Frontiers in Neuroscience

A RVLM szerepe a vérnyomás szabályozásában

A tízlábú állatokon végzett klasszikus vizsgálatokból már régóta ismert, hogy a vérnyomás szabályozásához ép agytörzsre, különösen a medulla oblongatára van szükség; a gerincvelőnek közvetlenül a medulla alatti szakasza a vérnyomás hirtelen csökkenéséhez vezet, míg az agytörzsnek a pontomedulláris csomópontnál lévő szakasza nem. A vérnyomás viszonylag szűk tartományon belül tartása egy egyszerű reflexív, a baroreflex épségétől függ. A baroreceptorok – a sinus carotisban és az aortaívben elhelyezkedő mechanoreceptorok, amelyek érzékenyek az artériafal radiális tágulására és így az intraluminális nyomásra – érzékelik a vérnyomás pulzáló ingadozásait, és a glossopharyngealis és a vagus idegeken keresztül gerjesztő szinaptikus projekciókat küldenek az elsődleges zsigeri érzékelő magba, a magányos traktus magjába (NTS). Az NTS-en belüli másodrendű neuronok ezután gerjesztő projekciókat küldenek a caudalis ventrolaterális medulla (CVLM) neuronjaihoz, amelyek tónusos gátló kontrollt gyakorolnak a rostralis ventrolaterális medulla (RVLM) felett (Dampney és mtsai., 2003a, b; Guyenet, 2006). Jól ismert, hogy az RVLM kritikus szerepet játszik a vérnyomás abszolút szintjének fenntartásában, valamint elengedhetetlen a vérnyomás ütemről ütemre történő szabályozásában: szinte az összes szimpatikus vazokonstriktor neuron az RVLM-ből ered, és az RVLM elektrolitikus léziója a vérnyomás hirtelen csökkenését eredményezi (Kumada és mtsai., 1979; Dampney és Moon, 1980). Vannak azonban olyan bizonyítékok, amelyek arra utalnak, hogy ez a nézet, miszerint az RVLM kritikus szerepet játszik a vérnyomás fenntartásában, helytelen. A közelmúltban Wenker és munkatársai (2017) kimutatták, hogy az archaerhodopszint expresszáló RVLM neuronok lézer-indukált gátlása nem csökkentette jelentősen a vérnyomást tudatos patkányokban. A szerzők azonban elismerik, hogy a neuronok alig több mint 50%-a expresszált archaerhodopszint, így lehetséges, hogy a lézeres stimuláció során nem megfelelő gátlás jött létre.

Mivel az RVLM az elsődleges (bár nem kizárólagos) kimeneti magja az izom, a splanchnikus és a vese érágyak szimpatikus vazokonstriktoros meghajtásának (Dampney és McAllen, 1988; McAllen et al, 1995), és ezáltal fontos szerepet játszik a teljes perifériás ellenállás és a vérnyomás folyamatos szabályozásában, a szimpatikus vazokonstriktor idegek aktivitásának mérése a periférián felhasználható az RVLM, valamint más, spinálisan kivetülő neuronokkal rendelkező magok – mint például a hipotalamusz paraventrikuláris magja (PVN), amely közvetlen projekciókat küld a gerincvelőbe, valamint az RVLM-be (Shafton és mtsai., 1998; Pyner és Coote, 2000) – aktivitásának állapotára való következtetésre. Tekintettel azonban arra, hogy a spinálisan projekciózó PVN neuronok nem reagálnak a baroreceptor bemenetre a tudatos nyúlban (Dampney et al, 2003b), valószínű, hogy ez a mag kevéssé járul hozzá a teljes perifériás ellenállás szabályozásában részt vevő érágyak, például a vázizomzatban lévő érágyak nyugalmi vazokonstriktoros meghajtásához.

Az izom érágyába történő szimpatikus kiáramlás emberben közvetlenül rögzíthető egy hozzáférhető perifériás idegbe perkután módon behelyezett volfrám mikroelektróda segítségével, ami a mikroneurográfia néven ismert invazív technika. Az izomszimpatikus idegaktivitás (MSNA) spontán kitörések formájában jelentkezik, amelyek erős időbeli kapcsolódást mutatnak a szívveréshez; a kitörések a szívverések közötti intervallumokban fordulnak elő, a hosszabb szívintervallumok alacsonyabb diasztolés nyomással és az MSNA kitörések nagyobb gyakoriságával és amplitúdójával járnak együtt (Macefield, 2013). Bár normotenzív emberekben nincs összefüggés a nyugalmi MSNA és a vérnyomás között (Joyner et al., 2010), jól ismert, hogy az emelkedett MSNA hozzájárul a neurogén hipertónia kialakulásához (Wallin et al., 1973; Grassi et al., 1998; Schlaich et al,

A humán RVLM funkcionális azonosítása MSNA-val kapcsolt fMRI-vel

Majdnem 10 évvel ezelőtt publikáltuk az első cikkünket (Macefield és Henderson, 2010) az MSNA-val kapcsolt funkcionális mágneses rezonancia képalkotásról (fMRI), amelyben az MSNA közvetlen felvételeit az agytörzs fMRI-jával kombináltuk. Megközelítésünket, amelyben a periférián rögzített MSNA spontán kitöréseinek előfordulási gyakoriságában és amplitúdójában bekövetkező ingadozásokat a BOLD (vér oxigénszintjétől függő) jelintenzitás kovariáló ingadozásainak azonosítására használtuk, a jel keletkezéséért felelős egyes agytörzsi magok azonosítására használtuk. Más szóval, a kimeneti jel rögzítése az agy képalkotásával egyidejűleg lehetővé tette a kimeneti jel központi forrásának azonosítását. Tekintettel a kis idegjelek nagy mágneses térben történő rögzítésének technikai nehézségeire (3 Tesla, mi pedig most 7T-n végezzük ezt), erre korábban még nem volt példa. Módszertanunk részletei máshol találhatók (Macefield és Henderson, 2010, 2016, 2019), de rövid spontán MSNA kitöréseket rögzítettünk egy volfrám mikroelektródán keresztül, amelyet perkután módon a jobb közös peronealis ideg izomfaszikulumába helyeztünk be a fekvő résztvevőkben, és az idegi aktivitást felerősítettük, szűrtük (2 × 104, 0.3-5,0 kHz; NeuroAmpEx, ADInstruments, Sydney, NSW, Ausztrália) és a számítógépen 10 kHz-es mintavételezéssel (PowerLab 16S és LabChart 7 szoftver, ADInstruments). A fejet egy 32 csatornás SENSE fejtekercsbe zárták, és ritka gradiens-gradiens visszhang mintavételi protokollt alkalmaztak: 200 kötetet (TR = 8 s, TE = 4 s, flipszög = 90°, nyers voxelméret = 1,5 × 1,5 × 2,75 mm) rögzítettek 27 perc alatt, mindegyik kötet 46 axiális szeletet tartalmazott, amelyeket caudalis-rostralis irányban gyűjtöttek, és a nyaki gerincvelő tetejétől a vertexig terjedtek. Minden 8 s TR-periódus egy kezdeti 4 s-os “ON” fázisból állt, amely során a teljes fMRI-térfogatot gyűjtötték, majd egy 4 s-os, nem szkennelő “OFF” fázis következett, amelyben a négy 1 s-os epocha mindegyikében MSNA-kiugrásokat mértek. A BOLD jel intenzitását (SPM12, korrigálatlan p < 0,001) az ezt követő 4 s-os periódusban a négy 1 s-os epocha mindegyikében mértük, hogy figyelembe vegyük a szimpatikus röppálya perifériás felvételi helyre való megérkezéséhez szükséges ∼1 s-ot (Fagius és Wallin, 1980) és a neuronális aktivitás és a BOLD jel generálása közötti ∼5 s hemodinamikai késleltetést (Logothetis et al., 2001). Fontos, hogy nem használunk region-of-interest megközelítést: inkább az agy azon területeit azonosítjuk, amelyek részt vesznek az MSNA szabályozásában, mivel a BOLD jel intenzitásának spontán fluktuációi az MSNA jel burst amplitúdójának spontán fluktuációival kovaráltak. Más szóval, ezek a területek az MSNA kitöréseihez való időbeli kapcsolódásuk miatt “pattantak ki”.

Az 1A. ábra a BOLD jelintenzitás kétoldali növekedését mutatja a medullában három maximális inspirációs légzéstartás során – egy olyan manőver, amely az MSNA tartós növekedését okozza – 15 résztvevőnél (Macefield et al., 2006). Úgy véljük, hogy ezek a klaszterek az RVLM emberi homológját képviselik: az emberi RVLM nem a medulla ventrolaterális részén helyezkedik el, ahol először a nyúlban azonosították, hanem a medulla dorsolaterális részén (1B ábra). Ennek oka, hogy a humán RVLM-et, amelyet az angiotenzin II típusú IA receptorok (AT1AR) nagy sűrűsége miatt azonosítottak, az emberben a nagy inferior olajbogyók tolják el (Allen és mtsai., 1998). Az 1C ábrán egy résztvevő esetében az MSNA-val összekapcsolt BOLD jelintenzitás kétoldali növekedését mutatjuk be ugyanezeken a területeken: látható, hogy a BOLD jel és az MSNA jel az idő múlásával kovariál, ami ugyanennek a résztvevőnek egy 30 s-os mintájára látható az 1D ábrán.

A 2. ábra nyolc résztvevő átlagos adatait mutatja. Az MSNA-csatolt jelintenzitás magas volt az RVLM-ben, ugyanakkor alacsony az NTS-nek és a CVLM-nek megfelelő régiókban. Ennek van értelme, mivel az MSNA spontán kitörései csak akkor fordulnak elő, amikor a diasztolés vérnyomás alacsony, és így az NTS-nek az artériás baroreceptorokból származó gerjesztő bemenete is alacsony. És mivel az NTS gerjesztő projekciót küld a CVLM-be, a BOLD jelintenzitás ebben a magban szintén alacsony. Ennek ellenkezője történik, amikor az MSNA kitörései hiányoznak, amikor a diasztolés nyomás magas. Mint ilyenek, ezek az eredmények bizonyítják a fent említett, kísérleti állatokban azonosított sorozatos NTS-CVLM-RVLM baroreflex áramkör létezését az emberekben (Macefield és Henderson, 2010). Az is látható, hogy van egy egyoldalú (bal oldali) caudalis medulláris terület, ahol a BOLD jelintenzitás magas, amikor az MSNA kitörései jelentkeznek: azt javasoljuk, hogy ez a klaszter megfelel a caudalis presszor területnek (CPA), egy olyan területnek, amelyről ismert, hogy gerjesztő projekciókat küld az RVLM-be (Dampney et al., 2003a, b).

Az agytörzs feletti struktúrák azonosítására is használtunk MSNA-kapcsolt fMRI-t. Amint az a 3. ábrán látható, az MSNA-kapcsolt jelintenzitás magas volt számos diszkrét régióban, beleértve a bal inzulát, a bal és jobb dorsolaterális prefrontális kéreg (dlPFC), a hátsó cinguláris kéreg (PCC) és a precuneus. A bal dorsomedialis hipotalamuszban (DMH) és mind a bal, mind a jobb ventromedialis hipotalamuszban (VMH) is jelentős MSNA-kapcsolt jelintenzitás volt. Sem a DMH, sem a VMH nem küld közvetlen projekciókat a gerincvelőbe, a DMH az RVLM-en keresztül befolyásolja a szimpatikus kiáramlást (DiMicco et al., 2002; Horiuchi et al., 2004; Wang et al., 2010), a VMH pedig a DMH-n, a középagyi periaqueductalis szürkén (PAG), a parabrachialis magon és az NTS-en keresztül hat (ter Horst és Luiten, 1986; Canteras et al., 1994; Jansen et al., 1995). Megjegyzendő azonban, hogy nem volt jel a PVN-ben, amely – mint fentebb említettük – az egyetlen hipotalamikus mag, amelyről ismert, hogy az RVLM felé irányuló projekciókkal párhuzamosan közvetlen projekciókat küld a gerincvelőbe (Shafton et al., 1998; Pyner és Coote, 2000).

Amellett, hogy ezek a területek funkcionálisan kapcsolódnak az MSNA kitöréseihez, amint az a 4. ábrán látható, a konnektivitáselemzés kimutatta, hogy az RVLM funkcionálisan kapcsolódik az anterior insulához, a PCC-hez, a precuneushoz, a VMH-hoz és a DMH-hoz, a PAG-hoz és a dorsolaterális pons-hoz (dlPons). Ez azt jelenti, hogy ezek a területek mindegyike funkcionálisan összekapcsolódik az MSNA spontán kitöréseinek generálásával, és ezért valószínűleg részt vesznek az MSNA nyugalmi állapotban történő generálásában és/vagy szabályozásában. Meglepődve tapasztaltuk, hogy egyes területek – köztük az NTS, a CVLM, a CPA, a DMH és az insula – jelintenzitásának változásai nem voltak szimmetrikusak, bár az RVLM, a VMH, a dlPFC, a PCC és a precuneus változásai kétoldaliak voltak. Az MSNA-t mindig a jobb közös peroneális idegből rögzítettük, de tekintve, hogy mind a bal, mind a jobb lábra irányuló MSNA kitörések előfordulása és amplitúdója szimmetrikus, amint azt az MSNA kétoldalú felvételei során kimutatták (Sundlof és Wallin, 1977; El Sayed et al., 2012), minden kísérlet az oldalirányú különbségek magyarázatára pusztán spekulatív lenne. Az olvasót a közelmúltban megjelent áttekintésünkhöz irányítjuk, amelyben az általunk azonosított szimpatikus konnektom funkcionális jelentőségét vizsgáljuk (Macefield és Henderson, 2019).

Változások az MSNA-hoz kapcsolt BOLD jelintenzitásban az MSNA fiziológiai emelkedése során

Már korábban kimutattuk, hogy a BOLD jelintenzitás az RVLM-ben megnő a maximális inspirációs légzés-visszatartás során (lásd az 1A ábrát), míg az NTS és a CVLM jelintenzitása csökken (Macefield et al., 2006), és kimutatták, hogy a jelintenzitás mind az NTS-ben, mind az RVLM-ben megnő a metaboreceptorok aktiválása során, amikor 4 perces statikus kézi fogásgyakorlatot követően 6 perces poszt-edzés utáni iszkémia indukálódik (Sander et al., 2010). Korábbi vizsgálatok azt is kimutatták, hogy a BOLD jelintenzitás megnövekedett a medulla és a dorsalis pons-ban a Valsalva manőver során (Harper et al., 2000; Henderson et al., 2002), az NTS-ben és a parabrachialis magban (amelyre az NTS vetül) a jelintenzitás növekedését jelentették maximális inspirációs erőfeszítés, izometrikus kézfogásgyakorlat és a Valsalva manőver során (Topolovec et al., 2004). Azonban ezen vizsgálatok egyikében sem regisztrálták az MSNA-t ugyanakkor.

A közelmúltban vizsgáltuk az agyban bekövetkező funkcionális változásokat a kísérleti izomfájdalom során, amelyet egy lábizomba adott hipertóniás sóoldat 40 perces infúziójával idéztünk elő, ami egyes résztvevőknél az MSNA tartós növekedését, másoknál viszont tartós csökkenését okozza; a mintázat egy adott egyénnél reprodukálható, és nemrég kimutattuk, hogy azok, akiknél az MSNA tónusos izomfájdalom során nőtt, több területen a BOLD jelintenzitás növekedését mutatták (Kobuch et al., 2017, 2018), köztük az anterior insula és az elülső mediális prefrontális kéreg (mPFC) a bal oldalon, valamint a dlPFC és az elülső cinguláris kéreg (ACC) a jobb oldalon, míg a jelintenzitás csökkent az mPFC-ben és a dlPFC-ben a bal oldalon (5. ábra). A jelintenzitás növekedését láttuk a bal DMH-ban is, ami illeszkedik ennek a magnak a stresszre adott autonóm válaszok generálásában betöltött szerepéhez (DiMicco és mtsai., 2002; Fontes és mtsai., 2017). Az agytörzs-specifikus elemzés szintén differenciált válaszokat mutatott, a BOLD jelintenzitás növekedése az RVLM-ben és a dlPons-ban, valamint az NTS-ben (nem látható) abban a csoportban, amelyikben az MSNA növekedését mutatta, míg a középagyi PAG aktivitása csak abban a csoportban mutatott tartós növekedést, amelyben az MSNA csökkent (6. ábra).

Mivel az MSNA-t az agy szkennelésével egy időben rögzítettük, így a BOLD jel intenzitását korrelálni tudtuk az MSNA amplitúdójának fájdalom által kiváltott változásaival. Nyugalomban a BOLD jelintenzitás erősen kapcsolódott az MSNA kitöréseihez az RVLM, az insula, a dlPFC, a PCC és a precuneus területén, és csökkent a középagy PAG régiójában. Fájdalom alatt az MSNA-val kapcsolt BOLD jelintenzitás szignifikánsan magasabb volt a jobb oldali NTS és a ventrolaterális PAG, a jobb oldali dlPFC és ACC, valamint a bal oldali insula és mPFC régiójában; fordítva, az MSNA-val kapcsolt jelintenzitás fájdalom alatt csökkent a bal oldali dlPFC és mPFC részein (Kobuch et al., 2018). A BOLD jelintenzitás változása és az MSNA burst amplitúdó változása közötti korrelációkat bemutató, 37 résztvevőtől származó átlagos adatokat a 7. ábra szemlélteti. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az agy több területe burst-ről-burstra módon vesz részt, és a jelintenzitás ezen változásainak nagysága korrelál az MSNA amplitúdójának általános változásával a tónusos izomfájdalom során (Kobuch et al., 2018). Érdekes módon néhány fontos agyi régió nem mutatott fájdalommal kapcsolatos változásokat. Például, míg azt találtuk, hogy az RVLM és a precuneus nyugalmi állapotban erős kapcsolódást mutatott az MSNA-hoz, a tónusos izomfájdalom során egyik régió sem mutatott változást a jelintenzitásban az MSNA-robbanás intenzitásának függvényében. Azonban, ahogy fentebb említettük, mindkét régió tartós jelintenzitás-növekedést mutatott a növekvő MSNA csoportban, és csökkenést a csökkenő MSNA csoportban, ami arra utal, hogy mind az RVLM, mind a precuneus tónusos moduláló szerepet biztosíthat, ahelyett, hogy az izomfájdalom során burstról burstra változna (Kobuch et al., 2018).

Az MSNA-val kapcsolt BOLD jelintenzitás változása az MSNA patofiziológiai emelkedése során

Az obstruktív alvási apnoéban (OSA) szenvedő betegeknél nyugalmi állapotban jelentősen emelkedett az MSNA, a felső légutak összeomlásával járó éjszakai hipoxémia ismétlődő epizódjai miatt, ami neurogén hipertóniához vezet. Ez tehát a magas MSNA patofiziológiai modellje. Amint az a 8. ábrán látható, az MSNA-val kapcsolt BOLD jelintenzitás magasabb volt OSA-ban, mint a kontrolloknál a következő területeken: dlPFC és mPFC kétoldalt, dorzális prekuneus, ACC, retrosplenialis kéreg (RSC) és caudate nucleus (Fatouleh et al., 2014). Ezek az adatok arra utalnak, hogy az emelkedett MSNA-t a magasabb agykérgi régiókban bekövetkező változások vezérelhetik, valószínűleg az agytörzsi magokra gyakorolt hatásokon keresztül.

Az agytörzs nagy felbontású szkennelése, amint az a 9. ábrán látható, jelentős kapcsolatot mutatott ki az MSNA spontán kitörései és a BOLD jelintenzitás között számos agytörzsi régióban, beleértve a medulláris rafét, az RVLM-et, a dlPons-t és a középagyat, valamint a szürkeállomány térfogatának jelentős növekedését ugyanezeken a területeken (Lundblad et al., 2014). Bár több mechanizmus is vezethet a szürkeállomány térfogatának növekedéséhez, lehetséges, hogy ezeket a változásokat az asztrocita aktiváció és a szinaptikus aktivitás modulációja hozza létre a megváltozott gliotranszmisszió révén. Valóban arról számoltak be, hogy a krónikus intermittáló hipoxia az agykérgi régiókban, például a hippokampuszban az asztrociták aktivációjával jár együtt (Aviles-Reyes és mtsai., 2010). Lehetséges, hogy az ismétlődő hipoxiás események valamilyen módon előidézik az asztrociták aktiválódását a raphe, a dlPons és az RVLM területén, ami összhangban van a szürkeállomány sűrűségének növekedésével. Érdekes módon a szürkeállomány térfogatának e növekedése ellenére az MSNA-val kapcsolt BOLD jelintenzitás valójában alacsonyabb volt az OSA-ban, mint a kontrolloknál, amint azt a 9. ábra mutatja. Lehetséges, hogy a dlPons és a medulláris raphe által a rostrális ventrolaterális medulláris premotoros szimpatikus neuronok csökkent tónusos gátló meghajtása vezet a nyugalmi MSNA növekedéséhez OSA-ban. Tekintettel arra, hogy a BOLD jel feltehetően szinaptikus energiafüggő folyamatokat tükröz (Logothetis et al., 2001), a jelintenzitás csökkenése az RVLM-en belül, annak ellenére, hogy az ebből a magból származó kimenet növekedett (az MSNA magasabb volt), az RVLM-re irányuló aktív gátlás csökkenését tükrözheti. Az asztrociták aktiválása ezután megváltoztathatja a szinaptikus dinamikát gliotranszmitterek, például glutamát, ATP vagy akár GABA felszabadulásán keresztül (Halassa és mtsai., 2007; Ben Achour és Pascual, 2012). A mögöttes mechanizmusoktól függetlenül adataink azt mutatják, hogy vannak olyan változások az agyban, amelyek felelősek lehetnek az MSNA és a vérnyomás emelkedéséért OSA esetén. Más szóval, az agyon belüli patofiziológiai változások vezetnek az OSA egyik klinikai jellemzőjéhez, a magas vérnyomáshoz. Ha ez igaz, akkor azt várhatnánk, hogy az állapot kezelése visszafordítja ezeket a változásokat. Valóban kimutattuk, hogy 6 hónapos folyamatos pozitív légúti nyomás (CPAP), amely az MSNA jelentős csökkenését eredményezte, az OSA-ban megfigyelhető funkcionális változások visszafordítását okozta (Fatouleh és mtsai., 2015; Lundblad és mtsai., 2015).

Következtetés

Az izom-szimpatikus ideg aktivitással kapcsolt fMRI lehetővé tette számunkra az emberi RVLM funkcionális azonosítását, és kimutatta, hogy annak folyamatos aktivitása nyugalmi állapotban számos kortikális és szubkortikális struktúrával van összekapcsolva. Ezen túlmenően, ennek a csatolásnak az erőssége módosítható fiziológiai vagy patofiziológiai folyamatokkal, amelyek az MSNA növekedéséhez vezetnek. Míg az MSNA fiziológiás növekedése az RVLM BOLD jelintenzitásának növekedését eredményezheti, az OSA-ban megfigyelhető MSNA patofiziológiai növekedésében úgy tűnik, hogy a BOLD jel csökken, amit úgy értelmezünk, hogy a folyamatban lévő gátlás csökkenése miatt. Valójában azt sugalljuk, hogy az emberi RVLM nyugalomban lévő kimenetét az aktív gátlás tartja kordában, amelynek visszavonása az MSNA és a vérnyomás emelkedéséhez vezethet. Természetesen nem zárhatjuk ki annak lehetőségét, hogy más agytörzsi vagy hipotalamikus területek is hozzájárulnak az MSNA fiziológiás vagy patofiziológiai emelkedéséhez, de az a tény, hogy jelentős változásokat látunk az RVLM-ben, amely számos más agytörzsi és hipotalamikus területről kap bemenetet, arra enged következtetni, hogy a látottak nagy része valóban az RVLM-en belüli változásoknak köszönhető.

A szerzők hozzájárulása

Ez a kézirat a szerzőknek az MSNA-csatolt fMRI technikával kapcsolatos közös munkájának áttekintése. VM írta az áttekintés tervezetét, LH közreműködésével.

Finanszírozás

Ezt a munkát a National Health and Medical Research Council of Australia (GTN1007557, GTN1100038 és GTN1100042) ösztöndíjai támogatták.

Érdekellentét

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális érdekellentétként értelmezhetők.

Köszönet

Hálásak vagyunk Dr. Cheree James, Dr. Rania Fatouleh, Dr. Linda Lundblad és Dr. Sophie Kobuch hozzájárulásáért az itt közölt adatok megszerzésében és elemzésében.

.