李俊宏(綜述)，劉菊英(審校)

(湖北醫(yī)藥學院附屬太和醫(yī)院麻醉科，湖北 十堰 442000)

神經元對能量的需求很高，尤其是在被激活的時候需要大量能量供應，但是整個大腦的血液供應不能一直保持高水平，因此為了確保工作中的神經元能夠獲得充足的氧氣和營養(yǎng)物質，及時區(qū)域性地增加被激活的大腦區(qū)域的血流量(cerebral blood flow,CBF)至關重要，這種緊密的調節(jié)機制則被定義為神經血管耦合(neurovascular coupling，NVC)。大腦正常功能的行使就取決于神經血管耦合,即神經活動迅速增加局部血流量以滿足局部腦能量需求的瞬時變化[1]。神經血管單元是由神經元、星形膠質細胞和由周細胞、平滑肌細胞和內皮細胞組成的腦血管共同構成的一個動態(tài)的單元，其控制著神經遞質、神經調節(jié)劑和血管活性介質的釋放，由此形成了NVC機制。由于腦血管節(jié)段及其神經支配不同，NVC機制存在三種不同的通路：皮質內神經元-神經遞質調控、皮質下核團-神經遞質調控、外周交感/副交感神經節(jié)后神經元-血管活性物質調控。其中，神經血管耦合既能夠既通過神經元與星形膠質細胞信號通路介導，也能夠通過皮質下核團和外周神經節(jié)后神經元內分泌通路的調控，這些激活途徑存在交替的級聯(lián)。例如，皮質內神經元受皮質下核團調節(jié)通路的控制，皮質下核團產生并釋放特異性神經調節(jié)劑，如乙酰膽堿(acetylcholine，ACh)，去甲腎上腺素(noradrenaline，NA)或血清素(serotonin，5-HT)，它們通過選擇性受體作用于神經血管單元中的組分，從而驅動皮質腦血流的變化，這種變化與皮質活動在睡眠或清醒狀態(tài)下發(fā)生的變化相對應[2]。NVC機制的研究不僅需要了解神經元活動和神經調節(jié)過程中的通路，也需要觀測神經元活動和血流動力學信號在感覺刺激反應中的變化，通過測量特定神經元直接激活后的血流動力學信號，可以進一步了解神經血管單元中每個細胞成分的作用。例如目前已有研究指出，錐體細胞即為軀體感覺皮層NVC的“神經中樞”[3]；γ-氨基丁酸(γ-aminobu tyric acid,GABA)神經元在協(xié)調來自皮層下區(qū)域的神經調節(jié)信號、塑造皮層活動和隨后的血流動力學反應方面的作用尤其突出[4]。在簡要概述了NVC的構成及其一般機制之后，將闡述以下問題:①當釋放不同神經遞質的不同腦通路被激活時，神經元活動和血流動力學之間的緊密耦合會發(fā)生什么變化；②當大腦狀態(tài)改變時，NVC會發(fā)生什么改變；③疾病狀態(tài)對NVC的可靠性是否有改變。

1 NVC研究簡史

大腦功能的維持和神經元的存活依賴于來自腦循環(huán)的恒定血液供應，并且大腦具有幾種機制可以將腦血流量維持在整個生理狀態(tài)的正常范圍內。主要機制是腦自動調節(jié)，使腦血流量在平均動脈血壓的變化中保持穩(wěn)定[5]。此外，NVC指的是在活動引起的神經元活動增加的區(qū)域內，腦血流量快速和局部增加。近年來，NVC的潛在分子和細胞機制以及信號級聯(lián)已經有了很大的發(fā)展，下面將介紹一些關鍵性工作。

1890年，Roy和Sherrington首次提出了感覺刺激與腦血流量變化存在緊密聯(lián)系的內在大腦機制，從而提出了NVC的概念[6]。自19世紀末開創(chuàng)性的研究以來，神經血管單元解剖學和功能的知識增長以及實驗技術的同步進步，人們對腦血流量和神經元活動之間關系的理解已經有了很大的發(fā)展。早期，通過使用可擴散示蹤劑進行放射自顯影，血流動力學信號可以在整個大腦中得到空間解析[7]。后來，激光多普勒血流測量法通過利用速度變化的高時間分辨率作為大腦血流的一項指標，集成在一個體積通常接近1 mm3的組織中[8]。近年來，基于含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量變化或其吸收光譜不同的原理，血氧水平依賴(blood-oxygen level dependent,BOLD)功能磁共振成像和雙光子顯微鏡成像技術誕生，可以繪制出大腦表面含氧信號的圖譜和顯現(xiàn)大腦皮層各層微血管直徑的變化[9]。

血流動力學信號的變化是神經血管單元各組分如神經元、星形膠質細胞、周細胞等在NVC中所發(fā)揮的相應功能的體現(xiàn)。有研究發(fā)現(xiàn)，對中間神經元的單細胞刺激能夠轉化為皮質微血管中的血管舒縮反應，并且通過藥理學研究發(fā)現(xiàn)，對大腦微血管產生血管活性作用的相關化合物為GABA中間神經元共同表達的肽，如血管活性腸肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)、生長抑素(somatostatin，SOM)和神經肽Y(neuropeptide Y，NPY)，由此證實了GABA中間神經元是NVC的皮質中繼，并且GABA中間神經元的特異性光遺傳學靶向更加證實了其在皮質NVC中的作用[10]。此外，最近的研究中表明，星形膠質細胞是激活的神經元和血管之間通信的關鍵參與者。NVC中的星形膠質細胞的功能與其釋放血管活性物質有關，如花生四烯酸衍生物環(huán)氧二十碳三烯酸(epoxyeicosatrienoic acids，EETs)和K+，其通過多種途徑起作用，如大電導Ca2+激活的K+(large-conductance Ca2+-activated K+channels，BK)通道、微血管上的內向整流器K+(inward rectifier K+，Kir)和TRPV4通道[11]。還有研究指出，周細胞具有改變毛細血管直徑的能力，因此也被認為是NVC的積極參與者。通過對血管樹內的NVC動態(tài)信號的檢測發(fā)現(xiàn)，在毛細血管水平上存在一個初始的由周細胞擴張引起的血流動力學反應，并向上傳遞到小動脈，除了實質小動脈的上游擴張之外，由膠質界膜水平的星形膠質細胞信號傳導并通過內皮細胞傳遞也引起軟膜小動脈擴張，兩者均能夠將足夠的血液輸送到擴張的下游血管[12]，由此可見，一個最佳的NVC反應需要在實質血管和軟膜血管之間進行協(xié)調的響應。

通過結合電生理記錄，能夠發(fā)現(xiàn)誘發(fā)的血流動力學反應與生理條件下神經元活動的變化有關。誘發(fā)的血流動力學變化與局部場電位(local field potentials，LFPs)之間的相關性更強，這與神經元信息的局部處理相對應。此外，血流動力學信號的變化與神經活動的變化在LFP信號的高頻率功率下相關性最好，即伽馬帶，它被描述為參與神經網絡的一個特征[13]?？傮w而言，血流動力學反應與精確的神經元相關性的鑒定是復雜的，因為它不僅可以反映單個神經元事件，而且可以反映神經元活動的動態(tài)整合，其中LFP或多單元活動的α、β和γ范圍內的振蕩可以解釋血液動力學反應的不同組成，例如信號的幅度或時間[14]。但是由于不同腦區(qū)產生的振蕩是不同的，因此血流動力學信號可能至少是區(qū)域特異性的。

綜上所述，因為血液流動的變化比神經元活動更容易體現(xiàn)，通過測量腦血流量的變化，以血流動力學為基礎的神經元活動可以在整個大腦中被展現(xiàn)，而且是無創(chuàng)的、可重復的，這種緊密的關系形成了現(xiàn)代大腦功能成像技術的基礎，，這些腦功能成像技術已經將神經科學領域推向了一個新的時代。

2 腦血流量和神經元活動之間的聯(lián)系依賴于激活的大腦通路

皮質神經血管單元接收多種來源的信號輸入，例如源自局部皮質區(qū)域和釋放各種神經活性分子的皮質下核。皮質神經元可以對主要興奮性神經遞質-谷氨酸產生反應，也可以對乙酰膽堿、鈉、5-HT或多巴胺等神經調節(jié)劑產生反應[15]。神經遞質或神經調節(jié)劑的初始釋放是否會改變皮質活動，從而導致不同的NVC機制，這是一個相對未知的問題。可以通過比較由皮質內谷氨酸能通路(感覺刺激)或神經調節(jié)通路(皮質下膽堿能或去甲腎上腺素能通路)的激活而誘導的NVC反應的細胞機制來解決這個問題。如下所述，募集神經元網絡和激活這些通路后釋放的血管活性介質都表明，NVC的機制略有不同，這取決于在激活的皮層區(qū)域釋放的神經遞質或神經介質的性質。

2.1腦血流反應與特定神經網絡的激活有關 NVC通常是通過刺激感覺通路來研究的，在這個通路中，物理刺激被感覺受體接收，并通過腦干和丘腦的繼電器傳遞到感覺皮層的相應區(qū)域，這一途徑會在皮層中產生強烈地NVC反應。例如，刺激一根胡須就會在相應的桶狀體感皮層中產生精確的局部血流動力學反應,這種反應是由谷氨酸的釋放介導的，谷氨酸可局部激活錐體細胞和GABA中間神經元，GABA中間神經元含有共同定位于中間神經元的VIP和(或)乙酰膽堿轉移酶(choline acetyltransferase，ChAT)，而SOM中間神經元在很大程度上是不會被激活的[16]。這個網絡與光遺傳學的研究結果相匹配，這些結果支持VIP中間神經元在選擇性抑制SOM中間神經元活動中的關鍵作用。

與精確定位的谷氨酸介導的感覺反應相反，神經調節(jié)通路的刺激會導致廣泛的皮層區(qū)域的血流增加,這適用于基底前腦膽堿能通路、中縫核5-羥色胺能通路、多巴胺能通路和藍斑去甲腎上腺素能通路[17]。這些神經調節(jié)通路支配著神經血管單元的所有細胞，即錐體細胞、GABA中間神經元、血管平滑肌細胞和內皮細胞，以及血管周圍星形膠質細胞。通過藥物作用或電刺激基底前腦而釋放于皮層的ACh募集了谷氨酸能錐體細胞和膽堿能GABA中間神經元，主要是那些含有SOM的中間神經元[18]。相比之下，藍斑-去甲腎上腺素能通路的激活需要錐體細胞和廣泛的皮質GABA中間神經元網絡。不過目前為止，由其他已知可以引起腦血流量改變的神經調節(jié)通路(如5-羥色胺和多巴胺能通路)所募集的精確的神經網絡和血管活性信號級聯(lián)還尚不清楚。

2.2腦血流反應與特定的血管活性介質有關 除了釋放血管活性介質(包括NO、K+和腺苷)之外，NVC對感覺刺激的反應需要在錐體細胞中通過環(huán)氧化酶2(cyclooxygenase-2,COX-2)合成和釋放花生四烯酸代謝物前列腺素E2(prostaglandin,PGE2)，或在星形膠質細胞中合成和釋放來自細胞色素CYP450環(huán)加氧酶的EETs，還需要激活谷氨酸和GABA-A受體[17]。類似地，對基底前腦和藍斑刺激后誘發(fā)的ACh和NA的NVC反應，需要激活錐體細胞和GABA中間神經元，從而激活谷氨酸和GABA受體，以及EETs的釋放[19]。因此，參與從不同神經元途徑誘發(fā)的NVC反應的血管活性介質存在共性。

然而，NVC信號級聯(lián)的差異也是顯而易見的。例如，刺激基底前腦膽堿能通路或局部應用乙酰膽堿時的血流動力學反應不依賴于COX-2衍生的血管活性代謝產物。谷氨酸通過N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid,NMDA)受體激活COX-2，而ACh不激活COX-2，這提示PGE2并不介導ACh介導的血流動力學反應。COX-2代謝物在NVC對NA能通路激活的反應中也發(fā)揮了不同的作用，COX-2的抑制作用增強而不是減弱[5]。此外，星形膠質細胞中的信號級聯(lián)反應在毛細血管和小動脈之間存在不同，這表明星形膠質細胞在血管樹中的位置可能決定了其信號級聯(lián)反應。

總之，這些研究表明皮質血流量的變化是由特定神經元網絡的激活和信使的釋放引起的，這取決于傳入神經元釋放的神經介質，且隨后可能導致神經元的和星形膠質細胞釋放不同的血管活性信使。該發(fā)現(xiàn)與NVC和BOLD-fMRI信號模型一致，表明存在著影響血流動力學反應的多個神經通路，這種血管活性途徑的多樣性可以反映大腦的高度專業(yè)化功能和針對特定途徑失效的保護機制。

3 腦血流和神經元活動之間的聯(lián)系取決于大腦狀態(tài)

在感覺刺激時，皮質活動不僅受到來自環(huán)境的刺激的影響，而且還受到內部信號的影響，特別是對應于不同大腦狀態(tài)的信號。由不同程度的覺醒、睡眠、興奮或注意力改變引起的大腦狀態(tài)變化是由神經調節(jié)通路驅動的，其中包括基底前腦膽堿能通路和藍斑去甲腎上腺素能通路[20]。鑒于它們對皮質活動的強大影響以及它們與神經血管單元的所有細胞的密切聯(lián)系，確定神經調節(jié)通路對感覺刺激時NVC反應的影響顯得至關重要。

最近的研究表明，增強ACh的釋放可以通過跨皮層的LFP的更高的功率增強感覺刺激誘發(fā)的血流動力學和神經元活動的變化[1]。這種增強的NVC反應是由于皮層神經元網絡內的活動增加，包括含有COX-2的錐體細胞，以及共表達VIP和(或)ChAT的GABA中間神經元，但是沒有或幾乎沒有膽堿感受性SOM中間神經元。相反，感覺刺激的同時，NA水平的急性升高將會降低皮層感覺誘發(fā)的血流動力學反應，這主要是通過減少反應的擴散來實現(xiàn)的。

通過對基底前腦神經元的急性藥理學抑制或皮質的慢性膽堿能去神經支配而減少對皮質的膽堿能輸入，會導致感覺刺激的血液動力學反應急劇下降(約40%)，因為慢性皮層膽堿能缺乏會導致桶狀皮層的感覺映射范圍變小，導致感覺誘發(fā)的神經元反應減弱[21]。值得注意的是，皮質膽堿能和NA能神經終末的丟失是阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)的早期特征，記憶和認知障礙相關的皮質膽堿能去神經支配可能和AD中早期大腦狀態(tài)的改變相關，進一步的研究應探討NA能調節(jié)丟失對AD所體現(xiàn)的NVC反應損害的確切影響。

總之，急性和慢性增強或損害大腦的注意力狀態(tài)、覺醒狀態(tài)，以及通過操縱膽堿能和NA能皮質下通路而模擬的睡眠/覺醒周期的改變，都能調節(jié)NVC對感覺刺激的反應。NVC對膽堿能去神經或NA調節(jié)刺激的反應減弱，進一步強調了膽堿能和NA能調節(jié)是神經元活動和血流動力學反應充分耦合所必需的。這些結果表明，感覺誘發(fā)的NVC反應受損可能反映了感覺通路的中斷，或神經調節(jié)輸入受損，或兩者兼而有之，這個結果對進一步研究基礎機制以解釋不同大腦狀態(tài)下基于血流動力學反應的成像數(shù)據(jù)提供新的思路。

4 在腦血管病變情況下腦血流與神經元活動有關

依賴于血流動力學信號和NVC反應的諸如BOLD-fMRI的技術越來越多地用作各種腦疾病的診斷工具，并在AD、血管性認知障礙和癡呆(vascular cognitive impairment and dementia,VCID)以及中風中顯示出相關變化。盡管這些腦血管疾病中出現(xiàn)的神經功能障礙可能導致NVC受損，但伴隨的腦實質內血管結構的改變如何影響作為神經元活動變化標志的血流動力學信號機制目前尚不清楚，軟腦膜微動脈功能的改變可能對其有影響。

4.1AD中的神經血管耦合改變 AD是一種神經退行性疾病，其特點是神經元和突觸的改變、過度磷酸化的tau蛋白的神經原纖維纏結和腦實質內的淀粉樣蛋白(Aβ)沉積，此外，AD也影響神經血管單元的每個組分。研究證實了早期AD中大腦激活和NVC的改變，以及具有AD遺傳風險因素的認知的改變[22]。fMRI信號的變化也可見于靜息狀態(tài)(測量大腦的“功能連接性”，沒有任何刺激或任務)，特別是在AD患者的“默認模式網絡”中。AD的血管結構改變是多方面的，包括毛細血管扭曲、毛細血管稀薄、基底膜增厚和毛細血管退化(弦狀血管)。其他改變包括由Aβ引起的血管氧化應激和血管周圍Aβ沉積，促進大腦血管的收縮性張力，從而降低了對NVC反應至關重要的血管擴張能力[23]。總之，這些改變共同導致了在疾病早期可觀察到的慢性腦灌注不足。此外，周細胞在AD中也受到影響，這可能與CBF減少、神經血管解偶聯(lián)和大腦供氧受限有關。

因此，神經血管單元的改變似乎導致了NVC缺陷，與神經元功能的改變無關。這對從血流動力學信號解釋臨床影像學數(shù)據(jù)以直接推斷腦血管病患者神經活動改變提出了警告。事實上，功能磁共振成像在AD早期檢測到的灌注信號減少可能反映了血管功能障礙，而不是神經活動的改變。

4.2VCID中的神經血管耦合改變 VCID包括因不同來源的與年齡有關的腦血管疾病導致的認知功能減退，這些腦血管疾病會損害CBF。即使CBF的輕微降低也會對大腦功能產生重大影響，包括老年人的認知能力，這也可以在衰老的動物模型中看到[24]。VCID腦血管系統(tǒng)的改變包括動脈粥樣硬化和血管壁完整性的喪失，動脈基底膜增厚，曲度增加，毛細血管數(shù)量減少等。VCID最常見的形式與影響白質的小血管疾病(small vessel disease,SVD)引起的血管損傷有關，這種改變將體現(xiàn)為功能缺陷[25]。在VCID中，實驗研究發(fā)現(xiàn)NVC缺陷與氧化應激增加有關，氧化應激可能通過引起血管結構的氧化損傷而導致疾病的發(fā)生。在一種沒有神經元或認知功能缺陷、過度表達細胞因子轉化生長因子β1的轉基因腦血管病小鼠模型中，F(xiàn)DGmicroPET發(fā)現(xiàn)了胡須誘發(fā)的NVC反應，表明NVC反應的減弱是由于腦血管功能障礙所致[26]。這些臨床和臨床前的研究結果表明受損的腦血管將影響NVC反應，在根據(jù)患者的血流動力學反應和神經元活動進行相關性分析時，應該考慮到這種變化。

4.3中風的神經血管耦合改變 腦缺血后，血液供應的急劇減少會導致缺血核心的神經元死亡，而周圍的半暗區(qū)是一個可能被挽救的區(qū)域，基于NVC的腦成像技術(例如fMRI-BOLD信號)有助于評估中風后的腦恢復情況。卒中的有害級聯(lián)與NVC信號通路有共同之處，例如前列腺素、NO、鈣和K+通路的改變。因此，在腦缺血后，多項研究報告了NVC對感覺刺激的反應或對高碳酸血癥受損的腦血管反應的改變，這種反應包括重疊的信號級聯(lián)，如NO或ATP的釋放[27]。目前，結合電生理和血流動力學的研究主要集中在確定腦缺血后NVC信號受損的時間、范圍和性質，以及研究NVC在恢復期的長期機制。在腦組織微梗死后數(shù)周，病灶周圍組織表現(xiàn)出受損的血流動力學反應，但用c-fos免疫組織化學方法檢測到神經元活動的恢復，顯示了神經血管的解耦性，表明其血流與潛在的神經元活動并不完全匹配[28]。

腦功能成像技術，無論是PET還是fMRI，都顯示了中風后急性到慢性階段皮質激活模式的改變，這樣的改變可能轉化為血流動力學信號下的神經元相關性改變，這將對基于NVC的神經成像數(shù)據(jù)的解釋產生很大的影響。目前已有研究證實，對運動皮質或丘腦V層神經元進行光遺傳刺激能夠促進卒中后神經元回路的重新布線，并改善卒中的結局，類似地，針對NVC所涉及的特定神經元網絡和皮質下輸入進行研究或許可以為促進卒中后恢復提供新的治療手段?；谀壳皩χ酗LNVC和潛在的代償機制仍然知之甚少，深入地理解與探究中風急性期與恢復期后NVC信號改變的潛在機制至關重要。

5 結 論

NVC是一個動態(tài)的過程，在這個過程中，神經網絡和血管活性介質的信號級聯(lián)可以對各類刺激(如視覺、聽覺、嗅覺或體感刺激)產生相應的血流動力學反應，大腦因此能夠對不同類型的刺激做出特定反應。但是由于腦血管的病理改變能夠顯著影響血流動力學信號作為神經元活動反應的有效性，因此在評估血管變化背后的神經網絡的完整性和破譯特定血流動力學信號中相應的興奮性和抑制性神經元的改變之前，還需對腦血管生理和病理機制進行更加深入的研究，這仍然是一個漫長的探索過程。

腦功能成像技術基于血流動力學信號變化來映射大腦神經元活動變化，盡管任務腦功能成像技術具有一定的缺陷，例如大腦激活區(qū)域有限、患者執(zhí)行任務困難等，但是神經元活動增強與血流動力學信號改變是一個動態(tài)過程，任務腦功能成像技術能夠從整體和動態(tài)的角度考察參與任務過程中的腦區(qū)及它們的時空關系和反應模式，并能夠建立腦內與信息加工相關的網絡模型，所以相比于靜息態(tài)腦成像技術的未知可靠性，探索一種更完善的任務腦功能成像技術更具有研究意義。因此，對NVC機制的深入研究不僅為探索神經系統(tǒng)生理病理學機制提供了窗口，也為中樞神經系統(tǒng)疾病探索更精準的診療手段提供了更廣闊的思路。