駐國際太空站的太空人曾回報出現視力減弱的問題[1]，一些科學家猜測這些問題是因為太空微重力狀態下腦壓上升所致[2]。歐姆定律估計腦血流 (cerebral blood flow; CBF) 大小，會等於腦動脈壓減腦靜脈壓除以血管阻力，即 CBF=(Pa-Pv)/CVR 。理論上微重力狀態下腦動脈壓 (Pa) 會增加20-30 mmHg ，然而若根據人體本身腦壓的自身調節機制，科學家認為血管應該會因為血壓上升而收縮造成血管阻力上升[3]，使腦的血流量不會明顯增加，故腦壓應不會上升。之前在地球上做過的動物實驗使用大鼠倒掛的方式 (head‐down tail suspension) 模擬外太空體液聚集頭端，以及心血管系統逐漸失能 (deconditioning) 而出現心搏過快、低血壓等症狀。實驗發現 Pa 的上升反而造成腦血流量下降，腦血管壁也出現平滑肌增厚、管徑變小和內生性收縮反應 (myogenic vasoconstriction) 增強等生理、結構性的變化[4]。
Curtis R. Taylor 和 Mina Hanna 等人希望能夠實際上在太空測試微重力狀態對腦血管的影響，將出生 9 週的小鼠跟著 STS‐135 太空梭執行任務。實驗設計將小鼠分成地球組和太空組，太空組（Spaceflight; SF) 和地球組 (Ground control;GC) 都維持相同的 12 小時亮暗周期和同樣的濕度、溫度和二氧化碳濃度。之後使用解剖顯微鏡輔助將小鼠的基底動脈和後交通動脈 (posterior communicating artery; PCA) 從大腦分離。為了評估血管壁肌肉在不同血壓刺激下產生的收縮強度變化，基底動脈的兩端連接上玻璃吸管並同時灌入 PSS medium ，在不同的壓力下量測血管腔最大直徑和平均血管壁厚度。科學家發現 SF 組相對 GC 組有更大的最大管徑和較小的肌張力。而為了瞭解血管組織的回彈力，將 PCA 沿著管腔縱切攤平，並使用奈米壓痕機械性分析儀 (nanoindenter) ，在樣本上施予不同大小的力，並紀錄探頭移動的距離來量測組織之彈性。將探頭施予的力 (loading force) 和位移 (displacement) 作圖可發現 SF 組的彈性（彈力常數）較 GC 組小[5]。
基底動脈管徑在不同壓力下的管徑變化：圖 Ａ 是測量基底動脈在血管平滑肌可主動收縮的情形下，改變不同壓力下的管徑( myogenic pressure diameter response ) ，medium 是 PSS ; 圖 B 是測量基底動脈本身組織彈性，平滑肌不收縮的情形下，改變不同壓力下的管徑 ( passive pressure diameter response)，medium 是 Ca2+‐free PSS containing 10^(–4) M Sodium Nitroprusside
PCA 在探頭擠壓過程中施力和位移變化：圖Ａ紅線和藍線分別表示地球組和太空組探頭施力對位移的曲線; 圖 B 是由圖 A 斜率計算而出的平均組織彈性程度 (stiffness)，相當於其彈性常數
這兩個實驗所得的結果都與在地球上模擬的 HDT 實驗不同， HDT 大鼠的血管收縮力量相較於控制組增加、平均血管壁厚度增加、被動的壓力管徑曲線不變，而 SF 小鼠的血管收縮力量會減少、平均血管壁厚度減少、被動的壓力管徑曲線斜率變小；因為兩個實驗的動物不同，所以另做一組 HDT 小鼠，發現 HDT 對小鼠的血管並沒有顯著影響，顯示不同的實驗方式和使用不同的實驗動物對血管都會有影響。此篇研究探究腦血管館在不同地點之重力場的差異，或許可以解釋過往發生的視問題，期望未來能藉相關研究、找到保護太空人健康的適當方法。
圖片來源：Taylor, C. R. et al. Spaceflight-induced alterations in cerebral artery vasoconstrictor, mechanical, and structural properties: implications for elevated cerebral perfusion and intracranial pressure. FASEB J. 27, 2282–2292 (2013).
參考文獻：
[1] Mader, T. H., Gibson, C. R., Pass, A. F., Kramer, L. A., Lee, A. G., Fogarty, J., Tarver, W. J., Dervay, J. P., Hamilton, D. R., Sargsyan, A., Phillips, J. L., Tran, D., Lipsky, W., Choi, J., Stern, C., Kuyumjian, R., and Polk, J. D. (2011) Optic disc edema, globe flattening, choroidal folds, and hyperopic shifts observed in astronauts after long‐duration space flight. Ophthalmology 118, 2058–2069
[2] Kramer, L. A., Sargsyan, A. E., Hasan, K. M., Polk, J. D., and Hamilton, D. R. (2012) Orbital and intracranial effects of microgravity: findings at 3‐T MR imaging. Radiology 263, 819–827
[3] Aaslid, R. (2006) Cerebral autoregulation and vasomotor reactivity. Front. Neurol. Neurosci. 21, 216–228
[4] Geary, G. G., Krause, D. N., Purdy, R. E., Duckles, S. P. (1998) Simulated microgravity increases myogenic tone in rat cerebral arteries. J. Appl. Physiol. 85, 1615–1621
[5] Taylor, C.R., Hanna, M., Behnke, B.J., Stabley, J.N., McCullough, D.J., Davis, R.T., III, Ghosh, P., Papadopoulos, A., Muller‐Delp, J.M. and Delp, M.D. (2013), Spaceflight‐induced alterations in cerebral artery vasoconstrictor, mechanical, and structural properties: implications for elevated cerebral perfusion and intracranial pressure. The FASEB Journal, 27: 2282-2292
撰文｜宋柏緯
審稿｜吳冠廷
