皮层扩散性抑制的代谢与灌注效应的数学模型

皮层扩散性抑制 (CSD) 是一种在皮层脑组织中传播的缓慢移动的离子和代谢扰动。除了大规模细胞去极化外，CSD 还涉及灌注和代谢的显著变化——这些 CSD 方面此前尚未被建模，但对于创伤性脑损伤、蛛网膜下腔出血、中风和偏头痛至关重要。在本研究中，我们开发了一个 CSD 数学模型，重点建模对于理解 CSD 期间神经血管耦合含义至关重要的特征。在我们的模型中，主要负责离子稳态并在 CSD 期间活跃的钠钾 ATP 酶，其运行速率取决于氧气供应。氧气供应通过建模流经集总血管树的血流来确定，其中有效局部血管半径由细胞外钾浓度控制。我们表明，在 CSD 期间，皮层的代谢需求超过了施加在氧气输送上的生理极限，无论血管收缩还是扩张如何。然而，血管收缩和血管舒张在 CSD 的传播及其恢复中起着重要作用。我们的模型复现了实验研究中发现的 CSD 的定性和定量行为——血管收缩、氧气耗尽、细胞外钾升高、 prolonged 去极化。我们预测，由于血管系统的贡献，体内 CSD 比体外更快、持续时间更长。我们的结果还有助于解释物种之间甚至同一动物体内 CSD 的一些变异性。这些结果具有临床和转化意义，因为它们允许更精确地在体外、体内和计算机模拟中探索这一与神经系统疾病广泛相关的现象。