Frontiers in Neuroscience

The Role of the RVLM in the Regulation of Blood Pressure

Vanuit klassieke studies van decerebrate dieren, is het al lang bekend dat de controle van de bloeddruk een intacte hersenstam vereist, in het bijzonder de medulla oblongata; Doorsnijding van het ruggenmerg onmiddellijk onder de medulla leidt tot een steile daling van de bloeddruk, terwijl doorsnijding van de hersenstam ter hoogte van de pontomedullary junction dit niet doet. De handhaving van de bloeddruk binnen een betrekkelijk smal bereik hangt af van de integriteit van een eenvoudige reflexboog, de baroreflex. Baroreceptoren – mechanoreceptoren in de sinus carotis en de aortaboog die gevoelig zijn voor de radiale uitzetting van de arteriële wand en derhalve voor de intraluminale druk – detecteren de pulsatiele schommelingen van de bloeddruk en zenden via de glossopharyngeale en vaguszenuwen excitatoire synaptische projecties naar de primaire viscerale sensorische kern, de nucleus van het solitaire tractus (NTS). Neuronen van de tweede orde binnen de NTS zenden vervolgens excitatoire projecties naar neuronen van de caudale ventrolaterale medulla (CVLM), die tonische remmende controle uitoefent op de rostrale ventrolaterale medulla (RVLM) (Dampney et al., 2003a, b; Guyenet, 2006). Het is bekend dat de RVLM een cruciale rol speelt in het handhaven van absolute bloeddrukniveaus, en tevens essentieel is voor de beat-to-beat controle van de bloeddruk: bijna alle sympathische vasoconstrictor neuronen vinden hun oorsprong in de RVLM en elektrolytische laesies van de RVLM resulteren in precipitante bloeddrukdalingen (Kumada et al., 1979; Dampney and Moon, 1980). Er zijn echter aanwijzingen dat deze opvatting van de RVLM als kritische factor voor het handhaven van de bloeddruk onjuist is. Recent toonden Wenker et al. (2017) aan dat laser-geïnduceerde inhibitie van archaerhodopsine-expresserende RVLM neuronen er niet in slaagde de bloeddruk significant te laten dalen bij ratten bij bewustzijn. De auteurs erkennen echter dat iets meer dan 50% van de neuronen archaerhodopsine tot expressie bracht, dus het is mogelijk dat onvoldoende inhibitie werd geproduceerd tijdens laserstimulatie.

Gezien het feit dat de RVLM de primaire (zij het niet exclusieve) uitgangskern is voor sympatische vasoconstrictor aandrijving naar de spier-, splanchnische, en renale vaatbedden (Dampney en McAllen, 1988; McAllen et al., 1995), en speelt daardoor een belangrijke rol in de voortdurende regulatie van de totale perifere weerstand en de bloeddruk, kan het meten van de sympathische vasoconstrictor zenuwactiviteit in de periferie gebruikt worden om de activiteit van de RVLM af te leiden, evenals van andere kernen met spinaal projecterende neuronen – zoals de paraventriculaire kern van de hypothalamus (PVN), die directe projecties naar het ruggenmerg en naar de RVLM stuurt (Shafton et al., 1998; Pyner en Coote, 2000). Echter, gezien het feit dat spinaal projecterende PVN neuronen niet reageren op baroreceptor input bij het konijn bij bewustzijn (Dampney et al, 2003b) is het waarschijnlijk dat deze kern weinig bijdraagt aan de vasoconstrictor aandrijving van vasculaire bedden die betrokken zijn bij het reguleren van de totale perifere weerstand, zoals die in skeletspieren.

Sympatische uitstroom naar het spiervaatbed kan bij mensen direct worden geregistreerd via een wolfraam micro-elektrode die percutaan in een toegankelijke perifere zenuw wordt ingebracht, een invasieve techniek die bekend staat als microneurografie. Muscle sympathetic nerve activity (MSNA) treedt op als spontane uitbarstingen die een sterke temporele koppeling vertonen met de hartslag; uitbarstingen treden op in de intervallen tussen hartslagen, waarbij langere hartintervallen worden geassocieerd met lagere diastolische drukken en een grotere incidentie en amplitude van uitbarstingen van MSNA (Macefield, 2013). Hoewel er geen verband is tussen MSNA in rust en bloeddruk bij normotensieve mensen (Joyner et al., 2010), staat het vast dat verhoogde MSNA bijdraagt tot de ontwikkeling van neurogene hypertensie (Wallin et al., 1973; Grassi et al., 1998; Schlaich et al, 2004).

Functionele identificatie van de menselijke RVLM met behulp van MSNA-gekoppelde fMRI

Bijna 10 jaar geleden publiceerden we ons eerste artikel (Macefield en Henderson, 2010) over MSNA-gekoppelde functionele magnetische resonantie imaging (fMRI), waarin we directe opnamen van MSNA combineerden met fMRI van de hersenstam. Onze aanpak, waarbij fluctuaties in de incidentie en amplitude van spontane uitbarstingen van MSNA opgenomen in de periferie worden gebruikt om covarying fluctuaties in BOLD (bloed zuurstof niveau afhankelijke) signaalintensiteit te identificeren, werd gebruikt om individuele kernen in de hersenstam die verantwoordelijk zijn voor de generatie van het signaal te identificeren. Met andere woorden, het opnemen van het uitgangssignaal op hetzelfde moment als beeldvorming van de hersenen maakte het mogelijk om de centrale bron van het uitgangssignaal te identificeren. Gezien de technische moeilijkheden om kleine zenuwsignalen op te nemen in een groot magnetisch veld (3 Tesla, en wij doen dit nu bij 7T), was dit nog nooit eerder geprobeerd. Details van onze methodologie zijn elders te vinden (Macefield en Henderson, 2010, 2016, 2019), maar korte spontane uitbarstingen van MSNA werden opgenomen via een wolfraam micro-elektrode percutaan ingebracht in een spierfascikel van de rechter gemeenschappelijke peroneus in rugligging deelnemers, en neurale activiteit versterkt, gefilterd (2 × 104, 0.3-5.0 kHz; NeuroAmpEx, ADInstruments, Sydney, NSW, Australië) en bemonsterd op de computer bij 10 kHz (PowerLab 16S en LabChart 7 software, ADInstruments). Het hoofd werd ingesloten in een 32-kanaals SENSE hoofd spoel en een spaarzame gradiënt-gradiënt echo sampling protocol werd uitgevoerd: 200 volumes (TR = 8 s, TE = 4 s, flip hoek = 90 °, ruwe voxel grootte = 1,5 × 1,5 × 2,75 mm) werden verworven over 27 min, elk volume bestaat uit 46 axiale plakjes verzameld in een caudale naar rostrale richting en zich uitstrekt van de top van de cervicale ruggenmerg naar de vertex. Elke 8 s TR periode bestond uit een eerste 4 s “ON” fase waarin de gehele fMRI volume werd verzameld, gevolgd door een niet-scannen “OFF” fase van 4 s, waarin uitbarstingen van MSNA werden gemeten in elk van de vier 1-s epochs. BOLD signaalintensiteit (SPM12, ongecorrigeerde p < 0,001) werd gemeten in elk van de vier 1-s epochs in de daaropvolgende 4-s periode om rekening te houden voor de ∼1 s die nodig zijn voor de aankomst van de sympathische volley op de perifere opname site (Fagius en Wallin, 1980) en de ∼5 s hemodynamische vertraging tussen de neuronale activiteit en generatie van het BOLD signaal (Logothetis et al., 2001). Belangrijk is dat we geen gebruik maken van een regio-van-belang benadering: eerder, gebieden van de hersenen worden geïdentificeerd als zijnde betrokken bij de regulatie van MSNA omdat de spontane fluctuaties in BOLD-signaal intensiteit samenvielen met de spontane fluctuaties in burst amplitude van het MSNA-signaal. Met andere woorden, deze gebieden “knalden eruit” vanwege hun temporele koppeling aan de uitbarstingen van MSNA.

Figuur 1A toont een bilaterale toename in BOLD signaalintensiteit in de medulla tijdens drie reeksen van maximaal inademen – een manoeuvre die een aanhoudende toename in MSNA veroorzaakt – bij 15 deelnemers (Macefield et al., 2006). Wij geloven dat deze clusters vertegenwoordigen de menselijke homoloog van de RVLM: de menselijke RVLM is niet gelegen in de ventrolaterale deel van de medulla, waar het voor het eerst werd geïdentificeerd bij het konijn, maar in de dorsolaterale aspect van de medulla (figuur 1B). Dit komt omdat de menselijke RVLM, geïdentificeerd als zodanig vanwege de hoge dichtheid van angiotensine II type IA receptoren (AT1AR), wordt verplaatst door de grote inferieure olijven bij de mens (Allen et al., 1998). In figuur 1C tonen we voor een deelnemer bilaterale toenames in MSNA-gekoppelde BOLD-signaal intensiteit in deze zelfde gebieden: het kan worden gezien dat de BOLD-signaal en MSNA signaal covary in de tijd, getoond voor een 30 s monster voor deze zelfde deelnemer in figuur 1D.

Figuur 2 toont gemiddelde gegevens van acht deelnemers. MSNA-gekoppelde signaalintensiteit was hoog in RVLM, maar laag in de regio’s die overeenkomen met NTS en CVLM. Dit is logisch, gezien het feit dat spontane uitbarstingen van MSNA alleen optreden wanneer de diastolische bloeddruk laag is en dus de excitatoire input naar NTS van de arteriële baroreceptoren ook laag is. En, omdat de NTS een excitatoire projectie naar de CVLM stuurt, is de BOLD signaalintensiteit in deze kern ook laag. Het tegenovergestelde gebeurt wanneer uitbarstingen van MSNA afwezig zijn wanneer de diastolische druk hoog is. Als zodanig tonen deze bevindingen het bestaan aan bij de mens van het seriële NTS-CVLM-RVLM baroreflex circuit dat werd geïdentificeerd bij proefdieren waarnaar hierboven werd verwezen (Macefield en Henderson, 2010). Ook is te zien dat er een unilaterale (linker) caudale medullaire locatie is waar de BOLD signaalintensiteit hoog is wanneer uitbarstingen van MSNA optreden: wij suggereren dat deze cluster overeenkomt met de caudale pressor area (CPA), een gebied waarvan bekend is dat het excitatoire projecties naar RVLM stuurt (Dampney et al., 2003a, b).

We hebben ook MSNA-gekoppelde fMRI gebruikt om structuren boven de hersenstam te identificeren. Zoals te zien is in figuur 3, was de MSNA-gekoppelde signaalintensiteit hoog in een aantal discrete regio’s, waaronder de linker insula, linker en rechter dorsolaterale prefrontale cortex (dlPFC), posterieure cingulate cortex (PCC), en precuneus. Er was ook een significante MSNA-gekoppelde signaalintensiteit in de linker dorsomediale hypothalamus (DMH) en zowel de linker als de rechter ventromediale hypothalamus (VMH). DMH noch VMH sturen directe projecties naar het ruggenmerg, waarbij DMH de sympathische uitstroom beïnvloedt via RVLM (DiMicco et al., 2002; Horiuchi et al., 2004; Wang et al., 2010) en VMH via DMH, midbrain periaqueductal gray (PAG), parabrachiale nucleus, en NTS (ter Horst en Luiten, 1986; Canteras et al., 1994; Jansen et al., 1995). Merk echter op dat er geen signaal was in de PVN, die – zoals hierboven opgemerkt – de enige hypothalamische kern is waarvan bekend is dat hij directe projecties naar het ruggenmerg stuurt, parallel aan die naar de RVLM (Shafton et al., 1998; Pyner en Coote, 2000).

Naast deze gebieden die functioneel gekoppeld zijn aan uitbarstingen van MSNA, zoals getoond in figuur 4 connectiviteit analyse bleek dat de RVLM functioneel gekoppeld is aan de anterieure insula, PCC, precuneus, VMH en DMH, PAG, en dorsolaterale pons (dlPons). Dit betekent dat al deze gebieden functioneel gekoppeld zijn aan het genereren van spontane uitbarstingen van MSNA en dus waarschijnlijk betrokken zijn bij het genereren en/of reguleren van MSNA in rust. Het verbaasde ons dat veranderingen in signaalintensiteit in bepaalde gebieden – waaronder NTS, CVLM, CPA, DMH, en insula – niet symmetrisch waren, hoewel veranderingen in RVLM, VMH, dlPFC, PCC, en precuneus bilateraal waren. Wij registreerden altijd MSNA van de rechter n. peroneus, maar gezien het feit dat zowel de incidentie als de amplitude van uitbarstingen van MSNA gericht op de linker- en rechterbenen symmetrisch zijn, zoals aangetoond tijdens bilaterale opnamen van MSNA (Sundlof en Wallin, 1977; El Sayed et al., 2012), zou elke poging om deze verschillen van links naar rechts te verklaren louter speculatief zijn. We verwijzen de lezer naar onze recente review waarin we ingaan op de functionele betekenis van het sympathische connectoom dat we hebben geïdentificeerd (Macefield en Henderson, 2019).

Veranderingen in MSNA-gekoppelde BOLD-signaalintensiteit tijdens fysiologische verhogingen in MSNA

We hadden al aangetoond dat BOLD-signaalintensiteit toeneemt in RVLM tijdens een maximale inspiratoire breath-hold (zie figuur 1A), terwijl de signaalintensiteit in NTS en CVLM naar beneden gaat (Macefield et al., 2006), en hebben aangetoond dat de signaalintensiteit toeneemt in zowel NTS en RVLM tijdens de activering van metaboreceptoren door het induceren van 6 min van post-exercise ischemie na 4 min van statische handgrip oefening (Sander et al., 2010). Eerdere studies hadden ook aangetoond dat de BOLD signaalintensiteit toenam in de medulla en dorsale pons tijdens een Valsalva manoeuvre (Harper et al., 2000; Henderson et al., 2002), met toenames in signaalintensiteit in de NTS en de parabrachiale kern (waarnaar de NTS projecteert) die werden gerapporteerd tijdens een maximale inademingsinspanning, isometrische handgreep oefening en de Valsalva manoeuvre (Topolovec et al., 2004). In geen van deze studies was echter tegelijkertijd MSNA geregistreerd.

Wij onderzochten onlangs functionele veranderingen in de hersenen tijdens experimentele spierpijn, geïnduceerd door een 40-min infusie van hypertone zoutoplossing in een beenspier, die bij sommige deelnemers een aanhoudende toename van MSNA veroorzaakt, maar bij anderen een aanhoudende afname; het patroon is reproduceerbaar in een bepaald individu en we toonden onlangs aan dat degenen bij wie MSNA toenam tijdens tonische spierpijn toenames vertoonden in BOLD-signaalintensiteit in verschillende gebieden (Kobuch et al, 2017, 2018), waaronder de anterieure insula en anterieure mediale prefrontale cortex (mPFC) aan de linkerkant, en dlPFC en anterieure cingulate cortex (ACC) aan de rechterkant, terwijl de signaalintensiteit afnam in de mPFC en dlPFC aan de linkerkant (figuur 5). We zagen ook een toename van de signaalintensiteit in de linker DMH, wat past bij de rol van deze kern in het opwekken van autonome reacties op stress (DiMicco et al., 2002; Fontes et al., 2017). Een hersenstam-specifieke analyse toonde ook differentiële responsen, met toenames in BOLD-signaalintensiteit in RVLM en dlPons, evenals NTS (niet getoond), in de groep die een toename in MSNA vertoonde, terwijl activiteit in de middenhersenen PAG alleen een aanhoudende toename vertoonde in de groep bij wie MSNA daalde (figuur 6).

Omdat MSNA werd geregistreerd op hetzelfde moment als we de hersenen scanden, konden we vervolgens de BOLD-signaalintensiteit correleren aan de pijn-geëvoceerde veranderingen in amplitude van MSNA. In rust was de BOLD signaalintensiteit sterk gekoppeld aan uitbarstingen van MSNA in de RVLM, insula, dlPFC, PCC, en precuneus, en afgenomen in het gebied van de middenhersenen PAG. Tijdens pijn was de MSNA-gekoppelde BOLD-signaalintensiteit significant hoger in de regio van de NTS en ventrolaterale PAG rechts, dlPFC en ACC rechts, en insula en mPFC links; omgekeerd nam de MSNA-gekoppelde signaalintensiteit af tijdens pijn in delen van de linker dlPFC en mPFC (Kobuch et al., 2018). Gemiddelde gegevens, die de correlaties tonen tussen de verandering in BOLD-signaalintensiteit en verandering in MSNA-burstamplitude, van 37 deelnemers worden geïllustreerd in figuur 7. Deze resultaten geven aan dat verschillende gebieden van de hersenen betrokken zijn op een burst-to-burst manier, waarbij de grootte van deze veranderingen in signaalintensiteit gecorreleerd zijn met de algehele verandering in MSNA amplitude tijdens tonische spierpijn (Kobuch et al., 2018). Interessant is dat sommige belangrijke hersengebieden geen pijngerelateerde veranderingen vertoonden. Bijvoorbeeld, terwijl we hadden gevonden dat de RVLM en de precuneus een sterke koppeling vertoonden met MSNA in rust, vertoonde geen van deze regio’s tijdens tonische spierpijn veranderingen in de signaalintensiteit als functie van de MSNA-burstintensiteit. Zoals hierboven opgemerkt vertoonden beide regio’s echter aanhoudende verhogingen van de signaalintensiteit in de toenemende MSNA-groep, en verlagingen in de afnemende MSNA-groep, wat suggereert dat zowel de RVLM als de precuneus een tonische modulerende rol kunnen bieden in plaats van te veranderen in een burst-to-burst mode tijdens spierpijn (Kobuch et al., 2018).

Changes in MSNA-Coupled BOLD Signal Intensity During Pathophysiological Increases in MSNA

Patiënten met obstructieve slaapapneu (OSA) hebben een duidelijk verhoogde MSNA in rust, als gevolg van de repetitieve episodes van nachtelijke hypoxemie die gepaard gaan met collaps van de bovenste luchtwegen, wat leidt tot neurogene hypertensie. Dit is dan een pathofysiologisch model van hoge MSNA. Zoals blijkt uit figuur 8, MSNA-gekoppelde BOLD-signaal intensiteit was hoger in OSA dan in controles in de volgende gebieden: dlPFC en mPFC bilateraal, dorsale precuneus, ACC, retrospleniale cortex (RSC), en caudate nucleus (Fatouleh et al., 2014). Deze gegevens suggereren dat de verhoogde MSNA mogelijk wordt aangedreven door veranderingen in hogere corticale regio’s, mogelijk door invloeden op hersenstamkernen.

Inderdaad, zoals blijkt uit figuur 9, hoge-resolutie scannen van de hersenstam onthuld significante koppeling tussen spontane uitbarstingen van MSNA en BOLD signaalintensiteit in een aantal hersenstam regio’s, waaronder de medullaire raphé, RVLM, dlPons, en de middenhersenen, en significante toename van grijze stof volume in dezelfde gebieden (Lundblad et al., 2014). Hoewel verschillende mechanismen kunnen leiden tot deze toename van het grijze stof volume, is het mogelijk dat deze veranderingen tot stand komen door astrocytische activatie en modulatie van synaptische activiteit door veranderde gliotransmissie. Er is inderdaad gerapporteerd dat chronische intermitterende hypoxie geassocieerd is met activatie van astrocyten in corticale gebieden zoals de hippocampus (Aviles-Reyes et al., 2010). Het is mogelijk dat herhaalde hypoxische gebeurtenissen op een of andere manier astrocyten activeren in de raphe, dlPons en de RVLM, wat consistent is met een verhoogde dichtheid van grijze stof. Vreemd genoeg, ondanks deze toename in grijze stof volume, MSNA-gekoppelde BOLD signaalintensiteit was eigenlijk lager in OSA dan in controles, zoals blijkt uit figuur 9. Het is mogelijk dat verminderde tonische remmende aandrijving op rostrale ventrolaterale medullaire premotorische sympathische neuronen door de dlPons en medullaire raphe leidt tot de toename in rust MSNA bij OSA. Aangezien wordt aangenomen dat het BOLD signaal synaptische energie-afhankelijke processen weerspiegelt (Logothetis et al., 2001), kan een vermindering van de signaalintensiteit in de RVLM, ondanks een toename van de output van deze kern (de MSNA was hoger), een vermindering van de actieve inhibitie van de RVLM weerspiegelen. Activatie van astrocyten zou dan de synaptische dynamiek kunnen veranderen door het vrijkomen van gliotransmitters zoals glutamaat, ATP of zelfs GABA (Halassa et al., 2007; Ben Achour and Pascual, 2012). Ongeacht de onderliggende mechanismen, tonen onze gegevens aan dat er veranderingen in de hersenen zijn die verantwoordelijk kunnen zijn voor de toename van MSNA en bloeddruk bij OSA. Met andere woorden, pathofysiologische veranderingen in de hersenen leiden tot een van de klinische kenmerken van OSA – de verhoogde bloeddruk. Als dit waar is, zou men verwachten dat behandeling van de aandoening deze veranderingen zou omkeren. We hebben inderdaad aangetoond dat 6 maanden continue positieve luchtwegdruk (CPAP), die een significante daling van de MSNA teweegbracht, een omkering veroorzaakte van de functionele veranderingen die bij OSA worden gezien (Fatouleh et al., 2015; Lundblad et al., 2015).

Conclusie

Muscle sympathetic nerve activity-coupled fMRI heeft ons in staat gesteld om functioneel de menselijke RVLM te identificeren en aangetoond dat zijn lopende activiteit gekoppeld is aan verschillende corticale en subcorticale structuren in rust. Bovendien kan de sterkte van deze koppeling worden gewijzigd door fysiologische of pathofysiologische processen die leiden tot een toename van de MSNA. Terwijl een fysiologische toename van MSNA kan resulteren in een toename van de BOLD signaalintensiteit van de RVLM, lijkt het er bij de pathofysiologische toename van MSNA, gezien bij OSA, op dat het BOLD signaal daalt, hetgeen wij interpreteren als het gevolg van een afname van de lopende inhibitie. Wij suggereren dat de output van de RVLM bij de mens in rust in toom wordt gehouden door actieve inhibitie, waarvan het wegvallen kan leiden tot een toename van MSNA en bloeddruk. Natuurlijk kunnen we niet uitsluiten dat andere hersenstam- of hypothalamusgebieden bijdragen aan de fysiologische of pathofysiologische toename van MSNA, maar het feit dat we significante veranderingen zien in de RVLM, die input ontvangt van vele andere hersenstam- en hypothalamusgebieden, leidt ons tot de conclusie dat veel van wat we zien inderdaad te wijten is aan veranderingen binnen de RVLM.

Author Contributions

Dit manuscript is een review van het gezamenlijke werk van de auteurs aan de techniek van MSNA-gekoppelde fMRI. VM schreef het concept review, met bijdragen van LH.

Funding

Dit werk werd ondersteund door subsidies van de National Health and Medical Research Council of Australia (GTN1007557, GTN1100038, en GTN1100042).

Conflict of Interest

De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd in de afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die zouden kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.

Acknowledgments

We zijn dankbaar voor de bijdragen van Dr. Cheree James, Dr. Rania Fatouleh, Dr. Linda Lundblad, en Dr. Sophie Kobuch aan de verwerving en analyse van de hierin gerapporteerde gegevens.