伴輕度認(rèn)知功能障礙的2型糖尿病患者突顯網(wǎng)絡(luò)的多模態(tài)磁共振研究

雷雨萌,官一童,齊 菲,王 嫚,蘇 宇,邵志榮,張小玲,張東升*

(1陜西省人民醫(yī)院MRI室,西安 710068;2延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像系;3西安醫(yī)學(xué)院研究生工作部;*通訊作者,E-mail:yunyun122424@126.com)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是認(rèn)知功能障礙的獨(dú)立危險因素,長期高血糖會加速輕度認(rèn)知功能障礙向癡呆的轉(zhuǎn)化[1]。因此,識別T2DM相關(guān)認(rèn)知功能障礙的神經(jīng)影像學(xué)表現(xiàn)對疾病診斷及預(yù)后具有重要意義。既往的神經(jīng)影像學(xué)研究[2,3]發(fā)現(xiàn),T2DM患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、感覺運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)等功能連接異常。另有研究[4]發(fā)現(xiàn)隨著認(rèn)知損傷的加重,T2DM患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以及默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)間的功能連接紊亂更加明顯,這些研究提示,T2DM患者腦網(wǎng)絡(luò)的異常連接隨認(rèn)知損害的進(jìn)展而加重。

突顯網(wǎng)絡(luò)(salience network,SN)同樣是參與維持正常認(rèn)知功能的重要腦網(wǎng)絡(luò),其結(jié)構(gòu)及功能的損傷會加速認(rèn)知損傷,主要表現(xiàn)為辨別環(huán)境刺激的能力減弱及廣泛的注意力障礙[5]。既往多個研究[6-8]發(fā)現(xiàn)T2DM患者SN核心腦區(qū)神經(jīng)元自發(fā)活動增強(qiáng)及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部功能連接升高,推測SN的這種改變可能源于代償機(jī)制。然而這些研究未對T2DM患者的認(rèn)知水平進(jìn)行詳盡的劃分,且少有研究針對性地關(guān)注伴有輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment,MCI)的T2DM患者SN內(nèi)部功能的改變?？梢?T2DM患者SN隨著認(rèn)知功能損傷會出現(xiàn)怎樣的改變目前尚不清楚。先前的研究[5]證實MCI及阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)患者SN內(nèi)部功能連接減低并與注意控制的下降等認(rèn)知功能衰退有關(guān),提示存在認(rèn)知功能損傷的患者SN內(nèi)功能連接減低。據(jù)此,我們推測,合并MCI的T2DM患者SN內(nèi)部功能連接減低并可能與認(rèn)知功能下降相關(guān)。結(jié)構(gòu)異常是功能損傷的基礎(chǔ)。因此,本研究擬采用ICA及局部腦區(qū)VBM方法探討DMCI(T2DM with cognitive impairment)患者SN結(jié)構(gòu)及功能改變與認(rèn)知功能的關(guān)系,為揭示SN在T2DM相關(guān)認(rèn)知功能損傷中的作用提供影像學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究選取于2019年11月至2020年10月在陜西省人民醫(yī)院內(nèi)分泌科就診的T2DM患者65例,所有被試均符合2014年WHO糖尿病診斷標(biāo)準(zhǔn)。均為右利手,至少接受過6年教育。所有被試排除標(biāo)準(zhǔn):①存在磁共振檢查禁忌證;②有證據(jù)顯示存在腦部器質(zhì)性病變;③其他系統(tǒng)性疾病;④物質(zhì)依賴者;⑤患有精神疾病者。根據(jù)認(rèn)知水平將T2DM患者劃分為合并認(rèn)知功能障礙(DMCI)組及認(rèn)知功能正常組(DMCN)組。DMCI組的納入標(biāo)準(zhǔn)為:①有記憶力減退的主訴或有證據(jù)顯示存在記憶力下降,并對日常一般生活活動的維持產(chǎn)生影響;②MMSE評分>24分,MoCA<26分者;③沒有其他生理性或精神性疾病引起的認(rèn)知障礙。通過查閱住院病歷錄入所有被試人口學(xué)及臨床相關(guān)資料。所有被試均自愿簽署知情同意書并被詳細(xì)告知實驗方案及流程,本研究已獲陜西省人民醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 神經(jīng)心理學(xué)測試

在MRI掃描前,由至少具有5年以上工作經(jīng)驗的心理科醫(yī)生對所有被試者進(jìn)行一系列神經(jīng)心理學(xué)測試。本研究采用MMSE(mini-mental state examination)及MoCA(montreal cognitive assessment)量表評估被試一般認(rèn)知功能;采用連線測試A(trail-making test part A,TMT-A)評估被試神經(jīng)反應(yīng)速度及注意力;畫鐘測驗(clock drawing test,CDT)用以評估被試視覺空間功能及執(zhí)行能力。

1.3 影像學(xué)數(shù)據(jù)采集

MRI數(shù)據(jù)采集使用Philips 3.0T Ingenia磁共振,使用16通道頭線圈。掃描過程中患者保持閉眼,清醒,平靜呼吸,盡量不要思考特別的事情。給被試佩戴降噪耳機(jī)以減少機(jī)器噪聲的影響,在線圈內(nèi)部放置軟墊增加受試者掃描時的舒適感并固定頭部。首先為了排除腦實質(zhì)有器質(zhì)性病變的被試,行常規(guī)T1WI、T2WI及T2-FLAIR序列掃描,隨后行3D-T1WI及靜息態(tài)fMRI掃描。3D-T1WI序列掃描時選用正中矢狀位前后聯(lián)合的連線作為掃描定位線,采用三維快速擾相梯度回波T1加權(quán)序列(3D-FSPGR T1WI),主要掃描參數(shù)為:TE 4.6 ms,TR 10 ms,層厚1 mm,間隔0 mm,FOV 180 mm×180 mm,矩陣256×256。靜息態(tài)數(shù)據(jù)采用梯度回波平面成像序列,掃描參數(shù)如下:TR 2 s,TE 30 ms,FOV 230 mm×230 mm,矩陣128×128,翻轉(zhuǎn)角度90°,層厚為4 mm,34層,共采集200個全腦。

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在Matlab2014b中運(yùn)行DPABI 3.0工具箱對靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析。預(yù)處理流程如下:去除前10個時間點,進(jìn)行時間校正和頭動校正(剔除平動≥1.5 mm或/和角動≥1.5°的患者),空間標(biāo)準(zhǔn)化到蒙特利爾(MNI)標(biāo)準(zhǔn)腦模板(分辨率3 mm×3 mm×3 mm),最后,采用半高全寬(fullwidth half-maximum,FWHM)為6 mm的平滑核對圖像進(jìn)行平滑,以消除空間噪聲,提高信噪比。采用GIFT軟件對所有預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行ICA,使用SOI-GICA算法,進(jìn)行100次GICA,分解得到30個成分,每個成分代表某一特定網(wǎng)絡(luò)的空間分布,為了展現(xiàn)與每個特定成分相關(guān)的體素,進(jìn)行fisher-z轉(zhuǎn)換。應(yīng)用GIFT軟件內(nèi)的SN模板進(jìn)行空間匹配分析,并配合數(shù)名研究員肉眼觀察評估每個成分對應(yīng)的空間分布情況(SN主要包含雙側(cè)前扣帶皮層及額島葉皮層)、時間序列的波動及低頻(<0.1 Hz)振幅峰值等,提取每個被試的SN成分。

VBM分析采用Matlab2014b基礎(chǔ)上運(yùn)行SPM12及DPABI 3.0中的VBM工具箱,數(shù)據(jù)處理流程如下:原始DICOM圖像轉(zhuǎn)換為NIFTI圖像,行組織分割,得到腦脊液、白質(zhì)和灰質(zhì)圖像,采用FWHM為8 mm的高斯平滑核對分割后的圖像進(jìn)行平滑,接著對腦組織成分圖像進(jìn)行建模得到可用于統(tǒng)計分析的圖像。

1.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS18.0軟件對兩組被試的一般臨床資料及神經(jīng)心理學(xué)評分進(jìn)行統(tǒng)計分析,計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用t檢驗比較兩組間數(shù)據(jù)有無差異;計數(shù)資料以例數(shù)表示,采用χ2檢驗比較兩組間差異。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

ICA分析時,為了保證SN的組內(nèi)完整性,使用DPABI 3.0工具箱分別對兩組進(jìn)行單樣本t檢驗,使用GRF校正,校正后P<0.05,得到主要包含SN相關(guān)腦區(qū)的最顯著結(jié)果,應(yīng)用并集算法將兩組的功能連接統(tǒng)計z圖合并,以此作為Mask,用于后續(xù)的分析。功能連接組間分析采用DPABI 3.0工具箱,對兩組成分進(jìn)行雙樣本t檢驗,Mask采用單樣本t檢驗結(jié)果的并集,組間比較結(jié)果采用GRF校正(單個體素P<0.001,校正后P<0.05)。VBM分析利用DPABI 3.0工具箱,對兩組被試的灰質(zhì)體積進(jìn)行組間雙樣本t檢驗,Mask采用ICA中單樣本t檢驗結(jié)果的并集,組間比較結(jié)果采用GRF校正(單個體素P<0.001,校正后P<0.05)。利用DPABI 3.0工具箱分別提取組間差異腦區(qū)的功能連接z值及灰質(zhì)體積。

2 結(jié)果

2.1 人口學(xué)資料及神經(jīng)心理學(xué)測試結(jié)果

兩組在性別、年齡、受教育程度、病程、BMI、收縮壓、舒張壓、空腹血糖、餐后血糖、HbA1c、甘油三酯(triglyceride,TG)、總膽固醇(total cholesterol,TC)、低密度脂蛋白(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)、CDT及并發(fā)癥均無統(tǒng)計學(xué)差異,DMCI組認(rèn)知量表評分(MMSE、 MoCA)明顯低于DMCN組(P<0.001),DMCI組TMT-A得分顯著高于DMCN組(P<0.05,見表1)。

2.2 SN內(nèi)功能連接及GMV比較結(jié)果

相對于DMCN組,DMCI組右側(cè)FIC功能連接及灰質(zhì)體積減低(見表2,圖1)。

表1 兩組被試人口學(xué)資料及神經(jīng)心理學(xué)測試結(jié)果

表2 被試者SN內(nèi)功能連接及灰質(zhì)體積差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)

A.相對于DMCN組,DMCI組SN功能連接減少的腦區(qū);B.相對于DMCN組,DMCI組SN灰質(zhì)體積減少的腦區(qū);條圖上綠色-藍(lán)色對應(yīng)t值從小至大(對應(yīng)-5至0)圖1 DMCI組與DMCN組SN功能連接及灰質(zhì)體積存在統(tǒng)計學(xué)差異的腦區(qū)Figure 1 Brain regions with significant difference in FC and GMV of SN between DMCI group and DMCN group

2.3 相關(guān)性分析結(jié)果

相關(guān)性分析結(jié)果顯示,DMCI患者病程與TMT-A得分呈正相關(guān)(r=0.364,P=0.044,見圖2)。

圖2 DMCI患者病程與TMT-A得分的相關(guān)性Figure 2 Correlation between the disease duration and TMT-A score in DMCI patients

3 討論

本研究探討了DMCI患者SN功能及結(jié)構(gòu)的改變特點,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與DMCN患者相比,DMCI患者SN內(nèi)右側(cè)額島葉皮層(fronto-insular cortex,FIC)功能連接減低并灰質(zhì)體積減小,提示T2DM相關(guān)的認(rèn)知下降可能與右側(cè)FIC功能及結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。

SN主要由雙側(cè)FICs及背側(cè)前扣帶皮層(dorsal anterior cingulate cortex,dACC)構(gòu)成,并且具有明顯的偏側(cè)性,右側(cè)FIC在認(rèn)知相關(guān)任務(wù)的轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮著“開關(guān)”作用[9]。目前的研究[10]表明,FIC存在一種特殊的von Economo神經(jīng)元,因而能夠快速應(yīng)答來內(nèi)外環(huán)境的刺激,并調(diào)節(jié)注意力、工作記憶等其他高級認(rèn)知活動,FIC異常將會加速認(rèn)知功能損傷,導(dǎo)致MCI甚至癡呆的發(fā)生。先前有研究[5]發(fā)現(xiàn),AD患者SN內(nèi)FIC的損傷與疾病進(jìn)程密切相關(guān),提示SN的損傷可能是其識別顯著刺激的能力下降的原因之一,從而影響了患者的部分認(rèn)知功能。本研究中與DMCN患者相比,DMCI患者SN內(nèi)右側(cè)FIC功能連接減低,提示右側(cè)FIC損傷可能與DMCI患者認(rèn)知下降相關(guān)。一項5年的縱向隨訪研究發(fā)現(xiàn)島葉是T2DM患者血管神經(jīng)耦聯(lián)損傷最為顯著的腦區(qū),并與患者記憶功能下降有關(guān)[11]。此外,任務(wù)態(tài)的研究[12]同樣證實在記憶負(fù)荷下,存在輕度認(rèn)知障礙和記憶功能障礙的T2DM患者右側(cè)島葉的激活強(qiáng)度降低。上述的研究進(jìn)一步證實了我們的推測。

有趣的是,本研究發(fā)現(xiàn)DMCI患者SN功能與結(jié)構(gòu)損傷的腦區(qū)具有高度的重疊,這不僅表明右側(cè)FIC是T2DM患者認(rèn)知功能改變的關(guān)鍵節(jié)點,而且進(jìn)一步驗證了結(jié)構(gòu)損傷是功能異常的基礎(chǔ)。FIC是胰島素受體高表達(dá)的皮層,在長期慢性高血糖狀態(tài)下,會導(dǎo)致糖基化復(fù)合物過多沉積,影響神經(jīng)元細(xì)胞代謝并誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡,最終導(dǎo)致腦組織萎縮[13]。T2DM引起的高血糖狀態(tài)及胰島素抵抗是AD發(fā)生的獨(dú)立危險因素,有研究[14]發(fā)現(xiàn)認(rèn)知正常的T2DM向MCI發(fā)展過程中,患者出現(xiàn)腦體積的明顯下降,提示T2DM可能會加速神經(jīng)退行性變的進(jìn)程,導(dǎo)致認(rèn)知功能下降。因此,我們推測T2DM可能會加速M(fèi)CI患者FIC灰質(zhì)體積的萎縮進(jìn)程。大腦結(jié)構(gòu)的完整性是各腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部及網(wǎng)絡(luò)間功能連接精確協(xié)調(diào)的保證,因此,SN內(nèi)右側(cè)FIC灰質(zhì)萎縮可能是導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分功能連接減低的原因。

MCI相關(guān)認(rèn)知損傷常表現(xiàn)為注意力、信息加工速度減低等[15],在本研究中DMCI患者TMT-A得分與明顯高于DMCN患者,提示隨著一般認(rèn)知功能下降,T2DM患者注意力及信息加工速度損傷也逐漸加重。此外,相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)DMCI組病程與TMT-A測試得分呈正相關(guān),這可能提示隨著病程延長,T2DM患者注意力功能逐漸下降。這與先前的研究[16,17]結(jié)果一致,認(rèn)為隨著糖尿病病程的延長,認(rèn)知功能的損害會變得更加嚴(yán)重。

本研究存在以下局限性。首先,雖然本研究嚴(yán)格區(qū)分了T2DM患者認(rèn)知水平,但缺少健康對照,今后的研究我們將添加健康對照組全面觀察不同認(rèn)知狀態(tài)下T2DM患者SN的改變模式。其次,T2DM患者的用藥情況存在差異,可能對研究結(jié)果產(chǎn)生一定的偏倚。

總之,本研究采用ICA與局部腦區(qū)VBM結(jié)合的方法,探討了DMCI患者SN功能及結(jié)構(gòu)的改變特點,發(fā)現(xiàn)DMCI患者SN功能及結(jié)構(gòu)較DMCN患者存在明顯的異常,SN內(nèi)右側(cè)FIC結(jié)構(gòu)及功能改變可能與T2DM認(rèn)知功能損傷有關(guān)。