金靖　吳菲　于萍　毛蘭群

摘?要?腦細(xì)胞外間隙（Extracellular space， ECS）是指細(xì)胞膜外充滿液體的空間，約占腦體積的1/5。作為神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞賴以生存的環(huán)境，ECS在為細(xì)胞輸送物質(zhì)的同時(shí)，又能保障神經(jīng)元靜息電位的穩(wěn)定和動(dòng)作電位的發(fā)生，與大腦的基本功能如突觸傳遞、記憶、睡眠和疾病的過(guò)程等息息相關(guān)。本文著重介紹了ECS的基本生物物理特性，綜述了利用電化學(xué)和成像方法開(kāi)展體積分?jǐn)?shù)和迂曲度研究的主要進(jìn)展，并闡述了ECS在生理和病理過(guò)程中的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞?細(xì)胞外間隙; 電化學(xué)分析; 成像; 體積分?jǐn)?shù); 迂曲度;評(píng)述

1?引 言

作為人體的高級(jí)神經(jīng)中樞，大腦在維持人體各項(xiàng)生理功能的過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用，因此，腦科學(xué)研究對(duì)理解各種生命過(guò)程具有重要意義。腦神經(jīng)系統(tǒng)的基本組成單元是神經(jīng)元，人類的腦中有數(shù)千億神經(jīng)元。腦神經(jīng)功能的正常行使依賴于神經(jīng)纖維的電信號(hào)傳遞和不同神經(jīng)元之間突觸間隙的化學(xué)信號(hào)傳遞。除神經(jīng)元外，腦內(nèi)還存在大量的膠質(zhì)細(xì)胞，占腦重量的1/2，數(shù)量是神經(jīng)元的10～50倍[1]。膠質(zhì)細(xì)胞雖然缺乏傳遞電信號(hào)的功能，但其通過(guò)營(yíng)養(yǎng)、保護(hù)、調(diào)節(jié)等多種方式維系神經(jīng)元活動(dòng)，在神經(jīng)活動(dòng)中也扮演著重要的角色。腦作為人體最重要的器官，除腦細(xì)胞外，細(xì)胞之間的間隙（如突觸間隙）也在腦神經(jīng)生理和病理過(guò)程發(fā)揮著重要的作用。

腦細(xì)胞外間隙（Extracellular space， ECS）[2]是指神經(jīng)細(xì)胞膜外充滿液體的空間，主要包括細(xì)胞間隙、血管和腦室等。腦室充滿無(wú)色透明的液體，即腦脊液（Cerebrospinal fluid， CSF）。在人的CSF中，除葡萄糖、少量蛋白和少量的單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞外，還包括無(wú)機(jī)鹽離子，如Na+（約150 mmol/L）、K+（約3 mmol/L）、Ca2+（約1.2 mmol/L）、Mg2+（約1.2 mmol/L）、Cl（約120 mmol/L）和HCO3（約20 mmol/L）。細(xì)胞間隙充滿細(xì)胞間液，與CSF成分類似，但與CSF不同的是，細(xì)胞間液中含有長(zhǎng)鏈大分子的細(xì)胞外基質(zhì)，包括硫酸軟骨素、硫酸肝素、透明質(zhì)酸和膜蛋白質(zhì)等[2～4]。此外，細(xì)胞外基質(zhì)是負(fù)電性的，可能影響離子或帶電分子在ECS中的傳遞。盡管ECS還包括血管和腦室，但ECS的研究主要是針對(duì)細(xì)胞間隙而展開(kāi)，一般會(huì)忽略ECS和細(xì)胞間隙的差別。ECS特性的研究對(duì)理解和認(rèn)識(shí)腦功能具有重要意義[3，4]。一方面，ECS為神經(jīng)元提供豐富的離子，保證靜息電位的維持和動(dòng)作電位的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電信號(hào)傳遞;另一方面，ECS為細(xì)胞輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物和信息分子，保障細(xì)胞的生存需求并介導(dǎo)細(xì)胞間的通訊。此外，ECS在神經(jīng)突觸和細(xì)胞連接的重塑過(guò)程中也發(fā)揮重要作用。

長(zhǎng)期以來(lái)，腦科學(xué)研究多集中于神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)于ECS的研究卻相對(duì)較少。直到20世紀(jì)中葉，ECS才受到關(guān)注。目前，ECS的研究主要集中在部分微區(qū)的結(jié)構(gòu)變化和分子的擴(kuò)散行為。本文介紹了ECS的生物物理特性，以ECS兩個(gè)參量（體積分?jǐn)?shù)和迂曲度）為研究對(duì)象，對(duì)ECS的主要研究方法以及ECS在腦生理和病理過(guò)程的變化規(guī)律研究進(jìn)行了評(píng)述。

2?生物物理特性

ECS具有非均勻性和各向異性[5，6]。非均勻性是指不同位置的腦組織其ECS有所差別，體現(xiàn)在不同腦區(qū)和亞區(qū)。例如，烏龜小腦皮層的顆粒細(xì)胞層ECS和分子層ECS有明顯差別[5]。ECS是各向異性的，其流體流速和分子擴(kuò)散是矢量的，換言之，它們既有大小又有方向。例如，分子更容易沿著軸突束傳遞，而不是橫向穿過(guò)軸突束[6]。目前主要通過(guò)以下若干生物物理參量對(duì)ECS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。

體積分?jǐn)?shù)（Volume fraction， α）代表ECS的體積占腦體積的百分比[7]，即α=VECS/Vtissue。α具有非均勻性且動(dòng)態(tài)變化，不同生理和病理狀態(tài)的α不同，通常α在0.15～0.30之間，但全腦發(fā)生缺血時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生水腫，α?xí)陆抵?.05[8，9]。

分子在ECS中以擴(kuò)散（Diffusion）的形式傳遞時(shí)會(huì)受到腦組織結(jié)構(gòu)的阻礙，這種阻礙作用可用迂曲度（Tortuosity， λ）表示[7]。λ = （D/D*）1/2，其中，D為分子的自由擴(kuò)散系數(shù)，D*為分子在腦組織中的有效擴(kuò)散系數(shù)。λ反映了分子在ECS中擴(kuò)散的難易程度。在健康的腦中[7]， λ≈ 1.6。

細(xì)胞間隙的真實(shí)距離很難直接測(cè)得。電子顯微鏡表征細(xì)胞間隙為10～20 nm[10，11]; 而有些外源性大分子，如聚蔗糖（水合半徑為20 nm）或量子點(diǎn)[12]（水合半徑為17 nm），可在細(xì)胞間隙擴(kuò)散，即至少一部分細(xì)胞間隙具有足夠的距離，允許這些大分子通過(guò)。

體流（Bulk flow）[13]的來(lái)源尚未明確，可能是血腦屏障分泌的液體在細(xì)胞間隙流動(dòng)，之后匯入腦脊液或進(jìn)入淋巴管。文獻(xiàn)[14，15]提供了體流最直接的證據(jù)。Cserr研究組[16]還檢測(cè)了不同分子的流出速率，雖然其擴(kuò)散系數(shù)有明顯差別，但流出速率基本一致。他們還認(rèn)為，體流僅發(fā)生在毛細(xì)血管的周圍間隙[17]。據(jù)估計(jì)，腦白質(zhì)[18]體流流速約為10.5 μm/min。

3.1?ECS的研究歷史

20世紀(jì)中葉，關(guān)于ECS的爭(zhēng)論十分激烈[11]。一方面，通過(guò)固定腦組織，以電子顯微鏡為手段直接觀測(cè)二維區(qū)域的ECS（圖1）[19]。 然而，該方法只能測(cè)定α，且僅限于失活的腦組織; 此外，腦組織經(jīng)過(guò)固定和化學(xué)處理后有可能導(dǎo)致ECS的變化。最初電鏡顯示[11，20]，ECS僅占腦體積的5%，甚至無(wú)法觀測(cè)到ECS; 而腦組織通過(guò)冷凍技術(shù)固定[21]后，測(cè)得α為0.15～0.20。 但是，冷凍過(guò)程形成的冰晶有可能會(huì)增大α。另一方面，以細(xì)胞膜外探針?lè)肿踊驑?biāo)記物的擴(kuò)散分布可量化三維區(qū)域ECS[21]，該方法可同時(shí)測(cè)定α和λ。更重要的是，擴(kuò)散方法可在活體上研究ECS的動(dòng)態(tài)變化。然而，該方法對(duì)探針?lè)肿拥囊筝^高。早期實(shí)驗(yàn)測(cè)量腦中Na+和Cl分布的結(jié)果表明，ECS可能占據(jù)高達(dá)40%的腦體積[11]。而研究人員意識(shí)到Na+和Cl在細(xì)胞內(nèi)有明顯的分布后，使用放射標(biāo)記的蔗糖和菊粉測(cè)量ECS的α為0.15～0.20[21]。

Rall＼， Fenstermacher和Patlak是利用擴(kuò)散方法研究ECS的先驅(qū)[21～23]，他們通過(guò)研究放射性示蹤劑在腦內(nèi)的擴(kuò)散，反映ECS的結(jié)構(gòu)特征。在早期研究中，研究人員將放射標(biāo)記的蔗糖或菊粉注射至動(dòng)物腦室，通過(guò)腦切片獲得其分布，并測(cè)得α為0.15～0.20，λ為1.52～1.64。放射性示蹤劑的擴(kuò)散發(fā)生在活體中，但定量是在動(dòng)物處死后某一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行的，因此該方法沒(méi)有得到普遍使用。盡管如此，其獲得的數(shù)據(jù)可為其它方法提供獨(dú)立的驗(yàn)證。不使用放射性示蹤劑的實(shí)時(shí)分析技術(shù)最早由Lux等[24]建立，后來(lái)得到了Nicholson等[7]的改進(jìn)。如圖2[19]所示，該方法先將探針離子或分子從玻璃毛細(xì)管中釋放到腦組織后，探針在ECS發(fā)生擴(kuò)散，然后在不同的位置利用離子選擇性微電極或碳纖維電極，結(jié)合電位法、伏安法或安培法等電化學(xué)方法，檢測(cè)所釋放的探針濃度，依據(jù)Fick第二定律得到ECS的生物物理參數(shù)。該方法能夠研究多種探針在可控距離的擴(kuò)散，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探針在ECS的擴(kuò)散和代謝情況，且不受腦區(qū)深度限制，是目前較理想的研究ECS的方法之一。

3.2?理論基礎(chǔ)

探針被遞送到ECS后會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，利用合適的方法對(duì)探針進(jìn)行檢測(cè)，可反映ECS的某些生物物理特性。通常，檢測(cè)的距離約100 μm，短距離可確保ECS的均勻性。探針在ECS中的擴(kuò)散基本符合Fick第二定律，但需要進(jìn)行合理的修正[3，4，7，11，25]：

Ct=Dλ2SymbolQC@

2C+Qα-v·SymbolQC@

C-f（C）α（1）

等號(hào)左邊是給定位置探針濃度C隨時(shí)間t的變化。等號(hào)右邊第一項(xiàng)是擴(kuò)散本身的貢獻(xiàn); 第二項(xiàng)是玻璃毛細(xì)管在ECS中釋放探針的量Q; 第三項(xiàng)表示體流的可能貢獻(xiàn)，其為速度矢量v和濃度梯度C的乘積; 最后一項(xiàng)f（C）表示探針在ECS中的不可逆損失。

探針的選擇非常重要，不合適的探針不能準(zhǔn)確反映ECS。本質(zhì)上，ECS的研究目的決定使用探針的類型。第一類研究通過(guò)量化兩個(gè)生物物理參數(shù)（α和λ）反映ECS的性質(zhì)。為此，探針應(yīng)滿足以下要求[4，7]：分子足夠小且是水溶性的，以探索腦內(nèi)所有區(qū)域的ECS; 對(duì)腦組織無(wú)毒且濃度足夠低，不影響腦組織的滲透壓; 與ECS無(wú)相互作用且不易被清除，能準(zhǔn)確測(cè)定其濃度。這種理想的探針將探索ECS的所有通道，并真實(shí)反映ECS性能參數(shù)。第二類研究則使用不同于上述要求的探針，來(lái)嘗試解決以下問(wèn)題：細(xì)胞間隙大小; 分子之間或分子與細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用（非特異性或特異性結(jié)合）; 分子是否進(jìn)入細(xì)胞或穿過(guò)血腦屏障。這樣的探針可能不會(huì)到達(dá)ECS的所有通道，也可能被保留在ECS或進(jìn)入細(xì)胞。

4?ECS的研究方法

ECS的研究方法按測(cè)量方法可分為形貌測(cè)量法（電子顯微鏡）、電化學(xué)方法（電位法、伏安法和安培法）、光學(xué)方法和磁共振成像法; 按ECS中分子傳遞方式可分為擴(kuò)散方法和電滲方法; 按探針遞送方式可分為直接注射法、離子導(dǎo)入法和壓力導(dǎo)入法。本文以ECS兩個(gè)主要生物物理參數(shù)（α和λ）為測(cè)定對(duì)象，對(duì)ECS的主要研究方法進(jìn)行分類評(píng)述。

4.1?體積分?jǐn)?shù)（α）的測(cè)定方法

目前，除電子顯微鏡和放射性示蹤法，可測(cè)定α的方法還有實(shí)時(shí)離子導(dǎo)入法。實(shí)時(shí)離子導(dǎo)入法（Real?time iontophoretic method， RTI）[7，26]是通過(guò)離子導(dǎo)入的方法，將探針離子導(dǎo)入腦組織，并用離子選擇性微電極（Ion?selective microelectrode， ISM）[27～33]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探針離子的濃度，從而測(cè)定ECS的生物物理參數(shù)。RTI可同時(shí)測(cè)定ECS的α和λ，是目前研究ECS常用方法之一。

離子導(dǎo)入是指離子在電流的作用下釋放到ECS中， 優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)離子導(dǎo)入電流精確調(diào)控離子釋放。離子導(dǎo)入是通過(guò)玻璃毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)的。玻璃毛細(xì)管尖端直徑為3～6 μm，內(nèi)部填充0.1～1.0 mol/L的離子溶液，并插入一根Ag/AgCl絲作為電極，然后密封毛細(xì)管尾端防止管內(nèi)液體蒸發(fā)。其中，3～6 μm的尖端既能避免直接插入細(xì)胞， 不會(huì)對(duì)腦組織造成較大的損傷。如圖3A所示，離子導(dǎo)入管中的Ag/AgCl絲與恒電流源連通，并與瓊脂中的對(duì)電極構(gòu)成回路，離子從玻璃毛細(xì)管尖端導(dǎo)出[19]。以0.3%的瓊脂凝膠（含150 mmol/L NaCl）為自由擴(kuò)散基質(zhì)（α=1）， 計(jì)算探針的自由擴(kuò)散系數(shù)和遷移數(shù)（Transport number， nt）。瓊脂凝膠的使用可排除水或等滲溶液中熱對(duì)流的干擾。式（1）在RTI中修正為[7，34]：

Ct=Q8πD*αr[erfcr2?D*t+?k'texpr?k'D*+erfcr2?D*t-?k'texp-r?k'D*（2）

式（2）為開(kāi)始并保持離子導(dǎo)入后在距離毛細(xì)管尖端r處的離子濃度C。其中，erfc為余誤差函數(shù)。

Q=IntzF（3）

其中，I為離子導(dǎo)入電流 ，nt為導(dǎo)入離子的遷移數(shù)， z為離子的化合價(jià)， F為法拉第常數(shù)。

在RTI中， 常用的探針如表1所列。四乙基銨陽(yáng)離子（Tetraethylammonium， TEA+）是第一個(gè)利用RTI方法研究ECS并準(zhǔn)確測(cè)定α和λ時(shí)使用的探針。TEA+是細(xì)胞內(nèi)電壓門控的鉀離子通道阻斷劑[4]。四甲基銨陽(yáng)離子（Tetramethylammonium， TMA+）由于具有比TEA+弱的K+阻斷效果和小的尺寸， 被廣泛應(yīng)用于ECS的研究。此外，帶負(fù)電荷的離子（六氟砷酸鹽（Hexafluoroarsenate， AsF6

）、α?萘磺酸鹽（α?Naphthalenesulfonate， α?NS

由于光學(xué)方法自身的缺陷，IOI通常局限于腦最淺表的200 μm左右，且僅限于研究大腦灰質(zhì)等沒(méi)有明顯光散射的區(qū)域[61]。目前，雙光子成像[36， 61～64]已初步用于大鼠紋狀體的探針擴(kuò)散研究，雖然獲得的信噪比比較低，但這種方法很可能成為深度腦區(qū)ECS的重要研究方法。Zheng等[64]將時(shí)間分辨熒光各向異性成像技術(shù)與雙光子激發(fā)顯微鏡技術(shù)結(jié)合，在切片上觀測(cè)到ECS中分子的擴(kuò)散。他們發(fā)現(xiàn)，在海馬腦區(qū)細(xì)胞間隙中小分子的擴(kuò)散系數(shù)是自由擴(kuò)散系數(shù)的70%，而突觸間隙中小分子的擴(kuò)散系數(shù)是自由擴(kuò)散系數(shù)的54%。此外，超分辨成像也能對(duì)ECS進(jìn)行更精準(zhǔn)的描述。Godin等[60]以注入腦室的單壁碳納米管為探針，檢測(cè)單個(gè)探針的近紅外發(fā)射，進(jìn)而反映出ECS的寬度和局部黏度信息。Tonnesen等[65]將熒光標(biāo)記技術(shù)和三維的受激發(fā)射損耗顯微鏡（Stimulated emission depletion， 3D?STED）相結(jié)合，建立了腦ECS的超分辨陰影成像（Super?resolution shadow imaging， SUSHI）。該方法能從一定程度上緩解傳統(tǒng)光學(xué)成像造成的光漂白和光毒性問(wèn)題，能夠定量給出ECS的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息。

4.2.3?磁共振成像法?作為一種非侵入性技術(shù)，磁共振成像法（Magnetic resonance imaging， MRI）[66～72]因基于水的核磁特

征可實(shí)現(xiàn)人體和大腦的成像，廣泛應(yīng)用于臨床。MRI可通過(guò)擴(kuò)散加權(quán)成像（Diffusion weighted imaging， DWI）測(cè)量體內(nèi)水分子的表觀擴(kuò)散系數(shù)和組織各向異性?；贛RI的ECS研究以水分子作為探針，但水分子擴(kuò)散也同時(shí)存在于細(xì)胞內(nèi)，因而無(wú)法準(zhǔn)確描述ECS性質(zhì)。而利用外源性探[73]（如苯丙醇胺、甘露醇、PEG等）得到的λ為1.75～1.83，則略高于RTI的結(jié)果。

Han研究組[74～80]開(kāi)發(fā)的MRI示蹤法可在全腦動(dòng)態(tài)觀察ECS，并獲得其擴(kuò)散參數(shù)。該方法采用釓?二乙三胺五乙酸（Gadolinium?diethylene triaminepentaacetic acid， Gd?DTPA）為探針，作用于距離探針0.24 nm的水分子的氫原子核。通過(guò)縮短氫核弛豫時(shí)間和動(dòng)態(tài)掃描采集圖像信息，進(jìn)而獲得ECS的擴(kuò)散系數(shù)。利用該方法，他們發(fā)現(xiàn)大鼠尾狀核和丘腦雖然鄰近，但兩區(qū)域的細(xì)胞間液無(wú)法相互溝通且流動(dòng)速度和分布范圍均不相同。這表明ECS可能存在不同腦區(qū)的分區(qū)系統(tǒng)[75]。此外，他們利用該方法也發(fā)現(xiàn)大鼠給予疼痛刺激后，丘腦和尾狀核的ECS流量明顯減慢[76，77]。Song等[81]用該方法研究大鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤腫塊中ECS的變化。

除Gd?DTPA為探針外，Madelin等[82， 83]提出一種基于鈉磁共振成像的方法，可估算腦細(xì)胞內(nèi)鈉濃度，并計(jì)算出ECS的α。他們對(duì)5名健康志愿者進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)鈉的檢測(cè)，均值為11 mmol/L，灰質(zhì)的α=0.22，白質(zhì)的α=0.18，與健康腦組織標(biāo)準(zhǔn)值（鈉濃度： 10 ～15 mmol/L，α≈0.2）接近。

4.2.4?電滲測(cè)量法?雖然對(duì)ECS中物質(zhì)的擴(kuò)散行為具有較好的理解，但對(duì)于電介導(dǎo)的物質(zhì)傳遞卻知之甚少。在ECS中，與負(fù)電性的細(xì)胞外基質(zhì)抗衡的正離子會(huì)在電場(chǎng)作用下帶動(dòng)細(xì)胞間液發(fā)生流動(dòng)，從而產(chǎn)生腦內(nèi)的電滲流。Weber研究組[84～90]利用電滲（Electroosmosis，EO）在海馬腦區(qū)測(cè)定ECS的λ和ζ?電勢(shì)。如圖5所示，其在腦片上引入熒光分子作為探針，施加約22 V/cm的電場(chǎng)，探針在電泳和電滲的共同作用下發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)下列公式，可求得ECS的λ和細(xì)胞外基質(zhì)的ζ?電勢(shì)。

中，vobs為測(cè)量的速度，veo為電滲速度，vep為電泳速度， μ為遷移率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度， η為介質(zhì)黏度， ε為介電常數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得海馬ECS的λ=1.83±0.06， ζ?電勢(shì)=（

22±2） mV，其亞區(qū)CA1椎體細(xì)胞層、CA3椎體細(xì)胞層和齒狀回的ζ?電勢(shì)分別為（

25.4±1.0） mV。此外，利用腦ECS的電滲現(xiàn)象，可定量檢測(cè)ECS中的半胱氨酸濃度[86， 87]和酶活反應(yīng)[88]等。

5?ECS的生理和病理變化

5.1?不同腦區(qū)ECS的差異

腦組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有不均一的各向異質(zhì)性。即使是同一物種，不同腦區(qū)的α和λ也存在較大的差別。表2總結(jié)了活體原位測(cè)得的成年大鼠的皮層、胼胝體、海馬、紋狀體、小腦和脊髓的α和λ?？傮w而言，神經(jīng)纖維豐富的腦組織（胼胝體）因存在較多間隙，分子擴(kuò)散較快; 而在神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞較為緊密的腦實(shí)質(zhì)區(qū)（皮層），分子擴(kuò)散常受到限制。

5.2?發(fā)育過(guò)程中腦ECS的變化

在發(fā)育過(guò)程中，腦ECS是動(dòng)態(tài)變化的。從出生到成年再到衰老，α隨個(gè)體的發(fā)育逐漸降低，但λ并無(wú)明顯的變化。新生大鼠[98]在出生的第二天（P2）到第四天（P4），其α約為0.4，但是在P10～P11，α減小至0.27， P23時(shí)α和成年大鼠基本接近。然而λ在發(fā)育過(guò)程中基本保持在1.5～1.6之間，可能是因?yàn)榇蟮腅CS促進(jìn)發(fā)育相關(guān)的分子的運(yùn)動(dòng)，并為細(xì)胞遷移提供更寬的通道。在衰老過(guò)程[95]中，α從0.21～0.22降低至0.17～0.19，而λ基本不變。此外，有研究表明，α與學(xué)習(xí)能力相關(guān)，行為學(xué)表現(xiàn)越良好的老年鼠α越大。總之，α隨年齡增長(zhǎng)而下降，λ基本保持不變。

5.3?不同干預(yù)和病理模型的ECS

5.3.1?滲透壓變化?Krizaj等[103]研究了烏龜小腦的ECS在不同滲透壓下的變化，發(fā)現(xiàn)在生理鹽溶液（302 mosmol/kg）、低滲溶液（238 mosmol/kg）和一系列高滲溶液（最高滲透壓為668 mosmol/kg）中，α依次為0.22、0.12和0.6（668 mosmol/kg），λ依次為1.70，1.79和1.50。Kume?Kick等[104， 105]研究了滲透壓對(duì)哺乳動(dòng)物ECS的影響。結(jié)果表明，大鼠皮層在生理鹽溶液（305 mosmol/kg）中α=0.24， λ=1.69; 在低滲溶液（150 mosmol/kg）中，α減小至0.12，λ升高至1.86; 在高滲溶液（最高500 mosmol/kg）中，α穩(wěn)定上升至0.42，而λ在滲透壓為350 mosmol/kg的溶液中為1.67，之后穩(wěn)定不變。

5.3.2?腦缺血/缺氧?腦組織出現(xiàn)缺血或缺氧時(shí)，ECS中的離子濃度迅速發(fā)生變化，其中K+濃度急劇上升至50～70 mmol/L，Na+濃度迅速下降至48～59 mmol/L，Cl

濃度下降至70～75 mmol/L，Ca2+濃度下降至0.06～0.08 mmol/L，pH下降至6.4～6.6。大量Na+和Cl

進(jìn)入細(xì)胞后，水分子也進(jìn)入細(xì)胞，造成細(xì)胞水腫，從而改變ECS。當(dāng)大鼠發(fā)生缺血/缺氧時(shí)[8，9，57]，脊髓和皮層的α從0.20最低下降到0.05，λ則由1.5上升至2.1。

5.3.3?帕金森綜合癥?帕金森綜合癥是一種常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病。在動(dòng)物黑質(zhì)或紋狀體腦區(qū)注射6?羥多巴胺（6?Hydroxydopamine， 6?OHDA）能成功誘導(dǎo)帕金森模型，而將幼鼠的多巴胺能神經(jīng)元移植到6?OHDA損傷的紋狀體可使其功能恢復(fù)[106]。研究發(fā)現(xiàn)[100]，未注射6?OHDA之前，紋狀體的α=0.19， λ=1.59; 建模后紋狀體的α為0.14，λ為1.50; 而將幼鼠的多巴胺能神經(jīng)元移植到損傷部位后，α=0.24， λ=1.80。

如表3所示，其它模型中，如電刺激、擴(kuò)散性抑制、癲癇、高血鈉和戳傷等，ECS也會(huì)發(fā)生變化。

6?總結(jié)與展望

腦ECS占腦體積的20%左右，為腦細(xì)胞的生存和信息交流提供了必要的條件。與自由溶液相比，分子在ECS中擴(kuò)散受到阻礙，溶液中自由擴(kuò)散系數(shù)約為ECS中擴(kuò)散系數(shù)的2.6倍。此外ECS是動(dòng)態(tài)變化的，在大腦生理和病理狀態(tài)下，ECS的α和λ均會(huì)發(fā)生改變。然而，由于對(duì)ECS的認(rèn)識(shí)不足，目前對(duì)所有結(jié)果尚難有明確的解釋。

為深入理解ECS在腦功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的作用，研究學(xué)者發(fā)展了多種活體分析方法和技術(shù)，其中以TMA+為探針的RTI是較成熟的研究方法之一。RTP和IOI則可選擇多種分子作為探針，豐富了ECS的研究。MRI作為一種無(wú)損技術(shù)，極有可能發(fā)展為人腦ECS的研究方法。除探針在ECS中的擴(kuò)散，電滲測(cè)量法從新的角度闡述了ECS中物質(zhì)的傳遞。

雖然人們逐漸認(rèn)識(shí)到ECS的重要性，但ECS的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)：（1）目前的方法大多集中在對(duì)ECS的α和λ的研究，然而針對(duì)其它生物物理性質(zhì)的研究基本空白; （2）現(xiàn)有方法只能測(cè)定距離腦表層200 μm深度的ECS，深部腦區(qū)的ECS活體研究方法亟需發(fā)展，而清醒自由移動(dòng)動(dòng)物的ECS研究目前尚無(wú)良策; （3）除MRI外，大多數(shù)方法只能研究以毛細(xì)管尖端為中心的200 μm左右的微小區(qū)域， 缺乏對(duì)全腦ECS的整體認(rèn)識(shí); （4）探針在ECS中擴(kuò)散的理論弱化了體流和分子的不可逆損失部分，而分子在ECS的真實(shí)表現(xiàn)仍不清楚，需要進(jìn)一步加強(qiáng)ECS中分子與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的研究，甚至單分子行為的研究，以加深對(duì)ECS的理解和認(rèn)識(shí)。

目前，人們認(rèn)為腦信息傳遞的途徑除神經(jīng)纖維的電信號(hào)傳遞和突觸間隙的化學(xué)信號(hào)傳遞外，還應(yīng)存在以ECS為主要途徑的容積傳遞。建立和發(fā)展新的分析化學(xué)原理和方法，深入系統(tǒng)開(kāi)展ECS的研究，不僅能夠有助于理解物質(zhì)在ECS傳遞，而且還能從新的角度闡述腦的生理過(guò)程和病理機(jī)制，為人類認(rèn)識(shí)腦和利用腦奠定重要的基礎(chǔ)。

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Progress of Electrochemical Analysis and Imaging

of Extracellular Space

JIN Jing1，2， WU Fei 1，2， YU Ping1，2， MAO Lan?Qun*1，2

1（Beijing National Laboratory for Molecular Science， Key Laboratory of Analytical Chemistry for Living Biosystems，

Institute of Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

2（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract?Extracellular space （ECS） is the fluid?filled space surrounding the brain cells， accounting for about one fifth of brain volume. As an essential living environment for neurons and glial cells， ECS not only transports substances for cells， but also enables stable electrical signaling. Therefore， it is closely related to the basic functions of the brain， such as synaptic transmission， memory， sleep and diseases. This review focuses on the primary biophysical characteristics of ECS and the main progress on investigating volume fraction and tortuosity with electrochemical analysis and imaging methods. The review also expounds on the variation of ECS in physiological and pathological processes.

Keywords?Extracellular space; Electrochemical analysis; Imaging; Volume fraction; Tortuosity; Review