2型糖尿病患者认知障碍静息态脑功能连接分析

刘永波　陆利

[摘要] 目的 利用靜息态脑功能磁共振成像的fALFF值及功能连接方法分析T2DM患者脑功能改变，探讨病情严重程度和认知障碍对于T2DM患者脑功能连接改变的影响。 方法 本研究基于静息态fMRI的方法，对31 例T2DM患者及27例健康对照者基于比率低频振幅技术进行脑功能连接分析研究。得到病例组和对照组的所有被试者的fALFF值并进行组间比较，获取fALFF值有差异的脑区；以这些脑区为种子点进一步进行基于全脑体素水平的功能连接分析，最后将患者的MMSE评分与异常功能连接的脑区进行相关分析。 结果 结果显示多个脑区功能连接异常，T2DM患者与健康对照者相比共有7个脑区的fALFF值出现异常增加或减低；基于这些脑区进行全脑体素水平的功能连接分析，有多个脑区出现功能连接的异常增强或减弱；患者的MMSE评分与异常功能连接的脑区存在一定的相关性。 结论 T2DM患者存在多个脑区fALFF值异常及多个功能连接异常的脑区，其中部分脑区可能是其产生认知功能及视觉功能障碍的神经病理机制，同时部分脑区存在认知及运动功能异常及代偿的神经调控机制；患者临床认知障碍与多个不同脑区的功能连接强度均有不同程度的相关。

[关键词] 2型糖尿病；认知障碍；比率低频振幅；功能连接

[中图分类号] R587.1；R445.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2018）09-0008-05

Analysis of resting brain functional connectivity in type 2 diabetic patients with cognitive impairment

LIU Yongbo1，2 LU Li1

1.Basic Medical College of Shanxi Medical University， Taiyuan 030001， China； 2.Shanxi Lu'an Group General Hospital， Changzhi 046204， China

[Abstract] Objective To analyze the changes of brain function in patients with T2DM by using fALFF value of resting state functional magnetic resonance imaging and functional connection method， and to explore the effect of severity of disease and cognitive impairment on the changes of brain function in patients with T2DM. Methods The brain functional connectivity analysis of 31 patients with T2DM and 27 healthy controls based on the fractional amplitude of low-frequency fluctuation was studied， based on the resting state fMRI method. The fALFF values of all subjects in the case group and the control group were obtained and compared between the groups to obtain the brain regions with different fALFF values. Further， these brain regions were used as the seed points for functional connection analysis based on the whole brain voxel level. Finally， the correlation analysis of the patient's MMSE score and abnormally functional brain regions was performed. Results The results showed that functional connectivity was abnormal in multiple brain regions. There was an abnormal increase or decrease of fALFF in 7 brain regions in T2DM patients compared with healthy controls. Based on functional connectivity analysis of whole brain voxel levels in these brain regions， There was an abnormal increase or decrease of functional connectivity in multiple brain regions. There was a certain correlation between MMSE score of patients and the brain area of abnormal functional connectivity. Conclusion There are multiple brain regions with abnormal fALFF values and multiple functional abnormalities in T2DM patients. Among them， some brain regions may be the neuropathological mechanism of cognitive function and visual dysfunction. At the same time， some brain regions have cognitive function and visual dysfunction and compensatory neuromodulation mechanism. The clinical cognitive impairment has different degrees of correlation with functional connection strength in multiple different brain regions.

[Key words] Type 2 diabetes； Cognitive impairment； Fractional amplitude of low-frequency fluctuation； Functional connectivity

近年来人们的生活水平逐渐提高，生活方式发生改变，糖尿病发病率不断增长，据国际糖尿病联盟最新统计数据显示，全球糖尿病患者总人数已超 3.8 亿，其中发展中国家最为显著，目前中国患病人数位居全球首位，人数已接近1亿。其中2型糖尿病（T2DM）发病隐匿且进展缓慢，后期可出现糖尿病脑病、视网膜病变等多种并发症。

Nielsen于1965 年曾提出“糖尿病脑病（diabetic encephalopathy，DE）”的概念，用于描述糖尿病患者的中枢神经系统的病理变化[1]。他认为糖尿病脑病是在老年人中出現不同程度的认知障碍及痴呆的一个重要危险因素之一，且视网膜病变可作为临床上糖尿病患者发生DE 的显著标志[2]。有研究表明与正常人相比，糖尿病患者有更高的风险发生认知障碍，且可加速阿尔茨海默病患者的疾病严重程度[3]。近年来随着神经影像科学的快速发展及人们对于糖尿病患者发生DE风险的关注，功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）已被广泛应用于糖尿病患者的脑结构与功能研究。其中最多应用的是静息态fMRI（rest-state fMRI），其基于MRI发展起来，可实时、无创性地研究患者清醒时大脑静息状态下的自发性神经活动，具有较好的依从性，可在患者行为学改变出现异常之前就可探知相关的脑区发生的功能性改变及损伤[4]。

有研究[5-6]应用低频振幅分析方法（amplitude of low frequency fluctuation，ALFF）对T2DM 患者及正常人的脑功能活动进行比较，结果发现患者的左侧梭状回、双侧颞中回及枕下回区域的ALFF 值明显减低，双侧小脑后叶及右侧小脑顶叶的ALFF值增高。T2DM患者的海马与多个脑区的功能连接强度较正常人减低[7]，有研究[7-9]以PCC为种子点，结果表明双侧颞中回、右侧额下回及左侧额内侧回、左侧丘脑等脑区的连接强度发生不同程度改变，但这些脑区对应的灰质体积未见明显改变，因此提示T2DM 患者的默认网络的改变出现在认知障碍症状出现之前或者在大脑结构改变之前，可作为认知障碍早期的检测指标，但其与认知障碍的关系并不清楚。ALFF和fALFF均是从能量的角度来反映大脑的自发性活动强弱[10]，不同的是fALFF是ALFF的一种改良，在低频段范围内具有更高的敏感性和特异性，更能准确地反映大脑自发活动的强弱[11-12]。鉴于此，本研究将利用静息态脑功能磁共振的比率低频振幅（fALFF）指标及以异常的fALFF值脑区为种子点进一步分析相关脑区间的功能连接改变，寻找T2DM患者脑功能早期改变的影像学依据。同时，对于反映患者的病情严重程度和认知障碍的临床指标参数与静息态脑功能连接改变参数进行相关分析，进一步阐述两者的关系，分析病情严重程度和认知障碍对于T2DM患者脑功能连接改变的影响，现报道如下。

1资料与方法

1.1 一般资料

本研究经本院医学伦理委员会审查批准并备案。T2DM患者与对照组健康志愿者均自愿同意参加本研究，T2DM组患者均来自潞安矿务局总医院内分泌科，共33 例，其中 2 例因被试者头动影响而排除，余 31 例纳入本研究。男 16 例，女 15 例，平均年龄（58.93±7.30）岁，均为右利手，平均MMSE 评分（28.07±1.82）分。所有受试者在进行磁共振扫描前均进行常规检查，包括神经系统体格检查（涉及脑神经、运动反射）、生化检测、胸部X线平片、血压、心电图，并进一步计算身体质量指数。其中生化检查项目包括空腹血糖、MR 扫描后的随机血糖、糖化血红蛋白、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、甘油三酯、总胆固醇。健康对照组27例患者来自本院职工、职工家属及部分从社会招募，与 T2DM组年龄、性别及利手相匹配，男13 例，女 14例，平均年龄（55.21±7.40）岁，平均MMSE评分（29.8±0.39）分。

1.2 数据采集

磁共振扫描使用德国Siemens公司生产的3.0T skyra超导磁共振机，采用32通道正交线圈。检查时嘱受检者平卧闭目，保持平静呼吸，两侧固定头部以最大限度减少头动，同时要求被试者保持安静、不要思考、不要入睡，双侧外耳道使用橡皮耳塞以降低噪音。扫描程序按以下顺序进行：（1）定位像；（2）常规T2WI，用以除外被试颅脑器质性病变；（3）静息态fMRI，采用梯度回波单次激发平面回波成像序列（GRE-EPI 序列），层厚3.5 mm，层间隔0.7 mm，TR=2000 ms，TE=30 ms，翻转角90，矩阵64×64，FOV 240×240 mm2，NEX=1，进行BOLD-fMRI扫描，扫描层数34层，扫描时间8 min，共240个时相；（4）3D T1WI解剖图像，采用三维快速扰相梯度翻转恢复（3D FSPGR）序列：层厚1.0 mm，TR=6.7 ms，TE=Min Full，矩阵256×256，FOV 256×256 mm2，NEX=1。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 数据预处理 采用静息态脑功能数据辅助处理软件（data processing assistant for resting-state fMRI，DPARSF，Advanced Edition）进行数据预处理，处理过程包括：（1）转换数据格式（从DICOM格式转化为NIFTI格式）；（2）去除前10个时间点；（3）时间层校正；（4）头动校正，去除头动的标准为2.5 mm；（5）空间标准化，采用EPI模板；（6）空间平滑，全宽半高值（FWHM） 均设为4；（7）去线性漂移；（8）回归协变量，提取并消除脑白质和脑脊液信号的影响，以脑白质和脑脊液区域的时间序列信号进行线性拟合，将脑白质和脑脊液的信号从总体信号中去除；（9）滤波，计算fALFF后进行滤波，设定频段为0.01～0.08 Hz。

1.3.2 fALFF分析与功能连接分析 本研究首先使用fALFF值为指标来分析静息态fMRI数据。fALFF是基于对低频振幅方法的一种改进，在低频率的范围内，fALFF具有更高的敏感性和特异度。首先在低频0.01～0.08 Hz的频段上对预处理数据进行带通滤波、傅里叶转换及均方根计算得到每个体素的振荡幅度值，然后除以全脑各个体素振幅的平均值而得到每个体素标准化的ALFF，最后再除以整个频段上的ALFF值，从而可得到每个体素标准化的fALFF值。基于fALFF值分析T2DM患者与对照组健康志愿者之间的差异。

然后，以获取的组间有差异的fALFF值的脑区为基础进一步进行基于计算时间序列的相关系数的功能连接分析。感兴趣脑区的选择使用SPM12软件的wfu_pickatlas工具，从fALFF值有差异的脑区中选取感兴趣区作为种子点。對于每个被试的脑区，分别计算它与其他各个脑区时间序列间的相关系数，对T2DM患者组和健康对照组均进行组内功能连接分析并进行两组间比较；另外，比较每个ROI与全脑体素水平的功能连接的差异。最后，将T2DM患者的MMSE评分与其相应的异常功能连接的脑区作相关性分析。

1.4 统计学方法

利用REST v1.8软件（http：//restingfmri.sourceforge.net）分别将T2DM患者与健康对照的fALFF的脑图进行独立双样本t检验，采用默认Brain Mask，经AlphaSim 校正，单个体素取P<0.05，校正结果最小体素为65。对于T2DM患者组与健康对照组的组内ROI间功能连接分析，使用REST软件的ROI wise功能完成，并对相关系数经Fishers变换得到对应的Z值，使用Z值作为参数指标纳入组内及组间功能连接分析。使用SPSS 23.0比较T2DM患者与健康对照组的每一个脑区与其它各个脑区的总体功能连接均值；此外，T2DM患者分别比较每个ROI与全脑体素水平的功能连接的差异，P<0.05为差异有统计学意义。利用SPSS 23.0软件对T2DM组的MMSE评分与有差异的脑区的功能连接分别行Pearson双尾相关分析。

2 结果

2.1 T2DM组与健康对照组的fALFF脑区分布图

T2DM组与健康对照组的fALFF脑图进行独立双样本t检验发现，T2DM组相对于健康对照组fALFF值升高的脑区有左侧距状裂周围皮层、右侧舌回、胼胝体及右侧内侧和旁扣带脑回；T2DM组相对于健康对照组fALFF值降低的脑区有右侧颞下回及梭状回、左侧枕下回、左侧顶上回、左侧顶下回、左侧楔前叶、左侧中央旁小叶、左侧补充运动区（图1）。从fALFF值有差异的脑区中共获取7个感兴趣区作为种子点进行进一步的功能连接分析（表1）。

表1 T2DM组较健康对照组fALFF升高或降低的脑区

注：MNI坐标，蒙特利尔神经科学研究所坐标轴；t值为正代表升高的fALFF值，t值为负代表降低的fALFF值

2.2功能连接分析

2.2.1 每个ROI与其他ROI功能连接的总体均体的组间比较 我们对于每一个被试的所有ROI脑区在组内分别与其他各个脑区进行功能连接分析，而后计算每个脑区总体连接的平均值进行组间比较。结果显示，T2DM组的fALFF值异常的7个脑区分别与健康对照组相比，所有脑区与其他各个脑区间总体连接均值无明显差异。

2.2.2 ROI与全脑体素功能连接分析的组间比较 对于fALFF值异常的脑区，分析每个ROI与全脑体素功能连接。结果显示，T2DM组和健康对照组相比，出现脑区间功能连接增强的有右侧颞下回、左侧顶下回。与健康对照组相比，出现脑区间功能连接减弱的为右侧额上回（图2）。

2.3患者MMSE评分与功能连接差异的相关性分析

利用SPSS23.0软件对T2DM患者的MMSE评分分别和有差异的脑区间的功能连接作相关性分析。结果显示右侧颞下回、顶下回与T2DM患者的MMSE评分呈正相关；右侧额上回与T2DM患者的MMSE评分呈负相关（表2）。

3 讨论

本研究显示，T2DM患者的fALFF值与健康对照组对比，在部分脑区出现升高与减低的变化，其中升高的脑区主要有左侧距状裂周围皮质、右侧舌状回、胼胝体及右侧扣带回；有研究采用任务态fMRI研究正常人在视觉刺激与视觉皮层的反应，结果发现双侧距状裂周围皮质及双侧枕叶等脑区的正激活，从而说明距状裂周围皮质与右侧舌状回构成了大脑视觉网络的关键部位[13-14]，研究显示对于视觉注意及视觉判断而言，舌状回则起关键性作用。近年来研究普遍认为，视觉皮层相关脑区出现功能活动的异常是糖尿病患者产生视网膜病变的关键因素之一[15]。因此距状裂周围皮质与舌状回的功能异常反映了糖尿病患者潜在的视网膜的病变[16]。T2DM组相对于健康对照组fALFF值降低的运动功能脑区有颞下回及梭状回、左侧枕下回、左侧顶上回、左侧顶下回、左侧楔前叶、左侧中央旁小叶、左侧补充运动区等，这些脑区参与皮层的高级整合功能，在情绪、思维、视觉处理活动及运动及行为计划执行及调整中起着重要的作用。以往也有研究表明T2DM患者补充运动区的ReHo值明显增高[15]，因此对于T2DM患者，这些脑区可能参与了对受损脑区一定程度的补充调整及代偿机制[17]。楔前叶参与视空间信息处理、自我意识的形成、记忆的存储及提取等，因此在认知功能网络中起着非常重要的作用[17]。本研究中T2DM组左侧楔前叶fALFF减低，表明楔前叶网络引起的神经元活动同步性功能下降，因而此种改变可能为糖尿病脑病患者发生认知功能障碍的神经机制。人脑静息态时，楔前叶的神经活动非常活跃，代谢率较高，其高代谢活动易于促进局部脑组织糖酵解，引发淀粉样蛋白沉积，最终导致脑功能的改变。对T2DM患者而言，其本身糖代谢异常的病理过程无疑会加速淀粉样蛋白沉积过程的发生，从而引发认知功能障碍的发生与进展[18]。

分析fALFF值異常的脑区的全脑体素功能连接，结果显示出现脑区间功能连接增强的有右侧颞下回、左侧顶下回。与健康对照组相比，出现脑区间功能连接减弱的为右侧额上回。患者的MMSE评分和有差异的脑区间的功能连接的相关性分析表明右侧颞下回、额上回与T2DM患者的MMSE评分呈正相关；右侧额上回与T2DM患者的MMSE评分呈负相关。颞下回构成默认网络中的重要脑区，对情绪、思维、视觉处理活动起一定作用，默认网络代谢活跃，代谢活跃则促进了局部脑组织发生糖酵解增加，因而容易引发淀粉样蛋白的沉积，从而导致功能的改变，尤其糖尿病患者更容易影响其代谢改变。在本研究中，T2DM患者较对照组功能连接强度减低主要位于右侧额上回，与以往的研究结果有所不同[11，12]，本文推测此种差异可能与患者用药情况、个体差异、糖尿病病程以及有无并发症的差异有关。

本研究存在一定的缺陷，实验中纳入样本量较小，糖尿病组患者在纳入时没有细化其合并的并发症类型，没有针对病程、疾病程度进行更详细的分组；本研究只是基于静息态功能成像中fALFF值差异的脑区来进行功能连接改变的分析，并没有进行动态观察，也没有进行患者的结构网络分析。有待进一步研究中扩大样本量，深入分析其它功能参数指标并将患者的结构改变与功能分析相结合，从而获取到患者脑部更多更有用的信息。

T2DM患者的多个不同脑区存在fALFF值异常及相关的功能连接异常改变，主要涉及左侧距状裂周围、右侧舌状回、右侧扣带回、右侧顶回及右侧颞下回、顶下回、右侧额上回等，其中部分脑区可能是其产生认知功能障碍、视觉功能障碍的神经改变基础；其中部分脑区参与了患者认知及视觉功能障碍的中枢调控与代偿机制。T2DM患者临床发生的认知功能障碍与不同脑区的异常功能连接改变存在不同程度的相关。磁共振功能成像的fALFF值及功能连接分析方法可早期检测糖尿病患者发生的认知障碍，为DE的诊断提供了一种敏感有效的手段。

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（收稿日期：2017-12-18）