脑的动脉、毛细血管、静脉和静脉窦在组织学上有其特殊性。脑动脉与颅外的动脉一样分为内膜、中膜和外膜，但脑动脉的中膜与外膜较同等大小的颅外动脉薄。有人比较性地研究管径大小相同的基底动脉和肠系膜上动脉时发现，基底动脉的中膜有20层，肌组织占85%、胶原纤维占12%，弹性纤维占3%，而肠系膜上动脉中膜则为35层，肌组织、胶原纤维和弹性纤维分别占63%、33%和4%。脑动脉外膜的胶原纤维和弹性纤维仅呈环行排列，而颅外动脉外膜的这两种纤维既有环行又有纵行排列。
（一）脑动脉
脑动脉在脑内或脑外其大小、管壁的组织结构有所不同。
1．脑外的脑动脉 如颈内、外动脉，大脑前、中、后动脉，椎－基底动脉及前、后交通动脉等，其内、中、外膜的组织结构共有以下特点。
（1）内膜：表面为一层覆瓦状连接的内皮细胞，其细胞间重叠有1～2μm，细胞间隙约20nm。内皮细胞下有两种成分组成的内弹性膜，一种是与内皮细胞外基膜相连的细片或细纤维状基质，其实为黏多糖；另一种是与中膜相连的弹性纤维束，为直径20μm的球形无定形弹性蛋白，其纤维间充满基质。这些弹性膜随着动脉向远端变细而逐渐变薄；至动脉的直径＜50μm时，其内弹性膜消失。有人认为内膜也含有个别的平滑肌纤维。
（2）中膜：一般有10～20层的平滑肌，呈螺旋形状排列。平滑肌之间存在着胶原纤维、网状纤维、弹性纤维及基质，后者含有大量硫酸软骨素。动脉口径减小时，肌层也减少，最少时为一层平滑肌。在体积上，脑动脉中膜的平滑肌细胞较内脏动脉的平滑肌细胞小。脑动脉中膜的平滑肌细胞胞浆含有较少的胞饮小泡，但有较多的线粒体、微管、粗面内质网和核糖体。平滑肌细胞之间以膜对膜接触方式相连，因此，去极化时阻力较低。平滑肌细胞与内皮细胞之间借助弹性膜或基膜相连，起着兴奋和信息传递作用。
（3）外膜：主要有疏松结缔组织、神经和营养血管组成。疏松结缔组织内为丰富的纵行和环行排列的胶原纤维及巨噬细胞；神经束在外膜的外围部分，共5～16条，每一神经束约含有6～40条有髓纤维和无髓纤维。它们每行走一定距离，就向管壁内发出小分支，支配平滑肌。一般认为无髓神经纤维大多是传出纤维起着收缩血管的作用。一个神经纤维的末梢区可支配多个平滑肌细胞，一个肌细胞也可受多条神经纤维的支配。其末梢与肌细胞相距的间隙为60～400nm，比其他部位的无髓神经纤维与平滑肌细胞间的突触间隙大，也比骨骼肌的神经肌肉连接大得多。有髓神经纤维为传入纤维，终止于膨大的卷曲末梢。神经束随着动脉口径减小而减少，细小至细动脉时，没有有髓纤维，仅有一小部分的无髓纤维，即使是15μm左右的动脉，也仍有一层平滑肌细胞和无髓纤维。
2．脑内的脑动脉 主要为小动脉。
脑内的动脉在穿入脑皮质之前，在蛛网膜下隙走行一段。当动脉穿入脑皮质时，伴随着软膜一齐进入，所以脑内动脉周围留有一个间隙为血管间隙，由软脑膜和胶质膜组成，也参与构成动脉的外膜，其内为中膜肌纤维的基膜，外为动脉外的神经胶质细胞的基膜，该膜含有外膜细胞。动脉口径减小时，血管间隙逐渐消失，此时神经组织的基膜和动脉基膜合并，至毛细血管时已无明显间隙，而仅留下一层基膜。
小动脉直径在20～50μm。其内膜为内皮细胞和不完整的内弹性膜组成。有的为碎裂的弹性物质，内皮细胞与毛细血管的内皮细胞结构相似，只是有较多的胞饮小泡。中膜有1～3层的平滑肌细胞。肌细胞结构与脑外的动脉肌细胞相似。外膜主要有外膜细胞、神经束和胶原纤维。动脉大者，外膜细胞较多。当动脉口径减小时，外膜细胞层逐渐变小呈断断续续。外膜细胞核呈长形，胞质内的细胞器较发达成熟。尽管有些学者认为脑外动脉移行为脑内动脉时外膜没有神经纤维，但许多研究者认为脑内的动脉外膜还是有许多神经纤维，多为两束，每束内有2～10个轴突，神经束与平滑肌细胞间存在着80nm的间隙。据报道，神经束内的轴突分为无小泡、少小泡和多小泡3种类型，而以多小泡的自主神经（植物神经）为主。
中间小动脉系指直径在15μm以内的动脉。内膜仅为一层内皮细胞；中膜也为一层平滑肌细胞，且覆盖住整个血管周径，肌细胞结构不典型；外膜的结构与小动脉相似。
（二）脑静脉
脑静脉分为一般的脑静脉和静脉窦。脑静脉壁比颅外静脉薄，中等以上的脑静脉有内皮细胞，之外为一层弹性膜，再外面为结缔组织，结缔组织内的弹性纤维形成细网状，其内有不同走向的胶原纤维及环行的平滑肌细胞。脑的浅静脉内弹性纤维发育良好且较厚。但小静脉中膜缺乏肌纤维和结缔组织支架，其主要为基膜和成纤维细胞。大脑内静脉和大脑大静脉有较粗的胶原纤维。微静脉的中膜与中间小动脉相似，平滑肌细胞重叠，但肌细胞有时不能完全覆盖内皮细胞。微静脉的肌细胞被周边细胞所代替而不易与毛细血管区别。
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