2型糖尿病患者小腦Crus Ⅰ靜息態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)患病率近年持續升高[1]，其共病認知功能受損和抑郁的比率分別為45%和28%[2-4]，嚴重影響患者的生活質量，增加社會負擔[5]，但其神經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，FC)異常參與了雙相情感障礙患者的神經病理生理過程[8]。我們的前期研究亦表明，與其他小腦亞區相比，T2DM患者CrusⅠ與全腦間的FC改變更顯著[9]，提示Crus Ⅰ是參與認知情感加工過程的關鍵小腦腦區之一。Crus Ⅰ有Ⅰa和Ⅰb兩個亞區，前者參與中心執行網絡(executive control network，ECN)[10]，后者參與默認網絡(default mode network，DMN)[11-12]，ECN與DMN的功能活動呈負向相關[13]。然而，在T2DM患者中，Crus Ⅰa和Crus Ⅰb的靜息態FC如何變化目前尚不清楚。因此，本研究擬采用靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)技術研究T2DM患者雙側小腦Crus Ⅰa、Ⅰb亞區與全腦之間的FC變化，進一步闡明T2DM患者認知損害和共病抑郁的神經病理生理機制。

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院醫學倫理委員會審查(批準文號：2017-188)，受試者均對本研究內容知情并簽署知情同意書。

T2DM 組納入標準：符合1999 年WHO 公布的T2DM診斷標準：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查，兩次達標即可診斷；睡眠正常；年齡18～65歲；漢族。排除標準：嚴重的T2DM并發癥；左利手及雙利手；受教育年限＜6 年；中樞神經系統出現器質性病變；精神心理疾病病史及家族史；嚴重顱腦部外傷史；藥物濫用及成癮史；嚴重聽覺、視覺障礙；妊娠期、哺乳期女性；2個月內接受過精神藥物治療；3 個月內進行過電抽搐及磁刺激治療；MRI檢查禁忌證。

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

1.2 臨床變量采集與神經心理評分

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、體質量指數、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 神經心理量表評分

在精神心理科主任醫師的指導下，由受過3年以上專業培訓的住院醫師和主治醫師2人對所有被試進行神經心理量表評分并進行相應記錄，包括蒙特利爾認知評估量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)、簡易智能精神狀態檢查量表(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。被試者配合醫師，得到完整量表評分，則該數據納入本研究，反之排除。該過程不涉及盲法。

1.3 MRI數據采集

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據。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 掃描由兩名經過培訓的放射科醫師完成。先行常規結構像MRI 平掃(T1WI、T2WI 及T2-FLAIR 序列)，排除顱內器質性病變。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 個時間點以提高數據的可靠性[14-15]；結構像采用三維顱腦容積MRI 序列(高分辨三維T1 加權成像)，矢狀面掃描，具體參數見表1。

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

1.4 MRI數據預處理

Rs-fMRI 圖像數預處理：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：格式轉換(將所有受試者的MRI 數據由DICOM 格式轉換為NIFTI 格式)；剔除每個被試前10個時間點的圖像數據；層時間校正；頭動校正(剔除三維頭動平移＞2.5 mm，或旋轉＞2.5°的被試)；空間標準化(重采樣到大小為3 mm×3 mm×3 mm的標準空間)；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)；回歸去除協變量(腦脊液、腦白質信號、全腦均值信號、Friston-24 參數)，以消除腦脊液、白質信號、頭動對結果的影響。

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Crus Ⅰa (左側MNI 坐標：-12，78，-28，右側MNI 坐標：12，78，-28)和參與DMN 的雙側CrusⅠb (左側MNI 坐標：-32，76，-34、右側MNI 坐標：34，-80，-36)亞區，用DPABI 軟件以6 mm 的半徑制作球形種子點感興趣區(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 相關系數(r值)，得到各ROIs 與全腦各體素間的FC，最后經Fisher's轉換為Z值進一步進行統計分析。

1.6 統計學分析

采用SPSS 24.0軟件，對兩組被試一般臨床資料及神經心理量表評分行統計學分析。其中計量資料組間比較采用獨立樣本t檢驗，計數資料采用χ2檢驗，均為雙尾檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。采用DPABI軟件的統計模塊對基于ROIs的FC進行獨立樣本t檢驗，納入協變量(年齡、性別、受教育年限及頭動參數)，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的區域定義為差異有統計學意義腦區。提取差異有統計學意義腦區的FC 值與臨床變量、神經心理量表評分進行Pearson 相關分析，以P＜0.05 為差異有統計學意義。對Pearson 相關分析得到的差異有統計學意義的結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計學意義(P＜0.05)的結果。

2 結果

2.1 基本資料比較

預處理時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、受教育年限及體質量指數等方面差異均無統計學意義(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，差異有統計學意義(P＜0.05)，其余資料差異均無統計學意義(P＞0.05)。見表2。

表2 T2DM組與HCs組人口學、臨床變量、神經心理量表評分比較(±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、臨床變量、神經心理量表評分比較(±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：簡易智能精神狀態檢查量表；MoCA：蒙特利爾認知評估量表；LDL：低密度脂蛋白；T3：三碘甲狀腺原氨酸；T4：甲狀腺素；*：差異有統計學意義。

被試者資料年齡(歲)性別(男/女，例)受教育年限(年)體質量指數(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組的左側小腦Crus Ⅰa-左側舌回/小腦Ⅳ～Ⅴ間FC 顯著降低，右側小腦CrusⅠb-右側額下回三角部間FC 顯著增強。未見右側小腦Crus Ⅰa 與左側小腦Crus Ⅰb 的FC 差異有統計學意義腦區。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計學意義腦區分布圖。1A：左側Crus Ⅰa 與左側舌回/左側小腦Ⅳ～Ⅴ間功能連接值降低(冷色)；1B：右側小腦Crus Ⅰb與右側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值差異有統計學意義腦區位置及MNI坐標Tab.3 Locations and MNI coordinates of brain regions with significant different functional connectivity values between T2DM and HC groups

2.3 相關分析結果

在性別、年齡、受教育年限組間差異無統計學意義前提下，Pearson 相關分析顯示左側小腦Crus Ⅰa-左側舌回/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)呈負相關；右側小腦Crus Ⅰb-右側額下回三角部FC值與膽固醇(r=0.23，P=0.04)及LDL (r=0.30，P=0.01)呈正相關。后經逐步多重線性回歸分析，最終僅有LDL 差異具有統計學意義，其余指標未發現顯著相關。見圖2。

圖2 2 型糖尿病患者右側小腦Crus Ⅰb-右側額下回三角部間功能連接值與低密度脂蛋白Pearson相關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向相關的ECN 與DMN，但我們目前暫未發現T2DM患者的相關小腦亞區的研究。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。結果發現與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Crus Ⅰa-左側舌回/小腦Ⅳ～Ⅴ小葉間的FC降低，右側Crus Ⅰb-右側額下回三角部的FC增強，且后者與LDL呈正相關。

3.1 T2DM患者腦損害的神經病理生理機制

T2DM 患者易共病抑郁及認知功能受損。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 患者存在認知功能受損及抑郁、焦慮癥狀。與本課題組前期的研究結果一致[4]，提示研究結果穩定。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物生成增加，由此產生的活性氧自由基會促進線粒體內的氧化應激，改變內質網信號，從而導致神經元細胞損傷[16]。胰島素抵抗會導致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知相關的皮層中樞并擾亂區域間的連通性，從而影響患者的認知功能及情感加工過程[17]。DMN 是負責自我內省、情緒加工和反芻思維等內在無目標思維模式的關鍵腦區[18]，又稱為任務負激活網絡，在大腦無任務的靜息狀態時存在持續主動的功能活動，當有外部注意依賴型的刺激任務時，DMN 活動受抑制，ECN 激活，這種DMN-ECN 間負向的相關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值降低的腦區及其作用

本研究中，T2DM 組患者MoCA 評分減低，左側Crus Ⅰa-左側舌回/小腦Ⅳ～Ⅴ小葉間的FC 降低。Crus Ⅰa 是參與ECN 的關鍵腦區[11]，ECN 在任務工作中處理與記憶相關的信息[10]，并參與調節情緒[20]，因此，推測T2DM 患者認知功能受損可能與其ECN 功能紊亂有關。舌回位于枕葉，是視覺網絡的重要部分，參與并維持與視覺認知相關的工作記憶處理[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]，舌回與視覺網絡的FC 普遍下降[23]，可能與視覺功能受損有關，支持本研究結果。分析本研究納入的患者，其中10例存在糖尿病視網膜病變，由此推測Crus Ⅰa 與舌回間FC 的降低可能與T2DM 患者視網膜病變導致視覺功能受損有關，尚需后續研究進一步證實。另有研究認為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[19]，一項針對糖尿病人群的研究也報告了枕神經網絡連接中斷與工作記憶不良相關，且枕葉FC 降低可能是T2DM 患者視覺依賴任務中表現不佳的重要原因[23-24]。本組患者存在左側Crus Ⅰa-小腦Ⅳ～Ⅴ小葉間的FC 異常。研究表明左小腦前葉皮質小腦山頂區(小葉Ⅳ、Ⅴ)代謝改變與抑郁癥狀相關[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病理生理機制。

3.3 T2DM組較HCs組FC值增強的腦區及其作用

本研究還發現右側Crus Ⅰb-右側額下回三角部的FC 增強。與Crus Ⅰb 功能密切相關的DMN 主要參與高級認知及情感加工過程。額下回三角部屬于腹外側前額葉皮層(ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC)，抑郁患者在調節負性情緒時VLPFC 激活減弱[26]，激活程度與社會排斥敏感程度呈負相關[27]，右側VLPFC 還與焦慮有關[28]，也有研究發現激活右側VLPFC 可提高患者社會情緒調節能力[29]，提示其可能是調節情緒的關鍵腦區。小腦通過小腦-大腦間的多個環路影響運動和認知功能[30]，小腦Crus Ⅰ參與認知負荷增加時前額葉皮質的激活過程[31]，前額葉是控制高級認知功能的關鍵節點[32]，因此本研究這種增強的FC 可能與T2DM 患者認知功能和情緒調節的代償機制有關。研究發現精神分裂癥患者DMN-ECN 負相關常減弱[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，提示這種負向效應增強，進一步證明本組患者認知與情緒功能可能存在代償機制。然而，Zhang 等[19]研究結果顯示T2DM患者右側小腦CrusⅠ/Ⅱ與同側前額葉皮層的FC 降低，與本研究結果不同。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 受損更為嚴重，可能與Crus Ⅰ/Ⅱ與同側前額葉皮層的FC已經不能代償有關。

3.4 T2DM 組異常FC 值與臨床變量、神經心理量表評分間的相關關系

本研究中LDL與右側Crus Ⅰb-右側額下回三角部的FC呈顯著正相關，提示LDL越高，右側Crus Ⅰb-右側額下回三角部FC受損越明顯。LDL主要負責將膽固醇轉運至肝外組織，其升高可導致血漿膽固醇含量升高。研究發現T2DM患者糖代謝失調導致脂肪蛋白酶產生C3a肽，以促進胰島素分泌并維持其代償機制[33]，MoCA認知評分與血漿脂質水平呈負相關[2]，均支持本研究結果。本研究未發現異常的FC與神經心理量表評分之間的相關關系。分析其原因，盡管我們盡可能控制了混雜因素，但患者個體的認知功能受損與情緒狀態存在差異，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上，根據認知或情緒障礙的不同程度進行亞組分析，深入探索T2DM患者共病抑郁和認知功能受損的神經病理生理機制

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，不能排除藥物對結果的影響。因此后續研究將繼續擴大樣本量，增加縱向研究設計，以進一步闡明T2DM 共病抑郁和認知功能受損的神經病理生理機制及疾病發展的神經影像學特征，為T2DM 患者臨床診斷提供客觀影像學依據。

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

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。