前言：体外循环后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction，POCD）发生率居高不下，严重影响患者预后生活质量。本文总结了体外循环术后POCD的发生机制，包括：炎性反应和氧化应激机制、Tau蛋白的过度磷酸化机制、大脑皮层中血容量和血氧降低机制，并根据其发病机制选择相应的POCD预警指标，以期通过不同技术手段所得结果的交叉印证，最终推进POCD的早期诊断和防治。

体外循环（extracorporeal circulation，ECC）亦称心肺转流（cardiopulmonary bypass，CPB），是用特殊装置把静脉血引流至体外，经人工方法行气体交换输回动脉的生命支持措施 ^［1］。随着ECC技术的进步，患者术后严重神经系统并发症的发生率已降低，但POCD仍严重影响预后生活质量。POCD是脑损伤的外在表现，是指患者术后记忆和思维障碍，可伴有社交技能的改变 ^［2］。POCD包括谵妄和延期POCD。体外循环术后POCD总发生率为10%～50%，成人冠状动脉搭桥术（coronary artery bypass grafting，CABG）后为35%，而儿童和婴幼儿进行体外循环术后POCD的发生率可高达87% ^［3］，约50%的患者在术后6周～6个月内可恢复认知功能，但33%的患者6个月后存在认知障碍，20%的患者在12个月后仍存在不同程度的POCD ^［4］。

如果能早期发现患者出现POCD的风险，则可通过一系列诸如抗氧化剂、神经营养因子以及心理疏导等措施预防POCD的发生和加重，其效果十分显著。例如：可早期使用虾青素（astaxanthin，ATX）这一超强的天然胞外抗氧化剂 ^［5-6］来阻止脑部的氧化应激反应，减少谷氨酸释放，抑制细胞凋谢 ^［7］，从而预防术后认知障碍。然而，由于体外循环后患者认知障碍的产生机制与众多因素有关，使临床医生难以根据体外循环术后一系列检查结果来判断患者是否会发生POCD，因为纷繁的检查结果与POCD的指向性和吻合度各不相同。而POCD一旦发生，十分难以彻底控制和扭转，治疗效果常不能令人满意。因此，目前迫切需要建立POCD的预警评分体系。本文总结了POCD的发病机制和相应预警指标的研究进展。

CPB诱发的炎性反应和氧化应激可造成POCD。多项研究显示，体外循环术后患者容易发生POCD，其诱因与氧化应激水平过高有关 ^［8-11］。目前有令人信服的证据表明，心脏术后患者的脑脊液内趋炎性细胞因子水平增加，提示其脑内存在趋炎症反应。Buvanendran等 ^［12］研究发现，髋关节置换手术患者术后脑脊液内白细胞介素-6、前列腺素E2水平上调。有研究观察到，不停跳冠状动脉搭桥手术期间和术后即刻脑脊液内白细胞介素6水平增高 ^［13］。动物实验也显示，手术后海马组织内存在炎症反应 ^［14］。ECC是非生理过程，血液与非内皮细胞的界面接触可产生大量自由基 ^［15］，即氧化应激诱发的神经毒性，该机制能很好解释迟发性和蓄积性神经损害的原因。氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子，如活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）和活性氮自由基（reactive nitrogen species，RNS）产生过多，氧化程度超出氧化物清除，氧化系统和抗氧化系统失衡，导致细胞毒性效应 ^［16］。自由基是含有1个不成对电子的原子团 ^［17］，包括超氧阴离子自由基（O ₂ ^-）、羟自由基（•OH）和脂类过氧化物自由基，其化学性质极为活泼，当自由基的产生超过清除能力时，未被清除的自由基可通过活性氧簇ROS诱发连锁反应，导致神经元、树突和突触数目减少，星状细胞和小胶质细胞增生，最终引起认知障碍 ^［18］。

刘超等 ^［19-20］研究发现，强应激刺激后可诱发海马谷氨酸（glutamic acid，Glu）浓度明显升高，进而造成神经兴奋性毒性，最终导致认知功能障碍。神经系统耗费与其重量不成比例的氧气 ^［21］，而且神经系统内过氧化氢酶、谷胱甘肽、谷胱甘肽过氧化物酶及维生素E等较少，易受到自由基攻击。海马神经元中含有较多不饱和脂肪酸，对自由基的攻击尤其敏感 ^［22］。ROS除直接引起氧化损伤外，还可通过蛋白质巯基的氧化而抑制细胞摄取Glu等兴奋性氨基酸 ^［23］。Glu是中枢神经系统中重要的氨基酸类神经递质，其水平的稳定是维持学习记忆功能的重要条件 ^［24］。当Glu浓度异常增高时，可引起兴奋性神经毒性 ^［25］。过多的Glu与突触后膜受体相互作用，改变膜的通透性，进而抑制细胞质膜上Na ⁺-K ⁺-ATP酶活性，使胞外K ⁺浓度显著增高，神经元去极化，Glu在突触问隙大量释放，过度激活Glu受体，使突触后神经元过度兴奋，甚至凋亡或死亡。此外，ROS还导致线粒体膜电位减少，引起DNA氧化、蛋白质和脂质改构等，导致细胞凋亡 ^［26］甚至死亡。

神经元特异性烯醇化酶：神经元特异性烯醇化酶（neuron-specific enolase，NSE）是参与糖酵解途径的烯醇化酶中的一种，为二聚体蛋白，存在于神经元及神经内分泌细胞中，是生物体内糖酵解途径的关键酶。研究显示，氧化应激损伤脑内神经元会释放NSE，因此检测血中NSE活性可以早期诊断并评价脑损伤程度 ^［27］。ECC期间血清NSE浓度明显增高，至术后24h左右基本恢复至ECC前水平，NSE可作为体外循环后POCD的标志物 ^［28］，用于提高预警水平。

由于NSE可在中枢神经以外的神经内分泌细胞中表达，若其损伤或病变，也会引起血清NSE水平升高，因此当体外循环对大脑的损害较轻微时，NSE的表达可能更多受到中枢神经以外细胞表达的影响，故NSE能否反映POCD程度尚存争议。

S100蛋白：S100蛋白是酸性钙结合蛋白，存在于中枢神经系统和周围神经系统的神经胶质和雪旺氏细胞中，参与调控蛋白磷酸化、酶活性、细胞增殖分化、细胞骨架的组成、膜结构的组成、维持Ca ²⁺浓度恒定，对认知发挥明显作用 ^［29］，是目前最能反映脑损伤程度的特异性蛋白 ^［30］。因心肌细胞受损和星形胶质细胞损伤均可释放大量S100蛋白，故检测血清中S100蛋白水平虽可预测POCD的几率，但应在密切监测自身S100蛋白浓度变化的基础上有效分析其参数 ^［31］。

刘超等 ^［32-33］研究发现，强应激诱发的氧化应激可使海马Tau蛋白磷酸化加剧，而Tau蛋白的过度磷酸化可造成神经元轴突运输功能明显减退。Tau蛋白为一种重要的记忆相关蛋白 ^［34］，是神经元中含量最高的微管相关蛋白，也是高度不对称的磷蛋白，在轴突和树突的生长点集中分布。Tau蛋白为微管组装早期的核心，可促进轴突微管的装配和稳定，保持微管间距离，影响神经细胞轴突的物质运输，促进神经元生长发育，抑制脂质过氧化，抑制微管蛋白聚集 ^［35］。Tau蛋白微管结合能力主要由丝氨酸/苏氨酸指导的磷酸化来调节，Tau蛋白磷酸化是调节神经元功能的主要手段 ^［36］，其被异常磷酸化后发生错误折叠和分子聚集 ^［37］，可削弱其稳定微管的功能 ^［38］，造成递质运输、储存和释放障碍 ^［39］，导致轴突运输障碍 ^［40］，从而导致认知障碍 ^［41］。Tau蛋白Ser ¹⁹⁸/Ser ¹⁹⁹/Ser ²⁰²/Ser ³⁹⁶/Ser ⁴⁰⁴位点磷酸化水平增加与神经纤维缠结形成密切相关，而且可能影响认知能力 ^［42］，表现为Tau蛋白磷酸化程度愈高者认知能力越差。

氧化应激和兴奋性毒性是Tau蛋白过度磷酸化的先行性事件，可导致Tau蛋白错误折叠、高度磷酸化和聚集 ^［43］，造成轴突运输障碍。Tau蛋白异常化亦可干涉线粒体的功能进而导致氧化应激 ^［44］，或加剧其他逆行性事件的效应 ^［45］，即Tau蛋白过度磷酸化与氧化应激和兴奋性毒性可形成恶性循环。Gasparini等 ^［46］研究证实，Tau蛋白过度磷酸化可抑制神经元轴突的正常生理功能。Bull等 ^［47］研究发现，应激导致神经元Tau蛋白的过度磷酸化可造成轴突运输障碍。此外，Tau过度磷酸化还可以增加神经元淀粉样蛋白（β amyloid，Aβ）的沉积，加剧神经元纤维化 ^［48］。Aβ是脑内老年斑块的主要成分，对神经元有毒性作用，可引起细胞凋亡甚或死亡 ^［49］，最终造成认知功能障碍 ^［50］。最新研究发现，Aβ可抑制蛋白激酶B（即AKT）的活性，进而激活凋亡调控蛋白Bim ^［51］，造成凋亡相关蛋白Caspase-3、Caspase-9和Caspase-12等表达上调，最终导致神经元凋亡 ^［52］。故而，神经元轴突Tau蛋白的过度磷酸化可能是ECC后神经元功能异常和凋亡增加的中心环节 ^［53］。

已知血管性痴呆（vascular dementia，VaD）及老年性痴呆（Alzheimer’s disease，AD）的认知障碍和Tau蛋白改变有关。Tau蛋白与神经心理学关系密切，其对于认知功能的评估，敏感度甚至优于多数神经心理学量表检测。老年成套神经心理测验（Neuropsychological Test Battery for Elderly，NTBE）和脑脊液Aβ1-42、总Tau蛋白（T-Tau）和磷酸化Tau （P-Tau）蛋白的检测浓度均可用于诊断AD，具有较高的敏感性和特异性。脑脊液Aβ1-42降低及T-Tau和P-Tau增高可用于AD与VaD的鉴别诊断 ^［54］，其敏感度高于NTBE ^［55］。

有研究者认为，是应激因素抑制了糖原合成酶激酶-3 （Glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）等磷酸酶的活性而导致Tau蛋白过度磷酸化，进而影响神经元轴突运输及神经递质的正常生成和分泌，最终影响海马的学习和记忆功能。即Tau蛋白过度磷酸化很可能是体外循环后神经炎症反应造成POCD的桥梁，故POCD患者血清中T-Tau蛋白以及P-tau均升高，并与POCD严重程度相关。

皮层中血容变化量可作为脑功能活动的指标　记忆域的功能障碍是海马、内嗅皮质、丘脑和基底前脑的功能削弱所致。由于不同的认知域依赖于不同的脑区，所以较可能的是，一种共同的病原机制（如炎症或氧化应激）同时影响了这些脑结构，而不是不同的机制作用于不同的脑结构。针对神经-血管间的耦合关系，Roy等 ^［56］早在1890年就提出了一个非常著名的理论——“大脑的血流供应会随其功能活动的局部变化而进行局部响应”。即大脑皮层某一区域活动时，其局部血容将增加，增加量可反映激活的程度，皮层中血容变化量可作为脑功能活动的指标。近年来，以近红外光学成像（near-infrared spectroscopy，NIRS，亦称探测成像SPY Imaging）为代表的脑功能成像技术取到了长足发展，并被迅速应用到认知神经科学的各个领域，为POCD的早期预警提供了崭新的途径。

NIRS：人体在700～900nm这段近红外区域内存在1个光谱窗，在这个光谱窗内生物组织对光线的吸收作用降低，同时氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收光谱的差异仍然可以分辨。由于近红外线对人体组织具有较好的穿透性（可深入皮下数厘米），足以到达大脑皮层。因此，利用NIRS可实现对浅表组织中各主要色团，如含氧血红蛋白、去氧血红蛋白、细胞色素氧化酶相对浓度变化及血液浓度等参数的实时无损伤在体测量，且通过一定的图像恢复重建可得到该组织活动的近红外光学图像。

NIRS可测量神经元活动时其所在区域的细胞色素氧化酶、脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的变化 ^［57］，能通过测量血流动力学和能量代谢信息监测神经-血管间的偶合变化，是检验神经元活动与血液动力学间关系的理想工具 ^［58］。故而，NIRS能够通过实时、非侵入地测量大脑皮层中某个区域的氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度变化，推算出该区域的血氧和血容变化量，而大脑皮层中血氧和血容变化量是该皮层区域活动强度的重要指标 ^［59］，因此使用近红外光谱术可以评估大脑皮层认知活动的功能，即可通过测量血氧参数的变化来监测前额叶区域代谢活动与认知功能状况的关系，故可将经NIRS测得的各脑区氧合情况作为POCD预警指标。

NIRS组织氧检测技术中的一个问题是其检测到的血氧饱和度是被测区域动脉静脉毛细血管中血液的混合值，而这些血管对测量结果的贡献率也不一样。大脑解剖学研究表明，大脑中的血液大部分存在于静脉中，静脉血管容积占总血管容积的2/3～4/5，因而利用一个固定的动静脉贡献比率进行简单的加权处理显然是不合适的。目前尚无其他标准方法来测量这种混合的饱和度，通常作法是利用一个血液参数可调节的大脑仿真模型来验证NIRS的测量结果。

磁共振血流灌注加权成像：磁共振血流灌注加权成像（MR perfusion-weighted imaging，MRPWI）亦称脑灌注成像，是根据组织微循环的血流灌注来判断组织活力和功能的MRI技术，可监测认知功能的损害程度 ^［60］。根据成像原理分为顺磁性对比剂，如使用顺磁对比剂钆喷酸葡胺（gadolinium diethyltriaminepenta-acetic acid，GD-DTPA）增强MRI和动脉自旋标记技术，目前广泛采用的是GD-DTPA成像。顺磁性对比剂可使局部弛豫时间缩短，并可将弛豫时间的变化转化为组织对比剂浓度的变化，最终得到组织的血流动力学参数，包括局部脑血容量（regional cerebral blood volume，rCBV）、局部脑血流量（regional cerebral blood flow，rCBF）及局部平均通过时间（regional mean trainst time，rMTT），来评估脑微循环灌注量。由于脑微循环灌注量与体外循环后POCD发生率相关，故可将经GD-DTPA成像测得的rCBV、rCBF和rMTT作为POCD预警指标。

氧水平依赖功能磁共振成像法：氧水平依赖功能磁共振成像法（blood oxygenation level-dependent fMRI，BOLD-fMRI）的原理是大脑在应激时处于功能活动状态，神经活动兴奋性水平增强，局部脑组织血流、血容积及血氧消耗增加，导致脑激活区静脉中血氧浓度增高、脱氧血红蛋白减少。脱氧血红蛋白是顺磁物质，氧合血红蛋白是逆磁物质，将磁性物质的相对增减记录下来，就可反映相应脑区的激活状态。BOLD-fMRI脑功能成像作为无创神经影像学检查手段已广泛用于认知损害领域的研究 ^［61］。故通过设计不同的任务刺激，研究大脑不同的认知功能 ^［62］，可将经BOLD-fMRI测得的患者不同脑区域的激活和/或抑制的情况作为POCD预警指标。

综上，体外循环后POCD目前尚无值得推荐的简单而有效的治疗方法，早期诊断和预防是最佳方案，故探知POCD的发病机制和预警指标是防止其发生发展的有效途径，建设行之有效的POCD的预警体系十分必要，而且在理论和实践上均可行。多种脑功能检测技术的交叉结合、采用不同技术手段所得结果的交叉印证必将为POCD的脑机制研究提供更加详实的实验证据，推进POCD的早期诊断和防治。