Tự điều hòa tuần hoàn não và hàng rào máu–não

Não có dự trữ năng lượng hạn chế nhưng tiêu thụ oxy và glucose liên tục. Lưu lượng máu não (cerebral blood flow, CBF) ở người trưởng thành trung bình khoảng 50–65 mL/100 g mô/phút, tương đương khoảng 750–900 mL/phút cho toàn não. Con số thay đổi theo vùng, tuổi, trạng thái thức–ngủ, PaCO2, thuốc và bệnh lý [1,2].

Chất xám được tưới máu nhiều hơn chất trắng vì mật độ synap và nhu cầu chuyển hóa cao hơn. Não không hoạt động đồng đều: khi một mạng neuron tăng hoạt động, lưu lượng tại vùng đó tăng trong vài giây. Điều hòa tuần hoàn não vì vậy vừa có thành phần toàn thể để bảo vệ tưới máu, vừa có thành phần khu trú để khớp cung cấp với nhu cầu.

Áp lực tưới máu não (CPP) được ước tính bằng huyết áp động mạch trung bình (MAP) trừ áp lực nội sọ (ICP):

CPP = MAP − ICP

Lưu lượng liên hệ với áp lực và sức cản mạch não (CVR):

CBF ≈ CPP/CVR

Nếu CPP giảm, các tiểu động mạch có thể giãn để giảm CVR và duy trì CBF. Nếu CPP tăng, chúng có thể co để hạn chế truyền áp lực xuống mao mạch. Nhưng sức cản còn chịu tác động của CO2, O2, chất chuyển hóa, nội mô, thần kinh tự chủ, độ nhớt máu và cấu trúc thành mạch [1,3].

Tự điều hòa não là khả năng giữ CBF tương đối ổn định trước thay đổi áp lực tưới máu. Mô hình kinh điển mô tả một vùng gần bằng phẳng khi MAP khoảng 60–150 mmHg ở người khỏe mạnh: dưới giới hạn thấp, mạch đã giãn tối đa và CBF giảm theo áp lực; trên giới hạn cao, mạch không thể co thêm, CBF và áp lực mao mạch tăng [1,3].

Các cơ chế phối hợp gồm:

• Cơ sinh: cơ trơn co khi áp lực xuyên thành tăng và giãn khi áp lực giảm.
• Chuyển hóa: CO2, H+, adenosine, K+ và các tín hiệu chuyển hóa làm thay đổi trương lực mạch.
• Nội mô: nitric oxide, prostanoid, endothelin và tín hiệu cơ học điều hòa cơ trơn.
• Thần kinh: giao cảm, phó giao cảm và sợi cảm giác điều biến, đặc biệt ở các mạch lớn và khi huyết áp thay đổi mạnh.
• Tế bào quanh mạch: astrocyte và pericyte góp phần phân bố đáp ứng dọc cây mạch [3–6].

Tự điều hòa tĩnh mô tả quan hệ trung bình giữa áp lực và lưu lượng ở trạng thái ổn định. Tự điều hòa động mô tả tốc độ mạch não chống lại biến động áp lực trong vài giây. Hai khái niệm liên quan nhưng không thay thế nhau; một phép đo ngắn không nhất thiết phản ánh toàn bộ dự trữ tự điều hòa.

CO2 khuếch tán nhanh qua hàng rào máu–não. Khi PaCO2 tăng, CO2 tạo H+ trong dịch ngoại bào não, làm giãn tiểu động mạch và tăng CBF; khi PaCO2 giảm, mạch co và CBF giảm. Trong khoảng sinh lý, CBF thay đổi nhanh và gần tuyến tính theo PaCO2, dù biên độ phụ thuộc nền huyết áp, thuốc, tuổi và bệnh lý [1,7].

Tác dụng của giảm CO2 xuất hiện nhanh nhưng không bền hoàn toàn: vận chuyển bicarbonate và điều chỉnh pH dịch não làm đáp ứng giảm dần trong nhiều giờ. Vì vậy, tăng thông khí kéo dài không duy trì cùng mức co mạch và có thể giảm tưới máu vùng đang nguy cơ thiếu máu.

Oxy có ảnh hưởng nhỏ tới CBF khi PaO2 còn trong khoảng bình thường. Khi PaO2 giảm rõ, đặc biệt dưới khoảng 50–60 mmHg, mạch não giãn mạnh để bảo vệ cung cấp oxy. Cần phân biệt lưu lượng với vận chuyển oxy: thiếu máu nặng làm giảm hàm lượng oxy động mạch và có thể kích thích tăng CBF dù PaO2 bình thường [1,7].

Liên kết thần kinh–mạch (neurovascular coupling) là quá trình hoạt động neuron làm tăng tưới máu khu trú. Glutamate, K+, adenosine, nitric oxide và các chất chuyển hóa arachidonic tham gia truyền tín hiệu giữa neuron, interneuron, astrocyte, pericyte, nội mô và cơ trơn. Không có một chất trung gian duy nhất chi phối mọi vùng hoặc mọi trạng thái [5,6,8].

Đáp ứng huyết động là cơ sở của fMRI BOLD và nhiều kỹ thuật hình ảnh chức năng. BOLD phản ánh thay đổi tương đối oxyhemoglobin–deoxyhemoglobin do phối hợp giữa CBF, thể tích máu và tiêu thụ oxy; nó không đo trực tiếp sự phóng xung neuron. Khi liên kết thần kinh–mạch suy, tín hiệu BOLD có thể thay đổi dù hoạt động neuron không đổi tương ứng.

Đơn vị thần kinh–mạch là một hệ chức năng gồm:

Khái niệm này nối hai chức năng thường được học tách biệt: điều hòa lưu lượng và duy trì hàng rào. Tổn thương một thành phần có thể đồng thời gây rối loạn tự điều hòa, giảm đáp ứng chức năng, tăng tính thấm và viêm quanh mạch [5,6,8].

Hàng rào máu–não (blood–brain barrier, BBB) nằm chủ yếu tại tế bào nội mô mao mạch não. Khác nội mô ngoại vi, các tế bào này có liên kết chặt phát triển, ít túi vận chuyển xuyên bào và biểu hiện hệ chất vận chuyển–bơm tống đặc hiệu. Màng đáy, pericyte và chân tận astrocyte duy trì kiểu hình hàng rào nhưng không tự tạo bít kín lòng mạch [2,9,10].

BBB có ba chức năng lớn:

1. Giữ môi trường ion ngoại bào ổn định để neuron phát xung chính xác.
2. Hạn chế độc chất, protein huyết tương và biến động ngoại vi xâm nhập não.
3. Cho phép trao đổi chọn lọc chất dinh dưỡng, chất chuyển hóa và tín hiệu giữa máu với não.

BBB không phải bức tường bất động. Các chất vận chuyển, thụ thể, enzyme và tương tác miễn dịch được điều hòa theo vùng, nhịp sinh học, tuổi và trạng thái bệnh [9,10].

Nước qua BBB theo gradient thẩm thấu và các đường màng, trong đó aquaporin-4 tập trung ở chân tận astrocyte hỗ trợ cân bằng nước của mô. Protein huyết tương bình thường bị hạn chế mạnh; khi hàng rào hỏng, protein vào ngoại bào kéo theo nước và góp phần gây phù mạch [9–11].

Hàng rào máu–dịch não tủy nằm ở biểu mô đám rối mạch mạc, không nằm tại nội mô mao mạch có cửa sổ bên dưới. Liên kết chặt giữa các tế bào biểu mô kiểm soát thành phần dịch não tủy và vận chuyển ion chủ động để tạo dịch [1,9].

Một số cơ quan quanh não thất như vùng sau cùng, cơ quan dưới vòm và vùng sàn não thất ba có mao mạch thấm hơn để cảm nhận hormone, áp lực thẩm thấu hoặc độc chất trong máu. Sự “ngoại lệ” này có tổ chức và chức năng chuyên biệt, không đồng nghĩa toàn bộ vùng quanh não thất không có hàng rào.

Tự điều hòa và tính thấm không phải hai công tắc bật–tắt. Chúng thay đổi theo vùng, thời gian và mức độ tổn thương. Một vùng có thể mất đáp ứng với áp lực nhưng còn phản ứng CO2; vùng khác có BBB rò mà lưu lượng trung bình vẫn tương đối bảo tồn [3,9].

• Doppler xuyên sọ theo dõi vận tốc dòng máu, hữu ích cho biến động theo thời gian nhưng vận tốc không luôn bằng lưu lượng.
• ASL-MRI, PET hoặc CT tưới máu ước tính CBF vùng bằng các chất đánh dấu hoặc mô hình động học.
• Phản ứng CO2 đánh giá dự trữ giãn mạch bằng thay đổi CBF hoặc vận tốc khi CO2 thay đổi có kiểm soát.
• Chỉ số tự điều hòa phân tích tương quan giữa dao động huyết áp/CPP và tín hiệu dòng máu hoặc ICP.
• MRI tăng tương phản động và các dấu ấn dịch đánh giá tính thấm BBB, nhưng kết quả phụ thuộc mô hình và thời điểm.
• fMRI BOLD phản ánh đáp ứng huyết động liên quan hoạt động, không phải phép đo trực tiếp neuron hay BBB.

Không kỹ thuật nào đo toàn bộ hệ. Diễn giải cần xác định đại lượng đang đo — áp lực, vận tốc, lưu lượng, oxy hóa hay tính thấm — và khoảng thời gian được lấy mẫu.

• CBF là kết quả của CPP và CVR, không thể suy ra chỉ từ huyết áp.
• Tự điều hòa là một quá trình động, có giới hạn riêng từng người và thay đổi theo bệnh.
• CO2 điều chỉnh CBF mạnh và nhanh; oxy chỉ gây giãn mạch rõ khi giảm đáng kể.
• Liên kết thần kinh–mạch là cơ sở của tăng tưới máu chức năng và tín hiệu BOLD.
• Nội mô có liên kết chặt tạo BBB; astrocyte và pericyte duy trì nó trong đơn vị thần kinh–mạch.
• BBB và hàng rào máu–dịch não tủy khác nhau về vị trí giải phẫu và cơ chế.