2型糖尿病患者靜息態(tài)小腦功能連接研究

柳瑞芳，田靜，趙蓮萍,*，黃剛,，陸亞姍，王玉

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院（甘肅省人民醫(yī)院），甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省人民醫(yī)院放射科，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省人民醫(yī)院內(nèi)分泌科（干部病房3），甘肅 蘭州 730000；*通信作者 趙蓮萍 lianping_zhao007@163.com

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是一種以進(jìn)行性胰島素抵抗和高血糖為主要特征的慢性代謝性疾病[1]。全球約4億人患有T2DM，預(yù)計(jì)到2045年患病人數(shù)將增加51%[2]。多項(xiàng)研究表明，T2DM是癡呆、腦血管病、抑郁等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的危險(xiǎn)因素[3-4]。靜息態(tài)功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imagine，rs-fMRI）是評(píng)估腦功能活動(dòng)的有力工具，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究[5-7]，目前關(guān)于T2DM患者神經(jīng)影像方面的研究主要集中在大腦，對(duì)小腦研究甚少。近年研究發(fā)現(xiàn)，小腦除調(diào)節(jié)軀體平衡、調(diào)節(jié)肌緊張及協(xié)調(diào)隨意運(yùn)動(dòng)外，在高級(jí)認(rèn)知和情感加工方面具有重要作用[8-9]，小腦損傷患者存在執(zhí)行功能異常及抑郁癥狀[10]。此外，小腦不同亞區(qū)具有明顯的功能異質(zhì)性[11]，部分小腦亞區(qū)與大腦皮層的非運(yùn)動(dòng)區(qū)域之間存在功能協(xié)調(diào)作用[12]。因此，本研究擬采用rs-fMRI探討T2DM患者與高級(jí)認(rèn)知加工及情感功能密切相關(guān)的小腦亞區(qū)[11-14]（雙側(cè)小腦Crus I、Crus Ⅱ、小葉Ⅸ）與全腦之間的靜息態(tài)功能連接（functional connectivity，F(xiàn)C）異常模式，為闡明T2DM患者腦損害的神經(jīng)病理生理機(jī)制提供客觀的影像學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 前瞻性收集2017年11月—2020年10月在甘肅省人民醫(yī)院代謝診療中心就診的T2DM患者83例，招募健康志愿者61名作為對(duì)照組。納入標(biāo)準(zhǔn)：T2DM病程＞1年，均符合1999年WHO糖尿病診斷及分類標(biāo)準(zhǔn)[15]；年齡18～70歲，漢族，男女不限，均為右利手，受教育程度≥6年。對(duì)照組性別、年齡及受教育程度與T2DM組相匹配；隨機(jī)血糖（指尖采血）＜11.1 mmol/L。排除標(biāo)準(zhǔn)：有中樞神經(jīng)系統(tǒng)或精神心理疾??；有嚴(yán)重的T2DM并發(fā)癥；有嚴(yán)重頭部外傷史及心、肝、腎疾病；有乙醇依賴及物質(zhì)濫用史；有明顯聽力或視力障礙；有MRI檢查禁忌證。

所有受試者均簽署知情同意書。本研究通過甘肅省人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審批（批號(hào)：2017-188）。

1.2 研究方法

1.2.1 臨床變量采集 ①臨床資料：記錄受試者性別、年齡、受教育程度、體質(zhì)量指數(shù)（BMI）、空腹血糖、空腹胰島素、糖化血紅蛋白、高密度脂蛋白膽固醇（high-density lipoprotein cholesterol，HDL-C），其中空腹血糖采用己糖激酶法檢測，空腹胰島素采用化學(xué)發(fā)光微粒子免疫檢測法檢測，糖化血紅蛋白采用高效液相色譜法檢測，HDL-C采用直接法-過氧化氫酶清除法檢測。②認(rèn)知心理量表評(píng)定：由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的醫(yī)師對(duì)所有受試者進(jìn)行簡易智能精神狀態(tài)檢查量表（mini-mental state examination，MMSE）、蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）、漢密爾頓焦慮量表（Hamilton anxiety scale，HAMA）、漢密爾頓抑郁量表-24項(xiàng)（Hamilton depression scale-24，HAMD-24）評(píng)定。

1.2.2 MRI數(shù)據(jù)采集 受試者清醒平臥，固定頭部，盡量避免做專注思維活動(dòng)。使用西門子3.0T MR 32通道頭線圈采集頭顱MR數(shù)據(jù)。先常規(guī)行MRI序列（T1WI、T2WI及T2-FLAIR序列）掃描，排除顱腦器質(zhì)性病變后，再進(jìn)行rs-fMRI及三維顱腦容積結(jié)構(gòu)像掃描。rs-fMRI采用血氧水平依賴梯度回波-回波平面成像序列，掃描參數(shù)：TR 2 000 ms，TE 30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，視野224 mm×224 mm，矩陣64×64，層厚3.5 mm，間距0.7 mm，層數(shù)33，激勵(lì)次數(shù)1次，采集420個(gè)時(shí)間點(diǎn)，掃描時(shí)間848 s。結(jié)構(gòu)像掃描參數(shù)：TR 2 530 ms，TE 2.35 ms，反轉(zhuǎn)時(shí)間1 100 ms，翻轉(zhuǎn)角7°，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1.33 mm，間距0.665 mm，激勵(lì)次數(shù)1次，掃描時(shí)間323 s，共連續(xù)采集192層矢狀面圖像。

1.2.3 MR 數(shù)據(jù)預(yù)處理 使用基于MATLAB 的SPM12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）和DPABI_ V4.2（http://restfmri.net/forum/dpabi）軟件對(duì)rs-fMRI數(shù)據(jù)行預(yù)處理。具體步驟：DICOM→NIFTI數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)、層時(shí)間校正、頭動(dòng)校正（剔除頭動(dòng)平移＞2.5 mm，或旋轉(zhuǎn)＞2.5°的受試者）、空間標(biāo)準(zhǔn)化（體素大小3 mm×3 mm×3 mm）、高斯平滑（半高全寬6 mm）、去線性漂移、回歸去除協(xié)變量（頭動(dòng)、腦脊液、腦白質(zhì)信號(hào)和全腦均值信號(hào)）。

1.2.4 基于種子點(diǎn)的FC分析 通過WFU_PickAtlas軟件，提取AAL模板中的雙側(cè)小腦Crus I、Crus Ⅱ及小葉Ⅸ分別作為種子腦區(qū)，計(jì)算其與全腦各體素之間的功能連接，獲得功能連接圖得到相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，采用Fisher轉(zhuǎn)換將計(jì)算得到的功能連接值轉(zhuǎn)換為Z值行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 ①一般資料：使用SPSS 25.0軟件，計(jì)數(shù)資料比較采用χ2檢驗(yàn)；正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；不符合正態(tài)分布的計(jì)量資料用M（Q1，Q3）表示，組間比較采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。②基于種子點(diǎn)FC的組間比較：將年齡、性別、受教育程度及頭動(dòng)參數(shù)作為協(xié)變量，以兩樣本t檢驗(yàn)分別比較雙側(cè)小腦Crus I、Crus Ⅱ及小葉Ⅸ為種子腦區(qū)的全腦FC的組間差異，經(jīng)高斯隨機(jī)場多重比較校正，校正后以單個(gè)體素P＜0.001，簇大小P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。③相關(guān)分析：提取T2DM組差異顯著腦區(qū)的FC值分別與臨床生化指標(biāo)、認(rèn)知心理量表評(píng)分進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 人口學(xué)資料及認(rèn)知心理量表評(píng)定結(jié)果 因頭動(dòng)超標(biāo)，預(yù)處理時(shí)剔除5例T2DM患者及4名對(duì)照，最終納入78例T2DM和57名健康對(duì)照。兩組受試者的年齡、性別、受教育程度及BMI差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。與對(duì)照組比較，T2DM組MoCA、HAMA、HAMD-24評(píng)分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

表1 T2DM組與對(duì)照組人口學(xué)資料及認(rèn)知心理量表評(píng)分比較（±s）

表1 T2DM組與對(duì)照組人口學(xué)資料及認(rèn)知心理量表評(píng)分比較（±s）

注：BMI為體質(zhì)量指數(shù)，MMSE為簡易智能精神狀態(tài)檢查，MoCA為蒙特利爾認(rèn)知量表，HAMA為漢密爾頓焦慮量表，HAMD-24為漢密爾頓抑郁量表-24項(xiàng)

項(xiàng)目 T2DM組（n=78） 對(duì)照組（n=57） Z/t/χ2值 P值 ?年齡（歲，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 54.5±7.4 52.7±3.9 1.833 ＞0.05 性別（男/女，例） 58/20 37/20 ＞0.05 受教育程度（年，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 13.0±3.1 12.7±3.4 0.552 ＞0.05 0.993 BMI（kg/m2，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） ＞0.05 病程（年，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 8.4±5.4 - - - 24.1±2.6 23.6±3.1 1.097 - 空腹胰島素（images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 11.9±15.8 - - - 空腹血糖（mmol/L，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 10.2±3.7 - - - 高密度脂蛋白膽固醇（mmol/L，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 1.08±0.26 - - - 糖化血紅蛋白（%，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 8.45±2.15 - - ＞0.05 MoCA評(píng)分（分，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 24.8±3.8 27.0±2.0 -4.303 ＜0.001 MMSE評(píng)分（分，images/BZ_19_687_3009_713_3057.png±s） 27.9±2.0 28.6±2.1 -1.856 HAMA評(píng)分[分，M（Q1，Q3）]5（3，8） 2（1，4） -3.122 ＜0.01 HAMD-24評(píng)分[分，M（Q1，Q3）]8（4，13） 4（2，5） -4.571 ＜0.001

2.2 基于種子點(diǎn)FC的組間差異 與對(duì)照組比較，T2DM組左側(cè)小腦Crus I-左側(cè)額下回三角部間FC增強(qiáng)（P＜0.05）；右側(cè)小腦Crus I-右側(cè)額下回三角部/右側(cè)頂下緣角回間FC增強(qiáng)（P＜0.05）；左側(cè)小腦小葉Ⅸ-右側(cè)緣上回間FC增強(qiáng)（P＜0.05），見表2、圖1。

圖1 T2DM組與對(duì)照組基于種子點(diǎn)功能連接分析的結(jié)果。A.種子腦區(qū)左側(cè)小腦Crus I區(qū)（黃色）；B.T2DM組左側(cè)小腦Crus I區(qū)較對(duì)照組功能連接增強(qiáng)的腦區(qū)（左側(cè)額下回三角部）；C.種子腦區(qū)右側(cè)小腦Crus I區(qū)（綠色）；D.T2DM組右側(cè)小腦Crus I區(qū)較對(duì)照組功能連接增強(qiáng)的腦區(qū)（右側(cè)額下回三角部）；E.T2DM組右側(cè)小腦Crus I區(qū)較對(duì)照組功能連接增強(qiáng)的腦區(qū)（右側(cè)頂下緣角回）；F.種子腦區(qū)左側(cè)小腦小葉Ⅸ區(qū)（紅色）；G.T2DM組左側(cè)小腦小葉Ⅸ區(qū)較對(duì)照組功能連接增強(qiáng)的腦區(qū)（右側(cè)緣上回）

表2 T2DM組和對(duì)照組基于種子點(diǎn)功能連接分析的兩樣本t檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 Pearson相關(guān)分析 右側(cè)小腦Crus I-右側(cè)額下回三角部間FC值與HDL-C水平呈正相關(guān)（r=0.233，P＜0.50），右側(cè)小腦Crus I-右側(cè)頂下緣角回間FC值與糖化血紅蛋白呈正相關(guān)（r=0.262，P＜0.05）（圖2）。

圖2 T2DM患者腦功能連接增強(qiáng)腦區(qū)的FC值與HDL-C（A）和糖化血紅蛋白（B）的相關(guān)性

3 討論

本研究采用靜息態(tài)功能MRI，探討T2DM患者小腦-大腦間的功能連接異常模式，基于文獻(xiàn)[11-14]報(bào)道，選擇與認(rèn)知及情緒相關(guān)的雙側(cè)小腦Crus I、Crus Ⅱ及小葉Ⅸ為種子腦區(qū)，進(jìn)行功能連接分析，發(fā)現(xiàn)T2DM患者雙側(cè)小腦Crus I、左側(cè)小腦小葉Ⅸ亞區(qū)與大腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)多個(gè)腦區(qū)間功能連接受損，且與高密度脂蛋白及糖化血紅蛋白水平相關(guān)。

額葉在認(rèn)知功能及情感活動(dòng)中起重要作用[16]，額下回三角部位于內(nèi)側(cè)前額葉，是核心腦區(qū)之一，也是認(rèn)知及情緒處理的關(guān)鍵皮層，主要參與決定作用[17]。一項(xiàng)關(guān)于小腦認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能分離的研究表明，小腦Crus I、Ⅱ存在區(qū)通向大腦區(qū)域神經(jīng)纖維束，可隨著認(rèn)知負(fù)荷的增加而被激活[18]。神經(jīng)解剖學(xué)研究也揭示了小腦和前額葉皮層間存在雙向投射[19]，表明人腦中前額葉與小腦間存在神經(jīng)環(huán)路，這也為小腦參與多種認(rèn)知功能提供了神經(jīng)基礎(chǔ)。本研究中，T2DM患者存在認(rèn)知功能減退及焦慮、抑郁情緒，其雙側(cè)小腦Crus I分別與同側(cè)額下回三角部間的FC顯著增強(qiáng)，提示T2DM患者的小腦Crus I與額下回三角部間功能連接紊亂，可能是T2DM認(rèn)知功能及情緒異常的一種神經(jīng)代償機(jī)制。額下回是情緒及認(rèn)知加工的關(guān)鍵腦區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)抑郁障礙患者存在額下回腦功能異常[17]，首發(fā)未治療的抑郁障礙患者額下回與前扣帶回間的FC增強(qiáng)，治療后上述腦區(qū)間的FC值減低[20]，進(jìn)一步提示情緒異?；颊叽嬖陬~下回與其他腦區(qū)間的FC代償機(jī)制，與本研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，右側(cè)小腦Crus I-額下回三角部間的FC值與HDL-C呈正相關(guān)，即HDL-C水平越高，右側(cè)Crus I-額下回三角部間的功能連接代償作用越明顯，HDL-C可促進(jìn)膽固醇的代謝，是一種抗動(dòng)脈粥樣硬化的血漿脂蛋白，有研究表明抑郁是HDL-C水平降低的危險(xiǎn)因素[21]，且低密度脂蛋白膽固醇與HDL-C比值降低在一定程度上可以預(yù)測T2DM患者的認(rèn)知功能下降[22]，提示T2DM患者HDL-C水平與認(rèn)知損傷及抑郁障礙有關(guān)，進(jìn)一步支持本結(jié)果。

頂葉功能廣泛，可進(jìn)行多種感覺信息和語言的整合。頂下小葉和頂下緣角回同屬。頂下小葉包括緣上回和角回，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行功能、情緒加工及語言整合[23]。執(zhí)行功能是高級(jí)認(rèn)知的核心組成部分[24]，本研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者左側(cè)小腦小葉Ⅸ與緣上回間的FC增強(qiáng)，提示T2DM患者認(rèn)知功能受損與頂下小葉功能紊亂有關(guān)。Bangen等[25]研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者執(zhí)行能力下降與頂下小葉的血流量減少有關(guān)，頂下小葉與左側(cè)海馬的有效連通性的改變是導(dǎo)致T2DM患者記憶較差的原因之一[26]，本研究結(jié)果與此一致。有研究報(bào)道，緣上回不僅與認(rèn)知的調(diào)控有關(guān)，也是對(duì)負(fù)面情緒進(jìn)行特異性加工的腦區(qū)[27]。本研究中T2DM患者HAMD、HAMA量表評(píng)分均高于對(duì)照組，表明T2DM患者易出現(xiàn)負(fù)面情緒，這種負(fù)面情緒的出現(xiàn)可能與緣上回的功能異?；顒?dòng)有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，T2DM患者右側(cè)小腦Crus I與右側(cè)頂下緣角回間功能連接增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，頂下緣角回是阿爾茨海默病和輕度認(rèn)知障礙患者腦功能受損的主要腦區(qū)[28]，抑郁癥患者在識(shí)別悲傷表情時(shí)，頂下緣角回與扣帶回間FC減低[25]，提示頂下緣角回功能紊亂與認(rèn)知功能和抑郁情緒相關(guān)。本研究中，右側(cè)Crus I-右側(cè)頂下緣角回間FC值與糖化血紅蛋白呈正相關(guān)，提示高血糖可以導(dǎo)致T2DM患者的腦功能異常，控制和監(jiān)測糖化血紅蛋白水平對(duì)糖尿病腦病的發(fā)生及發(fā)展具有重要意義。

本研究的局限性：本研究為橫斷面研究，尚不能明確不同藥物治療前后患者的腦損傷神經(jīng)康復(fù)機(jī)制；由于本研究排除了有嚴(yán)重并發(fā)癥的T2DM患者，因此尚不能明確T2DM并發(fā)癥是否會(huì)加重腦損傷；另外，本研究僅進(jìn)行了rs-fMRI研究，未進(jìn)行腦結(jié)構(gòu)分析。因此，今后的研究應(yīng)增加縱向隨訪研究、增加病例數(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)像進(jìn)一步探討T2DM患者腦損害的神經(jīng)病理生理機(jī)制及神經(jīng)康復(fù)機(jī)制。

總之，T2DM患者小腦亞區(qū)（高級(jí)認(rèn)知加工及情感功能密切相關(guān)的腦區(qū)）與大腦多個(gè)核心腦區(qū)間功能連接異常，提示小腦可能參與T2DM患者腦損傷的神經(jīng)病理生理機(jī)制，尤其是與其認(rèn)知及情緒功能異常密切相關(guān)。