การไหลเวียนเลือดในสมอง

การไหลเวียนเลือดในสมองทำหน้าที่หล่อเลี้ยงสมอง ซึ่งเป็นอวัยวะที่มีความสามารถในการเก็บสะสมพลังงานน้อย แต่ต้องอาศัยการได้รับออกซิเจนและกลูโคสอย่างต่อเนื่อง เพื่อรักษาสภาวะนี้ การไหลเวียนเลือดในสมองจึงถูกควบคุมอย่างเข้มงวด: โดยจะคงที่ค่อนข้างสม่ำเสมอแม้ความดันโลหิตจะเปลี่ยนแปลงไป มีความไวสูงต่อคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจน และจะเพิ่มขึ้นเฉพาะที่ในบริเวณที่มีการทำงานเพื่อตอบสนองต่อกิจกรรมของเซลล์ประสาท

Definition

การไหลเวียนเลือดในสมองคือระบบหลอดเลือดเฉพาะส่วนที่หล่อเลี้ยงสมอง การไหลเวียนเลือดถูกควบคุมโดยการควบคุมตนเอง (autoregulation) โดยความไวต่อคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนในหลอดเลือดแดง และโดยการเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด (neurovascular coupling) เพื่อให้การไหลเวียนเลือดคงที่และสอดคล้องกับกิจกรรมของเซลล์ประสาท

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงปัจจัยหลักในการควบคุมการไหลเวียนเลือดในสมอง ได้แก่ การควบคุมตนเองของความดัน (pressure autoregulation) การตอบสนองอย่างรุนแรงต่อคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนในหลอดเลือดแดง การเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด (neurovascular coupling) และอิทธิพลของระบบประสาทอัตโนมัติและเซลล์บุผนังหลอดเลือด บทความนี้จะกล่าวถึงการไหลเวียนเลือดในสมองในฐานะสรีรวิทยาการควบคุมปกติ และเป็นพื้นฐานความเข้าใจภาวะสมองขาดเลือดและพลวัตภายในกะโหลกศีรษะ ไม่ได้เป็นแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

Core questions

• การไหลเวียนเลือดในสมองคงที่ได้อย่างไร แม้ความดันหลอดเลือดแดงจะเปลี่ยนแปลงไป?
• ทำไมการไหลเวียนเลือดในสมองจึงมีความไวสูงต่อคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดง?
• กิจกรรมของเซลล์ประสาทเฉพาะที่เพิ่มการไหลเวียนเลือดเฉพาะที่ได้อย่างไร (การเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด)?
• อะไรเป็นข้อจำกัดของการไหลเวียนเลือดในสมองภายในกะโหลกศีรษะที่แข็ง?

Key concepts

• การควบคุมตนเองของสมอง (Cerebral autoregulation)
• การตอบสนองต่อคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 reactivity)
• การขยายตัวของหลอดเลือดจากภาวะขาดออกซิเจน (Hypoxic vasodilation)
• การเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด (Neurovascular coupling) (ภาวะเลือดคั่งจากการทำงาน)
• ความดันการไหลเวียนเลือดในสมอง (Cerebral perfusion pressure)
• ข้อจำกัดจากความดันในกะโหลกศีรษะ (Intracranial pressure constraint)
• การส่งสัญญาณของเซลล์แอสโทรไซต์และเซลล์เพอริไซต์ (Astrocyte and pericyte signaling)

Key theories

การควบคุมตนเองของสมอง (Cerebral autoregulation)

หลอดเลือดสมองที่มีความต้านทานจะปรับสภาพของผนังหลอดเลือดเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของความดันการไหลเวียนเลือด เพื่อให้การไหลเวียนเลือดในสมองคงที่ค่อนข้างสม่ำเสมอในช่วงความดันหลอดเลือดแดงที่หลากหลาย ซึ่งช่วยปกป้องสมองจากทั้งภาวะเลือดไปเลี้ยงไม่พอและภาวะเลือดไปเลี้ยงมากเกินไป

การเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด (Neurovascular coupling)

กิจกรรมของเซลล์ประสาทและเซลล์เกลียเฉพาะที่กระตุ้นให้เกิดการขยายตัวของหลอดเลือดในบริเวณใกล้เคียง ทำให้การไหลเวียนเลือดไปยังบริเวณสมองที่มีการทำงานเพิ่มขึ้น และสอดคล้องกับความต้องการเมตาบอลิซึมเฉพาะที่ การเชื่อมโยงนี้เป็นพื้นฐานทางสรีรวิทยาของสัญญาณที่ใช้ในการสร้างภาพการทำงานของสมอง

Mechanisms

การไหลเวียนเลือดในสมองถูกกำหนดโดยความดันการไหลเวียนเลือดในสมอง (cerebral perfusion pressure) (ซึ่งเป็นผลต่างระหว่างความดันหลอดเลือดแดงและความดันในกะโหลกศีรษะ) หารด้วยความต้านทานของหลอดเลือดสมอง (cerebrovascular resistance) ปัจจัยควบคุมหลายอย่างส่งผลต่อความต้านทานนี้ การควบคุมตนเอง (autoregulation) ผ่านการตอบสนองของกล้ามเนื้อเรียบ (myogenic) และเมตาบอลิซึม (metabolic) ช่วยรักษาระดับการไหลเวียนเลือดให้ค่อนข้างคงที่เมื่อความดันการไหลเวียนเลือดเปลี่ยนแปลงภายในช่วงหนึ่ง หลอดเลือดสมองมีความไวสูงต่อคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดง โดยจะขยายตัวเมื่อระดับคาร์บอนไดออกไซด์สูงขึ้นและหดตัวเมื่อลดลง และจะขยายตัวเพื่อตอบสนองต่อภาวะขาดออกซิเจนอย่างรุนแรง การเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด (neurovascular coupling) เชื่อมโยงกิจกรรมของเซลล์ประสาทและเซลล์เกลียเฉพาะที่ รวมถึงการส่งสัญญาณของเซลล์แอสโทรไซต์ (astrocyte signaling) และการตอบสนองของเซลล์เพอริไซต์ (pericyte responses) เข้ากับการขยายตัวของหลอดเลือดใกล้เคียง เพื่อให้บริเวณที่มีการทำงานได้รับเลือดเพิ่มขึ้น อิทธิพลของระบบประสาทอัตโนมัติและเซลล์บุผนังหลอดเลือด (autonomic and endothelial influences) จะปรับการตอบสนองเหล่านี้ เนื่องจากสมองอยู่ภายในกะโหลกศีรษะที่แข็ง ความดันในกะโหลกศีรษะจึงเป็นปัจจัยเพิ่มเติมที่กำหนดการไหลเวียนเลือด

Clinical relevance

การควบคุมการไหลเวียนเลือดในสมองที่เข้มงวดอธิบายได้ว่าทำไมสมองจึงมีความเปราะบางเมื่อการควบคุมตนเอง (autoregulation) การตอบสนองต่อคาร์บอนไดออกไซด์ หรือความดันการไหลเวียนเลือดถูกรบกวน เช่น ในภาวะหลอดเลือดสมองตีบหรือแตก (stroke) ความดันในกะโหลกศีรษะสูง หรือภาวะเป็นลมหมดสติ (syncope) การเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด (neurovascular coupling) เป็นพื้นฐานของสัญญาณที่ใช้ในการสร้างภาพการทำงานของสมอง (functional brain imaging) บทความนี้อธิบายสรีรวิทยาการควบคุมปกติเพื่อเป็นพื้นฐานความเข้าใจ และไม่ใช่ข้อมูลสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

สรีรวิทยาที่สรุปไว้ในที่นี้ได้มาจากบทวิจารณ์แบบบูรณาการเกี่ยวกับการควบคุมการไหลเวียนเลือดในสมองของมนุษย์ การสังเคราะห์แบบคลาสสิกของการไหลเวียนเลือดในสมองและการใช้ออกซิเจน และบทวิจารณ์เกี่ยวกับพื้นฐานระดับเซลล์ของการเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด (neurovascular coupling) ไม่ได้มาจากผลการทดลองทางคลินิกหรือแนวทางการปฏิบัติทางคลินิก

History

การวัดการไหลเวียนเลือดในสมองและการใช้ออกซิเจนในมนุษย์ในศตวรรษที่ 20 ซึ่งสังเคราะห์โดย Lassen ได้สร้างแนวคิดของการควบคุมตนเอง (autoregulation) และการตอบสนองต่อคาร์บอนไดออกไซด์ งานวิจัยในภายหลังได้ชี้แจงกลไกระดับเซลล์ที่กิจกรรมของเซลล์ประสาทและเซลล์เกลียขับเคลื่อนการไหลเวียนเลือดเฉพาะที่ และการศึกษาแบบบูรณาการในมนุษย์ได้รวบรวมการควบคุมความดัน ก๊าซในเลือด และระบบประสาทเข้าไว้ด้วยกันเป็นคำอธิบายที่เป็นหนึ่งเดียวของการไหลเวียนเลือดในสมอง

Debates

การเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือดเริ่มต้นที่ระดับเซลล์ได้อย่างไร?

การมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ของเซลล์ประสาท เซลล์แอสโทรไซต์ และเซลล์เพอริไซต์ รวมถึงโมเลกุลส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกิจกรรมกับการขยายตัวของหลอดเลือด ยังคงเป็นประเด็นที่อยู่ระหว่างการศึกษาอย่างต่อเนื่อง โดยยังไม่มีกลไกใดกลไกหนึ่งที่สามารถอธิบายภาวะเลือดคั่งจากการทำงานได้อย่างสมบูรณ์

Key figures

• Niels A. Lassen
• Philip N. Ainslie
• David Attwell

Seminal works

• lassen-1959
• attwell-2010
• willie-2014

Frequently asked questions

ทำไมการไหลเวียนเลือดในสมองจึงมีความไวสูงต่อคาร์บอนไดออกไซด์?

หลอดเลือดสมองที่มีความต้านทานจะขยายตัวเมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดแดงสูงขึ้นและหดตัวเมื่อลดลง ทำให้คาร์บอนไดออกไซด์เป็นหนึ่งในตัวควบคุมทางสรีรวิทยาที่ทรงพลังที่สุดของการไหลเวียนเลือดในสมอง นี่คือเหตุผลที่การหายใจเร็วเกินไป (hyperventilation) ซึ่งทำให้คาร์บอนไดออกไซด์ลดลง จะลดการไหลเวียนเลือดในสมอง

การเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด (neurovascular coupling) คืออะไร?

เป็นกระบวนการที่กิจกรรมที่เพิ่มขึ้นในบริเวณสมองกระตุ้นให้เกิดการขยายตัวของหลอดเลือดเฉพาะที่และการไหลเวียนเลือดไปยังบริเวณนั้นเพิ่มขึ้น ทำให้การไหลเวียนเลือดสอดคล้องกับความต้องการเมตาบอลิซึม เป็นพื้นฐานทางสรีรวิทยาของสัญญาณที่ใช้ในการสร้างภาพการทำงานของสมอง