不伴认知障碍的中年2 型糖尿病患者脑白质微结构改变

苏宇 齐菲 王嫚 谢清明 高洁 张东升 张小玲

糖尿病是一种常见的代谢性疾病，全球患病率逐年递增［1,2］。我国2015年糖尿病患者已超过1 亿，其中2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）占90%，其发病也逐渐趋于年轻化［3］。T2DM会造成广泛的大脑结构和功能损伤，从而导致多种认知单元受损。既往研究及系统性综述表明脑白质微结构损害与T2DM 患者认知障碍密切相关［4］，对不伴认知障碍的T2DM患者脑白质微观结构异常的研究较少［5］。有研究表明，T2DM 患者在未出现认知障碍前，可出现早期认知能力改变［6］，但其损伤神经机制尚不清楚，因此，笔者致力于探讨不伴认知障碍的中年T2DM 患者认知功能与脑白质微结构异常的潜在联系，以期早期识别T2DM 合并认知改变的影像学标记物，为临床早期干预提供依据。

资料与方法

1.研究对象

收集2018 年12 月～2019 年6 月陕西省人民医院内分泌科28 例中年T2DM 患者及26 例中年健康被试。T2DM 患者纳入标准： 符合2 型糖尿病的诊断标准［2014 美国糖尿病协会（American Diabetes Association，ADA）］：（1）糖化血红蛋白≥6.5%（48 mmol/mol）；（2）空腹血糖（FDG）≥7.0 mmol/L（126 mg/dl）；（3）口服葡萄糖耐量试验（OGTT）2 h餐后血糖≥11.1 mmol/L（200 mg/dl），和高血糖症状或高血糖危象且随机血糖≥11.1 mmol/L（200 mg/dl）；（4）无高血糖症状，应复查以上1～3 项。所有被试满足年龄在45～65 岁［7］，右利手，母语为汉语，简易智力状态检查量表（mini-mental state examination，MMSE）和蒙特利尔认知评估量表（Montreal cognitive assessment，MOCA）评分≥26 分。排除标准：年龄相关白质改变评分量表（age-related white matter changes，ARWMC）评分＞2；有听力、语言交流困难、幽闭恐惧症等无法配合MRI 检查者；合并其他肝、肾、功及内分泌疾患者；颅内器质性病变；酒精依赖以及其他精神药物滥用者。所有被试检查前均详细告知实验内容并签署知情同意书。

2.小血管疾病评估

脑白质异常高信号和腔隙性梗死的定量评估采用FLAIR 和T2WI 图像，采用ARWMC 对双侧额叶、顶叶和枕叶、颞叶、小脑和脑干、基底神经节5个区域进行评分［8］。评分规则：白质改变定义为在T2WI/FLAIR 图像上大于5 mm 边界不清的高信号病灶。评分为2 分以上的参与者均被排除在外，由两名高年资神经影像医生对被试分别进行评分，两人意见分歧通过协商解决，最终共有3 名被试被排除在外，其中两名2 型糖尿病患者评分为4分和6 分，1 名健康被试评分为3 分。

3.神经心理学测试

所有被试者在接受DTI 扫描前1 h 内需完成一系列神经心理学量表测试，包括MMSE、MoCA、连线测试A（trail-making test part A，TMT-A）及画钟测试（clock drawing test，CDT），MMSE 及MOCA用于评估被试者的一般认知功能，TMT-A 评估被试神经反应速度及注意力，CDT 评估视觉空间功能，神经心理学测试由经过系统培训的心理科医生完成。

4.数据采集

采用3.0 T Philips Ingenia 磁共振扫描仪，使用16 通道相控阵头线圈，被试采取仰卧位，佩戴耳塞，头两侧加海绵垫，以尽量减少头部运动。以前后联合的连线作为扫描基线行DTI 扫描，采用平面回波成像（echo-planar imaging，EPI）序列。扫描参数：TR 10000 ms，TE 92 ms，矩阵128×128，视野224 mm×224 mm，层间隔0，层厚5 mm，扩散敏感梯度方向64 个，扩散敏感系数（b）取0、1000 s/mm2。所有被试者在DTI 扫描前均进行常规T2WI 扫描以排除颅内器质性病变。

5.DTI 数据预处理

DTI 数据的预处理使用FSL 5.04 版本，采用MRICRON 的dcm2 nii 工具将DICOM 格式转化为NIfTI 格式，生成FDT，再进行头动涡流校正，提取脑模板和B0，去除脑组织以外的头皮、颅骨，基于最小二乘法拟合张量模型计算然后得出部分各向异性分数（fraction anisotropy，FA）、λ1［轴向扩散张量（axial diffusion，AD）值］、λ2 和λ3 的均值［垂直扩散张量（radial diffusion，RD）值］，以及λ1、λ2 和λ3 的均值平均扩散系数（mean diffusion，MD）值。

6.空间统计分析（tract-based spatial statistics，TBSS）方法

具体如下：（1）将FA 图非线性配准到约翰霍普金斯大学提供的FA 模板上，对所有对齐的FA 图像的均值进行骨架化，得到平均FA 骨架。（2）将每个受试者的FA 数据投射到FA 骨架上，得到每个受试者的大脑白质FA 纤维骨架图。（3）使用平均FA 骨架为模板，FA 均值为0.2，排列数目设定为5000，对T2DM 组与对照组的FA 骨架进行基于体素的全脑非参数统计比较。（4）以P＜0.05 作为统计检验水准，无阈值簇增强（threshold-free cluster enhancement，TFCE）进行多重比较。（5）将所有被试各自的FA 图非线性配准到其他参量图上，生成各自的配准后的参数图，并将之投射到平均FA纤维束骨架上，再进行与步骤4 相同的两组间比较。（6）将各参数图两组间比较结果通过FSL Viewer 工具叠加到FA 模板上，显示有统计学差异的区域。约翰霍普金斯大学的JHU 白质模板可以将全脑白质分为48 个白质纤维束，未考虑小脑和脑干。

7.统计学方法

人口学资料、临床和神经心理学行为数据采用SPSS 19.0 进行分析，两组间的人口统计学和临床变量采用两独立样本t 检验及卡方检验进行统计比较，P＜0.05 被认为差异有统计学意义。提取有统计学差异的脑区的参数值与HbA1C、病程及行为学量表采用Pearson 相关性分析。

结 果

1.人口学资料及神经心理学测试结果

两组被试者年龄、性别、受教育程度、BMI、血压、总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白、MMSE、MOCA、ARWMC、TMT-A 评分均无显著差异（P＞0.05）；T2DM 组空腹血糖、糖化血红蛋白均显著高于健康被试（healthy controls，HC）组（P＜0.05）。T2DM患者CDT 评分明显低于HC 组（P＜0.05）（表1）。

2.TBSS 分析结果

相对于HC，T2DM 组胼胝体体部、压部、左侧大脑脚、右侧内囊前、后肢、双侧内囊（豆状核后部）、外囊、穹隆/终纹、上纵束、左侧放射冠前部、扣带、右侧放射冠、丘脑后辐射（包括视辐射）及矢状层（包括下纵束及额枕下束）FA 减低；胼胝体压部、右侧放射冠后部、丘脑后辐射（包括视辐射）MD 升高；整个胼胝体、左侧大脑脚、双侧内囊前后肢、双侧内囊（豆状核后部）、外囊、放射冠、丘脑后辐射（包括视辐射）、矢状层（包括下纵束及额枕下束）、上纵束、右侧扣带束、左侧穹隆/终纹RD 升高（图1）。

3.FA 显著差异脑区

相对于HC，T2DM 患者右侧丘脑后辐射、右侧矢状层、左侧大脑脚、胼胝体压部、右侧内囊后肢FA 下降（＞200 像素），未发现FA 升高的脑区。脑区、体素值及P 值（表2）。

4.相关性分析结果

对存在显著差异脑区的FA 值与行为学评分行相关性分析显示： 在不加入协变量的相关分析中，T2DM 患者右侧丘脑后辐射（含视辐射）FA 值与CDT 评分呈正相关（P=0.022，r=0.448），将年龄及受教育程度作为协变量，T2DM 患者右侧丘脑后辐射（含视辐射）的FA 与CDT 评分仍呈正相关（P=0.034，r=0.434）（图2）。

表1 T2DM 及HC 组人口学、临床资料及神经心理学白质评分

表2 T2DM 组FA 显著下降脑区

讨 论

本研究围绕脑白质微结构损伤的研究方法、损伤的重点区域、DTI 参数值与神经心理学评分相关性及参数值改变意义四方面做如下探讨。

适用于全脑白质DTI 的分析方法包括基于体素的全脑分析（voxel-based analysis，VBA）和基于纤维束示踪的空间统计分析（TBSS），两者都是自动化的分析方法，对全脑逐个体素水平进行FA等扩散特性的比较。VBA 比较组间的整体体素，而TBSS 则局 限于分析白质骨 架［9］。许多研究者更倾向于TBSS 而非VBA，是因VBA 会遇到由脑白质萎缩而引起白质纤维束配准不良，从而导致精确性下降，此外，在某种程度上，其平滑核大小是随意的，而TBSS 不需进行空间标准化和平滑，通过提取白质纤维束骨架进行精确对齐和比较，能更准确的对差异区进行定位［10,11］。最近一项关于T2DM 脑白质微结构改变的综述报道指出VBA 方法出现的结果差异较大，而TBSS 方法出现脑白质微观结构异常的一致性较高［5］。

脑白质微观结构损伤是认知改变的神经基础［12］。本次研究结果表明，T2DM 患者在出现认知功能障碍之前，脑白质微观结构已存在广泛损伤，包括胼胝体、左侧大脑脚、双侧内囊前后肢、双侧内囊（豆状核后部）、外囊、放射冠、丘脑后辐射（包括视辐射）、矢状层（包括下纵束及额枕下束）、上纵束、右侧扣带束、左侧穹隆/终纹，其中胼胝体损伤最为严重，与先前的研究结果一致［13］。胼胝体是连接左右大脑半球的主要联合纤维，在大脑半球间信息传递、整合和协调中发挥关键作用［14］，胼胝体损伤与多种认知能力下降密切相关，包括记忆、情感和执行等［15］。

脑白质微观结构异常与T2DM 患者相关认知损害具有一定的相关性。先前研究发现，内囊前肢和外囊白质完整性下降与执行功能损伤具有潜在联系［12］，钩状束损伤与信息处理速度下降密切相关［7］。本次研究发现，即使在整体认知功能没有损伤的情况下，T2DM 患者较健康被试者视空间评分（CDT）下降，而且右侧丘脑后辐射（含视辐射）的白质完整性下降与视空间评分具有相关性。丘脑后幅射连接丘脑与枕叶，在整体认知控制和消除干扰方面具有重要意义［16］，其与后侧丘脑以及来自外侧膝状体的视辐射连接，从而产生视觉，而且，丘脑-皮层反馈环路是维持视觉区域的活动的重要环路。有学者认为，早产的成年人的视觉短时记忆与右侧丘脑后辐射具有密切联系，视觉注意损伤主要影响右侧大脑半球纤维束［17,18］。一项探讨2 型糖尿病早期认知改变的研究发现，2 型糖尿病患者视觉空间功能损害出现较早，也较为突出［19］。此外，评估视觉空间功能不仅可以从健康人群中辨别轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）患者，而且可预测轻度认知障碍到阿尔茨海默病的转化，是检测有前期症状阿尔茨海默病患者的认知标记。因此，在T2DM 患者众多认知功能方面，视觉空间可能是最早出现功能异常的认知单元。多项研究证实枕部的视觉处理区域是T2DM最易受累的区域［20,21］，视觉空间功能异常不仅会导致视觉相关功能受损，且会导致更广泛的认知改变［22］，也同样提示视觉空间功能损伤可能早于其他认知单元。

脑白质微结构异常的表现为DTI 参数值的改变。FA、MD、AD 和RD 是主要的DTI 参数，其中FA、MD 可反映脑白质的健康、成熟［23］，AD 和RD分别反映轴突、髓鞘的完整性，可用于理解潜在的神经病理学机制［7,24,25］。本次研究发现，FA 减低存在于整个脑白质，MD 升高存在于胼胝体压部、右侧放射冠后部、丘脑后辐射（包括视辐射），这些广泛的脑白质微观结构破坏会逐渐造成脑认知网络的破坏，引起更广泛的认知损害。T2DM 患者出现FA 减低、MD 升高、RD 升高，而AD 无显著差异，因此FA 和MD 的改变主要归因于RD 而非AD，这可能是胰岛素抵抗产生氧化应激所致。氧化应激通过多种途径使自由基对蛋白质、脂质和DNA造成破坏，导致神经损伤和节段性脱髓鞘，出现RD 的升高［26］。相关研究还认为，长期高糖会导致髓鞘糖基化，其涉及高级糖基化终产物（advanced glycation end products，AGE）形成的代谢途径，与高糖性神经损伤有关，变性的神经髓鞘被吞噬细胞吞噬，导致脱髓鞘［27］。

本次研究存在的局限。首先，本研究采用TBSS 来评估脑白质微结构改变，发现右侧丘脑后辐射（含视辐射）存在异常，今后应将其提取出来作为ROI 进一步深入研究。其次，样本量较少，加之部分被试有合并高血压症状，可能对结果产生一定的偏倚。

综上，不伴认知障碍的中年T2DM 患者广泛存在脑白质微观结构改变，胼胝体是损伤最为严重的区域；视觉空间功能可能是T2DM 患者损伤较早的认知功能，通过评估视觉空间功能，有助于尽早发现T2DM 患者认知功能损伤；右侧丘脑后辐射（含视辐射）可能是早期识别T2DM 认知障碍的敏感影像学标记物。