脑细胞外间隙的测量方法及其生理与病理生理意义

The extracellular space(ECS) of brain is defined as an irregular channel which is located in the interstitial tissue outside the plasma membranes of neurons,and occupied by interstititial fluid(ISF).Diffusion in ECS is described by a modified diffusion equation from which several parameters can be calculated,such as the diffusion coefficient(D),the tortuosity(λ),the volume fraction(α) and the clearance of molecules.Radiolabeled tracers were used for early diffusion measurements.Presently,the real-time ionto...     

磁共振示踪法定量计算药物在脑细胞外间隙分布参数

目的:采用磁共振示踪法模拟药物在脑细胞外间隙中的扩散、分布与清除过程,将获得的数据建立数学模型,对其分布相关参数进行拟合求解。方法:将示踪剂钆喷酸葡胺(gadolinium-diethylene triamine pentaaceticacidm,Gd-DTPA)作为外源药物注入大鼠脑细胞外间隙内,采用磁共振示踪法动态监测示踪剂在大鼠脑内的扩散、分布与清除,采用获得数据对药物在脑细胞外间隙中的各向同性分布建立包括扩散、清除及自分泌过程的生物数学模型,用Laplace变换法得到问题的解,并对实验观测数据进行数值微分处理后,在球坐标系中用线性回归的方法,给出包括药物在脑细胞外间隙中的扩散系数、清除率等参数估计方法。结果:将该方法用于动物实验数据,求得了实验动物的扩散系数D为(2.73±0.364)×10-4mm2/s,清除速率常数k为(1.40±0.206)×10-5/s。结论:本方法可较准确地反映药物在脑细胞外间隙中各向同性分布的规律,并可作为进一步解决药物在脑细胞外间隙中各向异性分布问题的基础。     

大鼠生后发育过程中脑细胞外间隙的解剖及生理特性的变化

大鼠脑发育是一个复杂的过程,胎儿期及生后的脑发育过程经历了组织学、细胞学和分子学的显著变化。大鼠脑的基本结构在胚胎期已形成,而不同部位之间的联系和脑功能的完善却在出生后发展,其间的许多变异是许多神经系统疾病的基础,因此生后脑发育过程仍然十分关键。尽管脑细胞微环境的概念已于150多年前被提出,但是对于在生后发育过程中发生显著变化的脑细胞外间隙的研究仍未获得显著进展。本文通过综述大鼠生后发育过程中脑细胞外间隙的解剖及生理特性的变化规律特点,阐述脑细胞外间隙在个体发育中的重要作用,有望为儿科发育相关的神经系统疾病的发生机制及有效治疗途径的探索提供相关依据。     

脑对流增强给药对老年大鼠脑细胞外间隙微观结构的影响

目的 对比研究经细胞外间隙(extracellular space,ECS)途径的脑对流增强给药(convection enhanced delivery, CED)在进行脑病微创治疗时,不同给药速率下成年大鼠与老年大鼠脑ECS结构参数及局部药物分布的改变.方法: 36只SD雄性大鼠按照月龄分为成年大鼠组(2~8月龄,18只)和老年大鼠组(18~24月龄,18只),每组再按照不同的给药速率(0.1 μL/min,0.2 μL/min,0.3 μL/min)随机分为3个亚组,每亚组6只.采用立体定位注射法分别在各组鼠脑尾状核区导入浓度为10 mmol/L的磁示踪剂钆-二乙三胺五乙酸(gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid,Gd-DTPA)后,应用磁示踪法动态采集Gd-DTPA在脑间质系统(brain interstitial system, ISS)中的扩散和分布图像.利用自主研发的MRI影像测量分析系统软件对所获得的图像进行处理和分析,可获得各组大鼠脑尾状核区ECS内的有效扩散系数(D_ECS),清除率,容积占比和半衰期(T_1/2)等参数.比较分析在不同给药速率下,老年大鼠与成年大鼠脑ECS内药物清除以及ECS结构功能的影响和差异.应用磁示踪D_ECS-mapping技术观察示踪剂在尾状核区的分布引流情况.结果: 0.1 μL/min注药速率下,与成年大鼠相比,老年大鼠的容积占比增加(18.20%±0.04% vs. 17.20%±0.03%,t=3.752,P=0.004),迂曲度下降(1.63±0.04 vs. 1.78±0.09, t=-3.680,P=0.004),药物清除速率下降[(1.94±0.68) mm ²/s vs. (3.25±0.43) mm ²/s,t=-3.971,P=0.003],ECS内分子扩散速率增快[(3.99±0.21)×10 ^-4mm ²/s vs. (3.36±0.37)×10 ^-4mm ²/s,t=3.663,P=0.004].注药速率增加到0.2 μL/min时,老年大鼠ECS内药物清除减慢[(2.53±0.45) mmol/L vs. (3.37±0.72) mmol/L,t=-1.828,P=0.021],但容积占比,ECS内分子扩散和宏观药物代谢参数无明显差异.注药速率增加到0.3 μL/min时,老年大鼠容积占比减小(17.20%±0.03% vs. 18.20%±0.05%,t=-0.869,P=0.045), ECS内药物清除明显加快[(4.04±0.76) mmol/L vs. (3.26±0.55) mmol/L,t=1.786,P=0.014],迂曲度和ECS内分子扩散速率无明显差异.结论: 老年脑CED给药在不同速率时ECS内药物清除及ECS结构参数发生改变,0.2 μL/min速率下CED给药对老年脑ECS影响最小.应用CED进行脑病治疗时应综合考虑年龄和注药速率等因素的影响,经ECS途径给药进行脑病微创治疗时应制定个体化临床治疗方案.     

脑对流增强给药对老年大鼠脑细胞外间隙微观结构的影响

目的 对比研究经细胞外间隙(extracellular space,ECS)途径的脑对流增强给药(convection enhanced delivery, CED)在进行脑病微创治疗时,不同给药速率下成年大鼠与老年大鼠脑ECS结构参数及局部药物分布的改变.方法: 36只SD雄性大鼠按照月龄分为成年大鼠组(2~8月龄,18只)和老年大鼠组(18~24月龄,18只),每组再按照不同的给药速率(0.1 μL/min,0.2 μL/min,0.3 μL/min)随机分为3个亚组,每亚组6只.采用立体定位注射法分别在各组鼠脑尾状核区导入浓度为10 mmol/L的磁示踪剂钆-二乙三胺五乙酸(gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid,Gd-DTPA)后,应用磁示踪法动态采集Gd-DTPA在脑间质系统(brain interstitial system, ISS)中的扩散和分布图像.利用自主研发的MRI影像测量分析系统软件对所获得的图像进行处理和分析,可获得各组大鼠脑尾状核区ECS内的有效扩散系数(D_ECS),清除率,容积占比和半衰期(T_1/2)等参数.比较分析在不同给药速率下,老年大鼠与成年大鼠脑ECS内药物清除以及ECS结构功能的影响和差异.应用磁示踪D_ECS-mapping技术观察示踪剂在尾状核区的分布引流情况.结果: 0.1 μL/min注药速率下,与成年大鼠相比,老年大鼠的容积占比增加(18.20%±0.04% vs. 17.20%±0.03%,t=3.752,P=0.004),迂曲度下降(1.63±0.04 vs. 1.78±0.09, t=-3.680,P=0.004),药物清除速率下降[(1.94±0.68) mm ²/s vs. (3.25±0.43) mm ²/s,t=-3.971,P=0.003],ECS内分子扩散速率增快[(3.99±0.21)×10 ^-4mm ²/s vs. (3.36±0.37)×10 ^-4mm ²/s,t=3.663,P=0.004].注药速率增加到0.2 μL/min时,老年大鼠ECS内药物清除减慢[(2.53±0.45) mmol/L vs. (3.37±0.72) mmol/L,t=-1.828,P=0.021],但容积占比,ECS内分子扩散和宏观药物代谢参数无明显差异.注药速率增加到0.3 μL/min时,老年大鼠容积占比减小(17.20%±0.03% vs. 18.20%±0.05%,t=-0.869,P=0.045), ECS内药物清除明显加快[(4.04±0.76) mmol/L vs. (3.26±0.55) mmol/L,t=1.786,P=0.014],迂曲度和ECS内分子扩散速率无明显差异.结论: 老年脑CED给药在不同速率时ECS内药物清除及ECS结构参数发生改变,0.2 μL/min速率下CED给药对老年脑ECS影响最小.应用CED进行脑病治疗时应综合考虑年龄和注药速率等因素的影响,经ECS途径给药进行脑病微创治疗时应制定个体化临床治疗方案.     

应用磁共振成像技术定量测量活体大鼠脑细胞外间隙的扩散参数

的：应用磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术开发一种活体、定量测量脑细胞外间隙扩散参数的新方法。方法：MRI示踪剂钆-二乙三胺五乙酸(gadolinium-diethylenetriaminepentaacetic acid, Gd DTPA,2 μL, 10 mmol/L）导入 6只SD成年雄性大鼠的尾状核内,在导入前及导入后不同时间点进行MRI扫描。大鼠脑内Gd-DTPA的浓度分布通过减影图像上信号强度增量转换得到,根据信号强度增量 时间变化曲线,利用经典扩散方程得到像素水平的脑细胞外间隙(extracellular space, ECS)内平均扩散参数。结果：示踪剂导入后,以(3.38 ± 1.07) ×10^-4 mm ²/s的平均速率向前外方向扩散,在2 h后达到脑皮质边缘,示踪剂在尾状核区的微观清除率为(7.60 ± 4.18) × 10^-5 /s,在3 h开始引流入蛛网膜下腔清除,MRI图像显示12 h时示踪剂被基本清除。采用琼脂糖模拟法测量的自由水扩散系数为参考值,脑ECS迂曲度［λ _{Cn (agar)} ］为1.31 ± 0.31。应用标准MRI扩散成像序列获得的自由水扩散系数为参考值,脑尾状核区ECS的迂曲度［λ _{Cn (MRI)} ］为3.12 ± 0.73。结论：MRI示踪测量可实现对脑ECS生物物理学特征的定量分析与成像显示,脑细胞微环境的研究和阐释将为脑认知和脑病研究提供一种新的研究思路和方法。     

脑组织液引流途径与脑内新分区系统的发现

SUMMARY Brain extracellular space (ECS) is a narrow, irregular space, which provides immediate living environment for neural cells and accounts for approximately 15%-20% of the total volume of living brain. Twenty-five years ago, as an interventional radiologist, the author was engaged in investigating early diagnosis and treatment of cerebral ischemic stroke, and the parameters of brain ECS was firstly derived and demonstrated during the study of the permeability of blood-brain barrier (BBB) and its diffusion changes in the cerebral ischemic tissue. Since then, the author and his team had been working on developing a novel measuring method of ECS: tracer-based magnetic resonance imaging (MRI), which could measure brain ECS parameters in the whole brain scale and make the dynamic drainage process of the labelled brain interstitial fluid (ISF) visualized. By using the new method, the team made a series of new findings about the brain ECS and ISF, including the discovery of a new division system in the brain, named regionalized ISF drainage system. We found that the ISF drainage in the deep brain was regiona-lized and the structural and functional parameters in different interstitial system (ISS) divisions were disparate. The ISF in the caudate nucleus could be drained to ipsilateral cortex and finally into the subarachnoid space, which maintained the pathway of ISF- cerebrospinal fluid (CSF) exchange. However, the ISF in the thalamus was eliminated locally in its anatomical division. After verifying the nature of the barrier structure between different drainage divisions, the author proposed the hypothesis of “regionalized brain homeostasis”. Thus, we demonstrated that the brain was protected not only by the BBB, which avoided potential exogenous damage through the vascular system, but was also protected by an internal ISF drainage barrier to avoid potentially harmful interference from other ECS divisions in the deep brain. With the new findings and the proposed hypothesis, an innovative therapeutic method for the treatment of encephalopathy with local drug delivery via the brain ECS pathway was esta-blished. By using this new administration method, the drug was achieved directly to the space around neurons or target regions, overwhelming the impendence from the blood-brain barrier, thus solved the obstacles of low efficiency in traditional drug investigation. At present, new methods and discoveries developed by the author and his team have been widely applied in several frontier fields including neuroscience, new drug research and development, neurodevelopment aerospace medicine, clinical encephalopathy treatment,new neural network modeling and so on.     

Gd-DTPA磁共振成像示踪法对脑细胞外间隙成像与定量分析的初步研究

目的：观察钆喷酸葡胺(Gd DTPA)在脑细胞外间隙（brain extracellular space ,ECS）中扩散的磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）表现与规律,探讨应用MRI示踪法对ECS进行定量分析的可行性。方法：将8只雄性SD大鼠（280 g~320 g）麻醉后,参考脑立体定位图谱,选取冠状位苍白球为中心层面,以尾状核为靶点进行穿刺定位,导入Gd-DTPA 2 μL。于导入后1、3、6、9、12 h分别进行MRI扫描,观察MRI表现,测量示踪剂导入侧所在脑区与对侧相应脑区MR信号强度随时间的变化规律。于12 h MRI扫描结束后,对大鼠进行行为学评分。结果：MRI图像证实6只大鼠Gd-DTPA导入点位于尾状核区,2只位于外囊区。Gd-DTPA在尾状核区导入后呈均匀扩散,3 h扩散到达同侧大脑皮层,扩散后主要分布在大脑中动脉供血区的脑组织。随着扩散范围的增大,尾状核区的MRI信号强度逐渐下降,3 h后各个时间点相对MRI信号强度ΔS与1 h时ΔS间差异存在统计学意义（t=95.63,P<0.01）,3 h后的各组ΔS间差异无统计学意义（P＞0.05）。ΔS的衰减规律呈指数形式［y=1.7886x^-0.1776（R²=0.94）］。导入外囊区的Gd-DTPA在1 h的MRI上呈弧形沿白质纤维扩散,表现为各向异性。在3 h 后呈扇形向相邻脑区扩散,6 h时扩散到达同侧皮层区。结论：应用MRI示踪法可动态观察Gd-DTPA在细胞外间隙的扩散与清除衰减规律,是在活体对ECS解剖与生理学参数进行定量研究的可行方法。     

脑组织液治疗脑梗塞临床观察及脑电地形图的对照研究

我院于１９９４年１０月至１９９５年９月用北京三达生化制药厂研制、河北医学院药厂生产的脑组织注射液治疗脑梗塞４５例，男２５例，女２０例，年龄５５岁至９３岁，平均年龄６９岁，总有效率达９６％，与对照组相比差异有显著性意义（Ｐ〈０．０５）。未发生一例过敏及出现精神症状等副作用。其中３４例在治疗前治疗后进行了ＢＥＡＭ的对比，ＢＥＡＭ分析表明：脑电δ、θ波功率值下降，提示脑功能的改善。而α１波改变不明显（Ｐ     

婴幼儿脑外间隙增宽的CT表现和临床意义

目的:探讨婴幼儿脑外间隙增宽的CT表现及临床意义。方法:回顾性分析因外伤、呼吸道感染引起发热、惊厥,行头颅CT检查无阳性发现的57例8天～2岁婴幼儿的资料。结果:CT表现为双侧额颞顶部脑外间隙对称性、不同程度的增宽,后枕部脑外间隙不增宽。结论:2岁以下的婴幼儿存在较明显的脑外间隙属正常现象,不应误认为病理改变。     

婴幼儿脑外间隙增宽的CT诊断

目的分析脑外间隙增宽的CT表现,提高其CT诊断率。方法对脑外间隙增宽的15例婴幼儿临床表现、头颅CT进行回顾性分析。结果脑外间隙增宽的CT特征为额顶部蛛网膜下腔均增宽（〉5 mm）,前纵裂增宽（〉6 mm）,后纵裂池不宽,额顶叶脑沟普遍增宽加深,严重者可伴双侧侧裂池增宽及基底池增大,脑室不扩大。结论头颅螺旋CT扫描速度快,影像清晰,是诊断脑外间隙增宽的最主要方法。     

手十二井穴刺络放血后脑卒中好发区组织液流动速率变化规律研究

目的 应用MRI示踪技术,定量分析与观察手十二井穴刺络放血后脑卒中好发脑区（丘脑及大脑中动脉供血区）脑细胞外间隙的解剖与组织液流动速率的变化规律,探讨该法对脑卒中神经保护的可能机制.方法 成年雄性SD大鼠（32只）,随机分为丘脑放血组、丘脑对照组、尾状核放血组、尾状核对照组,每组各8只.丘脑放血组及尾状核放血组接受手十二井穴放血后,将2 μL 10 mmol/L GD-DTPA分别导入成年大鼠丘脑区及尾状核区,在导入前后分别进行脑MRI动态扫描（0,15 min、30 min、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h）,利用图像后处理技术,定量分析丘脑区及尾状核区脑组织液引流以及脑细胞周围间隙迂曲度等参数的变化规律.结果 丘脑放血组脑组织液流动速率下降,清除时间延长,半衰期达（1.34±0.19）h,长于丘脑区对照组（0.51±0.13）h,差异有统计学意义（P＜0.05）;局部微观清除率为（7.60±4.18）×10-5/s,明显小于丘脑对照组[（14.40±4.50） ×10-5/s],差异有统计学意义（P＜0.05）.丘脑放血组丘脑区脑细胞周围间隙迂曲度为（1.29±0.32）,与丘脑对照组（1.28±0.17）比较,差异无统计学意义（P＞0.05）.尾状核放血组及对照组之间的各项参数未见明显变化,差异无统计学意义（P＞0.05）.结论 手井穴刺络放血可明显改变丘脑区组织液流速,但对大脑中动脉供血区的脑组织液引流速率没有明显影响.由于刺络放血后丘脑区细胞外间隙的迂曲度没有明显变化,因此,其流速下降应与神经元代谢水平的下调有关,而代谢水平的下调可能是卒中时该法神经保护的机制.     

脑薄片制备的改进

在灌流的脑薄片对神经元进行电位记录技术由本世纪60年代开始创建,至今已广泛应用于多学科领域.本文作者只是就我室现有条件下因陋就简,本着少花钱也能做成实验的精神,在某些方面改进的一些体会,在此加以简要介绍,以资交流. 1切片机的使用 1.1保证脑薄片神经元成活是实验成功与否的关键.其中进行超薄切片是首要步骤.国产价格便宜的切片机,在工艺制造上精度不高,切出的脑薄片容易挤压且厚薄不均.我们的经验是,在取材过程中做成的组织块不要过大,一般在切去2片(800～1000 μm)后即达到所需部位为好.操作者操纵推进台旋钮时手要沉稳,保持推进台不随切刀的进退而上下浮动,尽力使其保持水平推进,确保切出脑薄片的均匀厚度,以减少对神经元的损伤.     

MMPs和TIMPs在脑创伤的研究进展

在中枢神经中,细胞外基质（extracellular matrix,ECM）构成细胞生活的微环境,对中枢神经细胞细胞的具有支持、营养、防御、增殖和迁移等作用。基质金属蛋白酶家族（matrix metalloproteinases,MMPs）是一类锌离子铺助的内切酶家族,它们是降解ECM的主要酶类。在正常条件下,MMPs以酶原形式合成,并且一种MMP受另外一种MMP激活,     

运动导致兴奋脑区组织液流动一过性加速

目的: 研究运动后兴奋脑区组织液(interstitial fluid, ISF)流动的变化。方法: 将20只雄性Sprague-Dawley大鼠随机分为对照组(12只)和运动组(8只), 两组大鼠均采用异氟烷进行麻醉,并动态监测尾状核区ISF流动情况,其中运动组在实验前期被放入到特制的转轮中进行运动20 min,对照组则给予持续麻醉,所有大鼠无偏瘫,运动能力良好。另外将5只大鼠采用异氟烷气体麻醉后向尾状核内植入微电极,记录运动态和麻醉态下尾状核神经元电活动。采用立体定位技术注射磁性示踪剂至尾状核ISF内,在注射前和注射后不同时间点进行一系列的磁共振扫描,直到示踪剂所致的高信号消失,采用细胞间隙定量分析系统(1.2版)对图像进行后处理和分析,监测ISF流动过程和测量相关参数,得到可反映示踪剂总量的加权信号强度(加权ΔSI)和其在ISF内的半衰期,分别计算运动组的运动前,运动后10、40、70、130和190 min各时间点以及对照组相同时间点的加权ΔSI和半衰期,采用独立样本t检验对两组测量值进行比较。结果: 微电极检测显示麻醉态和运动态下尾状核区的场电位显著不同;各时间点运动组和对照组的加权ΔSI(单位:信号强度×mm ³)分别为:运动前(60 257.1±23 069.2 vs. 61 072.0±19 547.3), 运动后10 min(83 624.3±21 475.7 vs. 71 218.1±12 586.5), 运动后40 min (57 336.0±36 243.4 vs. 69 756.1±13 306.0), 运动后70 min (43 705.9±10 246.3 vs. 55 443.2±20 733.3)、运动后130 min(7 734.9±2 645.2 vs. 8 967.6±2 007.3)和运动后190 min(2 497.3±987.5 vs. 3 013.2±1 760.8)。相对于对照组,运动组加权ΔSI在运动后40 min出现一过性的降低(P<0.05), 其余各时间点两组的加权ΔSI差异无统计学意义,两组示踪剂半衰期差异无统计学意义[(104.3±54.1) min vs. (113.4±47.3) min, P>0.05]。 结论: 运动可以导致兴奋脑区ISF流动一过性加速。     

脑外间隙增宽的CT诊断和临床意义

目的:探讨婴幼儿脑外间隙增宽的CT诊断在临床实践中的价值。方法:CT表现为脑外间隙对称性增宽的婴幼儿28例,对其病因、临床表现及预后进行回顾性分析。结果:CT单纯表现为双侧额顶部脑外间隙有不同程度的增宽。结论:婴儿脑外间隙增宽可以是一种良性自愈性表现,属正常发育范围。     

惊厥与脑细胞凋亡

凋亡是一种特殊的细胞死亡类型，正常可见于许多种系的多种组织。在正常的胚胎发育过程中起重要作用，凋亡发生的紊乱可导致器官结构及功能的异常，如生长过程中凋亡消失，细胞无限增殖，则会导致肿瘤的发生。此外，在维护内环境稳定方面，凋亡亦发挥重要作用，通过凋亡，机体可清除某些有害物质，如某些自身反应的淋巴细胞克隆，被病毒感染的细胞或肿瘤细胞。凋亡的发生受很多因素调节，是机体对内外刺激的一种应答反应，既可在生理刺激下发生。     

婴幼儿脑外间隙增宽与颅脑发育的关系

目的探讨婴幼儿脑外间隙增宽与颅脑发育的关系。方法 CT表现为蛛网膜下腔增宽的婴幼儿85例,对其好发部位、病因、临床表现及预后时间进行回顾性分析。结果两侧额颞顶部蛛网膜下腔对称性增宽,其中累及额部85例同时合并纵裂池增宽,累及颞部78例伴侧裂池增宽,累及顶部36例;单纯表现为蛛网膜下腔增宽,无其它脑实质异常82例。随访复查59例：1岁前18例均出现脑外间隙增宽减轻;1-2岁31例完全消失,5例减轻;2-2.5岁2例完全消失,2例脑皮质萎缩,1例有脑白质软化,其中2例伴脑室轻度扩大。结论婴幼儿脑外间隙增宽可认为是脑发育相对滞后的一种表现,对于合并脑部器质性病变者,脑外间隙增宽通常为继发性改变。