Granger因果分析1型糖尿病患兒靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)

楊 冰，張俊然*，楊 豪，王梅云,劉太元(.四川大學電氣信息學院，四川 成都 60065；.河南省人民醫(yī)院影像科，河南 鄭州 450003)

糖尿病是一組以慢性血糖水平增高為特征的代謝疾病群，若長期不加以控制，可引起患者微血管和神經(jīng)組織病變，造成認知功能障礙及腦結構病變等[1-2]。1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus, T1DM)是由遺傳、自身免疫和環(huán)境因素共同作用所致的慢性疾病, 約占我國糖尿病患者總數(shù)的5%，且多為兒童及青少年[3]。T1DM早期對兒童認知功能的損害無明顯癥狀，但隨著病程延長，認知損害癥狀可能明顯且日趨嚴重。

T1DM患者認知功能障礙主要表現(xiàn)為整體智力[1]、學習技能、聯(lián)想記憶和解決問題能力[4]下降，注意力分散，概念性推理能力、記憶力、視空間能力、讀寫能力、信息處理速度、精神運動速度下降等[3]，認知功能減退可從兒童期延續(xù)至成年，且成長過程的腦發(fā)育并不能代償認知功能受損[1]。對T1DM的結構影像學研究[5-6]顯示，T1DM患者右側大腦楔葉、楔前葉、額葉灰質體積，以及右側后頂葉的白質體積較正常人有所變化。靜息態(tài)fMRI研究[7]結果顯示，T1DM患者扣帶皮層與右側額下回、額極區(qū)的功能連接降低，但與雙側楔前葉與左側下頂葉的功能連接增強。腦功能活動一般以功能環(huán)路為基礎，相對于單純發(fā)現(xiàn)腦區(qū)結構變化或腦區(qū)功能連接差異而言，對腦區(qū)間交互的分析有助于探索患者認知功能障礙的神經(jīng)機制。Granger因果分析(Granger causality analysis, GCA)是一種基于數(shù)據(jù)驅動的分析方法，可避免由于對模型的預假設出現(xiàn)錯誤而導致結論可靠性低的問題，在對認知障礙神經(jīng)機制的發(fā)掘中具有明顯優(yōu)越性。海馬是短期記憶存儲腦區(qū)，與輕度認知損害密切相關[8]，且對胰島素及葡萄糖變化具有很高敏感性[9-10]。本研究以海馬作為種子點進行Granger因果分析，從效應連接變化的角度對T1DM患者認知損害機制進行探討。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2015年6月—2016年4月河南省人民醫(yī)院T1DM患兒18例(T1DM組)，其中男8例，女10例，年齡6～14歲，平均(11.2±3.0)歲，糖化血紅蛋白(9.55±2.08)mmol/L，空腹血糖(10.33±4.28)mmol/L，智商(韋氏兒童量表)評分(97.67±7.57)分；均未接受治療，無抑郁癥、孤獨癥、癲癇。另收集同期健康受試兒童13名(對照組)，其中男7名，女6名，年齡6～14歲，平均(10.1±2.4)歲，智商評分(101.92±11.01)分。T1DM組與對照組智商差異無統(tǒng)計學意義(t=-1.278，P=0.211)。本研究經(jīng)河南省人民醫(yī)院倫理委員會審批通過，所有受試者父母或監(jiān)護人均簽署相關知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Magnetom Trio Tim 3.0T MR成像儀，對受試者于靜息狀態(tài)下行420 s平面回波成像(echo-planar imaging， EPI)，TR 2 000 ms，TE 30 ms，層數(shù)33，層厚4 mm，間隔0，翻轉角90°，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，矩陣64×64，體素大小3.75 mm×3.75 mm×4.00 mm，掃描時間點210個。

1.3 數(shù)據(jù)預處理 采用DPARSF分析軟件對靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)進行預處理，包括剔除前10個時間點數(shù)據(jù)、時間層校正、頭動校正(納入標準：最大頭動<2 mm，轉動<2°)、空間標準化[Bounding box坐標范圍：(-90，-126，-72；90，90，108)]、采用4 mm全寬半高高斯核對圖像進行平滑、濾波頻率0.01～0.08 Hz，并將頭動參數(shù)、白質、腦脊液信號作為協(xié)變量剔除。

1.4 Granger因果分析 采用Granger因果分析方法描述種子點和全腦其他體素時間序列間的效應連接。從解剖自動標記(anatomical automatic labeling, AAL)模板中分別提取左、右側海馬作為種子點。以REST 1.8分析軟件(http://www.restfmri.net)進行全腦范圍Granger因果分析，包括種子點對全腦每個體素的因果效應(XtoY，表示X的活動對Y的活動施加了因果影響，即外向流)以及全腦每個體素對種子點間的因果效應(YtoX，表示Y的活動對X的活動施加了因果影響，即內向流)。

1.5 統(tǒng)計學分析 采用REST 1.8統(tǒng)計學分析軟件。采用雙樣本t檢驗對T1DM組和對照組間結果進行統(tǒng)計分析，同時將各組受試者年齡、性別作為協(xié)變量剔除。最后采用高斯隨機場理論校正(Gaussian random field-correction， GRF)進行校正(體素水平P<0.01，簇水平P<0.05)。

2 結果

以雙側海馬為種子點，全腦Granger因果(Granger causal, GC)分析均未發(fā)現(xiàn)內向流存在組間差異。以左、右側海馬分別作為種子點的GC連接組間差異結果映射圖見圖1，連接示意圖見圖2。相對于對照組，以左側海馬為種子點，T1DM組左側海馬對雙側額中回、島蓋部額下回、三角部額下回、中央后回、輔助運動區(qū)、腦島、前扣帶和旁扣帶腦回、內側扣帶和旁扣帶腦回、緣上回，左側的內側額上回、中央前回，右側背外側額上回的外向流顯著減弱，且兩側半球減弱的區(qū)域顯示出較強的對稱性，見表1；以右側海馬為種子點，T1DM組右側海馬對雙側輔助運動區(qū)、內側扣帶和旁扣帶腦回，左側額中回、島蓋部額下回、三角部額下回、內側額上回、中央后回、緣上回、前扣帶、旁扣帶腦回的外向流顯著減弱，見表2。

表1 以左側海馬為種子點的GC外向流組間比較有差異腦區(qū)

注：經(jīng)GRF矯正，體素水平P<0.01，簇水平P<0.05

表2 以右側海馬為種子點的GC外向流組間比較有差異腦區(qū)

注：經(jīng)GRF矯正，體素水平P<0.01，簇水平P<0.05

圖1 Granger因果分析組間差異腦區(qū) A.以左側海馬為種子點的外向流差異腦區(qū)； B.以右側海馬為種子點的外向流差異腦區(qū) (藍色表示與對照組比較，T1DM組GC連接強度減弱；顏色越淺表示組間差異越大)

圖2 相對于對照組，T1DM患兒大腦效應連接GC差異連接示意圖

3 討論

海馬是短期記憶存儲腦區(qū)，與隨時對記憶信息進行調用、處理的認知功能(如語言、視覺信息處理、聯(lián)想等)關系密切[11]，還對代謝失調具有高度敏感性[12]，易受T1DM影響而萎縮[13]。以海馬為種子點的效應連接減弱，可提示海馬所參與的神經(jīng)回路被抑制，即患者出現(xiàn)明顯認知功能下降前已發(fā)生神經(jīng)功能損害。本研究組間分析顯示T1DM組與對照組之間的GC連接差異均集中在外向流，未發(fā)現(xiàn)以海馬為種子點的內向流組間差異；與對照組相比，T1DM組雙側海馬對左側額中回、布洛卡區(qū)(左側三角部額下回、島蓋部額下回)、輔助運動區(qū)、扣帶皮層(內側扣帶、前扣帶和旁扣帶腦回)的GC連接強度同時出現(xiàn)明顯降低，提示這些腦區(qū)對海馬信息的提取能力減弱(圖2)。本研究2組智商評分差異無統(tǒng)計學意義，雖然T1DM患兒早期無明顯認知損害癥狀，但海馬對外效應連接的減弱提示患兒早期大腦連接已發(fā)生改變，對T1DM相關的輕度認知損害發(fā)展具有早期警示作用。

前額葉在大腦執(zhí)行控制、工作記憶等認知活動中發(fā)揮重要作用。額中回是前額葉的重要組成部分，參與執(zhí)行控制、記憶相關等認知活動[14]。海馬-前額葉回路參與工作記憶[15-16]。T1DM組靜息態(tài)下雙側海馬對左側額中回的GC連接強度降低，表明海馬-前額葉回路受到抑制，提示T1DM患兒可能出現(xiàn)學習記憶表現(xiàn)偏低的現(xiàn)象或趨勢。左側三角部和島蓋部額下回是布洛卡區(qū)的重要組成部分，在語言產(chǎn)生以及前額葉聯(lián)想整合功能中具有重要作用。T1DM組雙側海馬對布洛卡區(qū)GC連接減弱，推測患兒大腦正常的語言認知網(wǎng)絡強度被削弱，且語言認知表現(xiàn)可能受到影響。此外，中央前、后回是人體運動區(qū)，但在許多語言認知任務中，兩個腦區(qū)均出現(xiàn)不同程度的激活[17-18]，推測中央前、后回參與大腦的語言認知處理。本研究T1DM組海馬對中央前、后回GC連接減弱，也可能與患者語言認知功能的損害有關。前扣帶皮層在執(zhí)行功能、情緒和學習等認知信息加工中有重要作用[19]，Sorg等[20]對輕度認知損害患者靜息態(tài)fMRI的研究顯示海馬同扣帶、額葉的功能連接降低。本研究T1DM組雙側海馬對前扣帶和旁扣帶腦回以及額葉連接強度減弱，提示患兒可能出現(xiàn)更為明顯的認知損害癥狀。

本研究未發(fā)現(xiàn)T1DM組存在顯著內向流變化，而雙側海馬內、外向流分布失衡。由于T1DM引起的代謝失調影響海馬所參與的神經(jīng)回路，并影響海馬體積[14,21]，推測T1DM造成海馬釋放神經(jīng)信號能力減弱，進而導致海馬外向流減弱。本研究中以左側海馬為種子點的GC連接減弱區(qū)域呈高度半球對稱性，而以右側海馬為種子點的弱化連接區(qū)域主要集中在左側半球且范圍小于左側海馬的連接區(qū)域。相關研究[22-23]同樣發(fā)現(xiàn)左側海馬更多地參與認知功能處理，而更高認知參與度需同更多的腦區(qū)進行交互。左側海馬與更大范圍輻射區(qū)域的連接減弱原因可能在于其對認知活動的參與度更高，左側海馬受損傷后導致與其存在交互關系的更多腦區(qū)連接減弱。