Frontiers in Neuroscience

The Role of the RVLM in the Regulation of Blood Pressure

Från klassiska studier av decerebrata djur har man länge vetat att kontrollen av blodtrycket kräver en intakt hjärnstam, i synnerhet medulla oblongata; En del av ryggmärgen omedelbart under märgen leder till ett brådskande blodtrycksfall, medan en del av hjärnstammen vid den pontomedullära korsningen inte gör det. Upprätthållandet av blodtrycket inom ett relativt snävt intervall är beroende av att en enkel reflexbåge, baroreflexen, är intakt. Baroreceptorer – mekanoreceptorer som är belägna i sinus carotis och aortabågen och som är känsliga för radiell distension av artärväggen och därmed för intraluminalt tryck – upptäcker de pulserande fluktuationerna i blodtrycket och sänder via nerverna glossopharyngeal och vagus excitatoriska synaptiska projektioner till den primära viscerala känselkärnan, nucleus of the solitary tract (NTS). Andra ordningens neuroner i NTS skickar sedan excitatoriska projektioner till neuroner i den kaudala ventrolaterala märgen (CVLM), som utövar tonisk hämmande kontroll av den rostrala ventrolaterala märgen (RVLM) (Dampney et al., 2003a, b; Guyenet, 2006). Det är väl känt att RVLM spelar en kritisk roll för att upprätthålla absoluta blodtrycksnivåer samt att den är viktig för kontrollen av blodtrycket från slag till slag: nästan alla sympatiska vasokonstriktorneuroner har sitt ursprung i RVLM och elektrolytiska lesioner av RVLM resulterar i hastiga blodtrycksfall (Kumada et al., 1979; Dampney och Moon, 1980). Det finns dock bevis som tyder på att denna syn på RVLM som kritisk för upprätthållandet av blodtrycket är felaktig. Nyligen visade Wenker et al. (2017) att laserinducerad hämning av archaerhodopsinuttryckande RVLM-neuroner inte lyckades sänka blodtrycket nämnvärt hos medvetna råttor. Författarna erkänner dock att drygt 50 % av neuronerna uttryckte archaerhodopsin, så det är möjligt att otillräcklig hämning producerades under laserstimuleringen.

Med tanke på att RVLM är den primära (om än inte exklusiva) utgångskärnan för sympatisk vasokonstriktordrift till muskel-, splanchniska och renala kärlbäddar (Dampney och McAllen, 1988; McAllen m.fl, 1995) och därmed spelar en viktig roll i den pågående regleringen av det totala perifera motståndet och blodtrycket, kan mätning av den sympatiska vasokonstriktornervens aktivitet i periferin användas för att härleda RVLM:s aktivitetstillstånd, liksom andra kärnor med spinalprojicerande neuroner – t.ex. hypotalamus’ paraventrikulära kärna (PVN), som sänder direkta projektioner till ryggmärgen och RVLM (Shafton et al., 1998; Pyner och Coote, 2000). Med tanke på att spinalt projicerade PVN-neuroner inte reagerar på baroreceptorinflöde hos den medvetna kaninen (Dampney et al, 2003b) är det troligt att denna kärna bidrar lite till den vilande vasokonstriktordriften till kärlbäddar som är involverade i regleringen av den totala perifera resistensen, t.ex. i skelettmuskulaturen.

Sympatiskt utflöde till muskulaturens kärlbädd kan registreras direkt hos människor via en volframmikroelektrod som införs perkutant i en tillgänglig perifer nerv, en invasiv teknik som kallas mikroneurografi. Muskelsympatisk nervaktivitet (MSNA) uppträder som spontana utbrott som visar en stark tidsmässig koppling till hjärtslagen; utbrotten uppträder i intervallen mellan hjärtslagen, där längre hjärtintervall är förknippade med lägre diastoliska tryck och en större förekomst och amplitud av utbrott av MSNA (Macefield, 2013). Även om det inte finns något samband mellan vilande MSNA och blodtryck hos normotensiva människor (Joyner et al., 2010) är det väl etablerat att förhöjt MSNA bidrar till utvecklingen av neurogen hypertoni (Wallin et al., 1973; Grassi et al., 1998; Schlaich et al…, 2004).

Funktionell identifiering av den mänskliga RVLM med hjälp av MSNA-kopplad fMRI

För nästan 10 år sedan publicerade vi vår första artikel (Macefield och Henderson, 2010) om MSNA-kopplad funktionell magnetresonansavbildning (fMRI), där vi kombinerade direkta inspelningar av MSNA med fMRI av hjärnstammen. Vårt tillvägagångssätt, där fluktuationer i förekomsten och amplituden av spontana utbrott av MSNA som registrerats i periferin används för att identifiera samvarierande fluktuationer i BOLD-signalintensiteten (beroende av syrehalten i blodet), användes för att identifiera enskilda kärnor i hjärnstammen som är ansvariga för genereringen av signalen. Med andra ord, genom att registrera utgångssignalen samtidigt som man avbildar hjärnan kunde man identifiera den centrala källan till utgångssignalen. Med tanke på de tekniska svårigheterna med att registrera små nervsignaler i ett stort magnetfält (3 Tesla, och vi gör nu detta på 7T) hade detta aldrig tidigare försökts. Detaljer om vår metodik finns på annat håll (Macefield och Henderson, 2010, 2016, 2019), men kortvariga spontana utbrott av MSNA registrerades via en wolframmikroelektrod som fördes in perkutant i en muskelfasikel av den högra gemensamma peroneusnerven hos liggande deltagare, och den neurala aktiviteten förstärktes, filtrerades (2 × 104, 0.3-5,0 kHz; NeuroAmpEx, ADInstruments, Sydney, NSW, Australien) och samplades på dator vid 10 kHz (programvara PowerLab 16S och LabChart 7, ADInstruments). Huvudet var inneslutet i en SENSE-huvudspole med 32 kanaler och ett sparse gradient-gradient-echo-provtagningsprotokoll utfördes: 200 volymer (TR = 8 s, TE = 4 s, flipvinkel = 90°, rå voxelstorlek = 1,5 × 1,5 × 2,75 mm) förvärvades under 27 minuter, varvid varje volym bestod av 46 axiala skikt som samlades in i caudal- till rostralriktning och som sträckte sig från den övre delen av den cervikala ryggmärgen till vertex. Varje 8 s TR-period bestod av en inledande 4 s ”ON”-fas under vilken hela fMRI-volymen samlades in, följt av en 4 s ”OFF”-fas utan skanning, under vilken MSNA-utbrott mättes i var och en av de fyra 1 s-epokerna. BOLD-signalens intensitet (SPM12, okorrigerad p < 0,001) mättes i var och en av de fyra 1-s epokerna under den efterföljande 4-s perioden för att ta hänsyn till den ∼1 s som krävs för att den sympatiska volymen ska anlända till den perifera inspelningsplatsen (Fagius och Wallin, 1980) och den ∼5 s hemodynamiska fördröjningen mellan den neuronala aktiviteten och genereringen av BOLD-signalen (Logothetis et al., 2001). Det är viktigt att vi inte använder en region-of-interest-strategi: snarare identifieras områden i hjärnan som involverade i regleringen av MSNA eftersom de spontana fluktuationerna i BOLD-signalens intensitet samvarierade med de spontana fluktuationerna i burst-amplituden av MSNA-signalen. Med andra ord, dessa områden ”dök upp” på grund av deras tidsmässiga koppling till MSNA-utbrotten.

Figur 1A visar en bilateral ökning av BOLD-signalens intensitet i märgen under tre uppsättningar av maximalt inspirerande andningsuppehåll – en manöver som orsakar en ihållande ökning av MSNA – hos 15 deltagare (Macefield et al., 2006). Vi tror att dessa kluster representerar den mänskliga homologen av RVLM: den mänskliga RVLM är inte belägen i den ventrolaterala delen av märgen, där den först identifierades hos kanin, utan i den dorsolaterala aspekten av märgen (figur 1B). Detta beror på att den mänskliga RVLM, som identifierats som sådan på grund av sin höga täthet av angiotensin II typ IA-receptorer (AT1AR), förskjuts av de stora inferiora oliverna hos människor (Allen et al., 1998). I figur 1C visar vi för en deltagare bilaterala ökningar av MSNA-kopplad BOLD-signalintensitet i samma områden: man kan se att BOLD-signalen och MSNA-signalen samvarierar över tiden, vilket visas för ett 30-sampel för samma deltagare i figur 1D.

Figur 2 visar genomsnittliga data från åtta deltagare. MSNA-kopplad signalintensitet var hög i RVLM, men låg i de regioner som motsvarar NTS och CVLM. Detta är logiskt med tanke på att spontana utbrott av MSNA endast inträffar när det diastoliska blodtrycket är lågt och därmed är den excitatoriska insignalen till NTS från de arteriella baroreceptorerna också låg. Och eftersom NTS skickar en excitatorisk projektion till CVLM är BOLD-signalintensiteten i denna kärna också låg. Det motsatta inträffar när utbrott av MSNA saknas när det diastoliska trycket är högt. Som sådana visar dessa resultat att den seriella NTS-CVLM-RVLM-baroreflexkrets som identifierats hos försöksdjur och som nämns ovan (Macefield och Henderson, 2010) finns hos människor. Man kan också se att det finns ett unilateralt (vänster) caudalt medullärt område där BOLD-signalintensiteten är hög när utbrott av MSNA inträffar: vi föreslår att detta kluster motsvarar det caudala pressorområdet (CPA), ett område som är känt för att sända excitatoriska projektioner till RVLM (Dampney et al., 2003a, b).

Vi har också använt MSNA-kopplad fMRI för att identifiera strukturer ovanför hjärnstammen. Som framgår av figur 3 var MSNA-kopplad signalintensitet hög i ett antal diskreta regioner, inklusive vänster insula, vänster och höger dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC), posterior cingulate cortex (PCC) och precuneus. Det fanns också en betydande MSNA-kopplad signalintensitet i vänster dorsomedial hypothalamus (DMH) och både vänster och höger ventromedial hypothalamus (VMH). Varken DMH eller VMH sänder direkta projektioner till ryggmärgen, där DMH påverkar det sympatiska utflödet via RVLM (DiMicco et al., 2002; Horiuchi et al., 2004; Wang et al., 2010) och VMH verkar via DMH, mellanhjärnans periaqueduktala grått (PAG), parabrachialkärnan och NTS (ter Horst och Luiten, 1986; Canteras et al., 1994; Jansen et al., 1995). Observera dock att det inte fanns någon signal i PVN som – som nämnts ovan – är den enda hypotalamiska kärna som är känd för att skicka direkta projektioner till ryggmärgen parallellt med projektionerna till RVLM (Shafton et al., 1998; Pyner och Coote, 2000).

Inom att dessa områden är funktionellt kopplade till MSNA-bursts, som visas i figur 4, avslöjade konnektivitetsanalysen att RVLM är funktionellt kopplat till den främre insulan, PCC, precuneus, VMH och DMH, PAG och dorsolaterala pons (dlPons). Detta innebär att vart och ett av dessa områden alla är funktionellt kopplade till generering av spontana utbrott av MSNA och därmed sannolikt är involverade i generering och/eller reglering av MSNA i vila. Vi blev förvånade över att förändringarna i signalintensitet i vissa områden – inklusive NTS, CVLM, CPA, DMH och insula – inte var symmetriska, även om förändringarna i RVLM, VMH, dlPFC, PCC och precuneus var bilaterala. Vi registrerade alltid MSNA från den högra gemensamma peroneusnerven, men med tanke på att både förekomsten och amplituden av utbrott av MSNA riktade mot vänster och höger ben är symmetriska, vilket visades vid bilaterala registreringar av MSNA (Sundlof och Wallin, 1977; El Sayed et al., 2012), skulle varje försök att förklara dessa skillnader mellan sidorna vara rent spekulativt. Vi hänvisar läsaren till vår senaste översikt där vi överväger den funktionella betydelsen av det sympatiska connectom vi har identifierat (Macefield och Henderson, 2019).

Förändringar i MSNA-kopplad BOLD-signalintensitet under fysiologiska ökningar av MSNA

Vi hade redan visat att BOLD-signalintensiteten ökar i RVLM under ett maximalt inspiratoriskt andningsuppehåll (se figur 1A), medan signalintensiteten i NTS och CVLM går ner (Macefield et al., 2006), och har visat att signalintensiteten ökar i både NTS och RVLM vid aktivering av metaboreceptorer genom att framkalla 6 minuters ischemi efter träning efter 4 minuters statisk handgreppsträning (Sander et al., 2010). Tidigare studier hade också visat att BOLD-signalintensiteten ökade i medulla och dorsal pons under en Valsalva-manöver (Harper et al., 2000; Henderson et al., 2002), med ökningar av signalintensiteten i NTS och den parabrachiala kärnan (till vilken NTS projicerar) som rapporterades under en maximal inspiratorisk ansträngning, isometrisk handgreppsträning och Valsalva-manövern (Topolovec et al., 2004). I ingen av dessa studier hade dock MSNA registrerats samtidigt.

Vi undersökte nyligen funktionella förändringar i hjärnan under experimentell muskelsmärta, framkallad av en 40-minuters infusion av hypertonisk koksaltlösning i en benmuskel, vilket orsakar en ihållande ökning av MSNA hos vissa deltagare, men en ihållande minskning hos andra; mönstret är reproducerbart hos en viss individ och vi visade nyligen att de som fick en ökning av MSNA under tonisk muskelsmärta uppvisade ökningar av BOLD-signalintensiteten i flera områden (Kobuch et al, 2017, 2018), inklusive främre insula och främre medial prefrontal cortex (mPFC) till vänster och dlPFC och främre cingulate cortex (ACC) till höger, medan signalintensiteten minskade i mPFC och dlPFC till vänster (figur 5). Vi såg också en ökning av signalintensiteten i den vänstra DMH, vilket stämmer överens med denna kärnas roll i genereringen av autonoma reaktioner på stress (DiMicco et al., 2002; Fontes et al., 2017). En hjärnstamspecifik analys visade också differentiella reaktioner, med ökningar av BOLD-signalintensiteten i RVLM och dlPons samt NTS (ej visad) i den grupp som uppvisade en ökning av MSNA, medan aktiviteten i mellanhjärnans PAG endast visade en ihållande ökning i den grupp där MSNA sjönk (figur 6).

Då MSNA registrerades samtidigt som vi skannade hjärnan kunde vi sedan korrelera BOLD-signalens intensitet med de smärtframkallade förändringarna i amplituden av MSNA. I vila var BOLD-signalintensiteten starkt kopplad till utbrott av MSNA i RVLM, insula, dlPFC, PCC och precuneus och minskade i regionen för medelhjärnan PAG. Under smärta var MSNA-kopplad BOLD-signalintensitet signifikant högre i regionen NTS och ventrolaterala PAG till höger, dlPFC och ACC till höger samt insula och mPFC till vänster; omvänt minskade MSNA-kopplad signalintensitet under smärta i delar av vänstra dlPFC och mPFC (Kobuch et al., 2018). Medeldata, som visar korrelationerna mellan förändringen i BOLD-signalintensitet och förändringen i MSNA-burstamplitud, från 37 deltagare illustreras i figur 7. Dessa resultat visar att flera områden i hjärnan är engagerade på ett burst-till-burst sätt, där storleken på dessa förändringar i signalintensitet korrelerar med den övergripande förändringen i MSNA-amplituden under tonisk muskelsmärta (Kobuch et al., 2018). Intressant nog uppvisade vissa viktiga hjärnregioner inga smärtrelaterade förändringar. Till exempel, medan vi hade funnit att RVLM och precuneus uppvisade stark koppling till MSNA i vila, visade ingen av dessa regioner under tonisk muskelsmärta förändringar i signalintensitet som en funktion av MSNA-bursternas intensitet. Som noterats ovan visade dock båda dessa regioner ihållande signalintensitetsökningar i den ökande MSNA-gruppen och minskningar i den minskande MSNA-gruppen, vilket tyder på att både RVLM och precuneus kan tillhandahålla en tonisk modulerande roll snarare än att förändras från burst till burst under muskelsmärta (Kobuch et al., 2018).

Förändringar i MSNA-kopplad BOLD-signalintensitet under patofysiologiska ökningar av MSNA

Patienter med obstruktiv sömnapné (OSA) har markant förhöjd MSNA i vila, på grund av de upprepade episoderna av nattlig hypoxemi som är förknippade med kollaps av de övre luftvägarna, vilket leder till neurogen hypertension. Detta är alltså en patofysiologisk modell för hög MSNA. Som framgår av figur 8 var MSNA-kopplad BOLD-signalintensitet högre hos OSA än hos kontroller i följande områden: dlPFC och mPFC bilateralt, dorsal precuneus, ACC, retrosplenial cortex (RSC) och caudate nucleus (Fatouleh et al., 2014). Dessa data tyder på att det förhöjda MSNA kan drivas av förändringar i högre kortikala regioner, möjligen genom påverkan på hjärnstamkärnor.

Som framgår av figur 9 visade högupplöst skanning av hjärnstammen en signifikant koppling mellan spontana utbrott av MSNA och BOLD-signalintensitet i ett antal hjärnstamsregioner, bland annat i medullära raphé, RVLM, dlPons och mellersta hjärnan, och signifikanta ökningar av volymen av grå substans i samma områden (Lundblad et al., 2014). Även om flera mekanismer kan leda till denna ökning av grå substansvolymen är det möjligt att dessa förändringar åstadkoms genom astrocytisk aktivering och modulering av synaptisk aktivitet genom förändrad gliotransmission. Det har faktiskt rapporterats att kronisk intermittent hypoxi är förknippad med aktivering av astrocyter i kortikala regioner som hippocampus (Aviles-Reyes et al., 2010). Det är möjligt att upprepade hypoxiska händelser på något sätt framkallar astrocytaktivering i raphe, dlPons och RVLM, vilket är förenligt med ökad täthet av grå substans. Märkligt nog var den MSNA-kopplade BOLD-signalintensiteten trots denna ökning av grå substansvolymen faktiskt lägre i OSA än i kontrollerna, vilket visas i figur 9. Det är möjligt att minskad tonisk inhibitorisk drivkraft på rostrala ventrolaterala medullära premotoriska sympatiska neuroner från dlPons och medullär raphe leder till ökningen av MSNA i vila vid OSA. Med tanke på att BOLD-signalen tros återspegla synaptiska energiberoende processer (Logothetis et al., 2001) kan en minskning av signalintensiteten inom RVLM, trots en ökning av produktionen från denna kärna (MSNA var högre), återspegla en minskning av aktiv hämning på RVLM. Aktivering av astrocyter kan då förändra den synaptiska dynamiken genom frisättning av gliotransmittorer som glutamat, ATP eller till och med GABA (Halassa et al., 2007; Ben Achour och Pascual, 2012). Oavsett de underliggande mekanismerna visar våra data att det finns förändringar i hjärnan som kan vara ansvariga för ökningen av MSNA och blodtrycket vid OSA. Med andra ord leder patofysiologiska förändringar i hjärnan till ett av de kliniska dragen hos OSA – hypertonin. Om detta var sant skulle vi kunna förvänta oss att behandling av tillståndet skulle vända dessa förändringar. Faktum är att vi visade att 6 månaders kontinuerligt positivt luftvägstryck (CPAP), som gav en signifikant minskning av MSNA, orsakade en reversering av de funktionella förändringar som ses vid OSA (Fatouleh et al., 2015; Lundblad et al., 2015).

Slutsats

Muskel-sympatiska nervens aktivitetskopplade fMRI har gjort det möjligt för oss att funktionellt identifiera den mänskliga RVLM och visat att dess pågående aktivitet är kopplad till flera kortikala och subkortikala strukturer i vila. Dessutom kan styrkan i denna koppling modifieras av fysiologiska eller patofysiologiska processer som leder till ökningar av MSNA. Medan fysiologiska ökningar av MSNA kan leda till en ökning av BOLD-signalintensiteten i RVLM, verkar det vid den patofysiologiska ökningen av MSNA som ses vid OSA som om BOLD-signalen sjunker, vilket vi tolkar som att det beror på en minskning av den pågående hämmningen. Vi föreslår faktiskt att produktionen från människans RVLM i vila hålls i schack genom aktiv hämning, som kan leda till en ökning av MSNA och blodtrycket. Vi kan naturligtvis inte utesluta möjligheten att andra områden i hjärnstammen eller hypotalamus bidrar till de fysiologiska eller patofysiologiska ökningarna av MSNA, men det faktum att vi ser betydande förändringar i RVLM, som får inflöde från många andra områden i hjärnstammen och hypotalamus, får oss att dra slutsatsen att mycket av det vi ser verkligen beror på förändringar inom RVLM.

Författarnas bidrag

Detta manuskript är en genomgång av författarnas gemensamma arbete med tekniken MSNA-kopplad fMRI. VM skrev utkastet till granskningen, med bidrag från LH.

Finansiering

Detta arbete stöddes av bidrag från National Health and Medical Research Council of Australia (GTN1007557, GTN1100038 och GTN1100042).

Intressekonflikt

Författarna förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Acknowledgments

Vi är tacksamma för bidragen från Dr. Cheree James, Dr. Rania Fatouleh, Dr. Linda Lundblad och Dr. Sophie Kobuch till insamlingen och analysen av de data som rapporteras här.