AIVOJEN NORMAALISTA VERENKIERROLLISESTA SÄÄTELYSTÄ linjaa Björn Reinstet väitöskirjansa taustaosassa muutamia mielenkiintoisia fysiologisia seikkoja.
Hänen väitöstyönsä nimi:
Cardiac surgery and the brain-studies on cerebral blood flow(CBF) autoregulation and mechanism of cerebral injury (2011, Gothenburg university)
http://gupea.ub.gu.se/bitstream/2077/27812/3/gupea_2077_27812_3.pdf
Kirjan taustaosasta(introduction) muutama suomennoksen lause:
AIVOJEN VERENKIERTO ja veriaivoeste (BBB)
Aivoverenkierto ottaa 15 % siitä valtimoverimäärästä, mitä sydän sykkii ( Cardiac output) valveilla olevalla henkilöllä lepotilassa.
Valtimoveri tulee aivoihin
(1) sisempien päänvaltimoitten, A. carotis interna-suonten välityksellä, jotka suonittavat suurinta osaan kortikaalisista hemisfääreistä ja
(2) vertebralisvaltimon kautta: Arteria vertebralis tuo verta aivorunkoon ja pikkuaivoihin.
Nämä arteriat (valtimot) sijaitsevat luisen pääkopan (cranium) sisäpuolella (intrakraniaalisesti) eikä niillä suurimmaksi osaksi ole anastomooseja (yhtymäkohtia) kraniumin ulkuopuoliseen ( extrakraniaalisen) valtimoverkostoon.
AIVOVERISUONTEN HERMOTUS
Aivoverisuoniin tulee sensorista hermotusta Trigeminus-hermosta ( nervus trigeminus). Sympaattiset säikeet antavat hermotusta aivoverisuonille ja vapauttavat vasoaktiivisia aineita. Pienemmät suonet voivat lisäksi supistua ( constrict) ja laajeta (dilate) vasteena paikalliskontrollille.
Hiussuonistotasolla keskushermostojärjestelmä (CNS, Central Nervous System) pitää yllä tiukkaa kontrollia kudosnesteen komponenteille veri-aivo-esteen (BBB) avulla.
VERIAIVOESTEEN RAKENNE
BloodBrain Barrier (BBB) on funktionaalinen neurovaskulaarinen yksikkö.
Tiiviit liitokset ( tight junctions) pitävät koossa hiussuonten endoteelikerroksen soluja keskenään ja solut saavat säätelyä lähellä sijaitsevan astrosyytin lähettämistä signaaleista. Tällainen rakenne ( barrier) hiussuonissa kiertävän veren ja endoteelin ulkopuolella olevan astrosyytin kesken on jokseenkin pitävä ja läpäisemätön sellaisia veden liukoisia molekyylejä kohtaan, joiden koko on 200-400 Daltonin luokkaa. Mutta vesi sinänsä pääsee vapaasti veriaivoesteen läpi. Kulkeutuneen veden tilavuus on suhteessa hydrostaattisen paineen eroon samoin kuin kolloidiosmoottiseen paineeseen. Muuten veriaivoesteen (BBB) kautta pääsevien aineiden läpäisykyky määräytyy molekyylikoosta, rasvaliukoisuudesta, spesifisistä kuljettajamolekyyleistä ja elektrisistä varauksista.
AIVOSELKÄYDINNESTE
Likvor (CSF). Aivoselkäydinnesteellä, likvorilla, on myös tärkeä osuutensa aivojen anatomiassa ja fysiologiassa (CSF= Cerebro Spinal Fluid) .
Likvorin määrä aivokammioissa (cerebral ventricles) ja subaraknoidaalitilassa ( subarachnoid space) on 130- 140 ml. Lisäksi noin 75 ml ympäröi selkäydintä (spinal cord).
SUONIKALVOINEN PUNOS AIVOKAMMIOISSA TUOTTAA LIKVORIA
Plexus chorioideus, Aivojen suonikalvopunos (Choroid plexus) tuottaa kammioihin uutta likvoria jatkuvasti, noin 500 ml päivässä. Siis yhdellä hetkellä likvortilassa oleva määrä yli kaksinkertaistuu 24 tunnin kuluessa. Itse asiassa aivot ikäänkuin kelluvat nestepatjassa ja teoreettisesti ottaen likvoritilavuuksista aiheutuu nostovoimaa, mikä tekee aivojen painon keveäksi, vain noin 100 grammaiseksi, ja täten likvortila toimii myös hyvin tärkeänä mekaanisena suojafunktiona.
Lisäksi vesi ja liukoiset ainekset vaihtuvat vapaasti likvorin ja hermoston kudosnesteen kesken.
Likvorin komponenttien tutkimus antaa informaatiota aivojen (exolikvorista), extrasellulaarisesta nesteestä. Likvorin natriumin, kaliumin ja muiden jonien pitoisuus ovat suunnilleen samanlaiset kuin veren. Kuitenkin glukoosin määrä on noin 2/3 siitä, mitä veressä ja likvorin proteiinit ovat alle 0.5% plasman proteiinipitoisuudesta.
LIKVORKIERTO
Likvorin jakaantumiseen vaikuttaa suurten aivovaltimoitten välittämät suonistoperäiset pulsaatiot. Tästä johtuen likvorin kierto keskushermostossa lakkaa, jos käytetään cardiopulmonaarista ohitusta (CPB, Cardio Pulmonary Bypass).
Aivoverenkierto osoittaa korkean asteen autoregulaatiota (autoregulation) sikäli, että itse tilanne aivoissa säätää veren virtausta. Täten - päinvastoin kuin muissa elimissä, autonomisella verenkierrollisella kontrollilla on aivoissa vähemmän osuutta.
(1) Metabolinen kontrolliBloodBrain Barrier (BBB) on funktionaalinen neurovaskulaarinen yksikkö.
Tiiviit liitokset ( tight junctions) pitävät koossa hiussuonten endoteelikerroksen soluja keskenään ja solut saavat säätelyä lähellä sijaitsevan astrosyytin lähettämistä signaaleista. Tällainen rakenne ( barrier) hiussuonissa kiertävän veren ja endoteelin ulkopuolella olevan astrosyytin kesken on jokseenkin pitävä ja läpäisemätön sellaisia veden liukoisia molekyylejä kohtaan, joiden koko on 200-400 Daltonin luokkaa. Mutta vesi sinänsä pääsee vapaasti veriaivoesteen läpi. Kulkeutuneen veden tilavuus on suhteessa hydrostaattisen paineen eroon samoin kuin kolloidiosmoottiseen paineeseen. Muuten veriaivoesteen (BBB) kautta pääsevien aineiden läpäisykyky määräytyy molekyylikoosta, rasvaliukoisuudesta, spesifisistä kuljettajamolekyyleistä ja elektrisistä varauksista.
AIVOSELKÄYDINNESTE
Likvor (CSF). Aivoselkäydinnesteellä, likvorilla, on myös tärkeä osuutensa aivojen anatomiassa ja fysiologiassa (CSF= Cerebro Spinal Fluid) .
Likvorin määrä aivokammioissa (cerebral ventricles) ja subaraknoidaalitilassa ( subarachnoid space) on 130- 140 ml. Lisäksi noin 75 ml ympäröi selkäydintä (spinal cord).
SUONIKALVOINEN PUNOS AIVOKAMMIOISSA TUOTTAA LIKVORIA
Plexus chorioideus, Aivojen suonikalvopunos (Choroid plexus) tuottaa kammioihin uutta likvoria jatkuvasti, noin 500 ml päivässä. Siis yhdellä hetkellä likvortilassa oleva määrä yli kaksinkertaistuu 24 tunnin kuluessa. Itse asiassa aivot ikäänkuin kelluvat nestepatjassa ja teoreettisesti ottaen likvoritilavuuksista aiheutuu nostovoimaa, mikä tekee aivojen painon keveäksi, vain noin 100 grammaiseksi, ja täten likvortila toimii myös hyvin tärkeänä mekaanisena suojafunktiona.
Lisäksi vesi ja liukoiset ainekset vaihtuvat vapaasti likvorin ja hermoston kudosnesteen kesken.
Likvorin komponenttien tutkimus antaa informaatiota aivojen (exolikvorista), extrasellulaarisesta nesteestä. Likvorin natriumin, kaliumin ja muiden jonien pitoisuus ovat suunnilleen samanlaiset kuin veren. Kuitenkin glukoosin määrä on noin 2/3 siitä, mitä veressä ja likvorin proteiinit ovat alle 0.5% plasman proteiinipitoisuudesta.
LIKVORKIERTO
Likvorin jakaantumiseen vaikuttaa suurten aivovaltimoitten välittämät suonistoperäiset pulsaatiot. Tästä johtuen likvorin kierto keskushermostossa lakkaa, jos käytetään cardiopulmonaarista ohitusta (CPB, Cardio Pulmonary Bypass).
- AIVOVERENVIRTAUKSEN SÄÄTYMISESTÄ (CBF, Cerebral Blood Flow)
Aivoverenkierto osoittaa korkean asteen autoregulaatiota (autoregulation) sikäli, että itse tilanne aivoissa säätää veren virtausta. Täten - päinvastoin kuin muissa elimissä, autonomisella verenkierrollisella kontrollilla on aivoissa vähemmän osuutta.
(2) Paine-virtaus- autoregulaatio (pressure- flow autoregulation)
(3) Valtimoveren PaCO2 ja O2 muutokset
(4) Neuraalinen kontrolli
(1) Metabolisesta (aineenvaihdunnallisesta) kontrollista:
Aivojen verenvirtaus (CBF) on alueellisesti heterogeenista ja sen "umpimähkäinen" jakaantuminen ei riipu anatomisesta verisuoniston järjestäytymisestä tai verisuonten hermojen verkottumistavasta. Sen sijaan CBF osoittaa kytkeytymistä neuronaalisesti aktiivin kudoksen metabolisen tarpeen ja asianomaiseen aktiiviin aivokohtaan tulevan virtaustilavuuden kesken: Aktiivi neuronaalinen kudos vaatii happea ja glukoosia ja täten verenvirtau volyymin kohentamista siihen kohtaan.
Tätä metabolista hypoteesia on jossain määrin kyseenalaistettu, koska on osoitettu funktionaaliseen aktivaatioon vasteena tulevan aivoverenvirtauksen lisääntymän olevan ylimitoitettua varsinaisen hapen konsumption lisääntymisen suhteen. Virtauksen ja oksidatiivisen aineenvaihdunnan irtikytkentä normaalitilassa toisistaan tällaisen "luxusluokan perfuusion" vallitessa on vielä selittämättä yksityiskohdiltaan.
(2) Verenpaine - verenvirtaus - autoregulaatio (pressure- flow autoregulation)
Aivojen verenvirtaus (CBF) on riippumaton keskiarteriapaineesta (MAP, Mean Arterial Blood Pressure), jos MAP on viitearvoissa noin 60 - 160 mmHg.
Mutta jos MAP on alle 60 mmHg, laskee aivojen verenvirtaus jyrkästi.
//(MAP lasketaan = ( systolinen paine + 2 x diastolinen paine / 3)
ESIM.
Jos verenpaine on 130/75, MAP on (130 + 2 x 75 )/3 = 93.3.)
Jos verenpaine on 85/50, MAP on (85 +2 x 50) /3 = 61.7
Jos verenpaine on 205/140, MAP on (205 + 2 x 140)/ 3= 161,7 )//
ja päinvastaisessa tilanteessa, jos MAP ylittää 160 niin aivojen verenkierto nousee jyrkästi.
Tämä traditionaalinen näkemys aivoverenkierron autoregulaatiosta MAP-alueella 60-160 on kuitenkin aivan viime aikoina alettu myös kyseenalaistaa.(käyrän horisontaali platoo taso)
http://www.google.se/imgres?q=Cerebral+blood+flow,+MAP&um=1&hl=sv&biw=822&bih=511&tbm=isch&tbnid=kVb3LdpD5mNbWM:&imgrefurl=http://www.fac.org.ar/qcvc/llave/c042i/kotliarc.php&docid=MLHib3xjBYGqPM&imgurl=http://www.fac.org.ar/qcvc/llave/c042i/fig01.gif&w=421&h=303&ei=s7f5TuaYINTb4QSZvdCNCA&zoom=1
(3) Valtimoveren PaCO2 ja O2 muutokset
Hypercapniaa ja hypoxiaa molempia seuraa, kun arterioleissa tapahtuu vasodilataatiota (laajenemaa) ja prekapillaariset sfinkterit relaksoituvat, mikä lisää aivoverenvirtausta(CBF).
PCO2 viitearvoissa 25- 60 mmHg on exponentiaalinen suhde PaCO2 ja aivoverenvirtauksen(CBF) kesken: noin neljän prosentin (4%) muutos aivoverenkierrossa (CBF) vastaa jokaista mmHg muutosta PCO2:ssa. Tämän arvellaan johtuvan pH-muutoksista verisuonten sileitten lihassolujen läheisyydessä.
Hapen osapaineella (PaO2) on vain vähän vaikutusta globaaliin aivoverenvirtaukseen siihen asti kunnes se laskee alle 50 mmHg. Tässä pisteessä tapahtuu dramaattinen aivoverenkierron lisääntyminen, mikä edelleenkin laskee PaO2.
Hypercapniaa ja hypoxiaa molempia seuraa, kun arterioleissa tapahtuu vasodilataatiota (laajenemaa) ja prekapillaariset sfinkterit relaksoituvat, mikä lisää aivoverenvirtausta(CBF).
PCO2 viitearvoissa 25- 60 mmHg on exponentiaalinen suhde PaCO2 ja aivoverenvirtauksen(CBF) kesken: noin neljän prosentin (4%) muutos aivoverenkierrossa (CBF) vastaa jokaista mmHg muutosta PCO2:ssa. Tämän arvellaan johtuvan pH-muutoksista verisuonten sileitten lihassolujen läheisyydessä.
Hapen osapaineella (PaO2) on vain vähän vaikutusta globaaliin aivoverenvirtaukseen siihen asti kunnes se laskee alle 50 mmHg. Tässä pisteessä tapahtuu dramaattinen aivoverenkierron lisääntyminen, mikä edelleenkin laskee PaO2.
(4) Neuraalinen kontrolli
Efferentit hermot kulkevat hermottaen aivoverisuonia;
sympaattisia, parasympaattisia ja sensorisia hermosäikeitä on peräisin
ylemmästä kaulagangliosta ( superior cervical ganglion)
sfenopalatiinisesta ja korvakangliosta ( sphenopalatine , otic ganglia)
ja vastaavasti trigeminusgangliosta.
Näistä säikeistä suurin osa on luonteeltaan sympaattisia ja ne toimivat aivoverenkiertoa vähentäen, kun se on metabolisista tarpeista ollut koholla.
AIVOJEN HAPEN SAANTI JA HAPEN TARVE (Cerebral oxygen supply versus demand)
Hereillään olevalla aikuisella on aivojen metabolinen tahti (CMRO2, cerebral metabolic rate)
3.5 ml O2/ 100 g/ minuutti
ja glukoosin otto on 5.5 mg glukoosia / 100 g/ minuutti.
//(ESIM: Vuorokaudessa on 1440 minuuttia, aivojen paino esim 1300 g. Tämä merkitsisi minimaalisinta aivojen sokerin käyttöä noin 13 x1440x 5.5 mg =103 grammaa glukoosia. Aivojen aineenvaihduntaa helpottaa, jos ihminen käyttää hiilihydraatteja ravinnossaan, koska ruoansulatusjärjestelmä saa silloin helposti glykemistä aineenvaihdunnallista materiaalia ja sitten myös glukoosia. Hiilihydraatin osuus ravinnossa tulisi olla 50- 60 E% päivän energiasta; Keskim. tämä on käytännössä 300- 500 g hiilihydraatteja).//
On mahdollista laskea analyyttisesti valtimoveren ja laskimoveren happipitoisuuksien eroista aivojen globaali hemisfäärinen hapen saanti ja tarve. Aivojen vena-sinukset johtavat aivojen laskimoverta foramen jugulare - aukkojen kautta sisempiin kaula-laskimoihin venae jugulares). Laskimoveren happipitoisuus bulbus jugularis kohdasta heijastaa yleistä tasapainoa aivojen hapen saannin ja tarpeen kesken. Analyysi tehdään valtimoveren ja bulbus jugularis -laskimoveren happikyllästeisyydestä.
Hapen saanti ( Oxygen supply) = CBF x valtimoveren happipitoisuus
Hapen tarve ( Oxygen demand) (CMRO2) = CBF x ( valtimoveren O2 - laskimoveren O2 pitoisuus) .
Jugulaarisen laskimon happikyllästeisyys (S=saturation) SjvO2 riippuu aivojen verenvirtauksesta (CBF), aivojen aineenvaihdunnallisesta tahdista (CMRO2) happikyllästeisyydestä (SaO2) ja hemoglobiinista (Hb). Normaali arvo on 55- 75%.
Jos SjvO2 laskee alle 55 %, tämä viittaa riittämättömään hapen saantiin metabolisten tarpeitten kattamisen suhteen.
Jos tapahtuu SjvO2 nousua yli 75%:iin, tämä heijastaa aivojen hapensaannin olevan kohonnut suhteessa metabolisiin tarpeisiin ("luxury perfusion").
Kuten edellä jo mainittiin CBF ja CMRO2 ovat aivojen normaalissa lepotilassa kytkeytyneet keskenään siten, että metabolisten tarpeitten kasvu johtaa aivoverenvirtaukseen lisääntymiseen. Kuitenkin funktionaalisessa aktivaatiossa alueellinen CBF ja alueellinen glukoosiaineenvaihdunta (CMFglc) ovat kytkeytyneinä keskenään, koska ne lisääntyvät vastaavalla tavalla, kun taas happiaineenvaihdunta (CMRO2) lisääntyy vain vähäasteisesti. Tämä on n.s. aivoverenvirtauksen CBF:n ja oksidatiivisen aineenvaihdunnan irralleen kytkeytymistä. On epätodennäköistä, että tämä irtikytkeytyminen olisi varsinaista glukoosin aineenvaihdunnan muutosta.
sympaattisia, parasympaattisia ja sensorisia hermosäikeitä on peräisin
ylemmästä kaulagangliosta ( superior cervical ganglion)
sfenopalatiinisesta ja korvakangliosta ( sphenopalatine , otic ganglia)
ja vastaavasti trigeminusgangliosta.
Näistä säikeistä suurin osa on luonteeltaan sympaattisia ja ne toimivat aivoverenkiertoa vähentäen, kun se on metabolisista tarpeista ollut koholla.
AIVOJEN HAPEN SAANTI JA HAPEN TARVE (Cerebral oxygen supply versus demand)
Hereillään olevalla aikuisella on aivojen metabolinen tahti (CMRO2, cerebral metabolic rate)
3.5 ml O2/ 100 g/ minuutti
ja glukoosin otto on 5.5 mg glukoosia / 100 g/ minuutti.
//(ESIM: Vuorokaudessa on 1440 minuuttia, aivojen paino esim 1300 g. Tämä merkitsisi minimaalisinta aivojen sokerin käyttöä noin 13 x1440x 5.5 mg =103 grammaa glukoosia. Aivojen aineenvaihduntaa helpottaa, jos ihminen käyttää hiilihydraatteja ravinnossaan, koska ruoansulatusjärjestelmä saa silloin helposti glykemistä aineenvaihdunnallista materiaalia ja sitten myös glukoosia. Hiilihydraatin osuus ravinnossa tulisi olla 50- 60 E% päivän energiasta; Keskim. tämä on käytännössä 300- 500 g hiilihydraatteja).//
On mahdollista laskea analyyttisesti valtimoveren ja laskimoveren happipitoisuuksien eroista aivojen globaali hemisfäärinen hapen saanti ja tarve. Aivojen vena-sinukset johtavat aivojen laskimoverta foramen jugulare - aukkojen kautta sisempiin kaula-laskimoihin venae jugulares). Laskimoveren happipitoisuus bulbus jugularis kohdasta heijastaa yleistä tasapainoa aivojen hapen saannin ja tarpeen kesken. Analyysi tehdään valtimoveren ja bulbus jugularis -laskimoveren happikyllästeisyydestä.
Hapen saanti ( Oxygen supply) = CBF x valtimoveren happipitoisuus
Hapen tarve ( Oxygen demand) (CMRO2) = CBF x ( valtimoveren O2 - laskimoveren O2 pitoisuus) .
Jugulaarisen laskimon happikyllästeisyys (S=saturation) SjvO2 riippuu aivojen verenvirtauksesta (CBF), aivojen aineenvaihdunnallisesta tahdista (CMRO2) happikyllästeisyydestä (SaO2) ja hemoglobiinista (Hb). Normaali arvo on 55- 75%.
Jos SjvO2 laskee alle 55 %, tämä viittaa riittämättömään hapen saantiin metabolisten tarpeitten kattamisen suhteen.
Jos tapahtuu SjvO2 nousua yli 75%:iin, tämä heijastaa aivojen hapensaannin olevan kohonnut suhteessa metabolisiin tarpeisiin ("luxury perfusion").
Kuten edellä jo mainittiin CBF ja CMRO2 ovat aivojen normaalissa lepotilassa kytkeytyneet keskenään siten, että metabolisten tarpeitten kasvu johtaa aivoverenvirtaukseen lisääntymiseen. Kuitenkin funktionaalisessa aktivaatiossa alueellinen CBF ja alueellinen glukoosiaineenvaihdunta (CMFglc) ovat kytkeytyneinä keskenään, koska ne lisääntyvät vastaavalla tavalla, kun taas happiaineenvaihdunta (CMRO2) lisääntyy vain vähäasteisesti. Tämä on n.s. aivoverenvirtauksen CBF:n ja oksidatiivisen aineenvaihdunnan irralleen kytkeytymistä. On epätodennäköistä, että tämä irtikytkeytyminen olisi varsinaista glukoosin aineenvaihdunnan muutosta.
Näistä löydöksistä päätelleen aivojen aineenvaihdunnassa aitiossa on basaaliosatekijäin aitio, missä aivojen verenvirtaus (CBF) kytkeytyy hapen aineenvaihduntaan ja aktivaatio-osatekijäin aitio, missä aivojen verenvirtausta kontrolloi toinen ja vielä tuntematon mekanismi.
