脑脊液生成、循环代谢及睡眠状态下冲刷作用的研究进展_庞大承.pdf

综 述基金项目：北京中医药大学校级科研纵向发展基金（）；北京中医药大学基本科研业务费项目（）第一作者简介：庞大承，在读博士研究生，研究方向：中医学和中西医结合基础。通信作者简介：潘彦舒，博士，教授，研究方向：中医学和中西医结合基础。脑脊液生成、循环代谢及睡眠状态下冲刷作用的研究进展庞大承 潘彦舒（北京中医药大学中医学院，北京市）【提要】近年来，随着研究技术和方法的创新，人们对脑脊液的产生、循环代谢有了进一步的认识，这使得脑脊液的经典理论受到了挑战，其中脑膜淋巴管学说及类淋巴系统学说从不同方面给予新的诠释。而睡眠状态下脑脊液的冲刷作用将脑脊液与睡眠联系起来，该作用有助于清除脑内代谢废物，或可为一些疾病的治疗提供新的思路。本文就脑脊液生成、循环代谢的相关研究进展，以及脑脊液在睡眠状态下的冲刷作用进行一综述。【关键词】脑脊液；生成；循环代谢；脑膜淋巴管；类淋巴系统；睡眠；冲刷作用；综述【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）：脑脊液作为已知的脑内物质被熟知，但是对其产生和循环代谢的认知，却经历了漫长过程。目前已形成了脑脊液的经典假说，即脑脊液主要由脉络丛产生，经脑室、脑池和蛛网膜下腔循环，被蛛网膜下腔绒毛或颗粒吸收到血液中。近年来，随着研究的不断深入，关于脑脊液的产生和循环代谢等都有了新的发现，包括关于脑脊液循环代谢的脑膜淋巴管学说及类淋巴系统学说。其中类淋巴系统学说的提出，揭示了在睡眠状态下脑脊液的节律性冲刷对脑内代谢产物具有清除作用。脑脊液及其产生 关于脑脊液的文献描述可以追溯到公元前十七世纪的埃德温史密斯的莎草纸文稿，其记载了在颅骨粉碎性骨折后大脑枕部的硬脑膜撕裂处有液体流出，而流出的液体则被认为是对脑脊液的第一次描述。希波克拉底则是最早将脑脊液描述为包围大脑的“水”的先驱之一，但是当时并没有关于脑脊液的直接描述。在随后的十几个世纪里人们对脑脊液的认识几乎毫无进展。直到 年，法国医师在文献中首次使用了“脑脊液”一词，用于描述脑室和蛛网膜下腔的液体，后来成为专业医学术语。年，发表了脑脊液的研究一文，得出脑脊液产生于脉络丛这一结论，的实验印证了该结论。至此，有关脑脊液的研究逐渐兴起。在传统认识中，的脑脊液由侧脑室、第三脑室和第四脑室的脉络丛产生，成年人脑脊液总量为 。脑脊液从侧脑室经室间孔流入到第三脑室，向下经中脑水管流入第四脑室，后经第四脑室正中孔和两外侧孔流入蛛网膜下隙，并经蛛网膜绒毛或颗粒渗透到硬脑膜窦（主要是上矢状窦），回流入静脉，脑脊液流动的这一循环特性被认为是“第三循环”。然而 的结论是基于缺乏可重复性的单次犬科实验得出的。随着研究的深入，神经病理学的研究结果不支持脑脊液主要来自脉络丛这一假说，脑脊液流动的循环特性受到了质疑，研究者们针对脑脊液的形成部位和吸收速度等问题提出新的思考。下文即主要针对脑脊液的产生部位、产生方式和吸收部位进行阐释。根据经典假说，脑脊液的产生部位在脑室，由脉络丛产生。的犬科实验将一侧室间孔堵塞，并切除同侧脑室内的脉络丛组织，结果显示无脉络丛的脑室塌陷而其他脑室扩张，由此得出了上述结论。但有趣的是，该实验仅对一只狗进行观察，且实验结果无法重现（和 分别于 年和 年重复了实验，但均未得出同样结论）。随后临床医生们通过对脑积水患者进行手术治疗逐渐发现，脉络丛切除术并未减轻脑积水患者的颅内压，相反，仍有三分之二的患者需要再次进行脑室腹腔分流术。等复制了 和 对恒河猴进行的一项实验，在该研究中进行了脉络丛切除术，但发现脑脊液量没有改变。很显然，经典的理论不再适用于新的发现。最新研究表明，脑脊液不是由局部分泌器官产生，而是在整个循环过程中持续生成的，绝大部分脑脊液的产生部位位于脑和脊髓的蛛网广西医学 年 月第 卷第 期膜下腔区域，既往认为由脑室脉络丛生成的脑脊液约占脑脊液总量的，现在认为仅为 。经典假说“脑脊液产生于脉络丛理论”中脑脊液的产生方式取决于颅内压和渗透压梯度的变化，其产生方式是被动的。例如，等提出的观点：脑脊液的产生和吸收仅仅依赖于水动力和渗透梯度。但是目前的细胞和分子生物学研究并没有证实这一观点。新近研究表明，由于脉络丛是高度分化和血管化的结构，其毛细血管的内皮细胞是开孔的；而脑脊液的形成可分为两个阶段，第一个阶段为静水压促使血浆超滤后通过内皮细胞，第二个阶段是以主动转运的方式通过脉络丛表面的脉络膜上皮转运至双侧脑室，即液体通过高渗透性毛细血管内皮的被动过滤和单层脉络膜上皮的调节进行分泌。目前认为，脉络膜产生脑脊液是由上皮内的膜转运体控制的。不同的转运蛋白在基底外侧膜（面向血浆）和顶端膜（面向脑脊液）中表达。小鼠脉络膜上皮细胞内高浓度的钠离子和氯离子决定了钠钾氯共转运蛋白体 型（，）的向外定向转运，因此 可能是导致脑脊液产生的一个因素。在体内对脑脊液的产生有显著的促进作用。脑脊液的循环代谢 传统观点认为，蛛网膜绒毛或颗粒是吸收脑脊液的唯一部位。但是，新近研究表明，脑脊液也可以被其他部位吸收，如静脉窦周围区域以外的部位。有学者提出，神经周围嗅鞘也可能是脑脊液流出的重要部位，亦是吸收部位；也有学者提出，视神经和眶后组织周围的区域也参与了脑脊液的吸收；还有研究探讨了脊髓管和脊神经根对脑脊液的吸收。此外，近年来备受关注的一个吸收途径是脑脊液通过嗅神经周围组织从筛板到达鼻黏膜，然后再转移到颈部淋巴结被吸收。有学者将普鲁士蓝注入犬蛛网膜下腔后发现，淋巴系统亦是吸收脑脊液的重要途径。这些研究表明，脑脊液吸收的部位不只是蛛网膜绒毛或颗粒，还有许多其他的途径。脑膜淋巴管学说过去的一些观点认为，大脑内并没有淋巴管，但是针对脑内淋巴管假说的研究却一直在进行。近年来，研究人员通过 增强扫描清晰显示出的脑内淋巴管信号，证实了脑膜淋巴管的存在。有研究表明，成像证实了人和狨猴的身上存在脑膜淋巴管。有关脑内淋巴系统的研究，可以解释脑实质内代谢产物是如何通过脑脊液与组织液的交换被带出脑实质的。但是被带出脑实质的代谢产物依旧在脑脊液中，尚未离开脑内，因此脑内淋巴管的存在为其提供了一条新途径。传统的观点认为，脑脊液是通过蛛网膜绒毛或颗粒离开蛛网膜下腔进入硬脑膜静脉窦从而回流入血；其也可以沿着嗅束穿过筛板进入鼻黏膜的淋巴网络，汇入颈深淋巴结。但有研究显示，脑膜淋巴管与动脉、静脉窦及颅神经伴行，并与之共同穿过相应的孔隙出颅，直接与颅外的淋巴管道相连，流入颈深淋巴结。有学者向缺乏脑膜淋巴管的小鼠脑实质内注射荧光造影剂，发现造影剂的清除率明显降低，同时颈深淋巴结积聚现象几乎消失，表明脑膜淋巴管对脑脊液中大分子物质的清除及细胞的转运具有重要作用。目前，脑膜淋巴管的位置，以及脑脊液及其代谢产物如何透过管壁进入管腔等一系列问题，仍有待进一步的研究以验证。类淋巴系统学说在外周组织中，淋巴系统将组织液和其他大分子代谢产物回收入体循环，在维持机体内环境的稳态中具有重要的作用。在中枢神经系统中，脑组织同样会产生大量具有神经毒性的蛋白和其他代谢产物，但是传统观念认为中枢神经系统内不存在淋巴系统，脑脊液相当于外周组织中的淋巴，可作为神经系统内的信息载体，对中枢神经起着保护、运输、营养和细胞间通信等作用。早在 年就通过显微解剖发现并报告了类淋巴系统，但由于技术条件的限制，这一发现在当时并未引起足够的重视。年，等在探索脑脊液在脑内的动态流动过程时首次发现并定义了类淋巴系统，并通过双光子显微镜对荧光标记的大鼠脑脊液进行动态观察，发现脑脊液伴随动脉的皮层分支深入脑组织，并进入穿支动脉的血管周围间隙；而体外实验表明，被标记的脑脊液会沿着中央深静脉和鼻腔静脉离开体内。团队进一步研究发现，向敲除全脑水通道蛋白 基因的小鼠小脑延髓池注入荧光标记的卵白蛋白后，进入动脉周围间隙脑脊液的量并未减少，而进入脑实质中的脑脊液量却显著减少。基于上述观察结果，将类淋巴系统定义为依赖水通道蛋白 驱动的全脑范围的血管周围途径，以及清除脑实质内间质溶质的最主要途径。从解剖学的角度来看，类淋巴系统由 个部分组成，即动脉旁的脑脊液流入路径、静脉旁的脑组织间液清除路径、依赖星形胶质细胞水通道蛋白 的脑实质转运路径，其功能是输送营养和免疫细胞，以及清除内、外源性废物。血管周围间隙是类淋巴系统最基础的组织结构，其由血管外膜和包绕在其周围的星形胶质细胞的终足形成，这一间隙随着各级动脉深入脑实质，也随着脑各级静脉离开脑实质。正常生理状态下脑脊液的具体循行过程是：脑脊液沿着软脑膜动脉皮层分支下降入脑，流入穿通动脉的周围间隙，并穿过动脉周 ，围星形胶质细胞的终足进入组织间隙而成为组织液，随后穿过静脉周围的星形胶质细胞的终足流入静脉周围间隙，最终汇入蛛网膜下隙，回流入静脉，实现脑脊液与组织液的交换，从而将代谢产物带出脑实质并进入体循环。目前认为，脑脊液压力、动脉搏动和呼吸是类淋巴系统中液体流动的主要动力。脑脊液流入动脉周围间隙，而间隙周围为疏散的纤维组织，脉络丛不断生成脑脊液，形成一种迫使脑室内的液体流向蛛网膜下腔的驱动力。在小鼠实验中，结扎颈内动脉使动脉搏动减弱，可导致脑脊液与组织液的交换量下降，反之二者的交换量增加，由此可见动脉搏动亦是驱动脑脊液内流的动力之一。研究显示，人在深吸气时胸膜腔压力的下降可导致脑脊液外流加快。此外，体位变化、意识状态（睡眠 麻醉、觉醒状态）等都可影响脑脊液的流动和类淋巴系统的清除。类淋巴系统为脑组织中的神经毒性蛋白和其他代谢产物清除出脑提供了路径，另外，脑脊液中的葡萄糖、电解质、脂质分子及大分子有机物质也可以通过此途径被输送、分布到脑组织中。睡眠状态下脑脊液的冲刷作用 脑脊液冲刷的概念是基于在非快速眼动睡眠（慢波睡眠）阶段血液大规模、周期性地流出大脑的同时，脑脊液冲入大脑完成有效清洗这一实验现象得出的结论性描述。众所周知，睡眠在维持人体正常的生理功能和促进机体恢复等方面发挥着重要的作用。研究表明，与清醒状态下相比，在人类慢波睡眠期，脑脊液的循环与脑内代谢废物的清除有着密切的联系。而针对睡眠相关脑脊液动力学的研究也表明，衰老过程中的记忆障碍与慢波抑制有关，慢波丢失又可影响脑脊液流量的减少。现将关于睡眠与脑脊液清除代谢之间的关系阐释如下。睡眠可分为快波睡眠（快速眼球运动睡眠）和慢波睡眠。睡眠不是一个由浅睡眠到深睡眠的连续过程，而是两个不同睡眠时相发生周期性的交替，先是进入快波睡眠，后转入慢波睡眠，由期开始，随后相继过渡到、期，整个睡眠过程中有 次的交替。研究表明，在慢波睡眠阶段血液会大规模、周期性地流出大脑，同时脑脊液会流进大脑以填满留给它的空间，觉醒后交替的睡眠周期消失，脑脊液则无法大量地流入大脑以完成有效的冲刷。这表明，慢波睡眠阶段有利于脑脊液大量流入以清除脑内代谢产物，以及清醒状态下大脑自身产生的神经毒性产物（如淀粉样蛋白等），从而维持脑内微环境的稳定。等借助双光子成像技术发现，相比于麻醉状态下的小鼠，清醒状态下的小鼠脑脊液的流入量降低了，随后实验排除了麻醉剂副作用的影响，对自然睡眠状态下的小鼠也进行实验，同样得出了相似结果。研究表明，相比于清醒状态，在睡眠和麻醉状态下脑内类淋巴系统的功能增强。而脑内类淋巴系统则是脑脊液清除脑内代谢废物的重要途径。脑脊液通过大脑循环，与间质液交换从而去除脑内代谢废物（如淀粉样蛋白等）。脑脊液和间质液的对流交换是在脑血管周围进行的，在动脉周围流入，而沿着静脉流出，并依赖水通道蛋白 在脑实质中进行转运。为了明确大脑活动状态是否控制了脑脊液的流入，等进行了相关实验，结果显示，与自然睡眠或麻醉的小鼠相比，清醒小鼠的脑脊液流入明显受到抑制，且清醒小鼠的脑脊液流入由于间质空间的收缩而受到抑制。清醒与睡眠状态下脑内间质空间差异明显，其原因可能与去甲肾上腺素的释放有关，而调控睡眠觉醒节律的本质决定了去甲肾上腺素的释放。一方面，去甲肾上腺素可以直接作用于脉络丛上皮细胞，抑制脑脊液的产生；另一方面，其也可以通过增大细胞体积，间接地增加脑脊液的阻力。由此可见，慢波睡眠状态下，脑脊液的流入量显著增多，与间质液的交换频率也随之增加，从而可提高类淋巴系统对脑内代谢产物的清除效率，清除白昼积累的代谢产物；觉醒时，蓝斑产生的去甲肾上腺素增加，使得脑脊液