《Nature Neuroscience》：Brain motion is driven by mechanical coupling with the abdomen
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本研究揭示了清醒小鼠大脑在颅内的运动机制。针对脑运动驱动因素及其生理意义不明的科学问题，研究人员通过双光子显微镜成像等技术，发现脑运动主要由腹肌收缩驱动，并通过椎静脉丛(VVP)的液压连接实现腹-脑机械耦合。模拟研究表明，这种脑运动可能推动间质液(ISF)和脑脊液(CSF)流出大脑，其方向与睡眠期间的类淋巴(glymphatic)流动相反。这提示大脑与腹腔存在机械连接，且脑内液体流动可能与身体运动相耦合。
我们的大脑并非完全静止在坚硬的颅骨之内。在清醒状态下，大脑其实在进行着微小的运动。这种现象虽然普遍，但其驱动原因和生理后果长期以来并未得到充分理解。传统观点认为，中枢神经系统通过颅骨和脊椎与身体其他部分机械隔离。然而，在运动时，小鼠的颅内压会从约5毫米汞柱急剧上升到20毫米汞柱以上，这表明在身体活动期间有巨大的机械力施加于大脑。这些压力变化不太可能仅仅是副现象，因为运动期间的脑运动会激发硬脑膜中的感觉神经元，表明大脑的运动被主动监控并可能具有生理作用。脑运动的一个潜在生理目的是促进脑内间质液(ISF)和脑脊液(CSF)的循环。由于大脑缺乏内部淋巴系统来清除废物，它依赖于脉动以及对动脉的扩张和收缩所施加的机械力，来帮助液体沿着动脉周围空间进入实质，通过类淋巴(glymphatic)系统循环。在睡眠期间，CSF通过穿透动脉的慢速、交替的血管扩张和收缩，被驱动沿着动脉周围空间进入大脑。清醒动物脑内的液体流动模式与睡眠时截然不同，清醒时示踪剂不会进入大脑皮层，造成这种差异的原因尚不完全清楚。驱动脑运动的巨大力量也可能驱动CSF的运动，其模式可能与睡眠期间所见非常不同。理解这些液体流动需要对大脑的机械动力学进行详细表征。为了解决这些问题，Garborg等人发表在《Nature Neuroscience》上的研究，利用双光子成像等技术，深入探究了清醒小鼠脑运动的起源、机制及其对脑脊液循环的潜在影响。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，对头部固定于球形跑步机上的24只瑞士韦伯斯特小鼠（12雄12雌），采用了高速、多平面双光子显微镜成像技术，并整合了电调谐透镜，以39.55帧/秒的速度在颅骨表面和大脑内两个焦平面（相隔约90微米）间快速切换，从而同时可视化表达绿色荧光蛋白的脑细胞和附着在抛光强化薄骨窗上的荧光微球，以此量化大脑相对于颅骨的运动。其次，研究人员在小鼠腹肌中植入了肌电图电极，以同步监测腹肌活动和脑运动。再者，通过向两只小鼠（一只瑞士韦伯斯特，一只C57BL/6）的血管系统中灌注放射造影剂，并利用显微计算机断层扫描成像和三维重建，解析了腹部与中枢神经系统之间潜在的解剖连接——椎静脉丛。最后，研究还建立了基于混合理论的轴对称孔隙弹性模型，对由脊柱挤压引起的流体流动进行了计算机模拟，以评估脑运动对脑脊液流动的潜在影响。
研究结果
大脑运动主要是向吻侧方向并与运动相关
为了量化运动模式，研究人员对来自额叶、体感和视觉皮层的134个位点进行了成像，并对脑位移进行了主成分分析。他们观察到，在运动期间，大脑的运动主要是向吻侧和外侧方向。脑运动幅度在雄性小鼠中大于雌性小鼠。运动功率谱显示运动主要发生在低频，并且与运动密切相关，而与呼吸或心率频率无关。在深度异氟烷麻醉下，检测到了与呼吸相关的脑运动，但在清醒小鼠中，未观察到明显的心率相关搏动。这些结果表明，在清醒小鼠中，运动与脑运动相关，而呼吸和心率不是脑运动的主要贡献者。然而，脑运动经常先于运动开始，这表明运动本身并不是导致大脑在颅骨内运动的原因。
脑运动跟随腹肌收缩
研究人员假设腹肌收缩可能导致脑运动，因为运动前会激活腹肌以稳定核心。他们在24只小鼠的腹肌中植入肌电图电极，同时监测脑运动。肌电图功率在运动开始前就有所增加，并且肌电图功率与大脑运动之间存在强相关性，交叉相关性峰值出现在负滞后，表明肌电图领先。当将脑运动与运动开始和肌电图活动开始对齐时，他们观察到运动总是滞后于肌电图活动，但常常先于运动，这表明运动前的腹肌收缩驱动了大脑的位移。在非运动状态下，例如深度麻醉下的呼吸窘迫会通过腹肌收缩引发主动呼气，这些肌电图爆发也与脑运动同步。在浅而快的呼吸期间，肌电图功率和脑运动均减少。最后，研究人员观察到在没有运动的情况下存在腹肌激活和脑运动的实例。这些结果与腹肌激活负责在多种生理状态下驱动脑运动的假设一致。
椎静脉丛为腹部和中枢神经系统之间提供了液压连接
腹肌收缩产生的力如何到达大脑？在人类中，腹肌激活会驱动腹内压增加。这些腹内压的增加通过椎静脉丛传递到大脑和脊柱。椎静脉丛是一个无瓣膜的静脉网络，连接腹腔和椎管。然而，小鼠是否拥有椎静脉丛尚属未知。研究人员填充了两只小鼠的血管系统，进行了显微计算机断层扫描成像，并重建了每个脊柱周围的血管系统。他们发现腰骶椎（而非胸椎）有小的腹侧孔与椎管相通。血管清楚地通过这些孔道与椎管壁内的血管网络相连，在腹腔和中枢神经系统之间提供了物理连接。膈肌分隔胸腔和腹腔，同时将具有椎静脉丛通路的腰骶椎与缺乏椎静脉丛通路的胸椎分开。这种分离使得椎静脉丛能够将腹部（而非胸部）的压力变化传递到中枢神经系统。在人类中，当腹肌收缩时，腹内压急剧上升。这种量级的压力增加会将腹部的一部分血液驱入椎管，使硬脊膜囊变窄。这导致颅向的脑脊液流动，从而升高颅内压并驱动脑运动。
外部施加的腹压可诱导脑运动
如果通过椎静脉丛实现的腹部和中枢神经系统之间的机械耦合驱动脑运动，那么被动施加于腹部的压力应能驱动类似的脑运动。为了验证这一想法，研究人员构建了一个气动压力套，对轻度麻醉的小鼠腹部施加受控压力。他们确保压力仅施加于腹部，而非胸部，并使用视频监控确保脊柱未被拉伸或抬高。他们观察到，在腹部加压开始后不久，大脑开始在颅骨内向吻侧，有时是外侧移动。此外，在腹部压力解除后，大脑立即开始移回基线位置。这表明腹部压力可以快速且显著地改变大脑在颅骨内的位置。
模拟模型中，运动在简化脑几何结构中产生流出大脑的流体流动
研究人员假设所观察到的整个大脑的大幅度运动可以驱动不同类型的液体运动。然而，尽管蛛网膜下腔和脑室中的流体流动在某些情况下可以被可视化，但清醒动物中通过实质和大脑周围的任何运动驱动流体流动的快速动力学目前尚无法通过小鼠行为成像技术获取。因此，他们使用大脑和脊髓的孔隙弹性模型，模拟了挤压脊髓所产生的流体流动。他们使用简化的模型几何结构作为“原理验证”，证明脑运动可以诱导液体运动。这个几何结构旨在表示中枢神经系统整体以及蛛网膜下腔的相关长度尺度。他们模拟了对远端脊髓施加压力以模拟腹肌收缩，使得模型产生的颅内压变化和脑运动与实验观察一致。然后，他们使用该模型查看大脑内部和周围相应的流体流动。挤压后立即发生的形变重新分配了最初存在于大脑和蛛网膜下腔域中的流体，导致液体净流出大脑，进入蛛网膜下腔。通过积分法向过滤速度分量来量化通过大脑表面的通量，该通量很大，相当于正常脑脊液生成率的数倍，这意味着脑运动诱导的通量可能是清醒大脑中流体流动的主要驱动因素。这些流动方向与睡眠期间观察到的类淋巴流动方向相反，这与实验观察一致，即清醒小鼠中注入小脑延髓池的示踪剂不会进入大脑皮层。模拟显示，跨颅部和脊髓蛛网膜下腔的流量比跨脑室和中央管表面的流量大几个数量级。当他们改变流出阻力/桥静脉顺应性，在产生生理学上合理的颅内压变化和脑运动的范围内，也观察到了类似的液体流出大脑的模式。模拟预测了大脑吻侧尖端的吻侧/内侧运动。研究人员对大脑相应位置（嗅球）的脑运动动力学进行了成像，也观察到了吻侧/内侧运动，这表明他们简单的模型几何结构捕捉了脑运动的基本特征。总之，模拟表明，脑运动可能导致液体流出大脑，方向与睡眠期间的类淋巴流动相反，这可能解释了为什么睡眠期间的静止似乎是驱动液体通过类淋巴系统流动所必需的。
研究结论与讨论
这项研究表明，大脑在机械上并非与身体隔离，而是通过椎静脉丛与腹腔紧密耦合。在人类中，椎静脉丛被认为有助于缓冲颅内压，但其在啮齿动物中的作用令人困惑，因为小鼠的静水压力梯度（无论是整体还是相对于其各自的动脉压力）都比人类小得多。这个液压系统可以在颅骨内产生脑运动，并驱动脑脊液流出大脑进入蛛网膜下腔。模拟表明，由这种机械耦合驱动的脑运动将液体推出大脑，这可能解释了为什么在清醒动物中注入的示踪剂不会进入大脑皮层，但在睡眠期间却很容易进入。在运动过程中，脊髓神经的张力不太可能产生脑运动，因为研究人员在没有身体姿态变化的情况下观察到了脑运动，并且在深度麻醉下深度呼吸期间，当腹肌参与时，他们观察到了与呼吸相关的脑运动。在简化脑几何结构中的模拟表明，观察到的脑运动幅度可能是由椎静脉丛对脊髓施加的力引起的。
该研究存在几点局限性：小鼠头部被固定，阻止了头部运动产生的正常力作用于大脑。然而，小鼠头部运动产生的力远小于腹内压和颅内压变化产生的力。研究人员仅对大脑的背部进行了成像，皮层下区域和矢状窦周围区域几乎肯定存在运动和/或应变。由于只对小的视场成像，他们无法检测到任何小的应变，这些应变整合到整个大脑中可能对观察到的运动有贡献。他们估计大脑和颅骨均有约1微米的Z轴运动，最简洁的解释是大脑和颅骨在同一方向上一起运动，但大脑相对于颅骨可能存在高达约2微米的Z轴运动。最后，模型具有简化的、圆柱对称的解剖结构，其中脑和脊髓组织是同质的。尽管模型允许脑室和蛛网膜下腔通过中央管进行液体交流，但它缺少通过马让迪孔和卢施卡孔的脑室连接。未来使用解剖结构更详细的模型工作可能会揭示更复杂的液体运动模式。当前模型的另一个限制是缺乏任何中枢神经系统的主动生理调节。
研究结果提示了大脑和内脏状态之间通过腹内压介导的潜在联系。这项工作建立在先前关于人类脑运动驱动研究的基础上。除了由心搏、呼吸（由于膈肌压迫内脏导致腹内压变化）和瓦尔萨尔瓦动作（涉及腹肌）驱动的脑运动外，腹内压的改变也可以驱动脑运动。脑运动的幅度和性质可因颅内高压、脑膜瘤和Chiari畸形等病理改变而改变，这表明脑运动可用作生物标志物。肥胖会升高腹内压，这可能破坏腹腔和椎管之间正常的血液流动和/或导致椎静脉丛重塑。腹部和椎管之间血流和压力梯度的改变可能减少大脑运动和脑脊液循环，从而加剧肥胖对认知功能的不利影响。通过排尿或排便降低腹内压可能部分有助于解释其对认知的影响。考虑到中枢神经元和胶质细胞中存在功能性机械敏感通道，导致脑运动的力也可能激活大脑中的机械敏感通道。除了内脏的内感受通路外，通过机械力直接向大脑传递信号可能在将内部状态传达给大脑方面发挥作用。模拟还指出了考虑血管腔室（如中央窦）形变的重要性。这一观察结果补充了现有关于类淋巴系统的文献中的考虑，强调了在理解大脑废物清除过程中捕捉血管动力学和脑运动之间相互作用的重要性。
