脑是人体最重要的器官,调节和控制着身体各器官活动。正常人脑的重量是1400g左右,约占人体体重的2%。脑组织的代谢活动特别旺盛,但脑组织没有能量贮存,需要连续不断地供应氧和葡萄糖。为了维持高级神经活动的正常代谢活动,不论是觉醒、睡眠、安静休息,还是活动,机体始终保持着相对恒定的脑血液循环。成年人的脑组织每分钟需要氧500~600ml,葡萄糖70~ 100mg。正常情况下,人脑每分钟需750~1000ml血液进行循环,以24小时计算,成年人通过脑的血液总量达1438L,耗氧72L、葡萄糖144g。任何原因导致的脑血液供应不足或停止,都将引起严重的神经精神症状。研究表明,心脏停搏后,脑电活动迅速消失;若血供连续停止30秒,神经元代谢受到影响,2分钟神经细胞代谢停止,5分钟神经细胞开始死亡,大脑皮质开始出现永久性损害;20~30分钟后,延髓的呼吸、血管运动中枢出现永久性损伤。由此可见,正常的脑血液供给是维持机体生命活动,特别是高级神经活动必不可少的重要因素。
(一)脑血液循环的重要功能
人体血液循环有下列功能:①输送营养物质到组织细胞;②收集代谢产物和不能被机体利用的物质,并将其输送到排泄器官;③输送氧气到组织细胞,收集CO2并使之经肺排出体外;④输送维生素、激素及其他体液到一定部位进行新陈代谢;⑤参与体液调节;⑥维持内环境的稳定,稳定渗透压,调节酸碱度和水电解质平衡。
脑的血液循环与其他器官的血液循环一样有上述功能,但因脑的解剖结构和功能不同,故血液循环对脑更具有一些特点。
1.氧的供应 脑每分钟的耗氧量为42~53ml,占整个机体总耗氧量的20%,但脑组织的耗氧量与大脑皮质功能活动有关,灰质的耗氧量为白质的3~5倍。机体兴奋时耗氧量增加,安静和睡眠时耗氧量降低。脑的血液供应一旦完全停止,脑组织的氧将在8~12秒完全耗尽,存在于组织中的能量物质在2~3分钟全部用完,5分钟后皮质细胞开始死亡。
2.糖的输送 脑组织无能量物质贮存,能量来源完全依赖于糖代谢。正常肝脏所输送的葡萄糖中,70%被脑组织利用。不管任何原因,一旦脑组织不能得到正常量的血糖,将会出现乏力、晕厥、意识不清、昏迷,甚至死亡。
3.脑脊液的生成、吸收和循环 脑血液的循环决定脑脊液的生成、吸收和循环。当脑的血液循环和血液成分发生改变时,脑脊液随之发生改变。
脑脊液(CSF)由脉络膜丛、室管膜和脑本身分泌产生。正常脑室系统的CSF总量为120~200ml。CSF循环吸收顺序是侧脑室-室间孔-第三脑室-大脑导水管-第四脑室-侧孔和中间孔-小脑延髓池-基底池,上行至大脑半球的蛛网膜下隙-上矢状窦的蛛网膜颗粒吸收,或下行至脊髓蛛网膜下隙-脊髓静脉的蛛网膜绒毛吸收,大部分CSF仍反流至基底池,再到大脑半球的蛛网膜下隙和蛛网膜颗粒吸收。约4/5的CSF是蛛网膜颗粒吸收,1/5由脊髓蛛网膜绒毛吸收。此外,室管膜、脑和脊髓的软脑膜以及沿脊神经进入的淋巴管及血管周围腔亦参与吸收。CSF的更新较快,每分钟产生0.35ml,每天的分泌总量约500ml或以上,24小时内更换3~4次。CSF分泌过多、吸收和循环障碍均能引起颅内压的改变,影响脑血液循环的正常进行。
CSF直接来源于血液,其基本成分与血液相似,故在临床工作中常以CSF的颜色、成分、生化、糖和酸碱度等的改变作为诊断颅内疾病和了解脑功能的证据。
4.脑屏障 1885年Ehrtich首次提出血脑屏障现象。1913年Goldman进行了两项经典实验。①兔耳静脉注射伊文思蓝后,除了脑脊髓外,其他组织器官均被蓝染;②直接少量向蛛网膜下隙注射伊文思蓝,则使脑组织蓝染。因此,他推断脑内存在着一种屏障阻止伊文思蓝进入中枢神经系统。1922-1927年,Stern等进行大量研究发现,凡不能进入脑的物质,也不出现在脑脊液中,因此,猜测有一种屏障阻止许多物质进入脑和脑脊液,并首次应用血脑屏障的名词。1933年Walter进一步研究时,提出中枢神经系统存在3种独特的屏障,①血-脑脊液屏障(BLB),存在于脉络丛和软脑膜;②脑脊液-脑屏障(LBB),位于脑室和脑表面的软膜;③血-脑屏障(BBB),存在于脑实质内。之后的许多研究确认,血-脑屏障是中枢神经系统的主要屏障结构,而血-脑脊液屏障和脑脊液-脑屏障是脑屏障的一部分。一般认为血-脑屏障有两个主要功能:一是控制水、电解质及其他物质进出脑组织,以维持中枢神经系统内环境的恒定;二是阻止外来物质进入脑,使脑与身体其他部位的病变分隔开。
在组织形态上,血脑屏障实际上就是脑毛细血管壁,即由内皮细胞、基膜和附着于管壁外的星形胶质细胞的足突组成,其中最主要的是内皮细胞。
(1)内皮细胞:由于内皮细胞之间以紧密连接的方式连接,内皮细胞含有独特的酶系统,而含有较少的胞饮小泡和缺乏收缩蛋白等,使内皮细胞发挥了屏障的主要功能。由于内皮细胞缺少收缩蛋白,因此,不易使内皮细胞收缩。普遍认为血脑屏障的组织学部位主要是脑毛细血管内皮细胞层,该层细胞排列紧密并具有胞饮作用。一般组织中毛细血管可允许分子量为20000~30000的物质透过毛细血管内皮细胞之间的空隙,但它不能通过脑毛细血管。
(2)基膜:基膜是一种完整连续环绕在毛细血管内皮细胞周围的无定形基质,属于黏多糖类物质,在电镜下观察不到任何结构,其电子密度中等,是辨认毛细血管的重要标志之一。
基膜周围是由胶原纤维组成的网状骨架。一般认为基膜不具有屏障作用,但它酷似细菌或植物的细胞壁起着支撑内皮细胞和防止微血管扭曲的作用。基膜内有周边细胞。在基膜病变后,周边细胞变为巨噬细胞。
(3)足突:星形胶质细胞的突出附着于毛细血管壁者称足突。85%的基膜外周被足突所覆盖,足突与基膜之间仅有2~3nm的间隙。足突主要的功能是:①在个体发育过程中,有助于基膜的合成;②选择性地分泌和吸收溶质如钠、钾等;③通过分泌某些因子,以控制内皮细胞的生长功能;④作为血与脑之间体液和代谢产物转运的细胞内通路,足突没有屏障作用,因为电镜下可见到一小部分毛细血管基膜覆盖的是神经细胞的突出,而不是足突。另外,在幼年动物,当足突还未发育时,脑已存在血脑屏障。研究还发现,铁蛋白或过氧化酶跨过血脑屏障时,神经胶质细胞对这些示踪剂起到极小的阻挡作用。
从化学角度来看,毛细血管内皮细胞的细胞膜是以类脂为基架的双分子层膜结构,并具有亲脂性。因此,脂溶性物质较易透过膜,而带电的大分子多数为水溶性物质,较难透过细胞膜。血脑屏障受下列因素影响。①与血浆蛋白结合的程度:小分子物质若与血浆蛋白结合则难以透过血脑屏障,若以游离的小分子形式存在则易透过血脑屏障。②物质的亲水性与亲脂性:脑毛细血管内皮细胞膜由类脂质组成,凡是脂溶性物质易透过血脑屏障,水溶性物质则难通过血脑屏障。物质的脂溶性和水溶性由化学结构和基因决定。③载体转运系统的完整性:脑毛细血管内皮细胞与其他细胞膜一样存在着许多载体,将细胞外物质运到细胞内或将细胞内物质运到细胞外。一种载体蛋白只能运输一类物质,具有高度的选择性和专一性。现已知的载体蛋白系统有己糖载体、中性氨基酸载体、短链的单羟基酸载体、碱性氨基酸载体等,假若某种载体缺乏,就会影响血脑屏障的完整。④生物转化作用:在血脑屏障的交换中,物质必然受内皮细胞质内生物酶的生物转化作用的影响,一般情况下中枢递质是不能通过血脑屏障的,保证了脑内环境免受血液化学成分剧烈变化的影响。
(二)正常的脑血液循环
1.脑的血流量、流向和脑循环时间
(1)脑血流量(CBF):是指每100g脑组织在单位时间内通过的血液量,以ml/(min·100g)脑组织表示。由于测定方法的不同,正常值有所差异。Kety和Schmdt应用一氧化氮法测定,正常值为54~65ml/(min·100g)脑组织。Helmon等以氙颈动脉注射法测定,正常值为43.3~60.2ml/(min·100g)脑组织。若脑的重量为1400g,则全脑血流量分别为756~910ml/min和600~810ml/min。此外,因有个体差异,全脑血流量的正常值为500~1000ml/min。现已证明,大脑半球的中央前区、脑岛和内囊部的血流较多,额叶的局部血流较少。大脑皮质的灰质中含有较白质更多的毛细血管,Ingvar测定灰、白质的血流量分别为78.0~80ml/(min·100g)和20~20.8ml/(min·100g),灰质的血流量约为白质的4倍。大脑皮质功能活动时,流量增加,静止时减少,当肢体活动时,皮质运动区的血流量先增高。
(2)流向:正常两侧颈内动脉管径相近,每侧颈内动脉有300~400ml/min的血液到达同侧的眼眶和大脑半球。两侧颈内动脉共输入600~800ml/min的血液到达大脑半球,约占全脑血流量的4/5。左右侧椎动脉常有变异,约能输送不足200ml/min的血液到达颈部肌肉、脑干、小脑、枕叶、部分颞叶和脊髓上部,约占全脑血流量的1/5。此外,实验证明,颈动脉到大脑中动脉的动脉压力差与椎动脉到Willis环的压力差基本相等,即大脑中动脉和Willis环的椎动脉部分压力相近。因此,正常人的脑血液循环虽有左右半球、颈动脉系统和椎动脉系统血流量及循环时间的差异,但并不发生血液分流或反流的现象。
(3)脑循环时间:血液从离开心脏经动脉、静脉、肺动脉、肺静脉再到动脉的时间称为体循环时间。血液从颈动脉经颅腔到颈内静脉所需的时间为脑循环时间,或脑通过时间。脑血液循环时间由颅内动静脉之间压力差及血管容积决定。正常人的颈动脉系统循环时间较椎动脉系统为短,右侧半球较左侧半球为短。颈总动脉至颈静脉的时间约为7秒,椎动脉到椎静脉的时间为8~9秒,其中2秒为血液在毛细血管中的代谢和交换时间。脑内血液的淤积,毛细血管的增多和颅内压增高等可使循环时间延长,脑动-静脉瘘型血管畸形、脑及脑膜炎症等可使脑循环速度加快,时间缩短。
2.脑血液量研究的价值 Harper指出,脑血流量测定在下列几个方面具有诊断和治疗价值。
(1)估计动脉瘤患者手术结扎颈动脉后的效果:若结扎后脑血流量降低25%或更多,患者将出现偏瘫;若血流量减少不到25%,则不发生神经系统并发症。
(2)明确脑缺血的范围:若局部脑血流量测定发现,缺血区的脑内盗血或过度灌注现象,则为临床提供治疗依据。
(3)精细的多探头局部脑血流量测定:对某些疾病具有诊断意义,如偏头痛的病因分析和癫
的诊断。
(4)对颈动脉内膜切除的手术效果和脑代谢的观察、昏迷的预后等评估均有一定的参考意义。
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