background image

 

 بسم هللا الرحمن الرحيم

Lecture 9,10  Neurophysioloy                         Dr. Noor Jawad 

 2

nd

 stage                                                                2020 

……………………………………………………………………. 

Cerebral Blood Flow, Cerebrospinal Fluid, and 

Brain Metabolism 

Objective  

1.  What  is the effect of Carbon Dioxide and Hydrogen Ions on 
Cerebral Blood Flow? 

2.  Autoregulation  of  Cerebral  Blood  Flow  When  the  Arterial 
Pressure Changes? 

 

Cerebral Blood Flow 

Normal Rate of Cerebral Blood Flow 

Normal blood flow through the brain of the adult person averages 

50  to  65  milliliters  per  100  grams  of  brain  tissue  per  minute.  For 

the entire brain, this amounts to 750 to 900 ml/min, or 15 per cent 

of the resting cardiac output. 

Regulation of Cerebral Blood Flow 

As in most other vascular areas of the body, cerebral blood flow is 

highly related to metabolism of the tissue. At least three metabolic 

factors  have  potent  effects  in  controlling  cerebral  blood  flow:  (1) 


background image

 

carbon dioxide concentration, (2) hydrogen ion concentration, and 

(3) oxygen concentration. 

Increase of Cerebral Blood Flow in Response to Excess Carbon 

Dioxide or Excess Hydrogen Ion Concentration.  

An  increase  in  carbon  dioxide  concentration  in  the  arterial  blood 

perfusing  the  brain  greatly  increases  cerebral  blood  flow.  This  is 

demonstrated  in  Figure  below,  which  shows  that  a  70  per  cent 

increase  in  arterial  PCO2  approximately  doubles  cerebral  blood 

flow.  

 

 

Figure show Relationship between arterial PCO2 and cerebral 

blood flow 


background image

 

Carbon  dioxide  is  believed  to  increase  cerebral  blood  flow  by 

combining first with water in the body fluids to form carbonic acid, 

with  subsequent  dissociation  of  this  acid  to  form  hydrogen  ions. 

The  hydrogen  ions  then  cause  vasodilation  of  the  cerebral 

vessels—the  dilation  being  almost  directly  proportional  to  the 

increase in hydrogen ion concentration up to a blood flow limit of 

about twice normal. 

Any  other  substance  that  increases  the  acidity  of  the  brain  tissue, 

and  therefore  increases  hydrogen  ion  concentration,  will  likewise 

increase  cerebral  blood  flow.  Such  substances  include  lactic  acid, 

pyruvic  acid,  and  any  other  acidic  material  formed  during  the 

course of tissue metabolism. 

Importance  of  Cerebral  Blood  Flow  Control  by  Carbon 

Dioxide and Hydrogen Ions.  

Increased  hydrogen  ion  concentration  greatly  depresses  neuronal 

activity. Therefore, it is fortunate that an increase in hydrogen ion 

concentration also causes an increase in blood flow, which in turn 

carries  hydrogen  ions,  carbon  dioxide,  and  other  acidforming 

substances  away  from  the  brain  tissues.  Loss  of  carbon  dioxide 

removes carbonic acid from the tissues; this, along with removal of 

other  acids,  reduces  the  hydrogen  ion  concentration  back  toward 

normal.  


background image

 

Thus,  this  mechanism  helps  maintain  a  constant  hydrogen  ion 

concentration in the cerebral fluids and thereby helps to maintain a 

normal, constant level of neuronal activity. 

Autoregulation  of  Cerebral  Blood  Flow  When  the  Arterial 
Pressure Changes. 

 Cerebral  blood  flow  is  “autoregulated”  extremely  well  between 

arterial pressure limits of 60 and 140 mm Hg. That is, mean arterial 

pressure  can  be  decreased  acutely  to  as  low  as  60  mm  Hg  or 

increased  to  as  high  as  140  mm  Hg  without  significant  change  in 

cerebral  blood  flow.  And,  in  people  who  have  hypertension, 

autoregulation of cerebral blood flow occurs even when the  mean 

arterial pressure rises to as high as 160 to 180 mm Hg. 

 

Role  of  the  Sympathetic  Nervous  System  in  Controlling 
Cerebral 

Blood Flow.  

The cerebral circulatory system has strong sympathetic innervation 

that passes upward from the superior cervical sympathetic ganglia 

in the neck and then into the brain along with the cerebral arteries. 

This  innervation  supplies  both  the  large  brain  arteries  and  the 

arteries that penetrate into the substance of the brain.  


background image

 

However,  transection  of  the  sympathetic  nerves  or  mild  to 

moderate  stimulation  of  them  usually  causes  very  little  change  in 

cerebral  blood  flow  because  the  blood  flow  autoregulation 

mechanism can override the nervous effects. 

Clinical points 

Cerebral  “Stroke”  Occurs  When  Cerebral  Blood  Vessels  Are 
Blocked 

Almost all elderly people have blockage of some small arteries in 

the  brain,  and  as  many  as  10  per  cent  eventually  have  enough 

blockage to cause serious disturbance of brain function, a condition 

called a “stroke.”  

Most  strokes  are  caused  by  arteriosclerotic  plaques  that  occur  in 

one  or  more  of  the  feeder  arteries  to  the  brain.  The  plaques  can 

activate the clotting mechanism of the blood, causing a blood clot 

to  occur  and  block  blood  flow  in  the  artery,  thereby  leading  to 

acute  loss  of  brain  function  in  a  localized  area.  One  of  the  most 

common types of stroke is blockage of the middle cerebral artery 

that supplies the mid portion of one brain hemisphere.  

 

 

 


background image

 

Cerebrospinal Fluid System 

.The entire cerebral cavity enclosing the brain and spinal cord has a 

capacity of about 1600 to 1700 milliliters;  about 150 milliliters of 

this capacity is occupied by cerebrospinal fluid and the remainder 

by the brain and cord. 

Contents of CSF 

The CSF is derived from blood plasma and is largely similar to it, 

except  that  CSF  is  nearly  protein-free  compared  with  plasma  and 

has  some  different electrolyte levels.  Owing  to  the  way  it  is 

produced,  CSF  has  a  higher chloride level  than  plasma,  and  an 

equivalent sodium level.  

CSF 

contains 

approximately  0.3% 

plasma  proteins,  or 

approximately 15 to 40 mg/dL, depending on sampling site. CSF is 

normally  free  of red  blood  cells,  and  at  most  contains  only  a 

few white blood cells. Any white blood cell count higher than this 

constitutes pleocytosis. 

Three Main Functions of CSF 

 

CSF protects brain and spinal cord from trauma. 

 

CSF supplies nutrients to nervous system tissue. 

 

CSF removes waste products from cerebral metabolism. 

 

 


background image

 

Cushioning Function of the Cerebrospinal Fluid 

A major function of the cerebrospinal fluid is to cushion the brain 

within  its  solid  vault.  The  brain  and  the  cerebrospinal  fluid  have 

about the same specific gravity (only about 4 per cent different), so 

that  the  brain  simply  floats  in  the  fluid.  Therefore,  a  blow  to  the 

head, if it is not too intense, moves the entire brain simultaneously 

with  the  skull,  causing  no  one  portion  of  the  brain  to  be 

momentarily contorted by the blow. 

Formation, Flow, and Absorption of Cerebrospinal Fluid 

Cerebrospinal fluid is formed at a rate of about 500 milliliters each 

day,  which  is  three  to  four  times  as  much  as  the  total  volume  of 

fluid in the entire cerebrospinal fluid system.  

About two thirds or more of this fluid originates as secretion from 

the  choroid  plexuses  in  the  four  ventricles,  mainly  in  the  two 

lateral  ventricles.  Additional  small  amounts  of  fluid  are  secreted 

by  the  ependymal  surfaces  of  all  the  ventricles  and  by  the 

arachnoidal membranes. 

The fluid secreted in the lateral ventricles passes first into the third 

ventricle; then, after addition of minute amounts of fluid from the 

third  ventricle,  it  flows  downward  along  the  aqueduct  of  Sylvius 

into the fourth ventricle, where still another minute amount of fluid 

is added.  


background image

 

Finally,  the  fluid  passes  out  of  the  fourth  ventricle  through  three 

small  openings,  two  lateral  foramina  of  Luschka  and  a  midline 

foramen  of  Magendie,  entering  the  cisterna  magna,  a  fluid  space 

that lies behind the medulla and beneath the cerebellum. 

Secretion by the Choroid Plexus.  

Secretion of fluid into the ventricles by the choroid plexus depends 

mainly  on  active  transport  of  sodium  ions  through  the  epithelial 

cells lining the outside of the plexus . 

The sodium ions in turn pull along large amounts of chloride ions 

as  well  because  the  positive  charge  of  the  sodium  ion  attracts  the 

chloride ion’s negative charge. The two of these together increase 

the  quantity  of  osmotically  active  sodium  chloride  in  the 

cerebrospinal  fluid,  which  then  causes  almost  immediate  osmosis 

of  water  through  the  membrane,  thus  providing  the  fluid  of  the 

secretion. 

Cerebrospinal Fluid Pressure   

 

The normal pressure in the cerebrospinal fluid system when one is 

lying  in  a  horizontal  position  averages  130  millimeters  of  water 

(10  mm  Hg),  although  this  may  be  as  low  as  65  millimeters  of 

water  or  as  high  as  195  millimeters  of  water  even  in  the  normal 

healthy person. 


background image

 

Regulation 

of 

Cerebrospinal 

Fluid 

Pressure 

by 

the 

Arachnoidal Villi.  

The  normal  rate  of  cerebrospinal  fluid  formation  remains  very 

nearly  constant,  so  that  changes  in  fluid  formation  are  seldom  a 

factor  in  pressure  control.  Conversely,  the  arachnoidal  villi 

function  like  “valves”  that  allow  cerebrospinal  fluid  and  its 

contents to flow readily into the blood of the venous sinuses while 

not allowing blood to flow backward in the opposite direction.  

Then,  if  the  cerebrospinal  fluid  pressure  rises  still  higher,  the 

valves  open  more  widely,  so  that  under  normal  conditions,  the 

cerebrospinal  fluid  pressure  almost  never  rises  more  than  a  few 

millimeters  of  mercury  higher  than  the  pressure  in  the  cerebral 

venous sinuses. 

Conversely, in disease states, the villi sometimes become blocked 

by  large  particulate  matter,  by  fibrosis,  or  by  excesses  of  blood 

cells that have leaked into the cerebrospinal fluid in brain diseases. 

Such blockage can cause high cerebrospinal fluid pressure, . 

Blood–Cerebrospinal Fluid and Blood-Brain Barriers 

It  has  already  been  pointed  out  that  the  concentrations  of  several 

important constituents of cerebrospinal fluid are not the same as in 

extracellular fluid elsewhere in the body. 


background image

10 

 

 Furthermore,  many  large  molecular  substances  hardly  pass  at  all 

from  the  blood  into  the  cerebrospinal  fluid  or  into  the  interstitial 

fluids of the brain, even though these same substances pass readily 

into  the  usual  interstitial  fluids  of  the  body.  Therefore,  it  is  said 

that  barriers,  called  the  blood–cerebrospinal  fluid  barrier  and  the 

blood-brain barrier, exist between the blood and the cerebrospinal 

fluid and brain fluid, respectively. 

Barriers exist both at the choroid plexus and at the tissue capillary 

membranes in essentially all areas of the brain parenchyma except 

in  some  areas  of  the  hypothalamus,  pineal  gland,    where 

substances  diffuse  with  greater  ease  into  the  tissue  spaces.  The 

ease  of  diffusion  in  these  areas  is  important  because  they  have 

sensory  receptors  that  respond  to  specific  changes  in  the  body 

fluids, such as changes in osmolality and in glucose concentration, 

as well as receptors for peptide hormones that regulate thirst, such 

as angiotensin II. 

The  blood-brain  barrier  also  has  specific  carrier  molecules  that 

facilitate transport of hormones, such as leptin, from the blood into 

the hypothalamus where they bind to specific receptors that control 

other  functions  such  as  appetite  and  sympathetic  nervous  system 

activity. 

 

 


background image

11 

 

In  general,  the  blood–cerebrospinal  fluid  and  blood  brain  barriers 

are  highly  permeable  to  water,  carbon  dioxide,  oxygen,  and  most 

lipid-soluble  substances  such  as  alcohol  and  anesthetics;  slightly 

permeable to electrolytes such as sodium, chloride, and potassium; 

and almost totally impermeable to plasma proteins and most non–

lipid-soluble large organic molecules.  

Brain Metabolism 

Like other tissues, the brain requires oxygen and food nutrients to 
supply its metabolic needs.  

Total Brain Metabolic Rate and Metabolic Rate of Neurons. 

Under  resting  but  awake  conditions,  the  metabolism  of  the  brain 

accounts for about 15 per cent of the total metabolism in the body, 

even  though  the  mass  of  the  brain  is  only  2  per  cent  of  the  total 

body  mass.  Therefore,  under  resting  conditions,  brain metabolism 

per  unit  mass  of  tissue  is  about  7.5  times  the  average  metabolism 

in non–nervous system tissues. 

Most of this excess metabolism of the brain occurs in the neurons, 

not in the glial supportive tissues. The major need for metabolism 

in the neurons is to pump ions through their membranes, mainly to 

transport  sodium  and  calcium  ions  to  the  outside  of  the  neuronal 

membrane and potassium ions to the interior.  


background image

12 

 

Each time  a neuron conducts an action potential, these ions  move 

through  the  membranes,  increasing  the  need  for  additional 

membrane  transport  to  restore  proper  ionic  concentration 

differences  across  the  neuron  membranes.  Therefore,  during 

excessive  brain  activity,  neuronal  metabolism  can  increase  as 

much as 100 to 150 per cent. 

Special  Requirement  of  the  Brain  for  Oxygen—Lack  of 
Significant Anaerobic Metabolism.   

 Most  tissues  of  the  body  can  live  without  oxygen  for  several 

minutes and some for as long as 30 minutes. During this time, the 

tissue  cells  obtain  their  energy  through  processes  of  anaerobic 

metabolism,  which  means  release  of  energy  by  partially  breaking 

down  glucose  and  glycogen  but  without  combining  these  with 

oxygen.  

This delivers energy only at the expense of consuming tremendous 

amounts  of  glucose  and  glycogen.  However,  it  does  keep  the 

tissues alive. 

The brain is not capable of much anaerobic metabolism. One of the 

reasons  for  this  is  the  high  metabolic  rate  of  the  neurons,  so  that 

most  neuronal  activity  depends  on  second-by-second  delivery  of 

oxygen from the blood.  


background image

13 

 

Putting  these  factors  together,  one  can  understand  why  sudden 

cessation of blood flow to the brain or sudden total lack of oxygen 

in the blood can cause unconsciousness within 5 to 10 seconds. 

Under  Normal  Conditions  Most  Brain  Energy  Is  Supplied  by 

Glucose. 

 Under normal conditions, almost all the energy used by the brain 

cells is supplied by glucose derived from the blood. As is true for 

oxygen,  most  of  this  is  derived  minute  by  minute  and  second  by 

second  from  the  capillary  blood,  with  a  total  of  only  about  a  2-

minute  supply  of  glucose  normally  stored  as  glycogen  in  the 

neurons at any given time. 

A  special  feature  of  glucose  delivery  to  the  neurons  is  that  its 

transport  into  the  neurons  through  the  cell  membrane  is  not 

dependent  on  insulin,  even  though  insulin  is  required  for  glucose 

transport into most other body cells.  

Therefore,  in  patients  who  have  serious  diabetes  with  essentially 

zero  secretion  of  insulin,  glucose  still  diffuses  readily  into  the 

neurons—which  is  most  fortunate  in  preventing  loss  of  mental 

function in  diabetic patients.  

 

 


background image

14 

 

Yet, when  a diabetic patient is overtreated with insulin, the blood 

glucose  concentration  can  fall  extremely  low  because  the  excess 

insulin causes almost all the glucose in the blood to be transported 

rapidly  into  the  vast  numbers  of  insulin-sensitive  non-neural  cells 

throughout the body, especially into muscle and liver cells.  

When  this  happens,  not  enough  glucose  is  left  in  the  blood  to 

supply  the  neurons  properly,  and  mental  function  does  then 

become  seriously  deranged,  leading  sometimes  to  coma  and  even 

more often to mental imbalances and psychotic disturbances— all 

caused by overtreatment with insulin. 

Thank you 

 

 

 

 

 

References : Guyton and Hall textbook of medical physiology, 

thirteen edition

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 137 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل