腦脊液循環(huán)研究進(jìn)展

彭梁生 吳懦君 丁新民

1）山西醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院（山西白求恩醫(yī)院山西醫(yī)學(xué)科學(xué)院同濟(jì)山西醫(yī)院），山西 太原030032 2）成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院，四川 成都 610500

腦脊液是中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞外液的主要組成部分，有許多重要的功能。它是大腦的生理介質(zhì)，為大腦提供機(jī)械支持，使大腦漂浮在腦脊液中，可明顯減輕大腦的有效重量，從而減少慣性，保護(hù)大腦免受加速和減速力的影響。它也參與腦脊液化學(xué)環(huán)境的調(diào)節(jié)，在大腦代謝中起重要作用［1-2］。

1926年，庫欣提出了“第三循環(huán)”的概念，即腦脊液流經(jīng)腦室、腦池和蛛網(wǎng)膜下腔，并在蛛網(wǎng)膜下腔被重新吸收到血液中。自庫欣以來，腦脊液循環(huán)的理論并未受到質(zhì)疑，教科書也一直將該理論作為主要的腦脊液循環(huán)過程。然而，這種對(duì)腦脊液循環(huán)的理解似乎是對(duì)一個(gè)復(fù)雜情況的粗略簡化。本文重新審視了導(dǎo)致腦脊液生理學(xué)傳統(tǒng)概念的關(guān)鍵發(fā)展，并介紹了一些新的發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)了目前我們對(duì)腦脊液循環(huán)的理解。尤其是來自分子和細(xì)胞生物學(xué)以及神經(jīng)影像學(xué)研究的新見解表明，腦脊液循環(huán)過程比以前認(rèn)識(shí)得要更加復(fù)雜。

1 腦脊液的產(chǎn)生

1.1 脈絡(luò)叢和血-腦脊液屏障大腦共有四個(gè)脈絡(luò)叢，分別漂浮在兩側(cè)側(cè)腦室、第三腦室和第四腦室的腦脊液中。傳統(tǒng)認(rèn)為腦脊液主要由脈絡(luò)叢產(chǎn)生。這一觀點(diǎn)最早的支持證據(jù)是基于丹迪的犬實(shí)驗(yàn)［3］。在該實(shí)驗(yàn)中，丹迪通過切除犬一側(cè)側(cè)腦室脈絡(luò)叢并阻斷經(jīng)Monro 孔和Sylvius 導(dǎo)水管的流出通道，觀察到含有脈絡(luò)叢的腦室擴(kuò)張，而另一個(gè)腦室縮小，得出腦脊液是由脈絡(luò)叢分泌的結(jié)論。WELCH［4］在1963 年提供了進(jìn)一步的證據(jù)，證明脈絡(luò)膜血是腦脊液的來源；他的研究發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)膜主靜脈血的紅細(xì)胞比積高于脈絡(luò)膜前動(dòng)脈，說明血液通過脈絡(luò)叢時(shí)血漿容量減少。另外，脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞形成一個(gè)屏障，稱為血液-腦脊液屏障，該屏障主要由緊密連接蛋白組成，具有一定的通透性，允許血液和腦脊液進(jìn)行動(dòng)態(tài)交換［5-6］，從而產(chǎn)生部分腦脊液。研究發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)叢能通過腦脊液釋放各種各樣的生物活性分子，從而調(diào)節(jié)整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的過程，如它可以影響神經(jīng)退行性疾病和自身免疫性疾病的發(fā)展，以及參與多種病原體滲入中樞神經(jīng)系統(tǒng)［5，7-9］。

1.2 間質(zhì)液和血管周圍空間腦脊液占據(jù)了腦室和蛛網(wǎng)膜下腔，間質(zhì)液則填充了神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞之間的狹窄細(xì)胞外空間。間質(zhì)液和腦脊液之間已被證明可以在血管周圍空間內(nèi)進(jìn)行相互交換［10］。從解剖學(xué)上講，血管周圍空間（Virchow-Robin spaces，VRS）指的是組織學(xué)上定義的空間，包括大腦中小動(dòng)脈、毛細(xì)血管和小靜脈周圍的各種通道［11］。最初人們認(rèn)為血管周圍空間連接到蛛網(wǎng)膜下腔，空間內(nèi)的流體可與腦脊液自由交換。然而，隨后的電子顯微鏡及影像學(xué)研究揭示了血管周圍空間的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，無論是在正常還是中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，間質(zhì)液和腦脊液均可以通過星形細(xì)胞末端足上的水通道蛋白4（aquaporin-4，AQP4）進(jìn)行快速的交換，這種對(duì)流可以快速清除腦脊液和大腦組織液，對(duì)維持腦內(nèi)動(dòng)態(tài)平衡極其重要［12-13］。研究發(fā)現(xiàn)，水的共運(yùn)輸是一種可以精確調(diào)節(jié)腦液產(chǎn)生和吸收的途徑［14］，但仍需要進(jìn)一步研究來詳細(xì)地解釋該機(jī)制，且如何量化水通道蛋白介導(dǎo)的液體流動(dòng)也需要進(jìn)一步探索。

2 腦脊液的吸收

2.1 蛛網(wǎng)膜顆粒或絨毛腦脊液進(jìn)入血液循環(huán)涉及多種解剖部位和生理機(jī)制。傳統(tǒng)認(rèn)為，腦脊液的吸收主要是通過蛛網(wǎng)膜顆粒或蛛網(wǎng)膜絨毛到靜脈系統(tǒng)中。WEED等［15］在9～13 mmHg的壓力下重新進(jìn)行了染料注入實(shí)驗(yàn)；他將檸檬酸銨和亞鐵氰化鉀的等滲溶液注入動(dòng)物脊柱的蛛網(wǎng)膜下腔，在動(dòng)物被福爾馬林固定之前沉淀普魯士藍(lán)顆粒。最后發(fā)現(xiàn)染料顆粒分布在整個(gè)腦脊液空間，并且有一部分沿著矢狀竇填充在蛛網(wǎng)膜絨毛周圍。其發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)了對(duì)腦脊液吸收的理解，被多數(shù)研究人員所接受。然而，最近的研究使這一理解受到越來越多的懷疑，促使科學(xué)家們開始重新思考蛛網(wǎng)膜顆粒或絨毛的作用。JACOB等［16］將示蹤劑注射到小鼠腦脊液后，利用熒光顯微鏡成像技術(shù)，觀察到蛛網(wǎng)膜絨顆粒或絨毛并不是示蹤劑的主要流出途徑。EIDE 等［17］將MRI 造影劑作為腦脊液示蹤劑并結(jié)合多次MRI 數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)示蹤劑并不在靜脈竇周圍富集，這進(jìn)一步質(zhì)疑了蛛網(wǎng)膜顆粒的吸收功能。

2.2 沿腦神經(jīng)孔流出腦脊液沿腦神經(jīng)孔流出的主要通路是通過篩板的嗅覺通路［18］。篩板是篩骨的水平部分，含有大量的孔洞，使嗅絲從嗅球延伸到鼻黏膜上皮。早在WEED的對(duì)照研究中便揭示了這一途徑，不過他認(rèn)為與蛛網(wǎng)膜絨毛相比，淋巴途徑通常是腦脊液流出的一條輔助途徑［15］。最近的一項(xiàng)研究不僅證實(shí)腦脊液可通過篩板流出，更進(jìn)一步證明腦脊液沿篩板流出的動(dòng)力隨著篩板的老化而減弱［19］。研究報(bào)告［20］提出了三種可能存在的解剖路徑：（1）沿著嗅神經(jīng)鞘的神經(jīng)周圍通路，通過細(xì)胞組織到達(dá)黏膜下層的淋巴管；（2）沿著嗅神經(jīng)鞘的神經(jīng)周圍通路，直接到達(dá)黏膜下層的淋巴管；（3）穿過篩板的淋巴管可能直接進(jìn)入蛛網(wǎng)膜下腔。

2.3 硬腦膜淋巴管傳統(tǒng)認(rèn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)缺乏淋巴管系統(tǒng)，但這引起一個(gè)重要的問題，大腦如何清除廢物。2015年的兩項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦膜中的淋巴管，這兩項(xiàng)研究都描述了硬腦膜中真實(shí)存在的淋巴管網(wǎng)絡(luò)［21-22］。ALBAYRAM 等［23］利用無創(chuàng)磁共振成像顯示了人類主要的硬腦膜淋巴結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這些淋巴液通道與頸部淋巴結(jié)之間有直接的聯(lián)系。研究報(bào)告發(fā)現(xiàn)位于顱骨內(nèi)硬腦膜層的淋巴管有好幾處，如頸靜脈孔處淋巴管、視神經(jīng)鞘上的淋巴管，但這些淋巴管如何以及在何種條件下參與腦脊液的引流仍有待進(jìn)一步確定［16，20］。HARRISON 等［24］研究認(rèn)為，大腦淋巴系統(tǒng)為β-淀粉樣蛋白和tau等蛋白質(zhì)物種提供清除途徑，這與阿爾茨海默病的病理生理學(xué)有關(guān)，且腦脊液中tau蛋白的表達(dá)水平隨阿爾茨海默病患者病情嚴(yán)重程度增加而升高［25-26］。DA MESQUITA 等［27］發(fā)現(xiàn)硬腦膜淋巴引流受損會(huì)加劇AD患者的小膠質(zhì)細(xì)胞炎癥反應(yīng)，而硬腦膜淋巴功能的增強(qiáng)與免疫治療相結(jié)合會(huì)產(chǎn)生更好的臨床治療結(jié)果。SIMON 等［28］通過對(duì)小鼠的研究，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)血管周圍空間AQP-4 的缺失會(huì)促進(jìn)β淀粉樣蛋白斑塊形成。最近研究中，眼球類淋巴清除系統(tǒng)也已被證實(shí)存在，并且對(duì)眼部疾病（如視神經(jīng)和視網(wǎng)膜疾病）有重要影響［29-31］。

3 腦脊液循環(huán)動(dòng)力學(xué)模式

腦脊液定向流動(dòng)理論已經(jīng)不完全適用于現(xiàn)代腦脊液流體動(dòng)力學(xué)。持續(xù)的液體流入腦室是腦脊液循環(huán)的必要條件。其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)是通過心臟跳動(dòng)引起的血管搏動(dòng)，可暫時(shí)增加血管對(duì)周圍液體的壓力，使血流更加容易滲出到血管周圍空間。另外一個(gè)重要環(huán)節(jié)可以通過腦脊液與間質(zhì)液快速而持續(xù)的對(duì)流來實(shí)現(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)VRS與大腦凈化功能密切相關(guān)，并把腦脊液和間質(zhì)液之間的大量流動(dòng)稱為大腦凈化系統(tǒng)［24，32-33］。水通道蛋白4是大腦中最豐富的水通道之一，分子量為30 kD，呈四聚體結(jié)構(gòu)，通過促進(jìn)水在大腦中的擴(kuò)散來保持大腦內(nèi)離子濃度和滲透性的穩(wěn)態(tài)，它將星形膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞周圍組織連接起來，從而調(diào)節(jié)腦毛細(xì)血管周圍的水動(dòng)力學(xué)以及維持著間質(zhì)流［34-35］。星形膠質(zhì)細(xì)胞在一定程度上決定了血管周圍空間的形狀，并控制血管周圍空間內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)［36］。星形膠質(zhì)細(xì)胞上AQP4在腦屏障內(nèi)發(fā)揮間質(zhì)液循環(huán)器的作用，為毛細(xì)血管周圍間隙提供適當(dāng)?shù)囊后w流入，不僅保證了間質(zhì)液的正常循環(huán)，而且為間質(zhì)流提供了必要的水動(dòng)力條件［37］。盡管星形膠質(zhì)細(xì)胞的特征不同，但水通道蛋白在所有星形膠質(zhì)細(xì)胞中都有表達(dá)［38］。這突出了它在大腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)中的重要性，強(qiáng)化了大腦凈化系統(tǒng)是一個(gè)普遍的清除通路的理論。最近有研究利用顯微鏡觀察示蹤劑的流動(dòng)，不僅證實(shí)了腦脊液向血管周圍空間流動(dòng)，而且證實(shí)了這種液體運(yùn)動(dòng)的方向性，腦脊液在動(dòng)脈周圍空間進(jìn)入大腦，間質(zhì)液在靜脈周圍空間內(nèi)離開大腦［39］，研究證明VRS的形狀、大小、數(shù)量和位置可以通過磁共振來測量［11］。滲透壓在腦脊液動(dòng)力學(xué)中起關(guān)鍵作用，水通道蛋白4 和大腦凈化系統(tǒng)通過建立滲透壓梯度和促進(jìn)腦脊液運(yùn)動(dòng)來促使腦脊液的順利循環(huán)［40］。DRIEU等［41］研究發(fā)現(xiàn)，某些巨噬細(xì)胞是腦脊液流循環(huán)中新的細(xì)胞調(diào)節(jié)因子，他們將這些細(xì)胞統(tǒng)稱為實(shí)質(zhì)邊界巨噬細(xì)胞（pcripheral blood monocytes，PBMs）。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)腦脊液循環(huán)要復(fù)雜得多，是定向流動(dòng)、搏動(dòng)運(yùn)動(dòng)、血管周圍空間細(xì)胞膜處快速而持續(xù)的雙向液體交換的結(jié)合。首先，心臟周期性收縮產(chǎn)生的搏動(dòng)性壓力將水從有孔的毛細(xì)血管中排出到血管周圍空間，并建立間質(zhì)循環(huán)所必需的壓力。毛細(xì)血管周圍的星形膠質(zhì)細(xì)胞系統(tǒng)通過AQP4 將間質(zhì)液運(yùn)輸?shù)矫?xì)血管周圍空間，這個(gè)系統(tǒng)不僅保證了正常的間質(zhì)液循環(huán)，而且在血管周圍空間內(nèi)產(chǎn)生并維持著間質(zhì)流，這使血管周圍空間內(nèi)腦脊液和間質(zhì)液可以迅速交換，動(dòng)脈周圍空間的間質(zhì)流是廢物分子清除系統(tǒng)的重要組成部分，而靜脈周圍空間的間質(zhì)流則產(chǎn)生了大量的液體回流到腦室腔內(nèi)［42-43］。這對(duì)理解及治療與腦脊液循環(huán)密切相關(guān)的疾病可能具有重要臨床意義，如何理解神經(jīng)退行性疾病和大腦免疫性疾病［29］、改進(jìn)腦水腫治療策略、通過腦脊液注射給藥達(dá)到有效治療效果等。因此，隨著對(duì)腦脊液循環(huán)動(dòng)力學(xué)的深入研究，未來可通過在淋巴途徑中調(diào)整腦脊液和間質(zhì)液交換速率或其他靶向調(diào)控來提高溶質(zhì)清除率，更有效的治療相關(guān)疾病。

對(duì)于腦脊液循環(huán)的研究，大部分采用了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。因此，后期仍需要進(jìn)行更深入的研究，如使用超微結(jié)構(gòu)成像技術(shù)或可視化流體流動(dòng)來解決這方面的問題。