基于Granger 因果分析对2 型糖尿病病人易损脑区有效连接的研究

张东升 严雪娇 汤敏 折霞 程苗 张小玲 高洁

2 型糖尿病（type 2 diabetes,T2DM）会增加罹患痴呆的风险，并且引发执行功能、视觉空间、注意力等认知功能损伤，已成为影响病人健康及生存质量的重要因素，但其脑功能损伤的神经机制仍不明确[1-3]。神经元活动异常是脑功能损伤的神经基础， 采用激活似然估计 （activation likelihood estimation，ALE）Meta 分析的研究结果显示，在静息状态下，右侧小脑后叶、左侧枕叶舌回、左侧中央后回、右侧岛叶为T2DM 病人较为一致的易损脑区[4]。小脑后叶参与视觉空间、注意力及感觉运动等多种功能[5]；枕叶舌回及中央后回神经活动减低常提示视觉及感觉功能损伤[6]；岛叶具有感觉运动、注意力、风险决策等功能，并且是凸显网络的重要组成部分， 在人脑中扮演网络枢纽的角色， 能够综合协调多个领域的信息处理过程[7]。这些易损脑区既涵盖不同的功能又在某些功能上具有一致性， 提示它们可能存在功能上的联系。因此，探讨T2DM 易损脑区之间信息流动模式，有助于揭示T2DM 脑功能损伤的神经机制。

Granger 因果分析通过判断脑区之间信息流动的方向，可以阐明脑区之间形成相互联系的原因，解读生理和病理状态下不同大脑结构之间的因果联系， 已被应用于精神疾病的脑网络研究中。本研究拟应用静息态功能MRI （fMRI）， 首次采用Granger因果分析方法探讨T2DM 易损脑区之间信息流动的变化模式，观察易损脑区之间的因果关系，进一步揭示T2DM 病人脑功能损伤的神经基础。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性纳入2018 年3—8 月陕西省人民医院内分泌科收治的T2DM 病人20 例，病程1~22 年，平均（8.10±5.15）年；选择与T2DM 组性别、年龄、受教育程度相匹配的健康人20 例作为对照组（healthy control,HC）。2 组被试年龄40~70 岁，均为右利手， 影像质量合格。T2DM 病人纳入标准符合1999 年WHO 对T2DM 的诊断标准，包括：①空腹血糖≥7.0 mmol/L；②口服糖耐量试验2 h 餐后血糖≥11.1 mmol/L； ③伴有三多一少症状， 且随机血糖≥11.1 mmol/L；若无高血糖的症状，标准中的①、②项应进行复查，2 次达到标准即可诊断。排除标准：有听力、语言交流困难、幽闭恐惧等无法配合MRI 检查者；合并其他内分泌疾病者；合并影响认知功能的其他精神及神经疾病者； 精神药物滥用或酒精依赖者；常规MR 扫描发现脑血管意外、肿瘤、外伤、感染、 先天性脑发育异常者。本研究通过陕西省人民医院伦理委员会批准， 所有被试在检查前均被详细告知试验内容及方法并签署知情同意书。

1.2 神经心理学测试 所有被试在接受fMRI 扫描前需完成简易智力状态检查量表（mini-mental state examination，MMSE）、蒙特利尔认知评估量表（Montreal cognitive assessmen，MoCA）、连线测试A（trailmaking test part A,TMT-A）及画钟测验（clock drawing test，CDT）。MMSE 及MoCA 用于评估被试的一般认知功能，TMT-A 评估被试神经反应速度及注意力，CDT 评估被试视觉空间功能。神经心理学测试由经过心理学测试培训的护士完成。

1.3 设备与方法 采用3.0 T Philips Ingenia MR 扫描设备，使用16 通道相控阵头线圈，扫描范围自颅顶至小脑扁桃体下缘。被试仰卧并保持头部静止。行3D T1WI 及静息态fMRI 扫描，扫描参数：静息态fMRI 采用梯度回波平面成像（GRE-EPI）序列，TR 2 000 ms，TE 30 ms，FOV 230 mm×230 mm，矩阵128×128，翻转角90°，采集200 个时间点，层厚4 mm，共34 层。

1.4 数据预处理 采用Dpabi Advance 软件对fMRI数据进行预处理。首先剔除前10 个时间点，行空间校正及时间校正（剔除平动≥1.5 mm，角动≥1.5°的病人），将头动参数、白质、脑脊液信号作为协变量剔除，标准化到标准脑，以3 mm×3 mm×3 mm 分辨率重采样。然后采用全宽半高为6 的高斯平滑核进行平滑处理，滤过频率为0.01~0.08 Hz。

1.5 Granger 因果分析 数据分析采用REST 1.8-GCA 软件包(http//www.restfmri.net)，以模型阶数为1进行Granger 因果分析。根据ALE-Meta 分析结果[4]将左侧枕叶舌回、右侧小脑后叶、左侧中央后回、右侧岛叶设为兴趣区（ROI），计算每个被试上述任意2个ROI 的时间序列（命名为x 和y）之间的Granger因果值， 分别计算T2DM 组和HC 组每对ROI 的平均因果值， 以Fx→y表示x 到y 方向的平均因果值，Fy→x 表示y 到x 方向的平均因果值， 以因果值反映有效连接强度。将2 个ROI 之间的因果关系进行标准化，以Rx→y表示x 与y 之间因果关系的净因果值，Rx→y能够同时反映x 和y 间因果关系的方向和相对强度，Rx→y的绝对数值反映连接强度；正负反映x 到y 的连接方向，正值表示x 到y 的连接关系增强，负值表示y 到x 的连接关系增强）。

1.6 统计学分析 采用SPSS17.0 软件进行统计学分析。符合正态分布的计量资料采用均数±标准差（）表示，2 组间比较采用t 检验。计数资料以例表示，2 组间比较采用χ2检验。记录差异有统计学意义的临床指标，与存在差异的配对ROI 平均因果值和净因果值进行Pearson 相关分析。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2 组一般资料及神经心理学测试比较 T2DM组糖化血红蛋白（glycated hemoglobin，HbA1c）高于HC 组，CDT 评分低于HC 组（均P＜0.05）。2 组年龄、性别、受教育程度、血压、体质量指数、三酰甘油、总胆固醇比较差异均无统计学意义（均P>0.05），见表1。

2.2 Granger 因果分析 与HC 组相比，T2DM 病人右侧小脑后叶到右侧岛叶、 左侧舌回到左侧中央后回净因果值减低； 右侧岛叶到左侧中央后回净因果值增高（均P<0.05）。左侧中央后回到右侧岛叶的有效连接减弱 （T2DM 组和CN 组Fy→x分别为1.11、1.78，P＜0.05）（表2，图1）。

2.3 相关性分析 将T2DM 病人右侧小脑后叶到右侧岛叶、左侧舌回到左侧中央后回、右侧岛叶到左侧中央后回、 左侧中央后回到右侧岛叶的因果值分别与CDT 评分及HbA1c 行相关性分析，结果显示，T2DM 病人左侧中央后回到右侧岛叶的因果值与HbA1c 呈负相关（r＝－0．523，P＝0．02），见图2。

表1 2 组间一般临床资料及神经心理学测试比较

表2 配对ROI 双向Granger 因果值及净因果值的2 组间比较

图1 HC 组与T2DM 组的Granger 净因果值模式图。箭头方向代表信息流动方向，粗细代表连接强度。

图2 T2DM 病人左侧中央后回到右侧岛叶因果值与HbA1c 散点图

3 讨论

有效连接能描述两个脑区之间的信息传递，从而反映一个脑区受其他脑区或外界因素的影响而改变的程度。Granger 因果分析是脑区有效连接的分析方法之一，采用数据驱动的建模方式，直接对神经网络中ROI 的时间序列进行分析，可以研究一个时间序列能否正确预测另一个时间序列， 此方法不需要预先假设以及任何先验信息， 计算结果准确。本研究发现相对于HC 组，T2DM 病人右侧小脑后叶到右侧岛叶、 左侧舌回到左侧中央后回净因果值显著减低，右侧岛叶到左侧中央后回净因果值显著升高，证实T2DM 病人易损脑区之间存在特定方向上的连接异常。

T2DM 病人右侧小脑后叶到右侧岛叶净因果值显著减低主要由于右侧岛叶到右侧小脑后叶的有效连接增强。岛叶属于凸显网络的组成脑区之一，凸显网络在认知控制中具有重要作用[8]。先前的研究已经证实凸显网络与小脑后叶存在功能连接， 并且小脑Ⅵ~Ⅶ区参与皮质-小脑环路并在凸显网络中具有重要作用[9]。Yang 等[10]研究发现T2DM 病人双侧小脑后叶与右侧岛叶的网络连接完整性减低，提示T2DM 病人默认功能网络及凸显网络存在异常，这与本研究结果基本一致。Chechlacz 等[11]研究发现相对于非食物图片，T2DM 病人在看到食物相关图片时，岛叶、眶额叶皮质及基底节区激活增加，证实T2DM 病人在食物相关线索刺激下， 凸显网络活动增强，对食物存在更强烈的需求。因此，我们推测，T2DM 右侧岛叶到右侧小脑后叶的连接增强可能是T2DM 病人多食行为的神经基础。

T2DM 病人右侧岛叶到左侧中央后回净因果值显著增加主要由于左侧中央后回到右侧岛叶的有效连接减弱。中央后回是触觉、本体感觉、痛温觉的主要接收区，接受来自丘脑的大部分神经投射[12]。白质纤维束追踪研究发现岛叶与额顶叶皮质及躯体感觉运动皮质均存在结构上的连接， 而且岛叶受到电刺激后，会出现麻木、刺痛、发冷发热等多种感觉异常[13-14]。这些研究提示中央后回与岛叶之间可能存在一条感觉运动功能的通路。本研究也发现T2DM病人左侧中央后回到右侧岛叶因果值与HbA1c 呈负相关（r=-0.523，P=0.02），提示血糖控制不良会增加左侧中央后回到右侧岛叶的异常信息流动， 这可能是T2DM 病人感觉运动异常的原因之一。T2DM病人并发周围神经病变会出现感觉异常及疼痛等症状，本研究纳入的T2DM 被试中，有11 例（55%）存在周围神经病变， 因此推测中央后回到岛叶连接减弱可能是T2DM 病人本体感觉及痛温觉功能异常的原因之一和周围神经病变的神经基础。

左侧舌回到左侧中央后回净因果值显著减低主要由于左侧中央后回到左侧舌回的有效连接减弱。初级视觉功能相关皮质包括中央前/后回、 额中回、梭状回及颞中/下回等多个脑区[15]，舌回涉及视觉记忆及视觉认知功能[16]，T2DM 左侧中央后回到左侧舌回的连接减弱提示病人可能存在视觉功能异常。Peng 等[17]研究发现T2DM 舌回及中央后回局部一致性（regional homogeneity，ReHo）减低，且舌回/距状皮质的ReHo 值与复杂图形测试延迟评分呈负相关，证实舌回神经元活动异常可能导致视觉空间功能损伤。本研究发现T2DM 病人CDT 评分较HC 明显减低，同样也证实T2DM 病人存在视觉空间功能受损。Macpherson 等[18]认为T2DM 枕叶的视觉处理区域最易受损， 视觉皮质刺激下降可能导致视觉处理和视觉记忆受损， 进而导致T2DM 病人更广泛的认知功能异常。此外，T2DM 的持续时间可能加速认知功能损伤[19]。本研究中，T2DM 与健康被试MMSE、MoCA、TMT-A 评分差异均无统计学意义，这可能与本研究中纳入的T2DM 病人病程较短有关。

本研究尚存在一定的局限性。首先，Granger 因果分析会忽略神经血流动力学的影响， 因此可能会造成位移失真， 从而获得假的因果关系。动态因果模型虽然可以弥补Granger 因果模型的缺陷， 但受脑区的预先设定的直接影响， 如果估计的脑区不准确，如漏掉或者多出脑区，则可能导致估计的结果错误。今后可以结合这两种有效连接方法， 采用数据驱动加模型驱动的分析模式以期获得更加完善和准确的结果。其次， 本研究未考虑2 组被试低密度脂蛋白含量，这可能会致研究结果出现一定的偏倚。

总之， 本研究采用Granger 因果分析方法发现T2DM 病人易损脑区之间与HC 组存在不同的有效连接模式， 这种异常的有效连接可能与T2DM 病人凸显网络异常及视觉损伤有关， 左侧中央后回到右侧岛叶连接减弱可能是T2DM 病人周围神经病变的神经基础。