2型糖尿病伴輕度認知功能障礙患者腦靜息態功能MRI研究

劉代洪，段姍姍，張久權，張艷偉，魏平*，王健*

國際糖尿病聯盟(International Diabetes Federation)在最新發布的糖尿病全球管理指南中，估計2013年全球糖尿病的患病人數已達3.82億，到2035年，這一數字可能增至5.92億，而中國擁有世界上最大的糖尿病患者群體，其中以2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)為主。T2DM是認知功能障礙和癡呆發生的重要風險因素[1]。多項靜息態功能MRI(resting-state functional MRI，rs-fMRI)研究表明，T2DM患者存在扣帶回后部、角回、顳葉等腦區的自發性活動和功能連接的異常改變，且這些改變與認知評估量表評分水平相關[2-4]。但這些研究并未對T2DM患者是否存在輕度認知功能障礙(mild cognitive impairment，MCI)進行區分，T2DM伴MCI患者的腦靜息態改變特點尚不明了。本研究重點針對T2DM伴MCI患者，分析腦靜息態局部一致性(regional homogeneity，ReHo)和分數低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuations，fALFF)指標，探討T2DM伴MCI患者靜息態腦功能改變特點。

1 材料與方法

1.1 一般資料

招募2013年12月至2014年09月在我院內分泌科住院的T2DM伴MCI患者(D-MCI組)共21名，納入標準：(1)符合1999年世界衛生組織糖尿病診斷標準，患病時長≥2年；(2)有記憶力減退的主訴，簡易精神狀態檢查表(Minimum Mental State Examination，MMSE)評分>24分，蒙特利爾認知評估量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)<26分；(3)日常生活活動未受明顯影響，即日常生活能力量表(activity of daily living scale，ADL) ≤23分；(4)年齡45～70歲，受教育在6年以上。同時納入年齡、性別、受教育水平與D-MCI組相匹配的正常對照組志愿者(HC組)，共計25名(表1)。排除標準：(1)糖尿病嚴重并發癥病史；(2)肝臟、腎臟、心血管疾病及精神病病史；(3)腦外傷、出血、腫瘤病史，腦白質損害病灶融合；(4)MRI檢查禁忌證。筆者還搜集了受試者的降糖藥物使用情況，使用的藥物包括胰島素、α-葡萄糖苷酶抑制劑、雙胍類、磺脲類及噻唑烷二酮類，由于T2DM治療方案存在個體差異，為使研究結果更具普遍性，本研究在納入受試者時未對藥物使用做具體限制。本項研究經我院倫理委員會審查并通過，所有受試者在參與實驗前均簽署知情同意書。

1.2 MR數據采集

囑受試者保持清醒并閉眼，掃描過程中盡量克服頭動。通過Siemens 3.0 T Trio MR掃描儀及頭部8通道標準頭線圈采集MRI數據，首先采集T2WI及FLAIR像以排除腦器質性病變及腦白質變性；三維T1WI結構數據通過三維磁化準備快速梯度回波(magnetization-prepared rapid-acquisition gradient echo，MPRAGE)序列采集，具體參數為TR 1900 ms，TE 2.52 ms，反轉角9°，層數176，層厚1 mm，矩陣256×256，體素大小為1 mm×1 mm×1 mm，FOV 256 mm×256 mm，矢狀面掃描；靜息態功能像數據通過平面回波序列采集，具體參數為TR 2000 ms，TE 30 ms，反轉角90°，層數36，層厚3 mm，無層間距，矩陣64×64，體素大小為3 mm×3 mm×3 mm，FOV 192 mm×192 mm，共采集240個時間點。

1.3 MR數據處理

MRI原始數據的預處理由基于SPM8的靜息態數據處理助手軟件(DPARSF v2.3)完成，具體步驟包括：將DICOM格式的原始數據轉化為NIFTI格式，去除每名受試者靜息態數據前10個時間點，然后依次進行時間層校正、頭動校正，去除腦白質信號和腦脊液信號協變量，采用DARTEL算法進行空間標準化，去線性漂移。頭動位移大于2 mm或者角度大于2°的受試者被排除。(1)預處理后的數據經濾波(0.01～0.08 Hz)后計算ReHo值并以全寬半高4 mm高斯核進行平滑；(2)預處理后的數據經全寬半高4 mm高斯核進行平滑后計算fALFF值并完成濾波(0.01～0.08 Hz)。

1.4 統計學分析

采用SPSS 20軟件對兩組受試者的年齡、受教育水平、MMSE及MoCA評分行兩樣本t檢驗，對性別行χ2檢驗。采用REST 1.8軟件分別對兩組受試者的ReHo和fALFF統計圖進行單樣本t檢驗和兩樣本t檢驗。其中單樣本t檢驗與全腦均值1做比較，得到ReHo/fALFF值顯著高于全腦均值的腦區；兩樣本t檢驗以年齡、性別、教育水平作為回歸協變量，得到兩組之間ReHo/fALFF值存在顯著差異的腦區。ReHo和fALFF統計圖t檢驗結果經AlphaSim多重比較校正(P<0.05，體素數>85)。提取ReHo/fALFF值存在顯著差異的腦區的時間序列信號與糖尿病病程、HbA1c及MMSE、MoCA量表評分做Pearson相關分析，該分析由SPSS 20軟件完成。

2 結果

2.1 一般資料

D-MCI組與HC組受試者的年齡、性別、受教育水平及MMSE評分無顯著差異，MoCA評分存在顯著差異(表1)。

2.2 ReHo/fALFF值分析

單樣本t檢驗顯示，兩組受試者的內側前額葉皮層、扣帶回前部皮質、扣帶回后部及楔前葉皮質、頂下小葉、外側顳葉皮質等腦區的ReHo/fALFF值顯著高于全腦平均水平，這些腦區與默認網絡組成的腦區相一致(圖1)。兩組受試者的兩樣本t檢驗顯 示，D-MCI組右側眶部額上回、右側內側額上回、右側背外側額上回及右側小腦8區ReHo值顯著增高，雙側內側眶額部額上回、右側額中回、右側顳下回、左側枕中回及右側舌回ReHo值顯著減低(表2，圖2)；而左側顳下回、雙側扣帶回前部f A L F F值顯著增高，右側舌回f A L F F值顯著減低(表2，圖3)。

表1 受試者的基本信息和認知評分Tab.1 Demographic information and neurocognitive tests results of two groups

表2 D-MCI組與HC組腦功能活動存在差異的腦區Tab.2 Brain regions of different functional activities between D-MCI and HC groups

圖1 D-MCI組和HC組ReHo值和fALFF值的單樣本t檢驗結果代表圖(P<0.05，AlphaSim校正) 圖2 D-MCI組和HC組ReHo值存在差異的腦區(P<0.05，AlphaSim校正)。圖像左上方數字為層面在MNI坐標系中的Z坐標。標準色條代表t值。R：右；L：左Fig.1 Representative one-sample t test results of ALFF and ReHo maps for D-MCI and HC groups (P<0.05,AlphaSim corrected). Fig.2 ReHo differences between D-MCI and HC groups (P<0.05,AlphaSim corrected).Z of Montreal Ne urological Institute coordinates is on the upper left of images.Color scale denotes the t value.R:Right.L:Left.

2.3 相關分析

D-MCI組HbA1c與扣帶回前部fALFF值呈顯著負相關(r=－0.482，P=0.027)，MoCA評分與左側顳下回fALFF值呈顯著負相關(r=－0.547，P=0.010)。糖尿病病程、HbA1c、MMSE及MoCA評分與其他腦區的ReHo/fALFF值未見顯著相關性。

3 討論

MCI是介于正常衰老和癡呆的中間狀態，患者存在記憶和認知的損害。T2DM可增加MCI的發病風險，且T2DM可將MCI患者向癡呆進展的轉化率提高1.5～3.0倍[1]。針對T2DM非癡呆患者(包括T2DM伴和不伴MCI的患者)已有多項神經影像學的研究，如彌散張量成像(DTI)研究表明T2DM患者存在胼胝體、左側內囊前肢及外囊等部位白質完整性受損[5]，基于體素的形態學測量(VBM)研究表明T2DM患者存在顳上回、顳中回等腦區皮質萎縮現象[6]，靜息態功能連接研究發現T2DM患者右側顳中回等腦區與后扣帶皮層功能連接強度降低[4]、MRI波普分析(MRS)發現T2DM患者存在額葉白質NAA/Cr比值及豆狀核MI/Cr比值改變[7]。這些改變與患者認知水平下降有密切關聯。另外，由創傷后應激障礙[8]、腦血管病變[9]等原因導致的與認知功能受損有關的大腦改變，MRI也能對其進行有效的評估。因此，神經影像學作為一種安全、無創的在體研究手段，對探索T2DM發生MCI的神經生理機制具有重要意義。

圖3 D-MCI組和HC組fALFF值存在差異的腦區(P<0.05，AlphaSim校正)。圖像左上方數字為層面在MNI坐標系中的Z坐標。標準色條代表t值。R：右。L：左。Fig.3 fALFF difference s between D-MCI and HC groups (P<0.05,AlphaSim corrected).Z of Montreal Neurological Institute coordinates is on the upper left of images.Color scale denotes the t value.R:Right.L:Left.

本研究主要采用rs-fMRI對T2DM伴MCI患者的腦功能改變特點進行探討。既往研究表明，受試者在尚未出現腦結構變化時已經存在功能的異常改變[2，4]，而目前MRS在保證受試者安全的前提下能探測到的代謝物種類有限，因此相對于上述針對腦結構和代謝的研究技術而言，功能研究可能在探測T2DM伴MCI患者大腦自發性活動改變方面更具有優勢。在眾多rs-fMRI指標中，ReHo和fALFF值作為功能分離研究方面的指標，能較好地反映全腦自發性活動的特點，其中ReHo度量一個體素與其相鄰體素之間的神經元活動同步性，而ALFF度量每個體素神經元的自發性活動強度。ReHo在探測局部異常時比ALFF更具敏感性，而ALFF可在探測全腦自發性活動方面為ReHo做一個補充[10]，將ReHo與ALFF相結合應用在T2DM的研究已有先例[2]。ALFF經標準化后得到fALFF，可進一步突出其低頻特性。本項研究采用ReHo和fALFF兩個指標對T2DM伴MCI患者靜息態腦功能進行分析，成功探測到了多個腦區的異常活動。

筆者主要發現額上回和小腦的ReHo值異常及雙側扣帶回前部fALFF值顯著增高，提示T2DM伴MCI的患者存在高級認知功能的損傷。當把額上回分為前內側、背外側和后部三份時，發現額上回前內側與前扣帶皮層在解剖上聯系密切，而前扣帶皮層是認知控制網絡的重要節點[11]。認知控制網絡主要由外側前額葉皮層、扣帶回前部組成，執行錯誤偵測、沖突監測、反應選擇等功能，從而使個體在信息加工中可根據當前任務目標，自上而下地對相關信息進行儲存、計劃和操控，屬于高級認知功能[12]。另外，已有研究證實小腦可接受來自前額葉皮層的投射，并獨立于運動控制對前額葉皮層信息進行處理，從而參與認知控制過程[13]。而額上回背外側則通過弓狀纖維與額中回相聯系，進而參與認知執行網絡[11]。T2DM伴MCI患者存在右側眶部額上回、右側內側額上回、右側背外側額上回、雙側內側眶額部額上回、右側額中回、小腦、雙側扣帶回前部等區域的異常腦功能活動，累及了認知控制網絡的重要腦區，甚至累及了與認知執行有關的額中回，因此T2DM伴MCI患者存在高級認知功能的損害。T2DM伴MCI患者的HbA1c與扣帶回前部fALFF值呈顯著負相關(r=－0.482，P=0.027)，也間接證實了T2DM對認知損傷的發生具有促進作用。

筆者還發現T2DM患者右側舌回及左側枕中回的功能活動異常，與正常對照組相比其ReHo與fALFF值顯著降低，這可能與T2DM患者視覺信息處理過程受損有關。右側舌回、左側枕中回位于Brodmann 18區，與Brodmann 19區共同組成視覺皮層紋外區，其功能是綜合視覺信息并形成有意識的知覺，屬于高級視覺皮層。最新研究證實，失明患者可存在舌回、枕中回等皮層厚度改變和任務激活程度改變[14]。而當T2DM患者存在視網膜病變時，其舌回ReHo值及ALFF值平均水平也顯著低于正常對照組，且與連線測試B、復雜圖形延遲記憶測試等視覺記憶相關測試得分降低相關[2]。T2DM常伴發視網膜病變，因此推測，右側舌回、左側枕中回等視覺功能相關的腦區活動異常可能與之有關，但具體機制尚需更深入的研究。

T2DM伴MCI患者存在右側顳下回ReHo值降低和左側顳下回fALFF值增高的表現，預示T2DM可對患者語義認知功能造成損傷。顳下回后部在詞匯識別中具有重要作用，尤其語義癡呆患者可存在左側顳下回的損傷[15]。已有研究證實T2DM患者存在左側顳下回代謝活動減低，且其左側顳下回灰質密度減低的程度隨著病程進展而加重[16]，這些證據同時指向了T2DM患者可存在左側顳下回的損傷。筆者還發現MoCA評分與左側顳下回fALFF值呈顯著負相關(r=－0.547，P=0.010)，但這種相關性需要謹慎對待，因為MoCA反映的是總體認知水平，并不針對詞匯記憶等認知專項領域。

本研究存在部分局限性。第一，樣本量相對較小且為橫斷面研究，對T2DM與MCI之間因果關系的解釋存在一定困難，因此展開大樣本量的前瞻性研究顯得尤為必要；第二，部分降糖藥物對認知水平的影響。盡管文獻報道降血糖藥物有助于維持正常的認知水平[17-18]，但不同類型藥物的具體效果存在差異，且某些藥物如二甲雙胍在保護認知功能方面的作用還存在爭議[19]。因此有必要通過藥物治療前后的對比研究對該問題進行探索；第三，其他混雜因素可能對實驗結果產生一定影響，如MRI數據采集時血糖變化，腦小血管病變等。

綜上所述，ReHo和fALFF分析有效地反映了T2DM伴MCI患者存在廣泛的腦功能異常活動改變，發生改變的腦區主要包括額上回、扣帶回前部、右側舌回、左側枕中回、雙側顳下回等區域，累及了認知控制網絡、視覺信息處理、語義認知等相關腦區，這些異常腦功能活動可部分闡述T2DM伴發MCI的神經生理基礎，為進一步探討T2DM發生認知功能損害甚至進展為癡呆的神經機制提供新的參考依據。

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