background image

Lect. 19 

The cerebral circulation 

Objectives: 

1.  Explain  the  mechanisms  by  which  blood  flow  to  the  brain  is 

regulated. 

2.  The  cerebral  circulation  is  maintained  in  response  to  changes  in 

arterial blood pressure. (Explain how).  

Physiologic anatomy: 
The brain is supplied by the internal carotid and vertebral arteries, which 
form the circle of Willis. From each side of the circle arise three cerebral 
arteries;  anterior,  middle  and  posterior.  They  run  along  the  convex 
surface of the cerebral hemispheres to supply the cerebral cortex and send 
deep branches to supply the subcortical structures. With the exception of 
the  circle  of  Willis,  there  is  no  anastomosis  between  the  intracranial 
arteries, but some anastomoses exist between the smaller arterioles. Still, 
these  anastomoses  are  inadequate  to  nourish  the  brain  tissue  when  an 
arterial  branch  is  occluded.  That  is  why  the  cerebral  arteries  are 
considered  functionally  as  end-arteries.  The  superficial  and  deep  veins 
drain  the  cerebral  blood  into  the  large  venous  sinuses  which  exist 
between  the  folds  of  the  dura  mater.  The  venous  sinuses  are  prevented 
from  collapse  by  the  tough  structure  of  the  dura  and  the  attachment  of 
their walls to the bones of the skull. The cerebral venous blood is drained 
from the sinuses by the jugular veins, mainly the internal jugular in man. 
In  contrast  to  the  arterial  supply,  the  cerebral  venous  system  contains 
plenty  of  anastomoses  between  the  superficial  and  deep  veins,  and 
between  the  intra-  and  extracranial  veins.  That  is  why  occlusion  of  the 
internal jugular veins does not arrest the cerebral venous return, even if it 
is bilateral. 
The brain is highly vulnerable to damage by hypoxia or ischemia. This is 
because of three factors: 

1.  The  high  metabolic  rate  of  the  brain  (7kcal/kg/hr)  compared  with 

that 
of the whole body (1 kcal/kg/hr). 

2.  The metabolic reactions of the brain are all aerobic. 
3.  The  lack  of  significant  energy  stores  in  the  brain.  Glucose  is  the 

main 
metabolic  substrate  of  the  brain,  yet  the  glycogen  content  of  the 
brain  
(1.6 g/kg) meets its metabolic needs for only two minutes. 

 
Autoregulation of the cerebral blood flow: 
A  sudden  rise  in  the  arterial  blood  pressure  (ABP)  leads  to  transient 
increase in the cerebral blood flow. If the rise in pressure is maintained, 


background image

autoregulation  mechanisms  operate  to  restore  the  cerebral  blood  flow 
back to its normal basal level within 1-2 minutes. The cerebral blood flow 
is autoregulated in the blood pressure range of 70-140 mmHg in normal 
persons or up to 180 mmHg in hypertensive persons. The cerebral blood 
flow  is  regulated  in  response  to  a  rise  in  ABP  by  the  following 
mechanisms: 

1.  Myogenic  vasoconstrictor  response;  caused  by  the  increased 

tension in the vascular wall. 

2.  Metabolic  vasoconstriction  response;  caused  by  washing  out  the 

vasodilator metabolites released by brain metabolism. 

3.  Neurosympathetic response; sympathetic stimulation constricts the 

cerebral blood vessels. 

A  fall  in  the  ABP  leads  to  the  opposite  mechanisms  with  a  resultant 
vasodilation to maintain a constant blood flow rate. 
Control of the cerebral blood flow: 
Three  main  control  mechanisms  regulate  and  adjust  the  cerebral  blood 
flow:   
 
Nervous control: 
The  cerebral  blood  vessels  receive  sympathetic  nerve  supply  from  the 
cervical division of the sympathetic nervous system. It constricts the large 
and  intermediate  arteries  during  sympathetic  activity.  Under  ordinary 
conditions,  the  vasoconstrictor  effect  of  the  sympathetic  nerves  on 
cerebral  vessels  is  overridden  by  the  autoregulation  mechanisms. 
However,  sympathetic  cerebral  vasoconstriction  is  strong  and  is  very 
important in the following conditions: 

  In  severe  muscular  exercise  when  arterial  blood  pressure  rises  to 

very  high  levels.    Vasoconstriction  of  the  large  and  intermediate 
vessels protects the small vessels and prevents their rupture. 

  After  rupture  of  a  small  cerebral  vessel,  e.g.  cerebral  stroke, 

subdural  hematoma  or  brain  tumour.  Sympathetic  reflexes  cause 
severe  constriction  of  the  large  arterial  supply  to  limit  the 
intracranial bleeding. 

 
Metabolic control: 
The blood flow  to the  brain is regulated  mainly by  its own  metabolism. 
The  cerebral  vessels  are  characterized  by  being  extremely  sensitive  to 
hypoxia, hypercapnia and acidosis, which produce marked vasodilation of 
the  cerebral  vessels  and  increase  the  cerebral  blood  flow.  Hypercapnia 
increases the H

2

CO

3

 and H

+

 levels in blood. CO

2

 has no direct vasodilator 

effect.  It  is  the  H

+

  ion  produced  by  the  hypercapnia  which  dilates  the 

vessels.  
 


background image

Physical control: (by the intracranial pressure) 
The  intracranial  cavity  has  a  fixed  volume  because  it  is  enclosed  in  the 
rigid  bones  of  the  skull.  It  contains  the  brain,  whose  volume  is 
approximately 1500 mL, plus 75 mL of blood and 75 mL of cerebrospinal 
fluid  (CSF).  Because  the  brain  tissue  and  fluids  are  incompressible,  the 
total volume of the blood, the CSF and the brain is constant at any time. It 
follows that: 

1.  Any  rise  in  the  intracranial  pressure  compresses  the  cerebral 

vessels  and  reduces  the  cerebral  blood  flow.  A  drop  in  the 
intracranial pressure expands (dilates) the vessels and increases the 
cerebral blood flow. 

2.  Any  change  in  the  venous  pressure  immediately  causes  a  similar 

change  in  the  intracranial  pressure  which  influences  the  cerebral 
blood flow. 

 
 
 
 
 
 
 
 
The brain is very richly supplied with blood. In a normal adult male, the 
brain weighs  about  1.5  kg  (2%  of  body  weight)  and  receives  about  750 
mL of blood/min (14% of the cardiac output). The cerebral blood flow is 
not uniform in all parts of the brain. The average blood flow in the gray 
matter is about six times that of the white matter. The largest blood flow 
per  gram  is  in  the  inferior  colliculus  of  the  midbrain  (1.8  mL/g/min), 
followed by the sensorimotor cortex (1.4 mL/g/min). The least blood flow 
is in cerebral white matter (0.2 mL/g/min). 
 
VARIATIONS  IN  THE  TOTAL  AND  REGIONAL  CEREBRAL 
BLOOD FLOW 
Total cerebral blood flow increases in hypoxia, hypercapnia and acidosis. 
It decreases during deep, quiet, slow-wave sleep. 
Regional blood flow in the brain varies during different physiological or 
pathological conditions. The following are examples: 

  Quiet thinking during rest increases the blood flow in the prefrontal 

association area. 

  Voluntary clinching of the right  hand increases the blood flow  in 

the hand area of the left sensorimotor cortex. 

  Looking at a luminous object increases the blood flow in the visual 

occipital cortex. 


background image

  In an epileptic focus, the blood flow increases during the epileptic 

seizure  but  decreases  in  other  pans  of  the  brain.  In  between 
seizures,  the  blood  flow  decreases  in  the  epileptic  focus  but 
remains normal in other parts. 

  In  manic  depressive  patients,  there  is  a  general  decrease  in  the 

cortical blood flow when the patients are depressed. 

 
On  standing  from  the  supine  position,  the  arterial  pressure  in  the  head 
area drops to 65 mmHg. The cerebral blood flow decreases by 20%, but 
the  O

supply  remains  unaffected  due  to  increased  O

2

  extraction 

coefficient. If  standing  is  accompanied  with  muscular  exercise,  cerebral 
blood flow is maintained at the basal level (750 mL/min). 
 
For example, if the body is accelerated upwards, gravitational forces act 
toward the feet (positive gravity), i.e. blood moves toward the feet. The 
arterial pressure at the level of the head decreases which tends to decrease 
the cerebral blood flow. This is compensated to a large extent by the drop 
in  venous  pressure  which  decreases  the  intracranial  pressure→  less 
compression of the blood vessels→  vasodilation → increase in the blood 
flow back toward the normal level.  
On  acceleration  downwards  (negative  gravity),  the  opposite  reactions 
occur to prevent marked increase in the cerebral blood flow. 
 
 

 

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 11 عضواً و 155 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