2型糖尿病患者工作记忆相关脑区的无效率激活

张会美，李　威，张　扬，卢　山，李　楠，倪长林，张　权

（1.天津医科大学总医院放射科 天津市功能影像重点实验室，天津　300052；2.天津医科大学代谢病医院，天津　300060）

2型糖尿病患者工作记忆相关脑区的无效率激活

张会美1，李威1，张扬1，卢山2，李楠1，倪长林2，张权1

（1.天津医科大学总医院放射科 天津市功能影像重点实验室，天津300052；2.天津医科大学代谢病医院，天津300060）

目的：探讨2型糖尿病（T2DM）患者工作记忆相关脑区的激活改变，及其可能的神经机制。方法：对21例T2DM患者及21名正常对照受试者进行数字1-back任务下的fMRI实验。采用SPM8软件进行数据预处理和统计分析，组内分析采用单样本t检验，组间比较采用双样本t检验，统计阈值均设定为P＜0.01（AlphaSim校正）。将组间差异区的BOLD信号变化百分比与工作记忆任务的反应时间及糖化血红蛋白之间进行相关分析。结果：T2DM组的空腹血糖和糖化血红蛋白明显高于对照组（P＜0.001），1-back任务的正确率明显低于对照组（P＜0.05）。在1-back任务下，T2DM组的双侧前额叶腹外侧及背外侧、右侧后顶叶皮层的激活强度明显高于对照组（P＜0.01），左侧顶下小叶和右侧额上回的负激活程度明显低于对照组（P＜0.01）。双侧前额皮层背外侧的激活强度与1-back任务的反应时间明显负相关（P＜0.05）。结论：T2DM患者存在工作记忆能力损害，工作记忆相关脑区以过度激活的模式对工作记忆能力进行有限的代偿。

糖尿病，2型；认知障碍；磁共振成像

2型糖尿病（T2DM）是以高血糖为特征的一种代谢性疾病，发病率逐年增加，可导致糖尿病肾病、脑病等多种并发症。研究表明，T2DM患者发生认知障碍和痴呆的风险明显增加［1-2］，影响生活质量，增加社会负担。工作记忆（WM）是一种重要的基础认知功能，行为学研究表明T2DM患者的WM能力明显下降［3］，但关于T2DM对WM影响的神经基础研究较少［4］。本研究拟采用WM任务下的功能磁共振成像（fMRI）方法，探讨无并发症的T2DM患者的脑激活形式，及其与WM表现和血糖控制水平之间的关系，进而分析T2DM对WM影响的可能神经机制。

1　资料与方法

1.1研究对象

收集T2DM患者26例，入组标准：符合糖尿病国际诊断标准；右利手；简易智能精神状态检查量表评分≥27分。排除标准：①痴呆家族史；②脑外伤史；③中风史；④酒精或药物成瘾史；⑤可能影响认知的重症抑郁或其他神经精神疾病；⑥甲状腺功能障碍；⑦肾脏疾病（尿蛋白＞300 mg/mL）；⑨严重视听缺损；⑩MR检查禁忌症；⑾体质量指数（BMI）＞30；⑿近期服用过可能影响脑功能的药物或激素；⒀癫痫史；⒁TIA史；⒂脑白质病变。招募性别、年龄匹配的健康对照组25例，不符合糖尿病国际诊断标准，其它入组和排除标准同患者组。

所有受试者中，3例患者和2名对照者因在常规MRI检查中可见明显脑白质病变而排除；另有2例患者和2名对照者因在fMRI扫描中头部平移大于2 mm或旋转超过2°而排除。最终两组各有21例受试者入组，用于进一步统计分析。所有入组受试者均接受实验室检查，包括空腹血糖（FBG）、糖化血红蛋白（HbA1c）、甘油三酯、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、总胆固醇。两组受试者的性别、年龄、教育程度、糖尿病病程、血压、血脂、血糖及工作记忆表现等资料见表1。

表1　对照组及T2DM组人口学、行为学及实验室检查结果

本实验经天津医科大学总医院医学伦理委员会批准，并在获得所有受试者的书面知情同意后进行。

1.2工作记忆（WM）任务

本研究采用组块设计的n-back WM任务，包括 0-back和1-back。每个任务组块以提示语开始，然后连续呈现一组数字，两个数字的间隔时间为2 000 ms，每个数字的呈现时间为1 000 ms。在 0-back任务中，要求受试者对数字‘0'做出反应，在1-back任务中要求受试者判断当前呈现的数字与前一个数字是否相同。实验中，6个0-back和5个1-back组块交替进行，每个组块中靶刺激（0-back中的“0”和1-back中与上一个数字相同的当前数字）的数量占50%，且随机出现。所有的数字均以白色40号的Arial字体呈现于黑色屏幕中心。采用EPrime 2.0软件编写刺激程序，并记录受试者的按键反应。实验内容通过视觉刺激系统（NordicNeuroLab，Bergen，Norway）传输至磁体间。实验前先对受试者进行培训，在完全理解实验内容的情况下进行正式实验，并于实验结束后计算受试者执行1-back任务的反应时间（RT）和正确率。

1.3数据采集

应用3.0T磁共振扫描仪（Discovery MR750，GE）对受试者进行常规MRI采集（用于排除脑部疾病）及n-back任务下的全脑fMRI扫描。T2WI采用快速自旋回波序列，参数如下：重复时间（TR）=2 000 ms，回波时间（TE）=90 ms，反转角（FA）=90°，视野（FOV）=256 mm×256 mm，矩阵256×256，层厚=3 mm，层间距=1 mm，层数 35。3D-T1WI采用脑容积成像序列（BRAVO），参数如下：TR=8.15 ms，TE=3.17 ms，反转时间（TI）=450 ms，FA=12°，FOV=256 mm× 256 mm，矩阵256×256，层厚=1 mm，无间隔，188层，矢状位采集。BOLD-fMRI采用梯度回波单次激发回波平面成像序列（GRE-EPI），参数如下：TR=2000ms，TE=45 ms，FOV=220 mm×220 mm，矩阵 64×64，FA= 90°，层厚=4 mm，层间距=0.5 mm；层数32，层面内分辨率=3.75 mm×3.75 mm，扫描时间为4分24秒，其中前12秒为匀场时间，不采集数据。

1.4数据预处理

采用基于MATLAB的SPM8软件进行数据预处理。首先对每个受试者的fMRI数据进行时间校正、头动校正、空间标准化和空间平滑。通过头动校正排除头部旋转大于2°和平移大于2 mm的受试者。空间标准化采用EPI模板将个体数据归一化到MNI标准空间，并进行重新采样使每个体素大小为3 mm×3 mm×3 mm。最后采用6 mm半高全宽的高斯核进行空间平滑处理，以降低噪声并减小脑结构的个体差异。

1.5统计分析

采用SPM8软件中的一般线性模型进行统计分析。组内分析采用单样本t检验，获得1-back相对于0-back的正、负激活脑区，统计阈值设定为P＜0.01（Alphasim校正）。将两组的正激活和负激活结果分别建立掩模（mask），并取其并集生成新的正、负激活mask用于组间比较。组间比较采用双样本t检验，将年龄、性别和教育程度作为协变量，比较在上述并集mask范围内两组间的正、负激活差异，统计阈值设定为P＜0.01（Alphasim校正）。将正、负激活的组间差异区建立为兴趣区（ROI），并计算该兴趣区内所有体素的平均BOLD信号变化百分比（PSC）。采用SPSS 16.0软件对PSC与WM行为学表现和HbA1c之间进行相关分析，统计显著性水平设定为P＜0.05。

采用SPSS 16.0软件中的Kolmogorov-Smirnov方法检验两组被试年龄、教育程度、行为学指标和实验室检查结果是否符合正态分布，符合正态分布者进行双样本t检验，不符合者进行Mann-Whitney U检验，对两组受试者性别差异进行卡方检验。统计显著性水平设定为P＜0.05。

2　结果

2.1人口学、行为学及实验室检查结果

人口学、行为学及实验室检查结果的组间比较见表1。T2DM患者组教育程度高于对照组（P＜0.05），FBG和HbA1c明显高于对照组（P＜0.001），1-back任务的RT低于对照组（P＜0.01）。余各项指标两组间差异无显著性。

2.2WM相关脑激活结果

对照组正激活脑区主要包括：右侧前额皮层腹外侧（vlPFC）、右侧前额皮层背外侧（dlPFC）、右侧顶后皮层（PPC）、双侧辅助运动区（SMA）和右侧颞上回；负激活脑区主要包括：双侧前额皮层内侧面（mPFC）/前扣带、后扣带、右侧额上回、右侧楔前叶、左侧顶下小叶、双侧枕叶（图1a）。

患者组正激活脑区主要包括：左侧vlPFC、双侧dlPFC、双侧PPC、双侧SMA、左侧岛叶、左侧基底节-丘脑区和左侧颞叶；负激活脑区主要包括：双侧mPFC和左侧额上回（图1b）。

组间比较显示，患者组高于对照组的正激活脑区包括双侧dlPFC、vlPFC和右侧PPC；未见患者组低于对照组的正激活脑区。与对照组相比，患者组负激活下降的脑区包括左侧顶下小叶和右侧额上回；未见患者组负激活增强的脑区（图1c）。

图1　工作记忆组内激活图及组间差异图。A，正常对照组；B，患者组；C，为组间比较。A和B中的暖色代表正激活，冷色代表负激活；C中的暖色代表T2DM组正激活增强区，冷色代表T2DM组负激活减弱区。Figure 1.　Working memory related brain activity within groups and intergroup difference maps.A，normal control；B，T2DM group；C，intergroup difference.Warm and cold colors in A and B represent the positive and negative activations respectively.Warm and cold colors in C indicate increased positive activations and decreased　negative　activations　in　T2DM　group compared with normal controls.

2.3脑激活与行为学及HbA1C的相关性

T2DM组双侧dlPFC的PSC与1-back任务的RT呈负相关（图2），右侧顶叶后部皮层的PSC与1-back任务的RT有负相关趋势；各差异脑区的PSC与HbA1C均无明显相关性。

图2　BOLD信号变化百分比（PSC）与反应时间（RT）之间的相关性。T2DM组右侧（A）及左侧（B）前额叶背外侧皮层的PSC与RT明显负相关。Figure 2.Correlation analysis between PSC and RT.There are significant negative correlations between PSC of the right（A）and the left（B）dorsal lateral gyrus of the prefrontal cortex and the RT.

3　讨论

本研究对无并发症的T2DM患者进行n-back任务的fMRI研究。T2DM患者的1-back任务的正确率明显低于对照组，双侧dlPFC、vlPFC和PPC等脑区呈现过度激活，且双侧dlPFC的激活强度与1-back的RT呈负相关；T2DM患者默认网络的部分脑区负激活下降。上述结果提示T2DM患者需动员更多脑资源，以过度激活的形式对WM能力的下降进行有限的代偿。

3.1T2DM患者WM相关脑区过度激活

本研究中，T2DM患者表现为过度激活的脑区主要包括双侧dlPFC、vlPFC和右侧PPC，这些脑区是经典的WM相关脑区。dlPFC在管理执行控制过程中起关键作用，包括组织整理信息、减少认知负荷、促进记忆能力，整编资料使之成为熟悉或者有规律的结构以提高WM能力等［5］。vlPFC与记忆信息的存储和提取有关，其激活与受试者记住或提取目标刺激的努力程度有关［6］。PPC广泛涉及到WM过程的各个阶段［7］。这些脑区构成的额顶网络是WM的重要结构基础，其联合作用是WM顺利完成的保证［8］。上述脑区在T2DM患者中过度激活，提示在执行WM任务时需要动员更多脑资源以完成任务，表现为脑区功能代偿［9］。T2DM患者双侧dlPFC激活程度与1-back任务RT呈负相关，即激活程度越强，反应越快，这一结果也提示前额叶脑区的过度激活是一种代偿反应，但患者组WM的反应正确率明显低于对照组，提示这种脑区过度激活的代偿能力有限，或者说脑区活动效率低下。

3.2T2DM患者负激活减弱

本实验两组中的负激活脑区均以默认网络（DMN）为主，但患者组左侧顶下小叶和右侧额上回的负激活下降。DMN脑区在静息态下激活增强，与自省、意识程度、场景记忆、环境警觉及其它高级认知功能相关。而在任务状态下，DMN表现为负激活。T2DM患者的DMN部分脑区在WM任务中的负激活减弱，提示患者不能有效抑制DMN脑区，而影响任务表现。这一表现也见于1型糖尿病中［10］。静息态下的功能连接研究也发现T2DM患者的DMN存在功能异常［11］。

3.3T2DM患者WM损害的可能机制

糖尿病的多种并发症（如脑血管病变等）可影响脑功能，因此本研究仅选择了无并发症的T2DM患者，以避免并发症对实验结果的影响。T2DM对脑认知功能的损害机制复杂，但主要与高血糖引起的一系列代谢功能改变有关。长期处于高血糖状态可使醛糖还原酶活性增高，从而激活山梨醇通路，过多的山梨醇可导致细胞内高渗，损害神经细胞的结构与功能［12］。持续高血糖状态可使自由基的产生增多，损害神经细胞。高级糖基化终产物积聚可引起蛋白质结构、理化特性和功能状态发生改变，引起微血管病变和神经损伤［13］。上述各种机制的综合作用可能是导致脑区活动异常的病理生理基础。但本研究中，脑区激活程度与HbA1c之间并无相关性。分析其原因可能与本实验采用的实验任务相对简单有关，增加任务难度（如2-back）后有可能发现二者之间的相关性［4］。

本研究证实T2DM可损害WM能力，T2DM患者WM相关脑区以过度激活的模式对WM能力进行有限的代偿。本研究的不足之处在于样本量相对较小，且未对WM的负载效应进行分析。此外，本研究虽然排除了肉眼可见的脑血管病变，但不能排除微血管异常对结果的影响。如能将脑激活、脑血流测量及脑内葡萄糖代谢情况相结合进行综合研究，有望对T2DM患者WM损害的神经机制有更深入的理解。

［1］Umegaki H.Type 2 diabetes as a risk factor for cognitive impairment：current insights［J］.Clin Interv Aging，2014，9：1011-1019.

［2］van Harten B，Oosterman JM，Potter van Loon BJ，et al.Brain lesions on MRI in elderly patients with type 2 diabetes mellitus［J］.Eur Neurol，2007，57（2）：70-74.

［3］Takeuchi A，Matsushima E，Kato M，et al.Characteristics of neuropsychological functions in inpatients with poorly-controlled type 2 diabetes mellitus［J］.J Diabetes Invest，2012，3（3）：325-330.

［4］He XS，Wang ZX，Zhu YZ，et al.Hyperactivation of working memory-related brain circuits in newly diagnosed middle-aged type 2 diabetics［J］.Acta Diabetol，2015，52（1）：133-142.

［5］Barbey AK，Koenigs M，Grafman J.Dorsolateral prefrontal contributions to human working memory［J］.Cortex，2013，49（5）：1195-1205.

［6］Dove A，Rowe JB，Brett M，et al.Neural correlates of passive and active encoding and retrieval：A 3T fMRI study［J］.Neuroimage，2001，13（6）：S660.

［7］Soto D，Greene CM，Kiyonaga A，et al.A parieto-medial temporal pathway for the strategic control over working memory biases in human visual attention［J］.J Neuroscience，2012，32（49）：17563-17571.

［8］Repovs G，Barch DM.Working memory related brain network connectivity in individuals with schizophrenia and their siblings［J］.Frontiers Human Neuroscience，2012，6：137.

［9］Strangman G，O'Neil-Pirozzi TM，Burke D，et al.Functional neuroimaging and cognitive rehabilitation for people with traumatic brain injury［J］.Am J Physical Med Rehab，2005，84（1）：62-75.

［10］Bolo NR，Musen G，Jacobson AM，et al.Brain activation during working memory is altered in patients with type 1 diabetes during hypoglycemia［J］.Diabetes，2011，60（12）：3256-3264.

［11］Musen G，Jacobson AM，Bolo NR，et al.Resting-state brain functional connectivity is altered in type 2 diabetes［J］.Diabetes，2012，61（9）：2375-2379.

［12］Aguayo MF，Ampuero D，Mandujano P，et al.Sorbitol dehydrogenase is a cytosolic protein required for sorbitol metabolism in Arabidopsis thaliana［J］.Plant Sci，2013，205-206：63-75.

［13］Singh VP，Bali A，Singh N，et al.Advanced Glycation End Products and Diabetic Complications［J］.Korean J Physiol Pharmacol，2014，18（1）：1-14.

Inefficient activity in working memory related brain regions in patients with type 2 diabetes mellitus

ZHANG Hui-mei1，LI Wei1，ZHANG Yang1，LU Shan2，LI Nan1，NI Chang-lin2，ZHANG Quan1
（1.Department of Radiology and Tianjin Key Laboratory of Functional Imaging，Tianjin Medical University General Hospital，Tianjin 300052，China；2.Tianjin Medical University Metabolic Diseases Hospital，Tianjin 300060）

Objective：To investigate the altered activity of working memory related brain regions in patients with type 2 diabetes mellitus（T2DM），and the possible neural mechanisms.Methods：Twenty-one T2DM patients and 21 normal subjects received functional MRI（fMRI）scanning with a 1-back working memory（WM）task in this study.The fMRI data were preprocessed using SPM8.One-sample t-test and two-sample t-test were used to analyze the WM related brain activity within and between groups，respectively.Statistical thresholds were set at P＜0.01（AlphaSim correction）.BOLD percent signal change（PSC）of regions with intergroup difference was calculated and the correlation analyses were performed between the PSC and the response time（RT）of 1-back task and glycosylated hemoglobin level.Results：The fasting plasma glucose and glycosylated hemoglobin level were significantly higher in T2DM patients than controls（P＜0.001），and accuracy of 1-back task was significantly lower than that of controls（P＜0.05）.Compared to the controls，T2DM patients showed significantly higher activation in the bilateral dorsolateral and ventrolateral prefrontal cortex and the right posterior parietal cortex（P＜0.01），and significantly lower deactivation in the left inferior parietal lobule and the right superior frontal gyrus（P＜0.01）.Significant negative correlations were found between the PSC of the bilateral dorsolateral prefrontal cortex and the RT in T2DM group（P＜0.05）.Conclusion：Hyperactivation of the WM related brain regions may have a limited compensation for the decreased WM behavior in T2DM patients.

Diabetes mellitus，type 2；Cognition disorders；Magnetic resonance imaging

R587.1；R749.2；R445.2

A

1008-1062（2015）05-0313-04

2014-08-22；

2014-09-25

张会美（1988-），女，山东人，在读硕士研究生。

张权，天津医科大学总医院放射科，300052。