2型糖尿病患者静息态脑镜像同伦功能连接的分析

何万利，田静，赵莲萍，黄刚，柳瑞芳，陆亚姗

1.甘肃中医药大学第一临床医学院（甘肃省人民医院），甘肃 兰州 730000；2.甘肃省人民医院放射科，甘肃 兰州 730000；*通信作者 赵莲萍 lianping_zhao007@163.com

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是由于胰岛素抵抗及胰岛素相对性分泌不足所致的慢性代谢性疾病。长期糖尿病会引起大脑结构和功能改变，T2DM患者认知障碍的发生率为60%～70%[1]，抑郁的发生率为28%[2]。脑改变的症状比较隐匿，待发现时对患者的生活质量已造成极大的负面影响，然而，T2DM脑损害的神经病理机制尚未阐明。既往研究应用静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）的不同分析方法探讨T2DM脑损害，其中包括（比率）低频震荡幅度[3-4]、度中心[5]及基于种子点的功能连接[6-7]等，然而，鲜有学者基于体素镜像同伦连接（voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC）探讨T2DM患者脑功能的改变。VMHC是近年新发展起来的一种rs-fMRI技术，其通过分析大脑半球间神经元的同步活动性反映脑半球间的信息整合功能[8]，因此，本研究拟采用VMHC分析方法研究T2DM脑损害的神经病理机制。

1 资料与方法

1.1 研究对象 2017年11月—2020年8月在甘肃省人民医院收集糖尿病中心的T2DM患者88例，招募健康对照61名。纳入标准：T2DM符合1999年WHO关于T2DM的诊断标准[9]，病程≥1年且无严重并发症；两组均符合以下条件：①汉族；②18～70岁；③右利手；④受教育年限≥6年。排除标准：①中枢神经系统器质性疾病；②心理精神病史；③外伤史及大型手术史；④酒精及药物依赖史；⑤孕期及哺乳期女性；⑥3个月内接受电抽搐、磁刺激治疗者；⑦有MRI检查禁忌证者。

对两组受试者的性别、年龄及受教育程度进行匹配，剔除T2DM组受试者5例，预处理时因头动超标剔除T2DM组受试者5例、对照组受试者4名，最终分别纳入T2DM和对照组78例和57名。所有受试者均签署知情同意书。本研究通过甘肃省人民医院医学伦理委员会审核（2017 188）。

1.2 临床资料采集及神经心理量表评估 ①记录两组受试者的性别、年龄、受教育程度。T2DM组记录病程，检测空腹血糖、空腹胰岛素、胰岛素抵抗指数、糖化血红蛋白，对照组检测随机血糖；②两组受试者进行简易智能精神状态检查（mini-mental state examination，MMSE）、蒙特利尔认知评估量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）、汉密尔顿焦虑量表（Hamilton anxiety scale，HAMA）、汉密尔顿抑郁量表-24项（Hamilton depression scale-24，HAMD-24）评定。

1.3 MRI数据采集 使用西门子（MAGNETOM Skyra）3.0T MR扫描仪。受试者平卧，头部固定，闭眼，保持清醒，不做思维活动，由2名经过培训的放射科医师完成。结构像扫描采用三维脑容积成像序列行矢状位定位扫描，TR 2 530 ms，TE 2.35 ms，翻转时间1 100 ms，翻转角7°，扫描野256 mm×256 mm，矩阵256×256，层厚1.33 mm，间距50%，激励次数1，每次采集192个时间点，扫描时间5 min 23 s。rs-fMRI扫描采用血氧水平依赖梯度回波-平面回波成像序列行轴位扫描，TR 2 000 ms，TE 30 ms，翻转角90°，扫描野224 mm×224 mm，矩阵64×64，层厚3.5 mm，间距20%，层数33，激励次数1，每次采集420个时间点，扫描时间14 min 8 s。

1.4 数据预处理 基于MATLAB使用DPABI_V4.2（http://restfmri.net/forum/dpabi）和SPM12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）软件对影像数据进行预处理。主要过程为转换DICOM数据格式、剔除前10个时间点、头动校正（剔除头动平移＞2.5 mm，或旋转＞2.5°的受试者）、空间标准化（重采样3 mm×3 mm×3 mm）、高斯平滑（半高全宽6 mm）、去线性漂移、去除协变量。

1.5 统计学方法 符合正态分布的计量资料以±s表示，组间比较用独立样本t检验；不符合正态分布的计量资料以M（Qr）表示，组间比较用Mann-WhitneyU检验；计数资料组间比较采用χ2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。①VMHC分析：使用DPARSF软件对预处理后的数据进行VMHC计算。提取出预处理后配准到标准MNI模板的一侧大脑半球每个体素的时间序列，并计算该时间序列与对侧大脑半球镜像体素的时间序列的Pearson相关系数（r），通过Fisher r-to-z变换得到z值以改善数据的正态性，然后进行两组组间的比较分析。②基于种子点的功能连接（functional connectivity，FC）分析：以VMHC显著差异脑区为感兴趣区，设定以峰值坐标为中心、半径为6 mm的球形种子点与全脑各体素间行FC分析。提取整个球内各个体素的时间序列的平均值，计算其与全脑各体素时间序列之间的Pearson相关系数（r），再转换为符合正态分布的z值后进行统计学分析。③使用DPABI软件的统计模块对两组VMHC和FC进行独立样本t检验，将年龄、性别、受教育程度及头动参数作为协变量，进行高斯随机场（Gaussian random fields，GRF）多重比较校正，以校正后单个体素P＜0.005及P＜0.001，簇大小P＜0.05的区域为有统计学差异的脑区。将两组间差异有统计学意义的脑区VMHC值、FC值与临床变量、神经心理量表评分进行Pearson相关分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 临床变量与神经心理量表评分 两组受试者性别、年龄、受教育程度差异无统计学意义（P＞0.05）。两组MoCA、HAMA、HAMD-24评分差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。T2DM组病程（8.4±5.4）年，空腹血糖（10.2±3.7）mmol/L，空腹胰岛素8.4（5.6～12.4）μU/ml，胰岛素抵抗指数1.8（1.0～2.9），糖化血红蛋白（8.5±2.2）%。对照组随机血糖（6.3±1.6）mmol/L。

表1 T2DM组和对照组的神经心理量表评分

2.2 两组VMHC和基于种子点的FC比较 与对照组比较，T2DM辅助运动区/扣带回VMHC值较高（GRF校正后，单个体素P＜0.005，簇大小P＜0.05）。基于VMHC差异有统计学意义的脑区FC分析显示，T2DM组左侧辅助运动区与左侧顶下小叶间FC值较高（GRF校正，单个体素P＜0.001，簇大小P＜0.05），见图1、表2。

表2 T2DM组与对照组VMHC组间差异及基于种子点FC分析结果

图1 T2DM与对照组VMHC和基于种子点的FC比较后所得差异脑区。A.T2DM辅助运动区/扣带回VMHC值显著高于对照组（红色）；B.两组基于种子点的FC比较：T2DM组左侧辅助运动区与左侧顶下小叶间FC值显著高于对照组（红色）

2.3 Pearson相关分析 T2DM左侧辅助运动区与左侧顶下小叶间升高FC值与糖化血红蛋白水平呈负相关（r=-0.229，P=0.044），见图2。

图2 左侧辅助运动区与左侧顶下小叶间FC值与糖化血红蛋白水平的相关性

3 讨论

本研究采用rs-fMRI中的VMHC及基于种子点的FC分析方法结合神经心理量表评分，得到以下主要结果：①T2DM患者存在认知功能受损、抑郁及焦虑症状；②T2DM患者双侧扣带回/辅助运动区的VMHC升高，左侧辅助运动区与左侧顶下小叶间FC值升高，且与糖化血红蛋白水平呈负相关。

T2DM患者的MoCA评分明显低于对照组，汉密尔顿抑郁评分及焦虑评分明显高于对照组，提示T2DM患者存在认知功能受损、抑郁及焦虑症状。认知受损可能与以下因素相关[10]：首先，在胰岛素抵抗下T2DM患者胰岛素升高，胰岛素可降低β淀粉样蛋白的清除，使β淀粉样蛋白沉积，导致认知功能损害。其次，在长期的高血糖状态下，脑细胞线粒体利用葡萄糖障碍并产生大量的活性氧自由基，进而发生氧化应激，导致脑细胞功能受损，从而影响认知功能。最后，胰岛素抵抗时tau蛋白过度磷酸化，使微管解体，神经纤维缠结，引起神经细胞凋亡，导致认知缺陷。T2DM患者亦存在抑郁及焦虑症状，可能与自主神经紊乱、神经内分泌失调、肥胖、高炎症水平及海马结构改变有关[11]。既往研究显示，T2DM女性患者血液C反应蛋白与抑郁和焦虑症状显著相关，而男性患者不相关，因雄激素可降低炎症水平[12]。

本研究中T2DM患者双侧扣带回/辅助运动区的VMHC异常改变，提示双侧扣带回/辅助运动区半球间功能协同性受损，表明存在半球间信息交流和整合功能障碍。度中心分析发现，T2DM患者左侧扣带回度中心值升高，且与右侧中央前回功能连接性升高，上述改变与血糖参数有关[13]。扣带回是位于大脑半球内侧面的扣带沟与胼胝体沟之间的脑回，属于边缘系统，其与海马等边缘脑区对情感、记忆及动作等认知功能有重要作用[14]，本研究进一步证实扣带回可能是T2DM脑损害的重要脑区。基于荟萃分析的神经影像研究发现，T2DM患者右侧岛叶与左侧辅助运动区的FC减低[15]。辅助运动区位于额上回后部，是将认知和运动联系起来的关键脑区[16]，包括辅助运动前区和辅助运动固有区，固有区与运动功能有关，前区参与高级认知控制机制[17]。辅助运动区，尤其前区可能是参与T2DM脑损害的神经病理机制的重要脑区。近期有研究报道糖尿病肾病合并视网膜病变患者部分脑区VMHC值降低[18]，本组T2DM患者VMHC值升高。首先，这可能与代偿机制有关[19]，使得相应脑区的VMHC代偿性增强。另外，本研究所纳入患者排除了T2DM合并肾病及视网膜病变患者，可能是研究结果不一致的重要原因。

本研究发现：T2DM患者左侧辅助运动区与左侧顶下小叶间FC值升高。T2DM患者顶下小叶皮质的脑血流量减低，并且其与记忆减退和执行功能降低有关[20]，因高血糖水平可增加脑血管阻力及血液黏度以降低局部脑血流量，使得局灶性和全脑缺血，导致认知功能损害。在T2DM早期，左海马与左下额回的FC增强，其与适应性代偿有关[21]，本组FC增强亦可能是代偿结果。另外，本组T2DM患者左侧辅助运动区与左侧顶下小叶间FC值与糖化血红蛋白呈负相关，表明糖化血红蛋白越高，其FC值越低，并且糖化血红蛋白是T2DM伴发认知障碍的危险因素[22]，提示高血糖可导致T2DM患者脑认知损害。

总之，T2DM患者存在认知受损、抑郁及焦虑症状，其双侧扣带回/辅助运动区半球间功能协同性及FC受损可能是T2DM患者脑损害的重要神经病理机制。然而，本研究对照组样本量相对较少，后续研究需进一步增加样本量。其次，未进行脑结构成像分析，其脑功能改变是否与脑结构改变有关尚无法阐明。本研究为横断面研究，无法阐明糖尿病脑损害的演变过程，需要增加纵向研究以追踪患者脑功能与病程变化的关系。今后应当系统地运用MRI多模态成像技术，全面阐述T2DM脑损害，为早发现、早治疗糖尿病伴发脑损害提供客观影像学依据。