2型糖尿病患者靜息態(tài)腦鏡像同倫功能連接的分析

何萬利，田靜，趙蓮萍，黃剛，柳瑞芳，陸亞姍

1.甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院（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；*通信作者 趙蓮萍 lianping_zhao007@163.com

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是由于胰島素抵抗及胰島素相對性分泌不足所致的慢性代謝性疾病。長期糖尿病會引起大腦結(jié)構(gòu)和功能改變，T2DM患者認知障礙的發(fā)生率為60%～70%[1]，抑郁的發(fā)生率為28%[2]。腦改變的癥狀比較隱匿，待發(fā)現(xiàn)時對患者的生活質(zhì)量已造成極大的負面影響，然而，T2DM腦損害的神經(jīng)病理機制尚未闡明。既往研究應(yīng)用靜息態(tài)功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）的不同分析方法探討T2DM腦損害，其中包括（比率）低頻震蕩幅度[3-4]、度中心[5]及基于種子點的功能連接[6-7]等，然而，鮮有學者基于體素鏡像同倫連接（voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC）探討T2DM患者腦功能的改變。VMHC是近年新發(fā)展起來的一種rs-fMRI技術(shù)，其通過分析大腦半球間神經(jīng)元的同步活動性反映腦半球間的信息整合功能[8]，因此，本研究擬采用VMHC分析方法研究T2DM腦損害的神經(jīng)病理機制。

1 資料與方法

1.1 研究對象 2017年11月—2020年8月在甘肅省人民醫(yī)院收集糖尿病中心的T2DM患者88例，招募健康對照61名。納入標準：T2DM符合1999年WHO關(guān)于T2DM的診斷標準[9]，病程≥1年且無嚴重并發(fā)癥；兩組均符合以下條件：①漢族；②18～70歲；③右利手；④受教育年限≥6年。排除標準：①中樞神經(jīng)系統(tǒng)器質(zhì)性疾??；②心理精神病史；③外傷史及大型手術(shù)史；④酒精及藥物依賴史；⑤孕期及哺乳期女性；⑥3個月內(nèi)接受電抽搐、磁刺激治療者；⑦有MRI檢查禁忌證者。

對兩組受試者的性別、年齡及受教育程度進行匹配，剔除T2DM組受試者5例，預(yù)處理時因頭動超標剔除T2DM組受試者5例、對照組受試者4名，最終分別納入T2DM和對照組78例和57名。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)學倫理委員會審核（2017 188）。

1.2 臨床資料采集及神經(jīng)心理量表評估 ①記錄兩組受試者的性別、年齡、受教育程度。T2DM組記錄病程，檢測空腹血糖、空腹胰島素、胰島素抵抗指數(shù)、糖化血紅蛋白，對照組檢測隨機血糖；②兩組受試者進行簡易智能精神狀態(tài)檢查（mini-mental state examination，MMSE）、蒙特利爾認知評估量表（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（Hamilton depression scale-24，HAMD-24）評定。

1.3 MRI數(shù)據(jù)采集 使用西門子（MAGNETOM Skyra）3.0T MR掃描儀。受試者平臥，頭部固定，閉眼，保持清醒，不做思維活動，由2名經(jīng)過培訓的放射科醫(yī)師完成。結(jié)構(gòu)像掃描采用三維腦容積成像序列行矢狀位定位掃描，TR 2 530 ms，TE 2.35 ms，翻轉(zhuǎn)時間1 100 ms，翻轉(zhuǎn)角7°，掃描野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1.33 mm，間距50%，激勵次數(shù)1，每次采集192個時間點，掃描時間5 min 23 s。rs-fMRI掃描采用血氧水平依賴梯度回波-平面回波成像序列行軸位掃描，TR 2 000 ms，TE 30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，掃描野224 mm×224 mm，矩陣64×64，層厚3.5 mm，間距20%，層數(shù)33，激勵次數(shù)1，每次采集420個時間點，掃描時間14 min 8 s。

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理 基于MATLAB使用DPABI_V4.2（http://restfmri.net/forum/dpabi）和SPM12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）軟件對影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。主要過程為轉(zhuǎn)換DICOM數(shù)據(jù)格式、剔除前10個時間點、頭動校正（剔除頭動平移＞2.5 mm，或旋轉(zhuǎn)＞2.5°的受試者）、空間標準化（重采樣3 mm×3 mm×3 mm）、高斯平滑（半高全寬6 mm）、去線性漂移、去除協(xié)變量。

1.5 統(tǒng)計學方法 符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示，組間比較用獨立樣本t檢驗；不符合正態(tài)分布的計量資料以M（Qr）表示，組間比較用Mann-WhitneyU檢驗；計數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。①VMHC分析：使用DPARSF軟件對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行VMHC計算。提取出預(yù)處理后配準到標準MNI模板的一側(cè)大腦半球每個體素的時間序列，并計算該時間序列與對側(cè)大腦半球鏡像體素的時間序列的Pearson相關(guān)系數(shù)（r），通過Fisher r-to-z變換得到z值以改善數(shù)據(jù)的正態(tài)性，然后進行兩組組間的比較分析。②基于種子點的功能連接（functional connectivity，F(xiàn)C）分析：以VMHC顯著差異腦區(qū)為感興趣區(qū)，設(shè)定以峰值坐標為中心、半徑為6 mm的球形種子點與全腦各體素間行FC分析。提取整個球內(nèi)各個體素的時間序列的平均值，計算其與全腦各體素時間序列之間的Pearson相關(guān)系數(shù)（r），再轉(zhuǎn)換為符合正態(tài)分布的z值后進行統(tǒng)計學分析。③使用DPABI軟件的統(tǒng)計模塊對兩組VMHC和FC進行獨立樣本t檢驗，將年齡、性別、受教育程度及頭動參數(shù)作為協(xié)變量，進行高斯隨機場（Gaussian random fields，GRF）多重比較校正，以校正后單個體素P＜0.005及P＜0.001，簇大小P＜0.05的區(qū)域為有統(tǒng)計學差異的腦區(qū)。將兩組間差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)VMHC值、FC值與臨床變量、神經(jīng)心理量表評分進行Pearson相關(guān)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床變量與神經(jīng)心理量表評分 兩組受試者性別、年齡、受教育程度差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。兩組MoCA、HAMA、HAMD-24評分差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表1。T2DM組病程（8.4±5.4）年，空腹血糖（10.2±3.7）mmol/L，空腹胰島素8.4（5.6～12.4）μU/ml，胰島素抵抗指數(shù)1.8（1.0～2.9），糖化血紅蛋白（8.5±2.2）%。對照組隨機血糖（6.3±1.6）mmol/L。

表1 T2DM組和對照組的神經(jīng)心理量表評分

2.2 兩組VMHC和基于種子點的FC比較 與對照組比較，T2DM輔助運動區(qū)/扣帶回VMHC值較高（GRF校正后，單個體素P＜0.005，簇大小P＜0.05）。基于VMHC差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)FC分析顯示，T2DM組左側(cè)輔助運動區(qū)與左側(cè)頂下小葉間FC值較高（GRF校正，單個體素P＜0.001，簇大小P＜0.05），見圖1、表2。

表2 T2DM組與對照組VMHC組間差異及基于種子點FC分析結(jié)果

圖1 T2DM與對照組VMHC和基于種子點的FC比較后所得差異腦區(qū)。A.T2DM輔助運動區(qū)/扣帶回VMHC值顯著高于對照組（紅色）；B.兩組基于種子點的FC比較：T2DM組左側(cè)輔助運動區(qū)與左側(cè)頂下小葉間FC值顯著高于對照組（紅色）

2.3 Pearson相關(guān)分析 T2DM左側(cè)輔助運動區(qū)與左側(cè)頂下小葉間升高FC值與糖化血紅蛋白水平呈負相關(guān)（r=-0.229，P=0.044），見圖2。

圖2 左側(cè)輔助運動區(qū)與左側(cè)頂下小葉間FC值與糖化血紅蛋白水平的相關(guān)性

3 討論

本研究采用rs-fMRI中的VMHC及基于種子點的FC分析方法結(jié)合神經(jīng)心理量表評分，得到以下主要結(jié)果：①T2DM患者存在認知功能受損、抑郁及焦慮癥狀；②T2DM患者雙側(cè)扣帶回/輔助運動區(qū)的VMHC升高，左側(cè)輔助運動區(qū)與左側(cè)頂下小葉間FC值升高，且與糖化血紅蛋白水平呈負相關(guān)。

T2DM患者的MoCA評分明顯低于對照組，漢密爾頓抑郁評分及焦慮評分明顯高于對照組，提示T2DM患者存在認知功能受損、抑郁及焦慮癥狀。認知受損可能與以下因素相關(guān)[10]：首先，在胰島素抵抗下T2DM患者胰島素升高，胰島素可降低β淀粉樣蛋白的清除，使β淀粉樣蛋白沉積，導致認知功能損害。其次，在長期的高血糖狀態(tài)下，腦細胞線粒體利用葡萄糖障礙并產(chǎn)生大量的活性氧自由基，進而發(fā)生氧化應(yīng)激，導致腦細胞功能受損，從而影響認知功能。最后，胰島素抵抗時tau蛋白過度磷酸化，使微管解體，神經(jīng)纖維纏結(jié)，引起神經(jīng)細胞凋亡，導致認知缺陷。T2DM患者亦存在抑郁及焦慮癥狀，可能與自主神經(jīng)紊亂、神經(jīng)內(nèi)分泌失調(diào)、肥胖、高炎癥水平及海馬結(jié)構(gòu)改變有關(guān)[11]。既往研究顯示，T2DM女性患者血液C反應(yīng)蛋白與抑郁和焦慮癥狀顯著相關(guān)，而男性患者不相關(guān)，因雄激素可降低炎癥水平[12]。

本研究中T2DM患者雙側(cè)扣帶回/輔助運動區(qū)的VMHC異常改變，提示雙側(cè)扣帶回/輔助運動區(qū)半球間功能協(xié)同性受損，表明存在半球間信息交流和整合功能障礙。度中心分析發(fā)現(xiàn)，T2DM患者左側(cè)扣帶回度中心值升高，且與右側(cè)中央前回功能連接性升高，上述改變與血糖參數(shù)有關(guān)[13]?？蹘Щ厥俏挥诖竽X半球內(nèi)側(cè)面的扣帶溝與胼胝體溝之間的腦回，屬于邊緣系統(tǒng)，其與海馬等邊緣腦區(qū)對情感、記憶及動作等認知功能有重要作用[14]，本研究進一步證實扣帶回可能是T2DM腦損害的重要腦區(qū)?；谒C萃分析的神經(jīng)影像研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者右側(cè)島葉與左側(cè)輔助運動區(qū)的FC減低[15]。輔助運動區(qū)位于額上回后部，是將認知和運動聯(lián)系起來的關(guān)鍵腦區(qū)[16]，包括輔助運動前區(qū)和輔助運動固有區(qū)，固有區(qū)與運動功能有關(guān)，前區(qū)參與高級認知控制機制[17]。輔助運動區(qū)，尤其前區(qū)可能是參與T2DM腦損害的神經(jīng)病理機制的重要腦區(qū)。近期有研究報道糖尿病腎病合并視網(wǎng)膜病變患者部分腦區(qū)VMHC值降低[18]，本組T2DM患者VMHC值升高。首先，這可能與代償機制有關(guān)[19]，使得相應(yīng)腦區(qū)的VMHC代償性增強。另外，本研究所納入患者排除了T2DM合并腎病及視網(wǎng)膜病變患者，可能是研究結(jié)果不一致的重要原因。

本研究發(fā)現(xiàn)：T2DM患者左側(cè)輔助運動區(qū)與左側(cè)頂下小葉間FC值升高。T2DM患者頂下小葉皮質(zhì)的腦血流量減低，并且其與記憶減退和執(zhí)行功能降低有關(guān)[20]，因高血糖水平可增加腦血管阻力及血液黏度以降低局部腦血流量，使得局灶性和全腦缺血，導致認知功能損害。在T2DM早期，左海馬與左下額回的FC增強，其與適應(yīng)性代償有關(guān)[21]，本組FC增強亦可能是代償結(jié)果。另外，本組T2DM患者左側(cè)輔助運動區(qū)與左側(cè)頂下小葉間FC值與糖化血紅蛋白呈負相關(guān)，表明糖化血紅蛋白越高，其FC值越低，并且糖化血紅蛋白是T2DM伴發(fā)認知障礙的危險因素[22]，提示高血糖可導致T2DM患者腦認知損害。

總之，T2DM患者存在認知受損、抑郁及焦慮癥狀，其雙側(cè)扣帶回/輔助運動區(qū)半球間功能協(xié)同性及FC受損可能是T2DM患者腦損害的重要神經(jīng)病理機制。然而，本研究對照組樣本量相對較少，后續(xù)研究需進一步增加樣本量。其次，未進行腦結(jié)構(gòu)成像分析，其腦功能改變是否與腦結(jié)構(gòu)改變有關(guān)尚無法闡明。本研究為橫斷面研究，無法闡明糖尿病腦損害的演變過程，需要增加縱向研究以追蹤患者腦功能與病程變化的關(guān)系。今后應(yīng)當系統(tǒng)地運用MRI多模態(tài)成像技術(shù)，全面闡述T2DM腦損害，為早發(fā)現(xiàn)、早治療糖尿病伴發(fā)腦損害提供客觀影像學依據(jù)。