通过神经轴的脑区包括:前岛叶、前扣带回、杏仁核、下丘脑、导水管周围灰质、臂旁核以及延髓的部分区域,调控着心功能:通过交感神经和副交感神经系统影响心率和心肌收缩力。这些区域对情绪行为、压力反应和稳态反射亦很重要。在过去数年,随着神经解剖学、神经生理学和功能影像学的发展,为人类心功能神经控制的中枢和外周机制提供了新的视角。 但仍有一些问题,如中枢控制的脑侧化(lateralization)尚未解决。神经疾病对心脏影响的副作用(譬如神经病理引起的重度心律失常和心肌损害、癫痫导致的突发性死亡)需要我们更好地理解心脏神经调控的功能性解剖和神经化学机制。 1. 心脏固有的电生理特性 心脏的搏动源自心脏固有传导系统中心肌细胞的活动。心脏固有传导系统由窦房结、房室结、His
心率 正常情况下,窦房结的自发性去极化(自律性)受“电压时钟(voltage clock)”的控制,决定着心率。电压时钟依赖于细胞膜上各种离子通道的激活和失活,譬如肌质网通过阿诺碱受体
电压时钟一个重要的机制就是超极化激活的起搏电流
心肌的动作电位 相邻心肌细胞通过缝隙连接蛋白(connexin)传播去极化兴奋性,继之细胞膜上电压门控 Na+(主要为 Nav1.5)通道开放。去极化的电压门控性 Na+
兴奋 -
肌质网上的
2. 心脏的神经支配 心脏的神经支配涉及通过神经轴的区域(如图),包括心内神经系统(ICNS)和心外神经系统。ICNS
图:神经轴在多个水平上参与心脏的神经调控。一些前脑区域,包括岛叶皮质、前扣带回(anterior cingulate cortex,ACC)、中央杏仁核以及一些下丘脑核团,发出投射至延髓和脊髓核团,调控着心功能;这些投射直接或通过中继进入导水管周围灰质(periaqueductal gray,PAG)。交感神经活动可被吻端腹外侧延髓的神经元激活,后者发出兴奋性投射至脊髓中间外侧细胞柱(intermediolateral column,IML)的神经节前交感神经元;这些神经元激活星状神经节和其它椎旁神经节的去甲肾上腺素能神经元,后者发出轴突参与心丛,支配心脏。 副交感神经的输出由位于疑核腹外侧部的迷走神经元中介,迷走背侧运动核也有少量参与;这些运动员发出节前轴突,突触位于心内神经节的胆碱能或非胆碱能神经元上。脊髓传入神经沿着脊神经的走向,胞体位于背根神经节(DRG),传递着心脏受体的传入信息;迷走传入神经也可传递心受体的传入信息,其胞体位于结状神经节(NG)。脊髓传入神经在
心脏迷走传入神经,与心脏压力感受性受体传入神经一起,向孤束核提供传入信息。孤束核可启动多种心血管反射,将心血管受体的信息传递至丘脑和臂旁核。臂旁核整合脊髓和脑干的传入信息,将整合信息传递至丘脑、杏仁核和下丘脑。丘脑中继核团接受来自心血管受体的信息后,投射至后部岛叶皮质,前后带回的后部也可接受心痛相关的传入信息。腹外侧延髓
心内神经节 神经节细胞主要分布在
交感输出 脊髓中间外侧细胞柱(IML)的神经元亚群为心脏提供交感神经支配(如图),这些神经元接受来自头端延髓腹外侧区(RVLM)的紧张性谷氨酸兴奋传。心脏节前交感神经元为胆碱能性质,发出小的、有髓鞘轴突,与上段、中段颈神经节和颈胸神经节(星状神经节)的去甲肾上腺素能神经元形成突触;这些神经节通过心上、中和下神经支配心脏。 交感神经从左向右的分布并不对称,且存在个体差异;这也许可以解释交感神经对心脏电生理的异质性作用。心脏交感神经的神经递质主要为去甲肾上腺素(norepinephrine,NE),但有些也释放三磷酸腺苷、降钙素基因相关肽和神经肽
副交感输出 迷走神经对心脏进行副交感支配。心迷走节前神经元主要位于疑核(nucleus ambiguus,NAmb),亦有少量位于迷走神经背侧运动核;这些节前神经元为胆碱能性质,其轴突经上、下颈胸支到达心神经节,与心交感神经汇合后形成心丛。大部分的迷走神经纤维支配心房、窦房结和房室结;一些迷走神经分支也支配心室壁。 3. 自主性输出对心功能的作用 交感作用 交感神经的激活使窦房结自律性增加,通过房室结将兴奋性传导至 His-Purkinje
副交感作用 迷走神经的通过心内神经节的胆碱能神经元来实现其主要效应,即抑制窦房结的起搏活动(降低心率)、减少房室间的传导和降低
迷走神经和交感神经的交互作用 静息状态下,紧张性迷走神经对窦房结自律性的影响大大超过交感神经系统。心率具有昼夜节律性,清晨由于交感活动活跃而心率增加,睡眠时(尤其是非快速动眼睡眠)由于迷走神经占主导而心率降低。快速动眼睡眠时,时相性短暂的迷走神经活动被阻断以及交感神经的激活,导致心率增高。 这种迷走神经对心率的调控,与呼吸作用相关:心迷走神经活动在吸气时减弱而在呼气时增强,这种生理现象称为呼吸性窦性心率不齐(Respiratory Sinus Arrhythmia,RSA)。RSA
基础心率非常低时(如运动员、非快速动眼睡眠期或窦性心动过缓的患者),迷走神经的刺激通过缩短心房去极化的间隔时间,反而增加心率;心室对迷走神经刺激的应答,在同时有交感神经刺激时会更强,迷走神经对交感神经活动传递的突触前抑制增加,称为“增强拮抗(accentuated antagonism)”。 心率变异性(Heart Rate Variability, HRV) 心率变异性指两次心跳间隔(RR
高频区(0.15~0.4Hz)代表迷走神经的影响,反映呼吸对心输出量的调节;低频区(0.05~0.15Hz)同时受交感与迷走神经的作用,与压力反射敏感性(baroreflex sensitivity, BRS)相关。尽管低频 /
4. 延髓对心脏自主性输出的调控 头端延髓腹外侧区(rostral ventrolateral medulla,RVLM) RVLM
心理应激、疼痛、缺氧、低血容量、低血糖可直接以及通过来自前脑的神经传入而激活 RVLM
疑核(Nucleus ambiguus, NAmb) NAmb
肺机械感受器通过 NTS
孤束核(Nucleus of the solitary tract,NTS) NTS
心血管反射 压力感受性反射(baroreflex)是重要的血压缓冲机制;在心脏收缩期,颈动脉窦和主动脉弓血管壁上的机械性变形可触发此反射。血压增高可激活舌咽和迷走神经的压力感受性传入,为 NTS
压力感受性 NTS
压力反射敏感性是评估压力感受性反射功能的指标,可以用药物或非侵入的方法评价,主要反映的是心迷走成分,定义为每单位血压改变的心跳间期的改变; 心脏反射(cardiac reflex)源自心脏、冠脉和肺动脉的传入信息可触发多种心血管反射。心脏的传入神经包括心背根神经节内无髓鞘的传入神经,该类传入神经沿着交感神经干行走(这些脊髓传入神经因此被误认为是交感传入神经),为后角(尤其是 lamina I)和中间的脊髓灰质提供传入冲动。 心脏的传入神经还包括节状神经节的有髓鞘和无髓鞘迷走传入神经,其为 NTS
脊髓传入神经通过来自 lamina I 神经元的脊髓丘脑投射,引起心脏的疼痛感觉;这些传入神经也能通过局部投射至 IML
为应答心肌损伤的化学刺激,心室内无髓鞘的迷走传入神经可引起血压和心率的下降(Bezold-Jarisch 反射)。生理性压力刺激肺动脉的压力感受性受体,可以引起血管收缩;呼吸刺激在运动或缺氧时,对心血管的调控也起着重要的作用。 5. 前脑对心功能的调控 一些前脑区域形成交互连结的网络,启动对情绪相关或压力刺激的、自主神经、内分泌和行为的整合反应。这些前脑区域包括岛叶皮质(IC)、前扣带回、杏仁中央核(CeA)以及一些下丘脑的核团(见图)。这些前脑区域向延髓和脊髓核团发出投射,控制着心脏功能;而这些投射可直接或通过中继进入导水管周围灰质。 心血管传入信息通过丘脑,传递至背角(I 层)或 NTS
岛叶皮质 岛叶皮质是复杂的结构,参与多种功能以及神经疾病的病理生理过。从细胞构筑、神经连结和功能性的观点出发,岛叶皮质可分为背尾侧区和腹头侧区;背尾侧区接受来自丘脑亚核的传入信息,中继味觉、内脏感觉、躯体感觉、疼痛和前庭感觉;腹头侧区连接前扣带回和杏仁核,主要参与情绪过程。 根据 Craig
电刺激难治性癫痫手术后患者的岛叶,可诱发出包括血压和心率改变在内的内脏运动现象。在一项研究中,频繁的刺激左侧岛叶皮质可引起心率和血压的轻微下降,而刺激右侧岛叶皮质则引起相反的作用;这提示左侧岛叶皮质主要调节心脏的副交感而右侧岛叶皮质对心脏起交感作用。 fMRI
前扣带回 前扣带回通过与岛叶皮质、前额叶、杏仁核、下丘脑和脑干自主核团相连,整合行为觉醒的自主神经反应。在解剖和功能神经影像学的文献中,前扣带回不同的功能区常有不同的名字,因此令人迷惑。 头侧(或腹侧)前扣带回参与情绪反应,其亚区与 CeA、外侧下丘脑、臂旁核连结紧密,前扣带回的膝前区参与情绪行为,但与其它脑区无直接连结。尾侧或背侧前扣带回也指中扣带回,通过与前额叶的连结,参与冲突解决、注意力 -
功能性 MRI
药理和神经影像学研究显示,前扣带回膝前区的活动与迷走神经调节 HRV
杏仁核 杏仁核对感觉刺激提供情绪效价(emotional valence),并且参与条件性恐惧的相关机制。杏仁核由数个亚核团构成,包括基底外侧的核团复合体以及 CeA
功能影像学研究发现,在静息状态和进行情绪性任务,杏仁核的外侧和内侧同时激活与 HRV
下丘脑 下丘脑通过来自室旁核、下丘脑背内侧核和外侧区的传入冲动,调控着心脏的自主传出;这些下丘脑的投射至臂旁核导水管周围灰质、RVLM、NAmb、迷走背侧运动核、NTS
下丘脑的传入还通过与 NTS
6. 临床意义 神经疾病的心脏表现 HRV 减小和 BRS
心律失常 中枢自主神经障碍可能表现为多种心律失常,威胁生命。交感神经过度兴奋可触发室上性和室性心动过速;迷走神经过度兴奋可导致心动过缓,包括房室阻滞;交感神经或迷走神经的过度兴奋可能引起心房纤颤。在心室,交感神经的活动为心律失常性的,而迷走神经的活动为抗心律失常性的。交感神经性作用引起
心肌损伤和 Takotsubo 心肌病 急性神经损伤引起的交感神经过度兴奋,可能引起可逆性的心肌损伤,表现为 T
Takotsubo
7. 与心并发症相关的特异性疾病 癫痫和心功能障碍之间有以下关联:癫痫和心律失常均可为离子通道病变;心血管功能障碍和发作性心律失常可能为癫痫猝死的机制。心律失常是最为常见的发作事件,但并不能对大脑半球癫痫的发作进行定位。80%~100%
颞叶癫痫可能引起心动过缓和心跳停搏,心交感神经切除术可能是此类发作的风险因子。癫痫也可能引起心脏去极化的改变,表现为按心率校正的 QT
缺血性脑卒中 缺血性或出血性脑卒中,尤其是累及了岛叶皮质,可表现出心率失常或心肌损害,可能引起猝死。证据显示,与左侧岛叶卒中相比,右侧岛叶缺血性卒中常存在心脏并发症,包括 HRV
岛叶卒中还可引起心肌损害,但该效应的脑侧化并不肯定;右侧卒中常见肌钙蛋白水平增高,左侧卒中常有
出血性脑卒中 基底节出血常引起 ECG
最常见的心率失常为窦性心动过塑和房颤。室性心动过速、尖端扭转、室颤和心跳停搏常见于 QT
神经退行性疾病 影响脑干、脊髓或外周自主神经传出的神经退行性疾病,譬如多系统萎缩或帕金森氏病,主要表现有体位性低血压、胃肠运动失调、膀胱功能障碍;但对心功能也有影响。根据心脏和神经影像学研究,帕金森氏病患者的心脏异常可出现周围性去交感神经支配,包括运动时不能增加心率(变时功能不全)、HRV
QT
8.
1942
现有的证据清楚的表明,神经疾病中由于中央自主神经网络的损害,可引起自主神经系统的功能障碍和心脏病变;而心脏病变可导致多种神经疾病(如蛛网膜下腔出血、缺血性脑卒中和癫痫)的死亡率增高;这些现象对心源性猝死的病理十分重要。 |
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