2型糖尿病患者腦血流和功能連接變化及與記憶功能的關系

張 揚，馬光陽，王紫蕊，杜米楠，李 瀅，張 權*

(1.天津醫科大學總醫院醫學影像科，天津 300052；2.天津醫科大學代謝病醫院放射科，天津 300134)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)是認知障礙和癡呆的危險因素[1]，患者長期高血糖狀態可引發病理性腦血管改變，導致大腦慢性隱匿性缺血[2]。既往研究[3]發現，T2DM患者腦血流(cerebral blood flow, CBF)異常可能加速大腦老化，導致記憶功能障礙；但目前針對T2DM患者CBF變化的研究尚少，CBF對腦老化的影響及其機制尚未明確。本研究采用動脈自旋標記(arterial spin labeling, ASL)技術縱向觀察T2DM患者5年CBF變化，評估CBF改變腦區功能連接(functional connectivity, FC)變化，探討T2DM患者CBF和FC變化與記憶功能的關系。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2013年5月—2014年12月27例T2DM患者(T2DM組)，男16例，女11例，年齡40～67歲、平均(55.0±7.6)歲，病程1～22年、中位病程7年。同期選取性別、年齡匹配的健康志愿者36名為對照組，男19名，女17名，年齡40～70歲、平均(52.3±6.9)歲。納入標準：①入組時(基線)資料及5年后隨訪資料完整，且所用MRI、實驗室檢查及認知測評方法一致；②隨訪期間未發生腦血管意外或影響認知功能的精神或神經疾病；③根據美國糖尿病學會2010年標準診斷T2DM，無T2DM相關并發癥。排除有癡呆家族史或MR檢查禁忌證者。

1.2 記憶功能檢測 入組及5年后隨訪時均行簡易智能精神狀態檢查量表(mini-mental state examination, MMSE)、聽覺言語學習測驗(auditory verbal learning test, AVLT)(包括短時和長時記憶)和數字廣度測試(digital span test, DST)(包括數字順背和數字倒背)。

1.3 儀器與方法 采用GE Discovery 750 3.0T MR掃描儀，8通道頭部線圈。掃描序列及參數：以三維快速自旋回波和背景抑制的假連續式ASL(pseudo continuous ASL， PCASL)獲取CBF圖，TR 4 886 ms， TE 10.5 ms，FA 90°，PLD 2 025 ms，FOV 240 mm×240 mm，重建矩陣128×128，40個軸向層面(層厚4 mm，無間隔)，激勵次數3；以梯度回波單次激發平面回波成像(single shot gradient-recalled echo-echo planar imaging， SS-GRE-EPI)序列采集靜息態fMRI，TR 2 000 ms，TE 45 ms，FA 90°，FOV 220 mm×220 mm，矩陣64×64，32個軸向層面(層厚4 mm，層間隔0.5 mm)，共180個時間點；以BRAVO序列采集矢狀位3D-T1WI，TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，TI 450 ms， FA 12°，FOV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層數188(層厚1 mm，無間隔)。

1.4 圖像分析 采用SPM12軟件對CBF圖進行預處理。將原始ASL圖像非線性配準、以標準化參數將CBF圖像配準到標準空間(Montreal Neurological Institute， MNI)，去除頭皮，使用半高全寬8 mm高斯核對圖像進行平滑。

采用DPARSF軟件對靜息態fMRI數據進行預處理：①去除前10個時間點的數據；②行時間矯正；③行頭動校正；④以DARTEL方法將功能像配準到MNI空間；⑤去線性漂移；⑥回歸協變量；⑦行0.01～0.08 Hz帶通濾波；⑧行8 mm高斯核空間平滑。

1.5 統計學分析 采用SPSS 22.0統計分析軟件。對符合正態分布的連續變量行雙樣本t檢驗，對二分變量數據行χ2檢驗。以SPM12軟件對2組CBF圖進行基于體素的重復測量方差分析，得到組別(T2DM組和對照組)×時間(5年)交互效應顯著的區域(FDR校正，P<0.05)作為ROI，測量其內平均CBF，并行事后檢驗。將上述CBF交互效應顯著的枕葉視覺皮層劃分為7個亞區，即左側V1背側區(LV1d)、右側V1背側區(RV1d)、左側V2背側區(LV2d)、右側V2背側區(RV2d)、左側V3區(LV3)、右側V3區(RV3)和右側Vp區(RVp)，并分別以各亞區為種子點獲得全腦FC圖，并進行Z變換。對FC行基于體素的重復測量方差分析，得到組別×時間交互效應顯著的腦區(FDR校正，P<0.05)。采用偏相關分析觀察CBF、FC與記憶行為學及血糖指標之間的相關性。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

T2DM組與對照組基線及隨訪MMSE、短時記憶、長時記憶、數字順背及數字倒背結果差異均無統計學意義(P均>0.05)，見表1。

表1 2組間基線及5年后隨訪認知功能比較(分，±s)

表1 2組間基線及5年后隨訪認知功能比較(分，±s)

組別MMSE基線隨訪短時記憶基線隨訪長時記憶基線隨訪數字順背基線隨訪數字倒背基線隨訪T2DM組(n=27)29.22±1.0128.44±1.4247.33±8.06 44.37±9.0310.22±3.369.26±2.258.37±1.218.04±1.295.48±1.22 5.04±1.37對照組(n=36)29.50±0.9427.97±1.2648.36±12.8246.19±9.9910.94±3.2810.26±3.027.97±1.738.11±1.012.134±1.225.44±1.38t值-1.1221.363-0.366-0.747-0.849-1.4911.020-0.2561.101-1.162P值0.2660.1780.7160.4580.3990.1410.3120.7980.2750.250

基于體素的CBF重復測量方差分析結果顯示，雙側枕葉皮層區存在顯著的組別×時間交互效應(FDR校正，P<0.05；體素數4 320；峰值點MNI坐標：2,-96,-6)，見圖1A。事后分析顯示，T2DM組與對照組基線枕葉皮層CBF差異無統計學意義(P>0.05)；5年后隨訪，T2DM組枕葉皮層CBF顯著低于對照組(P<0.05)，見表2、圖1B。為排除腦灰質體積對結果的影響，進一步提取該處枕葉皮層灰質體積行重復測量方差分析，結果顯示該區域灰質體積的組別×時間交互效應不顯著(F=0.098，P=0.754，圖1C)。

圖1 CBF圖及重復測量方差分析結果 A.CBF圖示枕葉皮層存在顯著組別×時間交互效應(FDR校正，P<0.05)； B.CBF存在顯著交互效應； C.枕葉皮層CBF交互效應顯著區域的灰質體積未見明顯交互效應

表2 2組間CBF及FC交互分析事后檢驗結果(±s)

表2 2組間CBF及FC交互分析事后檢驗結果(±s)

組別枕葉皮層CBF[ml/(min·100g)]基線隨訪左側顳葉FC基線隨訪右側顳葉FC基線隨訪T2DM組(n=27)58.99±12.1053.96±11.62?0.27±0.170.19±0.14?0.29±0.160.19±0.14?對照組(n=36)60.74±11.2561.51±12.340.19±0.170.21±0.170.19±0.150.21±0.16t值0.5982.4881.779-0.5512.525-0.445P值0.5520.0160.0800.5840.0140.658

注：*：與同組基線水平比較，P<0.05

上述交互效應顯著的枕葉視覺皮層7個亞區中，LV1d與雙側顳葉FC存在顯著組別×時間交互效應(FDR校正，左側P=0.002，體素數4 320，峰值點MNI坐標：-57,-9,-9；右側P=0.004，體素數627，峰值點MNI坐標：60,-21,-6)，見圖2A、2B。以FC顯著交互區峰值點坐標為中心，以5 mm半徑勾畫小球，建立ROI，提取其平均FC，雙樣本t檢驗行事后分析顯示，T2DM組右側顳葉基線FC高于對照組(P<0.05)，5年后隨訪時組間雙側顳葉FC差異均無統計學意義(P均>0.05)。5年后隨訪時T2DM組雙側顳葉FC較基線水平均下降(P均<0.05)，而對照組未見明顯縱向改變。見表2及圖2C、2D。

圖2 LV1d種子點全腦FN圖及重復測量方差分析結果 A.LV1d種子點； B.種子點與雙側顳葉間FC存在顯著組別×時間交互效應(FDR校正，P<0.05)； C、D.左側顳葉(C)及右側顳葉(D)FC存在顯著交互效應

相關性分析結果顯示，T2DM患者LV1d與右側顳葉間基線FC值與短時記憶表現呈正相關(r=0.446，P=0.033)；LV1d與左側顳葉間基線FC與短時記憶表現出正相關趨勢(r=0.401，P=0.058)。5年后隨訪時T2DM組枕葉皮層CBF與數字順背評分呈正相關(r=0.493，P=0.012)；LV1d與右側顳葉間FC與長時記憶表現出正相關趨勢(r=0.392，P=0.058)。見圖3。

圖3 T2DM患者CBF、FN與認知功能的相關性散點圖 A.隨訪時枕葉皮層CBF與數字順背評分； B.隨訪時LV1d與右側顳葉間FC與長時記憶評分； C.基線LV1d與左側顳葉間FC與短時記憶評分； D.基線LV1d與右側顳葉間FC與短時記憶評分

3 討論

本研究對T2DM患者進行5年縱向隨訪，發現T2DM組與對照組間基線及隨訪MMSE、短時記憶、長時記憶、數字順背及數字倒背差異均無統計學意義，提示T2DM患者尚未出現明顯記憶減退；T2DM組視覺皮層CBF 5年內下降程度明顯高于對照組，存在顯著差異的枕葉皮層區域主要分布于雙側V1d區、V2d區、V3區和右側Vp區，其中LV1d區與雙側顳葉FC存在顯著組別×時間交互效應。視覺系統是能量消耗最高的系統之一[4]，由腦血流為其供氧。腦血流不足、能量代謝異常均可導致枕葉皮層功能障礙。視覺損害是糖尿病常見并發癥之一，T2DM患者視覺皮層代謝異常[5]、灰質體積減小[6]且CBF下降[7]。視覺皮層接受信息后由V1、V2、Vp傳至V4，再到顳葉區域，此為腹側枕額通道，與記憶功能密切相關[8]。本研究發現5年后組間枕葉皮層區灰質體積尚未見顯著差異，但T2DM患者枕葉皮層CBF較5年前顯著下降，且與數字順背評分呈正相關，提示T2DM患者視覺皮層血流供應相對不足可能先于體積變化，并可導致記憶功能受損。

本研究發現初級視覺皮層V1d區與雙顳葉FC存在顯著交互效應。V1區為重要信息處理區，是多數高級神經精神活動的基礎腦區[9-10]；且視覺刺激可對聽覺產生增敏效果，顳葉聽覺皮層獲取的信息可由投射到初級視覺皮層V1區的聽覺皮層神經元編碼，即視聽皮層間存在聯系并相互作用[11]。島葉也參與處理和整合視覺、聽覺信息[12]，故LV1d區與顳葉間FC可能反映感覺信息的交叉整合處理能力。視覺及聽覺障礙是T2DM常見外周神經病變[13]，研究[14]發現T2DM患者視聽反應時間增加。本研究中T2DM組LV1d與右側顳葉間基線FC顯著高于對照組，且與短時記憶表現呈正相關；而5年后該區FC顯著下降，與記憶表現的相關性消失，提示基線階段T2DM患者視聽皮層CBF尚未出現下降，且視聽皮層間FC代償性增強，而5年后隨訪階段視覺皮層CBF顯著下降，視聽皮層間FC的代償隨之減弱，且以右側為著。由于本研究T2DM組患者平均年齡為55歲，5年隨訪期可能不至于出現視聽皮層間FC完全失代償，故其記憶功能尚未顯著下降。

本研究的主要局限性：受樣本量限制，未考慮糖尿病藥物治療對結果的影響；隨訪5年，時間偏短，不足以充分體現T2DM患者記憶功能改變，需繼續隨訪觀察。

綜上，T2DM病變早期存在視聽皮層間FC代償性增強，之后伴隨血流供應減少，枕葉、顳葉視聽皮層間FC代償逐漸下降，可能是T2DM患者記憶功能下降的神經機制之一。