2型糖尿病患者执行控制网络及额顶网络的功能磁共振研究

余 苗 ，祁 纳 ，崔 莹 ，刘加成 ，滕皋军

（1．徐州医科大学附属医院放射科，江苏 徐州 221000；2．上海市东方医院放射科，上海 200120；3．江苏省分子影像与功能影像重点实验室 东南大学附属中大医院放射科，南京 210009）

统计数据显示：约有60%～70%的糖尿病患者伴有不同程度的认知障碍[1]，主要表现为学习记忆[2]、信息处理速度[3]、注意力及执行功能受损[2]，但具体机制尚不明确。近年来功能磁共振（fMRI）技术被广泛应用于认知功能的研究中，其中独立成分分析（Independent component analysis，ICA） 作 为 fMRI的研究方法之一，由于其具有较高的稳定性与可靠性，通常被用于静息态脑网络的研究。目前已被广泛认可的静息态脑网络包括默认网络、内侧视觉网络、外侧视觉网络、听觉网络、感觉运动网络、突显网络、额顶网络（Frontoparietal network，FPN）、执行控制网络（Executive control network，ECN）。 本研究联合静息态fMRI技术及ICA方法，研究2型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus，T2DM） 患者 ECN、FPN 神经活动的改变，并探讨其与认知功能及各项临床指标之间的关系。

1 对象与方法

1．1 研究对象

通过广告招募T2DM患者24人及与之性别、年龄、受教育年限（＞9年）匹配的25例健康对照者，其中T2DM患者病程1年以上且无糖尿病并发症，所有被试年龄为50～75岁，右利手，无其他基础疾病，无药物、烟酒等依赖史，本研究已获伦理委员会批准，所有被试及家属均签署知情同意书。

1．2 研究方法

由同一名放射科医师对多位被试进行资料采集：①临床及生化资料：年龄、性别、教育程度、个人史、既往病史、家族史、体质量、身高、血压、腰围、臀围等临床资料。空腹血糖、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、胆固醇、甘油三酯、空腹胰岛素、糖化血红蛋白等生化资料。②认知功能评估：多维度认知量表评估，包括简易智能精神状态检查量表 （Mini mental state examination，MMSE）、听觉语言学习测试（AVLT）、复杂图形测试（CFT）、蒙特利尔认知评估（MoCA）、数字广度测验（DST）、符号数字转换测试（SDMT）、连线测试 A、B（Trail making test－A，B，TMT－A，B）、画钟测试（Clock drawing test，CDT）。 评估在安静诊室中30 min内完成。

磁共振数据采集：被试者保持清醒、闭眼，采用Siemens 3．0T MR（Erlangen，Germany）成像仪对被试进行扫描，包括T1结构像及静息态功能像。T1结构像扫描参数：重复时间（Time of repetition，TR）=1．9 s，回波时间（Time of echo，TE）=2．48 ms，翻转角（Flip angle，FA）=9°，FOV=250 mm×250 mm， 矩阵=256×256，层厚 1 mm，176层；静息态功能成像扫描参数：TR=2s，TE=2．5ms，FA=90°，FOV=240mm×240mm，矩阵=64×64，层厚 4 mm，36 层。

静息态fMRI图像处理：于Matlab 2012工作平台上使用DPARSF_V2．3对静息态数据进行预处理（http://www．restfmri．net/forum/DPARSF）， 包括格式转换（DICOM’NIFTI），去除前10个时间点、时间校正及头动校正，空间标准化（体素大小3mm×3mm×3mm），空间平滑 （半宽全高高斯核4 mm×4 mm×4 mm），滤波 0．01～0．08 Hz。 在 Matlab 2012 工作平台上使用Group ICA of fMRI Toolbox （GIFT） （http://icatb．sourceforge．net/）进行成分数估计，以最短描述长度标准确立成分数为30。三步数据降维：采用三次主成分分析降维。ICA：选择信息最大化算法进行ICA解析。个体成分重建：进行100次组运算，对生成成分进行聚类、平均及Z－score标准化，得到较稳定的组空间独立成分及相应时间序列，并选择与文献报道模板相一致的独立成分。

1．3 统计学方法

临床及认知功能分析使用SPSS for Windows 19．0软件进行，T2DM组与健康对照组之间的性别差异采用卡方检验，P＜0．05为差异具有统计学意义。对T2DM组和健康对照组的年龄、受教育年限、生化指标、认知功能量表等数据进行Levene方差齐性检验、独立样本t检验，P＜0．05为差异具有统计学意义。

独立成分统计分析：使用基于Matlab的REST软件对感兴趣的独立成分进行单样本t检验，得到群组水平独立成分，使用FDR校正控制阈值。使用双样本t检验分析各个静息态脑网络同步性活动的组间差异，将两组单样本t检验Mask取并集作为双样本t检验的Mask，将性别、年龄、受教育程度作为协变量予以控制，使用AlphaSim校正，P值定为0．05。分别观察有意义的团块大小、所在脑区及MNI坐标，记录相关区域的信息及相关强度。

相关性分析：将每组病人提取出来感兴趣区（ROI）的平均Z值与认知量表评分及血糖指标在SPSS中采用Pearson相关分析，P＜0．05为差异具有统计学意义。

2 结果

2．1 临床及认知功能测试

预处理后T2DM组因头动较大排除一位受试者，最终T2DM组23位受试者，健康对照组25位受试者，共48位受试者。两组的性别、年龄、受教育年限、BMI、收缩压、舒张压、甘油三酯、总胆固醇、LDL、HDL 及认知量表中的 MMSE、TMT－A、AVLT、AVLT－5、AVLT－20 未发现组间差异（P＞0．05），但 T2DM 组受试者认知量表中的 MoCA、TMT－B、CFT、CFT－延迟、DS（顺）的得分低于健康对照组，且具有统计学意义（P＜0．05）（表 1）。

2．2 ICA 分析结果

成功分离出ECN、左侧FPN、右侧FPN。单样本t检验得到上述网络的群组水平模板，在REST中直观显示，两组网络格局与之前学者研究的结果相符（P＜0．05，FDR 校正）。组间 ECN 同步性活动的差异：T2DM患者ECN中的左顶叶深部白质、扣带回、右侧前额叶功能连接减弱（图 1，表 2）（P＜0．05，AlphaSim校正）。组间右侧FPN同步性活动的差异：T2DM组右侧FPN中的右侧额下回、额中回功能连接增强，右中央后回功能连接减低（图 2，表 3）（P＜0．05，AlphaSim校正）。组间左侧FPN同步性活动的差异：T2DM组左侧FPN中的左侧顶叶功能连接减低（图3，表 4）（P＜0．05，AlphaSim 校正）。

表1 人口学及行为学数据

表2 ECN内功能连接显著差异脑区（P＜0．05，AlphaSim 校正）

表3 右侧FPN内功能连接显著差异脑区（P＜0．05，AlphaSim校正）

表4 左侧FPN内功能连接显著差异脑区（P＜0．05，AlphaSim 校正）

图1 组间ECN内同步性活动差异，标尺中暖色代表升高，冷色代表降低。 图2 组间右侧FPN内同步性活动差异，标尺中暖色代表升高，冷色代表降低。 图3 组间左侧FPN内同步性活动差异，标尺中暖色代表升高，冷色代表降低。Figure 1. Functional connection of ECN differences between T2DM patients and healthy control subjects．Red represents increase,and blue represents decrease．Figure 2. Functional connection of R－FPN differences between T2DM patients and healthy control subjects．Red represents increase,and blue represents decrease． Figure 3. Functional connection of L－FPN differences between T2DM patients and healthy control subjects．Red represents increase,and blue represents decrease．

2．3 相关性分析

ECN及左右侧FPN的功能连接差异脑区均未发现与神经认知量表存在显著相关性。ECN中的右侧前额叶功能连接减低与HOMA－IR水平显著相关（P=0．046，r=－0．420）（图4）。其余 ECN 及左右侧 FPN的功能连接差异脑区均未发现与血糖指标存在显著相关性。

图4 ECN功能连接与HOMA－IR相关分析表明，右侧前额叶功能连接与HOMA－IR水平显著相关（P=0．046，r=－0．420）。Figure 4. Correlation analysis between the functional connection of ECN and HOMA－IR showed that the decreased connectivity in the right frontal lobe was significantly correlated with the insulin resistance level(P=0．046,r=－0．420)．

3 讨论

本研究所采用的认知评估量表均是国际通用的对于认知功能测评的量表，MoCA主要用来对轻度认知障碍异常进行快速筛查，TMT－A、TMT－B主要测试患者的执行功能[4]。CFT测试评估视觉情节记忆功能和视觉空间结构能力[5]。DST测试用于评估短时注意力和短时记忆。T2DM组受试者认知量表中的MoCA、TMT－B、CFT、CFT－延迟、DS（顺）的得分低于健康对照组，并且具有统计学意义（P＜0．05）。 主要表明T2DM患者的执行功能、信息处理速度及空间情景记忆功能障碍，这与以往研究相一致[1－3，6－8]。

本研究成功提取ECN，组间比较发现，T2DM组ECN中的左顶叶深部白质、扣带回、右侧前额叶功能连接减弱。前额叶是ECN中的核心节点，该脑区的损害通常表明执行功能受损，本研究中的T2DM组TMT－B量表得分显著低于健康对照组证实了这一表现。此前有学者研究发现T2DM患者前额叶体积萎缩[9]，额叶白质显微结构异常[10]。综合以上，我们推断T2DM患者大脑ECN连接存在异常。FPN主要包括背外侧前额叶、背侧额叶、颞中回、扣带回、顶内沟、顶上小叶、楔前叶等区域[11－13]，主要参与语言、记忆、注意及视觉处理等。本研究提取出的FPN发现，T2DM组右侧FPN中的右侧额下回、额中回功能连接增强，右中央后回功能连接减低；左侧FPN中的左侧顶叶功能连接减低。由此我们推断，T2DM患者注意功能障碍，且左右侧FPN连接受损，部分连接增强可能为代偿性改变。

虽然T2DM患者ECN、FPN连接受损，且执行注意等认知损害，但是本研究相关分析显示ECN及左右侧FPN连接显著异常的脑区与神经认知量表并无显著相关性，可能表明糖尿病脑病患者脑内神经活动的改变并不是直接作用于行为学改变，其原因可能是因为脑神经活动改变引起其他一些未知改变，再作用于神经行为学改变。所以T2DM患者脑网络异常与认知障碍的相关性有待进一步研究，其具体的机制也需进一步验证。

本研究结果显示ECN中的右侧前额叶功能连接减低与 HOMA－IR 水平显著相关 （P=0．046，r=－0．420）。前额叶与执行、记忆提取及情感评估等活动过程有关，参与大量神经活动的整合，是ECN中的核心节点。胰岛素及其受体可以通过血脑屏障，并对突触传递起调节作用，且与一些主要的脑功能有关。在非痴呆、非糖尿病人群中，高胰岛素水平与认知障碍有关[14]，胰岛素抵抗被认为是认知障碍的决定因素之一[2]。综合此前学者研究，T2DM患者HOMA－IR与额叶葡萄糖代谢减低、认知障碍有关，考虑T2DM患者脑网络功能连接受损、胰岛素抵抗、认知障碍存在相关性，但其相互作用的机制有待进一步研究。

总之，T2DM患者存在执行、注意、信息处理速度及空间情景记忆功能障碍，且ECN、左侧FPN、右侧FPN存在连接异常，但是糖尿病脑病患者脑内神经活动的改变可能并不是直接作用于行为学改变。另外，T2DM患者ECN功能连接受损与胰岛素抵抗、认知障碍存在相关性，但其相互作用的机制有待进一步研究。未来的研究应当倾向于扩大样本量、纵向的随访以及减少异质性来探索T2DM患者脑网络异常及认知障碍的潜在机制。