляшки, которые уменьшают кровоток. В этом накоплении бета-амилоида участвуют два белка: фактор ответа сыворотки крови, или SRF, и миокардин. Вместе эти два белка определяют, сокращается ли гладкая мускулатура кровеносных сосудов. SRF и миокардин более активны в мозге людей с болезнью Альцгеймера. Когда эти белки активны, они активируют 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 мозге из-за сокращения кровеносных сосудов.

Ишемия

Снижение кровообращения в сосудах мозга вследствие инсульта или травмы может привести к состоянию, известному как ишемия. В общем случае, уменьшение притока крови к мозгу может быть вызвано тромбозом, вызывающим частичную или полную закупорку кровеносных сосудов, гипотензией в системном кровообращении (и, как следствие, в мозге) или остановкой сердца. Это уменьшение кровотока в церебральной сосудистой системе может привести к накоплению метаболических отходов, образующихся нейронами и глиальными клетками, и к снижению доставки кислорода и глюкозы к ним. В результате может произойти энергетический сбой в клетках, деполяризация нейронных и глиальных мембран, отек мозга, избыточное высвобождение нейротрансмиттеров и ионов кальция. В конечном итоге это приводит к гибели клеток, поскольку они не получают достаточного количества питательных веществ для поддержания метаболизма и подвергаются воздействию токсичной среды мозга, насыщенной свободными радикалами и избытком ионов, повреждающих нормальную функцию клеточных органелл.

Клиническое применение

Изменения в активности мозга тесно связаны с изменениями кровотока в соответствующих областях, и это знание оказалось полезным для картирования функций мозга у человека. Измерение гемодинамического ответа в клинической практике позволяет создавать изображения мозга, на которых особенно активные и неактивные области визуализируются как различные. Это может служить полезным инструментом в диагностике неврологических заболеваний или при предоперационном планировании. Функциональная МРТ и ПЭТ-сканирование – наиболее распространенные методы, использующие гемодинамический ответ для картирования функций мозга. Врачи применяют эти методы визуализации для изучения анатомии мозга, определения конкретных областей, отвечающих за сложные когнитивные функции, оценки влияния дегенеративных заболеваний и даже планирования хирургического вмешательства на мозг.

Функциональная магнитно-резонансная томография

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) — это метод медицинской визуализации, используемый для измерения гемодинамического ответа мозга в связи с нейронной активностью. Это один из наиболее часто используемых инструментов для измерения функций мозга и относительно недорогой в клинической практике. Начало нейронной активности приводит к систематической серии физиологических изменений в локальной сети кровеносных сосудов, включающей изменения объема мозговой крови на единицу мозговой ткани (CBV), изменения скорости мозгового кровотока и изменения концентрации оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Существуют различные методы фМРТ, способные регистрировать функциональный сигнал, соответствующий изменениям в каждом из ранее упомянутых компонентов гемодинамического ответа. Наиболее распространенным функциональным сигналом является сигнал, зависящий от уровня оксигенации крови (BOLD), который в первую очередь отражает концентрацию дезоксигемоглобина. Эффект BOLD основан на том, что при увеличении нейронной активности в определенной области мозга также увеличивается кровоток в эту область, что и является основой гемодинамического ответа. Это увеличение кровотока приводит к увеличению соотношения оксигенированного гемоглобина к дезоксигенированному гемоглобину в этой конкретной области. Различие в магнитных свойствах оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина позволяет фМРТ создавать эффективную карту активных нейронов. Если говорить кратко, дезоксигемоглобин является парамагнитным, а оксигемоглобин — диамагнитным. Диамагнитная кровь (оксигемоглобин) в меньшей степени искажает сигнал магнитно-резонансной томографии (МРТ), что приводит к улучшению сигнала МРТ в области повышенной нейронной активности. Парамагнитная кровь (дезоксигемоглобин), напротив, делает локальное магнитное поле неоднородным, вызывая дефазировку сигнала в этой области и, как следствие, деструктивную интерференцию в наблюдаемом сигнале МРТ. Таким образом, более высокие концентрации дезоксигемоглобина приводят к снижению сигнала. Нейронная активность в конечном итоге приводит к увеличению локального сигнала МРТ, что соответствует снижению концентрации дезоксигемоглобина. Если фМРТ может быть использована для выявления нормального кровотока в здоровом мозге, то она также может быть использована для выявления проблем в мозге, подвергшемся дегенеративным изменениям. Функциональная МРТ, основанная на гемодинамическом ответе, может помочь оценить влияние инсульта и других дегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, на функцию мозга. Другое применение фМРТ — планирование операций на мозге. Хирурги могут использовать фМРТ для определения кровотока в наиболее активных областях мозга и областях, отвечающих за критически важные функции, такие как мышление, речь и движение. Это делает операции на мозге менее опасными, поскольку имеется карта мозга, показывающая, какие области жизненно важны для человека. Гемодинамический ответ имеет решающее значение для фМРТ и ее клинического применения, поскольку изучение кровотока позволяет исследовать анатомию мозга, эффективно планировать операции и выявлять причины дегенеративных заболеваний мозга. фМРТ в состоянии покоя позволяет оценить взаимодействие областей мозга, когда не выполняется конкретная задача, и используется для визуализации сети в режиме покоя (default mode network).

ПЭТ-сканирование

ПЭТ-сканирование, или позитронно-эмиссионная томография, также используется совместно с фМРТ для визуализации мозга. ПЭТ-сканирование может выявлять активные области мозга гемодинамически или метаболически, отслеживая потребление глюкозы. Это позволяет наблюдать кровоток или метаболизм в любой части мозга. Области, активируемые увеличением кровотока и/или потребления глюкозы, визуализируются в виде усиленного сигнала на ПЭТ-изображении. Перед началом ПЭТ-сканирования пациенту вводится небольшая доза радиофармпрепарата, меченного трассером, таким как глюкоза или кислород. Следовательно, если цель ПЭТ-сканирования – определение активности мозга, используется ФДГ, или фтордезоксиглюкоза. ФДГ представляет собой комплекс радиоактивного фтора, меченный глюкозой. Если определенная область мозга более активна, ей требуется больше глюкозы или энергии, и, соответственно, больше ФДГ будет поглощено. Это увеличение потребления глюкозы будет обнаруживаться как усиленный сигнал на ПЭТ-изображении. ПЭТ-сканеры обеспечивают эту возможность, поскольку они измеряют энергию, выделяемую при столкновении позитронов из радиотрассера с электронами в мозге. При распаде радиотрассера образуется больше позитронов, что приводит к усилению сигнала на ПЭТ-скане.