Regulation of cerebral blood flow and systemic cardiovascular control

Abstract

Cerebral blood flow (CBF) is regulated by several overlapping mechanisms to ensure adequate nutrient and oxygen supply to the brain. Cerebral metabolism, arterial partial pressure of carbon dioxide (PaCO2) and mean arterial blood pressure (MAP) are important regulators. In the clinical setting, changes in cerebral perfusion may result in brain damage. We assessed CBF response to hypovolemia (lower body negative pressure, LBNP) and positive pressure ventilation (PPV); the role of the respiratory sinus arrhythmia in CBF regulation; CBF response and dynamic cerebral autoregulation during isometric handgrip and head-down tilt; CBF changes during laparoscopic surgery and pneumoperitoneum. Healthy volunteers and day-surgery patients were recruited. Blood velocity in the internal carotid artery (ICA) and cardiorespiratory variables were recorded. The ICA diameter was used to calculate ICA blood flow. Non-parametric statistics, mixed-models and frequency analyses (transfer function and wavelets) were used. Cardiac output(CO) reductions (LBNP) led to CBF reductions despite preservation of mean arterial blood pressure (MAP). In addition, PPV led to a reduction in respiratory sinus arrhythmia and an increase in respiration-related ICA blood flow variability. During laparoscopy, CBF was reduced in response to MAP and CO reductions. Such a reduction in cerebral perfusion may predispose more fragile patients to cerebral ischemia. CBF did not change despite CO and MAP elevations during isometric handgrip and head down tilt. Dynamic cerebral autoregulation was not disturbed by submaximal isometric exercise or head-down tilt despite the sustained cardiovascular responses to exercise. Cerebral circulation may thus compensate for increases in CO, but not completely for CO reductions. Respiratory sinus arrhythmia may act as a short term regulatory mechanism that minimizes ICA blood flow variability.

Η εγκεφαλική ροή αίματος (CBF) ρυθμίζεται από πολλούς αλληλοεπικαλυπτόμενους μηχανισμούς, ώστε να εξασφαλίζεται η επαρκής παροχή θρεπτικών συστατικών και οξυγόνου στον εγκέφαλο. Ο εγκεφαλικός μεταβολισμός, η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα στο αρτηριακό αίμα (PaCO₂) και η μέση αρτηριακή πίεση (MAP) αποτελούν σημαντικούς ρυθμιστικούς παράγοντες. Στην κλινική πράξη, οι μεταβολές στην εγκεφαλική αιμάτωση μπορεί να οδηγήσουν σε εγκεφαλική βλάβη. Μελετήσαμε την απόκριση της CBF σε υποογκαιμία (αρνητική πίεση στο κάτω μέρος του σώματος, LBNP) και σε μηχανικό αερισμό θετικής πίεσης (PPV)· τον ρόλο της αναπνευστικής αρρυθμίας στη ρύθμιση της CBF· την απόκριση της CBF και τη δυναμική αυτορρύθμιση του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια ισομετρικής σύσφιξης χειρός και αντίστροφης κλίσης της κεφαλής· καθώς και τις μεταβολές της CBF κατά τη διάρκεια λαπαροσκοπικής χειρουργικής και πνευμοπεριτοναίου. Στη μελέτη συμμετείχαν υγιείς εθελοντές και ασθενείς ημερήσιας νοσηλείας. Η ταχύτητα της ροής του αίματος στην έσω καρωτίδα αρτηρία (ICA) και οι καρδιοαναπνευστικές μεταβλητές καταγράφηκαν. Η διάμετρος της ICA χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της ροής αίματος μέσω της ICA. Εφαρμόστηκαν μη παραμετρικές στατιστικές μέθοδοι, μοντέλα μικτών επιδράσεων και αναλύσεις συχνοτήτων (ανάλυση συνάρτησης μεταφοράς και κυματιδίων). Η μείωση της καρδιακής παροχής (CO) (κατά τη διάρκεια LBNP) οδήγησε σε μείωση της CBF, παρά τη διατήρηση της μέσης αρτηριακής πίεσης (MAP). Επιπλέον, ο PPV προκάλεσε μείωση της αναπνευστικής αρρυθμίας και αύξηση της μεταβλητότητας της ροής αίματος στην ICA που σχετίζεται με την αναπνοή. Κατά τη διάρκεια λαπαροσκοπικής επέμβασης, η CBF μειώθηκε σε συνάρτηση με τις μειώσεις της MAP και της CO. Μια τέτοια μείωση της εγκεφαλικής αιμάτωσης μπορεί να προδιαθέσει ευάλωτους ασθενείς σε εγκεφαλική ισχαιμία.