2型糖尿病認知相關(guān)小腦-大腦環(huán)路功能連接的研究

齊菲，張東升，王嫚，蘇宇，謝清明，張小玲*

1.陜西省人民醫(yī)院磁共振室，陜西西安 710068；2.西安醫(yī)學(xué)院研究生處，陜西西安 710021；*通訊作者 張小玲 zxl.822@163.com

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是一種慢性代謝性疾病，可增加阿爾茨海默病的患病風險，并導(dǎo)致患者認知功能下降[1]。然而，對于本病患者認知功能損傷的神經(jīng)機制尚不清楚。神經(jīng)元活動異常和腦網(wǎng)絡(luò)連接紊亂是認知功能障礙的神經(jīng)基礎(chǔ)。靜息態(tài)功能磁共振成像（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者認知相關(guān)的默認功能網(wǎng)絡(luò)（default-mode network，DMN）、執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)（executive control network，ECN）紊亂與情景記憶、抑郁癥狀、工作記憶等認知功能異常有關(guān)[2-3]。既往針對認知相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在大腦皮層。然而，目前多項研究證實小腦同樣參與多種高級認知功能[4-6]。小腦不同亞區(qū)在功能上具有異質(zhì)性。Habas 等[6]研究發(fā)現(xiàn)雙側(cè)小腦Ⅸ與DMN 密切相關(guān)，左側(cè)及右側(cè)小腦CrusⅠ/Ⅱ區(qū)分別與對側(cè)執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。多項研究也證實了這一結(jié)論[7-8]。

rs-fMRI 研究證實T2DM患者小腦神經(jīng)元活動異常，提示小腦可能是T2DM 的易損腦區(qū)[9-11]。Fang 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者小腦-大腦環(huán)路結(jié)構(gòu)連接異常，并與認知功能損傷有關(guān)。結(jié)構(gòu)損傷常伴隨功能異常，因此，本研究擬采用rs-fMRI 方法，選取雙側(cè)小腦Ⅸ區(qū)、左右側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)為感興趣區(qū)（ROI），探討T2DM 小腦-大腦環(huán)路功能連接模式及其與認知功能的關(guān)系，從小腦的角度揭示T2DM 認知功能損傷的神經(jīng)機制。

1 資料與方法

1.1 研究對象 收集2018年6月—2019年9月陜西省人民醫(yī)院內(nèi)分泌科36例T2DM患者及33例健康志愿者（對照組）。兩組受檢者年齡40～70歲，均為右利手，受教育年限≥6年。T2DM患者符合2014年美國糖尿病協(xié)會T2DM 的診斷標準：①糖化血紅蛋白（HbA1c）≥6.5%；②空腹血糖≥7.0 mmol/L；③口服糖耐量試驗2 h 餐后血糖≥11.1 mmol/L；④有典型高血糖癥狀或高血糖危象，隨機血糖＞11.1 mmol/L[3]。若無高血糖癥狀，標準中①～③項應(yīng)進行復(fù)查[13]。T2DM 及對照組排除標準：有聽力、語言交流困難、幽閉恐懼癥等無法配合MRI檢查者；合并其他內(nèi)分泌疾病者；合并影響認知功能的其他精神及神經(jīng)疾病者；有精神藥物濫用或依賴史及神經(jīng)系統(tǒng)外傷手術(shù)史；常規(guī)MRI檢查有腦血管意外、腫瘤、外傷、感染、先天性腦發(fā)育異常等疾病者。本研究通過陜西省人民醫(yī)院倫理委員會批準，所有受檢者檢查前均被詳細告知試驗內(nèi)容及方法，并簽署知情同意書。

1.2 神經(jīng)心理學(xué)測試 受檢者接受fMRI掃描前需完成簡易智力狀態(tài)檢查量表（mini-mental state examination，MMSE）、蒙特利爾認知評估量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）、連線測試A（trail-making test part A，TMT-A）、畫鐘測驗（clock drawing test，CDT）及抑郁自評量表（beck depression inventory，BDI）。MMSE 及MoCA 用于評估受檢者的一般認知功能；TMT-A 評估受檢者的神經(jīng)反應(yīng)速度及注意力；CDT 評估受檢者的視覺空間功能；BDI評估受檢者的抑郁癥狀。所有神經(jīng)心理學(xué)測試由經(jīng)過系統(tǒng)測試培訓(xùn)的心理科醫(yī)師完成。

1.3 數(shù)據(jù)采集 采用Philips 3.0T Ingenia MR掃描儀，使用16通道相控陣頭線圈。受檢者仰臥，閉目，清醒，保持全身靜止不動，盡量避免任何思維活動。以海綿墊固定頭部，佩戴耳塞以減少噪聲的影響。首先行常規(guī)T1WI、T2WI及T2-FLAIR序列圖像，用于臨床影像學(xué)診斷，并剔除腦實質(zhì)有器質(zhì)性病變的患者。腔隙性梗死和深部白質(zhì)損傷采用年齡相關(guān)性腦白質(zhì)改變Wahlund評分規(guī)則，剔除ARWMC得分＞2分者[14]。然后行3D-T1WI及rs-fMRI掃描。3D-T1WI結(jié)構(gòu)像采用三維快速擾相梯度回波序列（3D-FSPGR T1WI）。掃描參數(shù)：TR 7.5 ms，TE 3.5 ms，視野250 mm×250 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，間隔0，層數(shù)328。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)：TR 2000 ms，TE 30 ms，F(xiàn)OV 230 mm×230 mm，矩陣128×128，翻轉(zhuǎn)角90°，采集200個時間點，層厚4 mm，層數(shù)34。

1.4 rs-fMRI數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理采用Matlab 2014b基礎(chǔ)上運行SPM 12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）及dpabi3.0工具箱對3D-T1WI及靜息態(tài)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理及統(tǒng)計學(xué)分析。功能連接數(shù)據(jù)處理流程：去除前10個時間點，行時間校正及空間校正，剔除頭動較大患者[平動≥1.5 mm或（和）角動≥1.5°]，空間標準化。將靜息態(tài)數(shù)據(jù)配準至3D-T1WI解剖像，以3 mm×3 mm×3 mm分辨率重采樣后再配準到蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）模板。采用FWHM為6 的高斯平滑核進行平滑處理，采用0.01～0.08 Hz帶寬對所有信號進行低頻濾波。

采用自動化解剖標記（automated anatomical labeling，AAL）圖譜在標準MNI空間中定義ROI。3個ROI包括雙側(cè)小腦Ⅸ區(qū)、左側(cè)及右側(cè)小腦I/Ⅱ區(qū)。計算每個ROI與大腦各體素之間的功能連接，獲得大腦功能連接圖，并采用Fisher轉(zhuǎn)換將計算所得功能連接值轉(zhuǎn)換為z值。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 18.0軟件，采用擬合優(yōu)度檢驗（K-S檢驗）和Levene方差齊性檢驗評價兩組計量資料的正態(tài)性，符合正態(tài)分布者以表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗；不符合正態(tài)分布者以M（Qn）表示，組間比較采用Wilcoxon秩和檢驗。計數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。每個ROI進行組間比較時將受教育年限作為協(xié)變量，結(jié)果采用GRF校正（單個體素P＜0.001，校正后P＜0.05）。提取T2DM組存在顯著組間差異腦區(qū)功能連接平均值，以年齡、性別、受教育年限為協(xié)變量，對存在顯著組間差異的功能連接平均值與病程、HbA1c、MMSE、MoCA、TMT-A、CDT及BDI評分行偏相關(guān)性分析。

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 剔除3例（T2DM 1例、對照組2例）頭動較大及2例（T2DM 1例、對照組1例）ARWMC 得分＞2 分的受檢者，最終納入34例T2DM患者和30例對照組。兩組受檢者性別、年齡、體重指數(shù)、血壓、總膽固醇、三酰甘油、低密度脂蛋白、MMSE、MoCA、TMT-A、CDT差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；T2DM 組空腹血糖水平、HbA1c 及BDI 評分顯著高于對照組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。對照組受教育年限明顯高于T2DM 組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05，表1）。

表1 T2DM組及對照組人口學(xué)、臨床資料及行為學(xué)評分比較

2.2 靜息態(tài)功能連接結(jié)果 與對照組相比，T2DM患者雙側(cè)小腦Ⅸ區(qū)與右側(cè)楔葉/楔前葉功能連接減低，右側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)與右側(cè)額中回/額下回、右側(cè)舌回功能連接減低，左側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)與右側(cè)額中回/額下回、左側(cè)顳中回/顳下回、雙側(cè)輔助運動區(qū)功能連接減低（圖1）；未發(fā)現(xiàn)功能連接增高的腦區(qū)（表2）。

2.3 相關(guān)性分析結(jié)果 T2DM患者左側(cè)小腦CrusⅠ/Ⅱ區(qū)與右側(cè)額下回功能連接強度與HbA1c水平呈負相關(guān)（r=-0.367，P=0.046；圖2）。Bonferroni校正后（P＜0.001）無相關(guān)性。MMSE等其他量表評分與差異腦區(qū)功能連接平均值均無相關(guān)性（r=-0.003～0.79，P＞0.05）。

表2 T2DM組相對于對照組功能連接存在顯著差異的腦區(qū)

圖1 T2DM組與對照組功能連接存在顯著差異的腦區(qū)（單個體素P＜0.001，GRF矯正后P＜0.05，體素簇＞46）；A為T2DM雙側(cè)小腦Ⅸ區(qū)功能連接顯著減低的腦區(qū)；B為T2DM右側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)功能連接顯著減低的腦區(qū)；C為T2DM左側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)功能連接顯著減低的腦區(qū)

圖2 以年齡、性別、受教育年限為協(xié)變量，T2DM組左側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)與右側(cè)額下回功能連接強度與HbA1c水平的相關(guān)性

3 討論

本研究采用rs-fMRI功能連接方法，分別以雙側(cè)小腦Ⅸ區(qū)、左右側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)作為種子點，探討T2DM小腦-大腦環(huán)路的功能連接模式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，T2DM患者DMN及雙側(cè)ECN小腦-大腦功能連接減低；且左側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)與額下回功能連接強度與HbA1c呈負相關(guān)，提示高血糖可能損傷小腦-大腦執(zhí)行控制環(huán)路。

前額葉皮層是執(zhí)行功能的核心腦區(qū)[15]。多項研究發(fā)現(xiàn)前額葉皮層與小腦CrusI/Ⅱ區(qū)存在雙相投射及功能耦聯(lián)，小腦CrusI/Ⅱ損傷會導(dǎo)致執(zhí)行功能異常[16-17]。既往研究證實T2DM伴認知功能障礙患者ECN內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接明顯減低[2]；且患者執(zhí)行功能損傷與額中、下回在工作記憶任務(wù)中激活減低有關(guān)[18-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)與前額葉（額中回、額下回、輔助運動區(qū)）功能連接減低，提示T2DM患者雙側(cè)小腦-ECN環(huán)路存在異常。既往研究認為左右側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)分別與對側(cè)ECN活動有關(guān)。然而本研究結(jié)果顯示，右側(cè)小腦CrusI/Ⅱ與右側(cè)額中、下回功能連接減低，而非左側(cè)。Fang等[12]的DTI研究同樣發(fā)現(xiàn)T2DM患者右側(cè)小腦CrusⅡ區(qū)與右側(cè)額上回解剖連接減少，與本研究結(jié)論一致。研究證實，健康人群小腦CrusI/Ⅱ-前額葉環(huán)路并非絕對的交叉連接，依然存在少量（20%～30%）同側(cè)連接[20]。因此推測這種改變的功能連接可能與T2DM患者ECN固有模式的損傷有關(guān)，且小腦-ECN的改變主要表現(xiàn)為交叉投射功能異常。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，T2DM患者左側(cè)小腦CrusI/Ⅱ區(qū)與右側(cè)額下回功能連接強度與HbA1c水平呈負相關(guān)，提示高血糖可能是導(dǎo)致患者小腦-ECN環(huán)路固有模式損傷的原因。既往研究證實高血糖及胰島素抵抗會導(dǎo)致tau蛋白及β淀粉蛋白沉積于認知相關(guān)的核心腦區(qū)，并破壞這些腦區(qū)的功能連接，進而引起認知功能損傷[20-21]。

外側(cè)顳葉（顳中回、顳下回）及舌回具有維持工作記憶處理過程完整性的功能。工作記憶需求越高，舌回激活越顯著；而外側(cè)顳葉出現(xiàn)損傷時，工作記憶過程遭到破壞[22-24]。腦網(wǎng)絡(luò)研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者工作記憶功能損傷可能與以舌回為中心枕葉網(wǎng)絡(luò)的連接減低有關(guān)[25]。在記憶編碼任務(wù)過程中，左側(cè)顳中回激活明顯減低。本研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者小腦CrusI/Ⅱ區(qū)與舌回、顳中下回功能連接減低，可能提示T2DM患者存在工作記憶功能受損。

DMN是人腦靜息狀態(tài)下最穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，與內(nèi)在認知密切相關(guān)。Yang等[2]研究發(fā)現(xiàn)DMN失活可能在T2DM患者認知功能下降中發(fā)揮重要作用，并發(fā)現(xiàn)雙側(cè)小腦后葉與DMN連接減低并與病程呈負相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者小腦Ⅸ區(qū)與楔前葉功能連接減低，進一步為T2DM患者小腦-大腦DMN環(huán)路損傷提供了證據(jù)。楔前葉是DMN的核心腦區(qū)之一，在自我認知及情緒管理過程中具有重要作用[26]。T2DM可增加抑郁癥的風險。流行病學(xué)研究證實，T2DM與抑郁癥之間存在相互促進的雙向聯(lián)系[27]；小腦參與情感調(diào)節(jié)[28]。抑郁患者小腦后葉與DMN功能連接減低及情緒行為異常有關(guān)[29]。本研究中T2DM患者抑郁量表得分明顯高于健康志愿者，提示可能存在抑郁傾向。因此推測T2DM小腦-大腦DMN環(huán)路連接紊亂可能與患者認知及情緒異常有關(guān)。

本研究的局限性：①樣本量相對較小，這可能使統(tǒng)計效能有所降低，如左側(cè)小腦CrusI/Ⅱ與右側(cè)額下回功能連接強度與HbA1c水平存在相關(guān)性，但未能通過多重比較矯正，需擴大樣本量進一步驗證。②并未控制T2DM患者并發(fā)癥及用藥情況，這可能對結(jié)果產(chǎn)生一定的偏倚，如二甲雙胍對腦功能有一定的影響。今后的研究需細化分組。本研究缺少執(zhí)行控制功能的特異性量表，導(dǎo)致結(jié)果缺少行為學(xué)支持。本研究未掃描SWI序列以評估微出血灶，這可能會影響局部腦實質(zhì)BOLD信號。

總之，T2DM患者小腦-大腦DMN、ECN環(huán)路功能連接紊亂。高糖可能損傷了患者小腦-大腦ECN環(huán)路的固有模式，從而為揭示T2DM認知功能損傷的神經(jīng)機制提供參考。