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从不同的物理化学角度评估了蛛网膜下腔和脑室中脑脊液的实际行为和参数。脑脊液的温度、体积和压力属于宏观研究领域，而其分子静电学、布朗运动、扩散和内聚是微观世界的领域。虽然这两种物理状态似乎不相关，但最终微观尺度的现象是宏观现象的基础。如果不是因为悬浮在脑脊液中的所有分子的运动，就不会对颅内结构施加颅内压。尽管宏观静态参数一般且易于检验，而微观静态参数复杂且难以描述，但这两种物理状态是不可分割的。

十多年来，我与同事、物理学家和我自己一起进行了临床和实验室研究，以评估这两种物理化学状态。宏观检查基于对疑似正常血压性脑积水患者的颅内压分析，这些患者的颅内压与环境条件（大气压力、气温）和地球磁场有关。此外，我还分析了患者不同的体温点是否以及在多大程度上对脑脊液循环有潜在影响。微观评估是基于对大分子及其在脑脊液中运动的识别和对扩张现象的识别。宏观和微观现象反过来是纳米尺度上事件的反映，原子在纳米尺度上不断运动。原子的这种分子运动称为“热运动”。因此，起重要作用的是静电力和表面张力。在纳米尺度上发生的现象是基于量子力学的。1872年第一位观察到悬浮粒子运动的科学家是罗伯特·布朗，在他之后，这种运动被称为“布朗运动”，而运动的粒子通常被称为布朗粒子。Marian Smoluchowski在其开创性的、理应获得诺贝尔奖的著作中将这些运动描述为“震撼”运动[1]。事实上，基本粒子以之字形无序移动，形成脑脊液成分并相互碰撞（图1）。

图1所示。通过光学显微镜可以看到大分子:一个大的淋巴细胞和一个小的蛋白质[自身物质]

粒子间碰撞的频率估计平均为每秒一千次。光学显微镜下的图像描绘了一种称为生物分子的有机大分子，包括脑脊液中的蛋白质和细胞及其碎片和集合体。

观察到的生物分子大小从几百纳米（较大的蛋白质颗粒）到几微米（细胞）。观察是通过尼康Eclipse 600显微镜进行的，该显微镜通过数码相机与装有Lucia v的计算机连接。4.6 Laboratory Imaging s.r.o.的软件——Szczecin大学物理研究所海洋物理与环境研究所的设备。为了进行计算机图像分析，使用微量移液管将几滴脑脊液滴入Bürker腔。在几十秒内观察视野，就有可能捕捉到流体层平面内生物分子的运动。这些是布朗运动，既有较大物体（如细胞）的较慢运动（图2和图3），也有较小物体（如蛋白质）的较快运动（图4）。

图2。从光学显微镜拍摄的图像，应用三张照片从起始位置（开始）到最终位置（结束），中间位置。悬浮在脑脊液中直径为7μm的细胞移动约20微米（平均位移向量0.6μm）[自身材料]

图3。大分子运动的下一个阶段（布朗运动）以及随后的Z字形[自身材料]

图4。显微镜下十八张布朗运动的照片，从起始位置(黄点)到最后一个位置(红点)，中间位置(黑点)。悬浮在脑脊液中的直径仅为1μm的蛋白质可移动几十微米(平均位移矢量0.9 μm)[自身材料]

值得注意的现象是脑脊液中悬浮物体的多样性。在显微镜下分析了27名脑脊液循环紊乱的神经外科患者的脑脊液中所含分子的静态参数(在生物伦理委员会事先同意进行这项研究后)。结果是1毫米^3.平均有134个(从35到740个)物体，平均表面积为25.9 μm². 分子的所有静态参数，如物体的平均数量、平均密度、物体的平均总面积和相对总面积、物体周长的平均总长度、物体周长的平均相对总长度，均发表在2007年的《Spie学报》[2]。

1904年，Smoluchowski第一个引起人们注意并描述了潜在的波动分子运动，它开创了随机物理学的发展。另一方面，分子粒子相互碰撞并围绕形成宏观状态，而宏观状态又基于经典牛顿力学定律。在“微观世界”水平上观察到的分子行为是随机的或不可预测的，这与“宏观世界”的描述形成对比，后者的现象是完全确定的、可预测的。这种相互渗透的世界——微观国家和宏观国家——的同时共存仍然是一个无法理解和未被发现的当代谜团。

第一篇描述观察到的体内大分子的布朗运动，即悬浮在脑脊液中的细胞和蛋白质颗粒，发表于2009年[3]。根据大岛渚的电泳理论，这些悬浮的大分子被溶剂离子包围。这项工作的主要目标是描述这种离子云形成的双层斯特恩包围匹配蛛网膜的生物分子。对于直接附着在蛛网膜上的大分子，斯特恩层的厚度估计为几微米。观察到的Stern层厚度的变化表明层两侧电荷密度的连续波动。

在另一篇专注于分子电学现象的论文[4]中，精确描述了悬浮在脑脊液中的生物分子周围的双层斯特恩（图5）。

图5。Stern's双电层在悬浮于脑脊液中的生物分子周围的示意图[自己的作品]

如本文所示，硬生物分子周围的斯特恩层由正钠离子形成，因此斯特恩层的厚度估计为0.366纳米。在这种情况下，船尾层周围的外层，即所谓的Gouy层，由负氯离子形成。这两份出版物中描述的这些分子电化学现象是在微观水平上对脑脊液研究的开创性贡献。

在接下来的[5]论文中，主要重点是分析两组脑脊液的图像。第一组为脑室系统增大患者(N = 6)，第二组为内脑积水患者(N = 13)。结果表明，两组悬浮生物分子直径分布曲线范围存在显著差异。即脑室系统扩张时，以直径5 ~ 10 μm的颗粒为主，脑积水组以直径0.5 ~ 5 μm的小颗粒为主。这一发现导致了一个结论，分子分布曲线可以是一个有用的和快速的工具，允许区分临床表达的脑积水和脑室系统的放射增宽。

然而，将我的临床实践与脑脊液分子现象的生物物理和物理化学基础联系起来，已经反映在2005年[6]的一份手稿中。不仅描述了脑脊液的物理性质(其粘度)，还分析了分子形状对其粘度和流动性的影响。在获得生物伦理委员会的同意后，对13例创伤后出血的神经外科患者进行了回顾性分析。发现将患者身体抬高至30°和50°角后，经腰椎穿刺测量的脑脊液压力增加，轻微出血组明显高于大出血组。这进而引发了一场关于分子水平上的基本现象，如流体粘度、流体中悬浮分子的扩散、分子与周围脑膜之间的相互粘连，如何影响从宏观角度测量的腰椎穿刺脑脊液压力的变化的讨论。因此，有人指出，脑脊液中血液的混合(图6)减少了颅内-脊内系统的补偿机制储备。

图6。光学显微镜下的整个视野都被血液的变形元素所覆盖，即红细胞(大量蛛网膜下腔出血)[自身材料]

其机制包括增加病理性脑脊液的内阻（凝聚力）和增加脑脊液与周围膜之间的粘附力。血液在脑脊液中的混合物有助于增加其粘度，这是由爱因斯坦公式确定的。蛛网膜下腔出血后，这种液体的粘度可增加至少两倍半。反过来，菲克扩散定律表明，血液在脑脊液中的混合物降低了其流动性。对分子现象的描述有助于解释在临床实践中观察到的脑脊液压力测量值的变化。这是世界上第一次尝试将颅内和脊柱内微观状态与流体宏观状态联系起来。目前的脑脊液研究人员都没有从分子的角度以这种方式分析现有的生物学机制。

在对脑脊液进行微观研究的同时，对其宏观状态进行了[7]研究。本研究的目的是研究大气压和环境温度(T-ambient)对颅内容积压稳态参数的影响，包括颅内压、平均(ICPmean)、收缩压(ICPsyst)和舒张压(ICPdiast)、平均动脉压(BPmean)、收缩压BPsyst)和舒张压(BPdiast)，体温(t患者)。图7显示了14例疑似常压脑积水的神经外科患者的个别参数曲线。

图7。测量变量(492个观测值)。平均气压为759.8毫米汞柱。平均脊髓内压(平均ICP)为11.05 mmHg，收缩期ICP 14.49 mmHg，舒张期ICP 8.45 mmHg。平均血压90.05 mmHg，收缩压127.45 mmHg，舒张压72.48 mmHg。平均体温为36.56℃，平均环境温度为24.1℃

在该报告发表之前，还没有对大气压力对颅内参数的影响进行研究或分析。这一领域的开创性研究表明，在746-768毫米汞柱范围内，大气压力显著影响颅内和动脉压力的行为。首先，在大气压低于755 mmHg时，大气压的增加与颅内压的降低和动脉压的增加有显著的相关性。其次，在756mmhg和766mmhg之间的大气压，大气压的增加与血压的降低和颅内压的增加显著相关。第三，在766mmhg - 768mmhg的大气压下，大气压的升高与颅内压的降低和血压的升高显著相关。最后但并非最不重要的是，在770mmhg - 774mmhg大气压下，颅内稳态参数和动脉压对外界条件不敏感。重要的是，气压和血流之间的联系也被观察到。大气压低于770mmhg与平均脑灌注压测量的血流显著相关。相反，当压力超过770毫米汞柱时，大脑的灌注压保持不变。

绝对颅内压与绝对大气压之间的关系在[8]的一篇论文中进行了阐述。测量的相对颅内压的参考依据是环境大气压。然而，测量的绝对大气压力的参考是真空，那里的压力等于0毫米汞柱。因此，绝对颅内压(absolute ICP)的参考也是一个真空。因此，绝对颅内压等于大气绝对压力和测量颅内压之和。

这是第一次考虑测试压力绝对值的研究。结果表明，大气压和颅内压之间的关系显著较高（相关系数等于0.87，p<0.05）–（图8）。

图8。颅内压（ICP）和大气压（AP）之间的斯皮尔曼相关曲线。95%置信区间（CI）从0.82到0.90

此外，本研究首次对绝对颅内压变化与季节(春、夏、秋、冬)相关的论点进行了积极验证。大气压力和颅内压与各季节呈正相关。

冬季、春季和夏季的大气压力和颅内压平均值均高于秋季。颅内压和气压在夏季最高，秋季最低。除秋季(-1.4 hPa差值)外，各季节大气压力与颅内压差均为正。两条曲线的交点表示接近1007.0 hPa的突发性颅内压极限，类似于该压力的所谓参考点。

脑脊液对流的热力学方面还没有成为科学考虑和研究的主题。在2011年的分析中，考虑了神经管[9]两端的温度差异，描述了脑脊液在椎管中的升降运动。在16名年龄为38.8岁的中型志愿者中，在第5腰椎脊柱突水平的骶骨区(Temp. s)和头部额区(Temp G)进行皮肤温度测量;测试是使用无线温度计进行的。骶部平均温度为34.4℃，额部平均温度为36.0℃。神经元管两端平均温差为1.6℃。在0.95的置信水平上，头和骶端之间的温度有显著的统计学差异。在这项工作中，提出了关于脑脊液在椎管中的运动的论文。从热力学的角度来看，椎管可分为外椎管和内椎管两部分:外椎管与皮肤粘连，内椎管与内脏粘连。在外侧(背侧)部分，温度从颈部到骶部下降。 The temperature drop is 1.6°C. The cerebrospinal fluid movement is molecular and occurs under the influence of gravity and the Brownian motion. Brownian motion under the influence of decreasing temperature becomes less intense, the speed of fluid molecules becomes smaller, and thus the free path decreases, the number of collisions per unit of time decreases, the distances between molecules decrease. Thus, both the density of fluid and its weight increase. This contributes to the lowering of the cerebrospinal fluid itself. The movement of the cerebrospinal fluid in the anterior (ventral) part of the spinal canal is caused by its heating by internal organs. The fluid temperature in this part of the channel is higher than the temperature in the outer part of the channel at the same level. This means that the fluid density at the same level is lower as a result of the volume increase. The higher in the canal, the higher the fluid temperature becomes, which contributes to the growth of Brownian movements, and in consequence to the fluid density decrease. Brownian motion contributes to moving the fluid up. At the interface of cool liquid molecules with warmer ones, as a result of heat transfer, the liquid cools down gradually. In contrast, warming from the ventral side of the spinal canal, the fluid rises in the cephalic direction and moves in a circular motion.

上述研究是跨学科方法的例子，将临床实践与物理学定律和统计验证联系起来。在已有研究成果的基础上，有可能提出一篇关于脑脊液特性的创新论文。该结论超越了其他研究人员迄今为止发表的见解，同时能够识别影响流体物理化学特征的变量。即位于脑脊液和脑膜悬浮分子边缘的Stern层结构受到周围大气压和太阳电磁辐射的影响(图9)。

图9。在脑脊液及其悬浮分子(图左侧的MICRO图像)和周围组织之间，形成了具有特定波动电荷密度的双电Stern层(图中部的NANO图像)。这种电荷的密度可能会受到地球和太阳的外部电磁场的影响(图右侧的MACRO图像)

这一概念是连接微观世界与宏观世界的桥梁，科学地揭示了脑脊液研究中未曾考虑到的主导因素。

结论

总之，本文中提出的想法将对临床进程产生影响，如压力测量、结果解释、快速诊断测试，仅举最重要的测试。这些发现的含义应该在进一步的研究中加以扩展。

利益冲突

作者声明他没有利益冲突。

承认

作者感谢Patrycja Herbowsska Tytro在英语翻译和论文最终准备过程中提供的词汇和语法方面的帮助。

参考文献

1. 斯莫卢乔夫斯基M（1906）悬浮下的布朗分子动力学理论．尤其是物理学21日:755 - 780。
2. Staroń W, Herbowski L, Gurgul H(2007)脑脊液循环中悬浮颗粒的光学分析。过程。间谍6609.
3. Herbowski L，Gurgul H，StarońW（2009）人类蛛网膜和脑脊液界面处尾层厚度的实验测定。Z医学。物理学19: 189-192.
4. Herbowski L, Gurgul H(2011)人脑脊液中悬浮的大分子电双层结构．J神经Neurophysiol2: 108.
5. Staron W，Kubisz L，Herbowski（2012）心室脑积水扩大和内部脑积水情况下正常脑脊液中悬浮物大小分布的初步分析。波兰物理学报121:A-46-A-48。
6. Gurgul H, Herbowski L(2005)初步确定分子浓度/形状和压力对黏性液体的影响，以及创伤后蛛网膜下腔出血对体位相关脑脊液压力变化的影响。Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Szczecińskiego, Szczecin。物理学报14: 21-38。
7. Herbowski L, Gurgul H(2008)颅内容积-压力稳态的气压和基本参数。神经中枢42: 332-337.(Crossref)
8. 大气对颅内压的主要影响:一项观察性研究。Int J Biometeorol61: 181 - 188。
9. Herbowski L, Gurgul H(2011)脑脊液循环的热力学方法。神经病学杂志1: 215-218.