2型糖尿病患者小腦Crus Ⅰ靜息態(tài)磁共振功能連接研究

田靜，趙蓮萍，*，柳瑞芳，陸亞姍，黃剛，，龔瑞，梁豐麗，高艷艷，張文文

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)患病率近年持續(xù)升高[1]，其共病認(rèn)知功能受損和抑郁的比率分別為45%和28%[2-4]，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，增加社會負(fù)擔(dān)[5]，但其神經(jīng)病理生理機制尚未完全闡明。近期研究表明小腦參與人類高級認(rèn)知情感加工過程[6]，尤其是小腦后葉，其中Crus Ⅰ是小腦后葉的重要組成部分[7]，其功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)異常參與了雙相情感障礙患者的神經(jīng)病理生理過程[8]。我們的前期研究亦表明，與其他小腦亞區(qū)相比，T2DM患者CrusⅠ與全腦間的FC改變更顯著[9]，提示Crus Ⅰ是參與認(rèn)知情感加工過程的關(guān)鍵小腦腦區(qū)之一。Crus Ⅰ有Ⅰa和Ⅰb兩個亞區(qū)，前者參與中心執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(executive control network，ECN)[10]，后者參與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network，DMN)[11-12]，ECN與DMN的功能活動呈負(fù)向相關(guān)[13]。然而，在T2DM患者中，Crus Ⅰa和Crus Ⅰb的靜息態(tài)FC如何變化目前尚不清楚。因此，本研究擬采用靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)技術(shù)研究T2DM患者雙側(cè)小腦Crus Ⅰa、Ⅰb亞區(qū)與全腦之間的FC變化，進一步闡明T2DM患者認(rèn)知損害和共病抑郁的神經(jīng)病理生理機制。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性研究，納入2017 年11 月至2020 年8 月在甘肅省人民醫(yī)院代謝性疾病診療中心就診的83 例T2DM 患者為T2DM 組，對照組(healthy controls，HCs)為性別、年齡和受教育年限與T2DM 組相匹配的61名健康志愿者。本研究已通過甘肅省人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審查(批準(zhǔn)文號：2017-188)，受試者均對本研究內(nèi)容知情并簽署知情同意書。

T2DM 組納入標(biāo)準(zhǔn)：符合1999 年WHO 公布的T2DM診斷標(biāo)準(zhǔn)：空腹血糖≥7.0 mmol/L；口服糖耐量試驗：2 h 餐后血糖≥11.1 mmol/L；存在三多一少癥狀，且隨機血糖≥11.1 mmol/L；無高血糖癥狀者對空腹血糖及口服糖耐量試驗進行復(fù)查，兩次達標(biāo)即可診斷；睡眠正常；年齡18～65歲；漢族。排除標(biāo)準(zhǔn)：嚴(yán)重的T2DM并發(fā)癥；左利手及雙利手；受教育年限＜6 年；中樞神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)器質(zhì)性病變；精神心理疾病病史及家族史；嚴(yán)重顱腦部外傷史；藥物濫用及成癮史；嚴(yán)重聽覺、視覺障礙；妊娠期、哺乳期女性；2個月內(nèi)接受過精神藥物治療；3 個月內(nèi)進行過電抽搐及磁刺激治療；MRI檢查禁忌證。

HCs 組納入標(biāo)準(zhǔn)：受試者血壓、血糖、血脂均無異常；睡眠正常；年齡18～65 歲；漢族。排除標(biāo)準(zhǔn)：同T2DM組排除標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 臨床變量采集與神經(jīng)心理評分

1.2.1 臨床變量采集

分別記錄兩組被試性別、年齡、受教育年限、體質(zhì)量指數(shù)、血壓(取1天3個不同時間測得的平均值)、T2DM 組記錄其病程。禁食過夜10 h 后，晨8 點采集靜脈血檢測空腹血糖、空腹胰島素、糖化血紅蛋白、低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)、三碘甲狀腺原氨酸(triiodothyronine，T3)、甲狀腺素(thyroxine，T4)等。HCs 組使用指尖采血測量隨機血糖。

1.2.2 神經(jīng)心理量表評分

在精神心理科主任醫(yī)師的指導(dǎo)下，由受過3年以上專業(yè)培訓(xùn)的住院醫(yī)師和主治醫(yī)師2人對所有被試進行神經(jīng)心理量表評分并進行相應(yīng)記錄，包括蒙特利爾認(rèn)知評估量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)、簡易智能精神狀態(tài)檢查量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)、Beck抑郁自評問卷第一版中文版、Beck 焦慮量表中文版。被試者配合醫(yī)師，得到完整量表評分，則該數(shù)據(jù)納入本研究，反之排除。該過程不涉及盲法。

1.3 MRI數(shù)據(jù)采集

使用西門子(MAGNETOM Skyra，Siemens Healthcare，Erlangen，Germany) 3.0 T 磁共振32 通道頭線圈采集影像數(shù)據(jù)。受試者平臥，頭部固定，外耳道置入防噪耳塞，閉眼，保持清醒，盡量不做任何專注思維活動，MRI 掃描由兩名經(jīng)過培訓(xùn)的放射科醫(yī)師完成。先行常規(guī)結(jié)構(gòu)像MRI 平掃(T1WI、T2WI 及T2-FLAIR 序列)，排除顱內(nèi)器質(zhì)性病變。rs-fMRI 采用血氧水平依賴梯度回波-回波平面成像序列，軸面掃描，每次采集420 個時間點以提高數(shù)據(jù)的可靠性[14-15]；結(jié)構(gòu)像采用三維顱腦容積MRI 序列(高分辨三維T1 加權(quán)成像)，矢狀面掃描，具體參數(shù)見表1。

表1 磁共振掃描參數(shù)Tab.1 Magnetic resonance scanning parameters

1.4 MRI數(shù)據(jù)預(yù)處理

Rs-fMRI 圖像數(shù)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。具體步驟如下：格式轉(zhuǎn)換(將所有受試者的MRI 數(shù)據(jù)由DICOM 格式轉(zhuǎn)換為NIFTI 格式)；剔除每個被試前10個時間點的圖像數(shù)據(jù)；層時間校正；頭動校正(剔除三維頭動平移＞2.5 mm，或旋轉(zhuǎn)＞2.5°的被試)；空間標(biāo)準(zhǔn)化(重采樣到大小為3 mm×3 mm×3 mm的標(biāo)準(zhǔn)空間)；圖像分割；空間平滑(高斯核半高全寬為6 mm)；去線性漂移及低頻濾波(0.01～0.10 Hz)；回歸去除協(xié)變量(腦脊液、腦白質(zhì)信號、全腦均值信號、Friston-24 參數(shù))，以消除腦脊液、白質(zhì)信號、頭動對結(jié)果的影響。

1.5 基于種子點的FC分析

基于文獻報道[8]，本研究分別選擇小腦中參與ECN 的雙側(cè)Crus Ⅰa (左側(cè)MNI 坐標(biāo)：-12，78，-28，右側(cè)MNI 坐標(biāo)：12，78，-28)和參與DMN 的雙側(cè)CrusⅠb (左側(cè)MNI 坐標(biāo)：-32，76，-34、右側(cè)MNI 坐標(biāo)：34，-80，-36)亞區(qū)，用DPABI 軟件以6 mm 的半徑制作球形種子點感興趣區(qū)(region of interest，ROI)。每個球形種子ROIs中的時間序列通過計算整個球內(nèi)各個體素的fMRI時間序列的平均值得到。每個被試通過計算每個種子ROIs與全腦各體素的時間序列間的Pearson 相關(guān)系數(shù)(r值)，得到各ROIs 與全腦各體素間的FC，最后經(jīng)Fisher's轉(zhuǎn)換為Z值進一步進行統(tǒng)計分析。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 24.0軟件，對兩組被試一般臨床資料及神經(jīng)心理量表評分行統(tǒng)計學(xué)分析。其中計量資料組間比較采用獨立樣本t檢驗，計數(shù)資料采用χ2檢驗，均為雙尾檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。采用DPABI軟件的統(tǒng)計模塊對基于ROIs的FC進行獨立樣本t檢驗，納入?yún)f(xié)變量(年齡、性別、受教育年限及頭動參數(shù))，進行高斯隨機場多重比較校正(GRF)，以校正后單個體素P＜0.005、簇大小P＜0.05的區(qū)域定義為差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)。提取差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)的FC 值與臨床變量、神經(jīng)心理量表評分進行Pearson 相關(guān)分析，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。對Pearson 相關(guān)分析得到的差異有統(tǒng)計學(xué)意義的結(jié)果進行逐步多重線性回歸分析，最終采用引入各變量差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)的結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 基本資料比較

預(yù)處理時T2DM 組5 例、HCs 組4 例被試因頭動過大被剔除，故最終納入T2DM組78例，HCs組57例。兩組受試者在年齡、性別、受教育年限及體質(zhì)量指數(shù)等方面差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。T2DM 組Beck抑郁量表評分、Beck 焦慮量表評分高于HCs 組，MoCA量表評分低于HCs 組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，其余資料差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。見表2。

表2 T2DM組與HCs組人口學(xué)、臨床變量、神經(jīng)心理量表評分比較(±s)Tab.2 Comparison of demographic,clinical variables and neuropsychological scale scores between T2DM group and HCs group(±s)

表2 T2DM組與HCs組人口學(xué)、臨床變量、神經(jīng)心理量表評分比較(±s)Tab.2 Comparison of demographic,clinical variables and neuropsychological scale scores between T2DM group and HCs group(±s)

注：T2DM：2型糖尿??；HCs：健康對照；MMSE：簡易智能精神狀態(tài)檢查量表；MoCA：蒙特利爾認(rèn)知評估量表；LDL：低密度脂蛋白；T3：三碘甲狀腺原氨酸；T4：甲狀腺素；*：差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

被試者資料年齡(歲)性別(男/女，例)受教育年限(年)體質(zhì)量指數(shù)(kg/m2)MMSE評分MoCA評分Beck抑郁量表評分Beck焦慮量表評分病程(年)糖化血紅蛋白(%)空腹血糖(mmol/L)LDL (mmol/L)T3 (nmol/L)T4 (nmol/L)T2DM組(n=78)54.5±7.4 58/20 13.01±3.13 24.13±2.59 27.85±1.96 24.78±3.75 9.08±8.85 6.44±6.73 8.40±5.40 8.45±2.15 10.15±3.67 2.36±0.67 1.44±0.24 95.95±18.81 HCs組(n=57)52.7±4.0 37/20 12.70±3.38 23.60±3.08 28.56±2.06 27.02±1.93 6.60±4.50 4.22±3.70 t/χ2 1.83 0.99 0.55 1.10-1.86-4.30 2.13 2.32 P值0.07 0.32 0.58 0.28 0.07＜0.01*0.04*0.02*——————

2.2 基于種子FC的組間差異

與HCs組相比，T2DM組的左側(cè)小腦Crus Ⅰa-左側(cè)舌回/小腦Ⅳ～Ⅴ間FC 顯著降低，右側(cè)小腦CrusⅠb-右側(cè)額下回三角部間FC 顯著增強。未見右側(cè)小腦Crus Ⅰa 與左側(cè)小腦Crus Ⅰb 的FC 差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)。見表3、圖1。

圖1 2型糖尿病組與對照組全腦功能連接值差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)分布圖。1A：左側(cè)Crus Ⅰa 與左側(cè)舌回/左側(cè)小腦Ⅳ～Ⅴ間功能連接值降低(冷色)；1B：右側(cè)小腦Crus Ⅰb與右側(cè)額下回三角部功能連接值增強(暖色)。Fig. 1Significant difference in functional connectivity (FC) values between T2DM group and HC group. 1A: Decreased FC between left Crus Ⅰa and left lingual gyrus/left cerebellum Ⅳ-Ⅴ(cool color);1B:Enhancement of FC in right cerebellum Crus Ⅰb and right inferior frontal gyrus triangle(warm color).

表3 T2DM組與HC組全腦FC值差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)位置及MNI坐標(biāo)Tab.3 Locations and MNI coordinates of brain regions with significant different functional connectivity values between T2DM and HC groups

2.3 相關(guān)分析結(jié)果

在性別、年齡、受教育年限組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義前提下，Pearson 相關(guān)分析顯示左側(cè)小腦Crus Ⅰa-左側(cè)舌回/小腦Ⅳ～Ⅴ之間的FC 值與T3 (r=-0.24，P=0.04)及Beck 焦慮評分(r=-0.28，P=0.01)呈負(fù)相關(guān)；右側(cè)小腦Crus Ⅰb-右側(cè)額下回三角部FC值與膽固醇(r=0.23，P=0.04)及LDL (r=0.30，P=0.01)呈正相關(guān)。后經(jīng)逐步多重線性回歸分析，最終僅有LDL 差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，其余指標(biāo)未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)。見圖2。

圖2 2 型糖尿病患者右側(cè)小腦Crus Ⅰb-右側(cè)額下回三角部間功能連接值與低密度脂蛋白Pearson相關(guān)分析及多重線性回歸分析。Fig. 2 Pearson correlation analysis and multiple linear regression analysis of FC values between right cerebellar Crus Ⅰb and right inferior frontal gyrus triangle and low density lipoprotein in T2DM patients.

3 討論

小腦Crus Ⅰa、Crus Ⅰb 分別參與了功能活動呈負(fù)向相關(guān)的ECN 與DMN，但我們目前暫未發(fā)現(xiàn)T2DM患者的相關(guān)小腦亞區(qū)的研究。因此，本研究前瞻性收集了78 例T2DM 患者，選擇Crus Ⅰa 和Crus Ⅰb分別為種子點與全腦進行FC 分析，進一步探索T2DM患者全腦FC 異常模式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與HCs 組相比，T2DM 患者Beck 抑郁、焦慮評分顯著增高，MoCA 評分顯著減低；T2DM組左側(cè)Crus Ⅰa-左側(cè)舌回/小腦Ⅳ～Ⅴ小葉間的FC降低，右側(cè)Crus Ⅰb-右側(cè)額下回三角部的FC增強，且后者與LDL呈正相關(guān)。

3.1 T2DM患者腦損害的神經(jīng)病理生理機制

T2DM 患者易共病抑郁及認(rèn)知功能受損。本研究中T2DM 組MoCA 評分減低，Beck 抑郁、焦慮評分增高，進一步證實T2DM 患者存在認(rèn)知功能受損及抑郁、焦慮癥狀。與本課題組前期的研究結(jié)果一致[4]，提示研究結(jié)果穩(wěn)定。T2DM 以慢性高血糖和胰島素抵抗為特征。長期高血糖致使晚期糖基化終末產(chǎn)物生成增加，由此產(chǎn)生的活性氧自由基會促進線粒體內(nèi)的氧化應(yīng)激，改變內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號，從而導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞損傷[16]。胰島素抵抗會導(dǎo)致tau蛋白的過度磷酸化和β淀粉樣蛋白的生成，這些淀粉樣蛋白會聚集在與認(rèn)知相關(guān)的皮層中樞并擾亂區(qū)域間的連通性，從而影響患者的認(rèn)知功能及情感加工過程[17]。DMN 是負(fù)責(zé)自我內(nèi)省、情緒加工和反芻思維等內(nèi)在無目標(biāo)思維模式的關(guān)鍵腦區(qū)[18]，又稱為任務(wù)負(fù)激活網(wǎng)絡(luò)，在大腦無任務(wù)的靜息狀態(tài)時存在持續(xù)主動的功能活動，當(dāng)有外部注意依賴型的刺激任務(wù)時，DMN 活動受抑制，ECN 激活，這種DMN-ECN 間負(fù)向的相關(guān)是大腦的基本特性之一[13]。多項研究表明T2DM 患者DMN 與ECN 的功能存在異常[8,19]。

3.2 T2DM組較HCs組FC值降低的腦區(qū)及其作用

本研究中，T2DM 組患者MoCA 評分減低，左側(cè)Crus Ⅰa-左側(cè)舌回/小腦Ⅳ～Ⅴ小葉間的FC 降低。Crus Ⅰa 是參與ECN 的關(guān)鍵腦區(qū)[11]，ECN 在任務(wù)工作中處理與記憶相關(guān)的信息[10]，并參與調(diào)節(jié)情緒[20]，因此，推測T2DM 患者認(rèn)知功能受損可能與其ECN 功能紊亂有關(guān)。舌回位于枕葉，是視覺網(wǎng)絡(luò)的重要部分，參與并維持與視覺認(rèn)知相關(guān)的工作記憶處理[21]。文獻報道T2DM患者枕葉低頻振幅及局部一致性明顯降低[22]，舌回與視覺網(wǎng)絡(luò)的FC 普遍下降[23]，可能與視覺功能受損有關(guān)，支持本研究結(jié)果。分析本研究納入的患者，其中10例存在糖尿病視網(wǎng)膜病變，由此推測Crus Ⅰa 與舌回間FC 的降低可能與T2DM 患者視網(wǎng)膜病變導(dǎo)致視覺功能受損有關(guān)，尚需后續(xù)研究進一步證實。另有研究認(rèn)為T2DM患者工作記憶受損可能與Crus Ⅰ、Ⅱ-舌回/顳葉間FC 減低有關(guān)[19]，一項針對糖尿病人群的研究也報告了枕神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接中斷與工作記憶不良相關(guān)，且枕葉FC 降低可能是T2DM 患者視覺依賴任務(wù)中表現(xiàn)不佳的重要原因[23-24]。本組患者存在左側(cè)Crus Ⅰa-小腦Ⅳ～Ⅴ小葉間的FC 異常。研究表明左小腦前葉皮質(zhì)小腦山頂區(qū)(小葉Ⅳ、Ⅴ)代謝改變與抑郁癥狀相關(guān)[25]，本組患者Beck 抑郁及焦慮評分顯著增高，提示其Crus Ⅰa-小腦Ⅳ～Ⅴ小葉間的FC 異?？赡軈⑴c了T2DM 患者共病抑郁的神經(jīng)病理生理機制。

3.3 T2DM組較HCs組FC值增強的腦區(qū)及其作用

本研究還發(fā)現(xiàn)右側(cè)Crus Ⅰb-右側(cè)額下回三角部的FC 增強。與Crus Ⅰb 功能密切相關(guān)的DMN 主要參與高級認(rèn)知及情感加工過程。額下回三角部屬于腹外側(cè)前額葉皮層(ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC)，抑郁患者在調(diào)節(jié)負(fù)性情緒時VLPFC 激活減弱[26]，激活程度與社會排斥敏感程度呈負(fù)相關(guān)[27]，右側(cè)VLPFC 還與焦慮有關(guān)[28]，也有研究發(fā)現(xiàn)激活右側(cè)VLPFC 可提高患者社會情緒調(diào)節(jié)能力[29]，提示其可能是調(diào)節(jié)情緒的關(guān)鍵腦區(qū)。小腦通過小腦-大腦間的多個環(huán)路影響運動和認(rèn)知功能[30]，小腦Crus Ⅰ參與認(rèn)知負(fù)荷增加時前額葉皮質(zhì)的激活過程[31]，前額葉是控制高級認(rèn)知功能的關(guān)鍵節(jié)點[32]，因此本研究這種增強的FC 可能與T2DM 患者認(rèn)知功能和情緒調(diào)節(jié)的代償機制有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者DMN-ECN 負(fù)相關(guān)常減弱[13]，而本研究中異常的FC 提示T2DM 患者對ECN 激活更少，而DMN 激活更多，提示這種負(fù)向效應(yīng)增強，進一步證明本組患者認(rèn)知與情緒功能可能存在代償機制。然而，Zhang 等[19]研究結(jié)果顯示T2DM患者右側(cè)小腦CrusⅠ/Ⅱ與同側(cè)前額葉皮層的FC 降低，與本研究結(jié)果不同。分析原因，該研究中納入的T2DM 組抑郁、焦慮評分更高，年齡更大，小腦-大腦間的FC 受損更為嚴(yán)重，可能與Crus Ⅰ/Ⅱ與同側(cè)前額葉皮層的FC已經(jīng)不能代償有關(guān)。

3.4 T2DM 組異常FC 值與臨床變量、神經(jīng)心理量表評分間的相關(guān)關(guān)系

本研究中LDL與右側(cè)Crus Ⅰb-右側(cè)額下回三角部的FC呈顯著正相關(guān)，提示LDL越高，右側(cè)Crus Ⅰb-右側(cè)額下回三角部FC受損越明顯。LDL主要負(fù)責(zé)將膽固醇轉(zhuǎn)運至肝外組織，其升高可導(dǎo)致血漿膽固醇含量升高。研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者糖代謝失調(diào)導(dǎo)致脂肪蛋白酶產(chǎn)生C3a肽，以促進胰島素分泌并維持其代償機制[33]，MoCA認(rèn)知評分與血漿脂質(zhì)水平呈負(fù)相關(guān)[2]，均支持本研究結(jié)果。本研究未發(fā)現(xiàn)異常的FC與神經(jīng)心理量表評分之間的相關(guān)關(guān)系。分析其原因，盡管我們盡可能控制了混雜因素，但患者個體的認(rèn)知功能受損與情緒狀態(tài)存在差異，本研究未對T2DM進行進一步的分組研究，今后將在擴大樣本量的基礎(chǔ)上，根據(jù)認(rèn)知或情緒障礙的不同程度進行亞組分析，深入探索T2DM患者共病抑郁和認(rèn)知功能受損的神經(jīng)病理生理機制

3.5 不足與展望

本研究亦存在一些局限性：首先是橫斷面研究，未能分析異常FC 與臨床變量間的因果關(guān)系；其次是納入的T2DM 患者均已服用降糖藥物，不能排除藥物對結(jié)果的影響。因此后續(xù)研究將繼續(xù)擴大樣本量，增加縱向研究設(shè)計，以進一步闡明T2DM 共病抑郁和認(rèn)知功能受損的神經(jīng)病理生理機制及疾病發(fā)展的神經(jīng)影像學(xué)特征，為T2DM 患者臨床診斷提供客觀影像學(xué)依據(jù)。

綜上所述，T2DM 存在認(rèn)知功能受損、抑郁及焦慮癥狀，其左側(cè)Crus Ⅰa-舌回/小腦前葉FC 及右側(cè)小腦Crus Ⅰb-額下回三角部的FC 異常，可能參與了T2DM 患者抑郁癥狀及認(rèn)知功能受損的神經(jīng)病理生理機制。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。