2型糖尿病伴脑小血管病患者脑损伤与认知功能障碍关系的研究

黄明明，杨丽铭，韦莎莎，蔡熹，张淼，何娟，郑婧，李小宝，余晖*

作者单位：1. 贵州医科大学附属医院影像科，贵阳 550004 2. 贵州医科大学附属医院内分泌科，贵阳 550004

糖尿病是一种因胰岛功能减退或胰岛素抵抗而引发的一系列代谢紊乱综合症，以高血糖为主要特点。其慢性并发症，即血管病变通常会导致进行性的终末器官损伤，包括心血管、肾、眼、周围和中枢神经[1-2]，而对中枢神经的损伤通常表现为认知能力的下降[3-4]。有研究认为，糖尿病及糖尿病引起的脑小血管病变是引起认知障碍的危险因素[2]。随着医学影像技术的发展，特别是MRI医学影像检查技术的普遍应用，一些隐匿的由糖尿病引发的脑小血管病变也变得清晰可见，其影像学特征表现为近期皮层下小梗死、腔隙灶、脑白质异常信号、微出血、血管周围间隙和脑萎缩[5]。通常糖尿病脑小血管病变会由神经血管的血供异常引起神经细胞的凋亡，以致发生脑萎缩[6]。因此，糖尿病患者认知功能障碍的发生可能是由糖尿病以及其脑小血管病变所引起的神经解剖结构和功能的变化所引起。

虽然，大量影像学研究表明脑萎缩和白质完整性异常是糖尿病患者认知功能障碍的病理学基础[7-10]。但也有研究并未发现糖尿病引起明显的脑萎缩，而且脑萎缩及白质损伤的区域也不一致[11-12]。计算解剖学工具箱(computational anatomy toolbox，CAT12)是基于统计参数图软件(statistical parametric mapping software，SPM12)的工具包，能够提供基于体素的形态学分析及基于皮层的形态学分析数据，广泛用于脑解剖结构异常的研究[13]；白质骨架空间统计(tract-based spatial statistics，TBSS)的分析方法能够提供大脑白质骨架完整性的信息[14]。

因此，本研究以T2DM伴CSVD患者为例，通过扫描高分辨的结构像3DT1和DTI，并利用基于体素的分析方法(voxel-based morphometric，VBM)、基于皮层的分析方法(surface-based morphometric，SBM)、TBSS的分析方法来研究糖尿病伴CSVD所引起的脑解剖结构及脑微观结构的变化，并探讨其与认知能力各项评分的相关性。

1 材料与方法

1.1 一般资料

收集2017年8月至2018年8月于我院内分泌科就诊的18例T2DM伴CSVD患者(T2DM组)，男8例，女10例，年龄61～78岁，平均(68.2±6.6)岁，均符合2型糖尿病诊断标准，入组标准：(1)按1999年WHO修订的糖尿病诊断及分型标准新诊断的2型糖尿病患者；(2)既往诊断过2型糖尿病；(3)经2名有经验的放射科医师确诊为脑小血管病变。脑小血管病入选标准：(1)近期皮质下小梗死(直径≤15 mm)；(2)腔隙灶(直径≤15mm)；(3) T2WI和(或)FLAIR脑白质高信号，Fazekas分级≥Ⅱ级；(4)血管周围间隙：基底节、大脑半球深部白质和小脑半球多发圆形、卵圆形或线状脑脊液样信号，FLAIR像呈低信号，周围无高信号环；(5)脑萎缩：脑沟宽度(＞5 mm)，脑池增宽，脑室扩大。排除标准：糖尿病酮症酸中毒，乳酸酸中毒，高血糖高渗状态；既往有患有痴呆，大血管并发症(脑梗死或脑软化灶)，颅脑外伤，中枢神经系统炎性病变，近期服用过精神活性药物或激素。选择年龄、性别相匹配的健康体检者18例，男10例，女8例，年龄60～74岁，平均(64.3±4.3)岁。两组年龄，性别，受教育年限差异无统计学意义(P均＞0.05)，其他资料详见表1。本研究经贵州医科大学附属医院伦理委员会批准，所有受检者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

采用Philips Achieva 3.0 T超导型MR扫描仪，8通道标准头线圈，使用三维快速扰相梯度回波(T1 3D TFE ref)序列采集矢状位全脑T1图像，参数为：TE 5.9 ms，TR 12.0 ms，TI 400 ms，FA 15，扫描矩阵384×384×257，视野(FOV) 250 mm×25 mm，层厚0.6 mm，分辨率0.57 mm×0.57 mm×0.60 mm；扫描序列采用单次激发平面回波成像序列(SS-EPI)：TR 5090 ms，TE 70 ms，层厚3 mm，层间距为0，FOV 220 mm×220 mm，矩阵160×160，激励次数1次，扫描层数45层，b值选取0 s/mm2和800 mm2/s，扩散敏感梯度方向32个，扫描时间9 min 40 s。

表1 2型糖尿病(T2DM)及健康对照(Con)组的人口统计学和临床特征Tab. 1 Demographic and clinical characteristics in type 2 diabetes mellitus (T2DM) and healthy control (Con) groups

1.3 3DT1与DTI数据处理

图像采集完毕，将扫描仪器上生成的原始数据导入电脑工作站，利用MRIcron的dcm2nii软件将采集的原始3DT1和DTI二维DICOM3.0格式文件转换成NIFTI格式文件，VBM和SBM采用SPM12 (Statistical Parametric Mapping，Institute of Neurology，London，UK)平台中的CAT12 (C. Gaser，Structural Brain Mapping group，Jena University Hospital，Jena，Germany)工具包[13]进行分析处理。DTI数据先采用PANDA软件进行预处理[15]，得到标准化的的FA、λ//、λ⊥和ADC图，然后利用FMRIB 软件包(FSL 4.1.4；http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl)进行TBSS分析[14-16]。

1.4 统计学分析

采用SPSS 19.0统计软件对临床资料、认知能力评分等进行统计分析，组间定量资料符合正态分布，采用双样本t检验，定性资料分析采用卡方检验；相关性分析采用双变量Pearson分析方法(P＜0.05有统计学意义)。使用CAT12 及FSL软件包的中统计分析模块进行基于体素的、基于皮层的、基于白质骨架的FA、λ//、λ⊥和ADC值双样本t检验分析T2DM患者与健康对照组之间灰质体积、皮层厚度及白质完整性的差异。P＜0.05被认为差异具有统计学意义，统计结果均采用FDR(false discovery rate，FDR) 进行多重比较校正。

2 结果

2.1 T2DM伴CSVD病引起的脑形态学改变

基于全脑的VBM分析发现T2DM伴CSVD患者颞叶、枕叶区域出现小范围的萎缩(图1A)，白质区域未见明显萎缩(图1B)；基于皮层的SBM分析发现，T2DM伴CSVD患者左侧额中回、颞中回、外侧枕叶、额极；右侧岛叶、颞上回皮层厚度减小(图1C)。

2.2 T2DM伴CSVD引起的脑微观结构异常

基于FA_VBA分析发现，T2DM患者大脑FA值的下降出现在大脑内广泛的区域，如前额叶、颞叶、枕叶、胼胝体、扣带、岛叶、丘脑、海马等；基于TBSS分析发现T2DM患者大脑内出现广泛的白质纤维完整性损伤，表现在FA值显著下降，λ//、λ⊥和ADC值显著上升(图2，3)。

2.3 相关性分析

FA值结合认知能力评分的相关性分析发现，MoCA评分与双侧上纵束(颞叶部分)的FA均显著正相关(左侧：r=0.485，P=0.041；右侧：r=0.523，P=0.026) (图4A、B)；视空间执行能力与丘脑前辐射的FA正相关(r=0.480，P=0.044) (图4C)；记忆力与左侧扣带(海马) (r=0.592，P=0.010)(图4D)的FA值均正相关。

图1 A：与对照组相比，T2DM患者灰质萎缩的区域；B：与对照组相比，T2DM患者未见白质萎缩；C：与对照组相比，T2DM患者皮层厚度变薄的区域(FDR校正，P＜0.05)。Lh：左侧大脑；Rh：右侧大脑 Fig. 1 A: Compared to control groups, gray matter arophy regions in T2DM groups. B: No white matter volume changes in T2DM patients. C: The thinner cortical thickness regions in T2DM groups (FDR corrected, P＜0.05). Lh: left hemisphere. Rh: right hemisphere.

图2 FA_VBA分析结果。与对照组相比，T2DM患者FA值下降的区域。A：FDR校正，P＜0.05；B：FDR校正，P＜0.005；C：FDR校正，P＜0.001 图3 TBSS分析结果。与对照组相比，T2DM患者FA值下降λ//、λ⊥和ADC值显著上升的区域(TFCE校正，P＜0.05)Fig. 2 The results of FA_VBA analysis, the warm color indicates the regions of FA reduction in T2DM patients, when compared to healthy controls. A: FDR corrected, P＜0.05. B: FDR corrected, P＜0.005. C: FDR corrected, P＜0.001. Fig. 3 The results of TBSS analysis, the warm color indicates the regions of FA rеductiоn in T2DM patiеnts, thе cооl cоlоr indicatеs thе rеgiоns оf λ//、λ⊥and ADC increase in T2DM patients, when compared to healthy controls. TFCE corrected, P＜0.05.

图4 FA值与认知能力评分相关分析图。A、B：左、右侧上纵束的FA值与MoCA评分相关分析图；C：丘脑前辐射FA值与视空间执行能力评分相关分析图；D：左侧扣带(海马部分)的FA值与记忆力评分相关分析图 Fig. 4 The correlation analysis between FA value and cognitive status scores. A, B: The correlation between FA values of left, right superior longitudinal fasciculus and total MoCA scores, respectively. C: The correlation between FA values of left anterior thalamic radiation and visual spatial execution ability scores. D: The correlations between memory scores and FA value of left cingulum (hippocampus).

3 讨论

T2DM伴CSVD病引起的脑萎缩表现为：在灰质区域，颞叶、枕叶出现小范围的萎缩；而脑白质未见明显萎缩。同时，基于SBM的分析发现左侧额中回、颞中回、外侧枕叶、额极；右侧岛叶、颞上回皮层厚度减小。这与Liu等[7]的研究有相同之处，T2DM患者脑萎缩主要出现在双侧颞上回，颞中回，额上回，岛叶，扣带回中部，楔前叶以及豆状核并延伸至海马旁回，上述区域隶属于皮层-纹状体-边缘系统网络，与大脑认知功能密切相关。在AD早期，颞叶，和海马，扣带皮层一样在新记忆的形成中起着重要的作用[17]。其中颞中回是默认网络的重要组成部分，主要负责注意、工作记忆以及语言加工等功能[18]。岛叶是突显网络中的一个核心节点，负责识别突显刺激以及中枢执行网络和默认网络之间的切换，岛叶的萎缩与AD和轻度认知障碍密切相关[19]。Wu等[9]通过Meta分析也得出T2DM患者左侧颞上回，右侧颞中回体积减少，右侧岛叶的体积和MMSE评分显著正相关。因此，本研究中发现的颞叶、额叶及岛叶区域的萎缩与皮层厚度的变化可能是直接影响T2DM伴CSVD患者认知能力下降的原因。本研究未发现海马及海马旁回区域的脑萎缩，这可能与本研究未将病程、血糖控制情况及性别纳入分析有关。Hempel等[20]认为女性别患者海马的萎缩程度比男性更严重一些；瞿航等[21]研究发现T2DM 患者纹状体、丘脑的萎缩与长期的血糖控制密切相关。

T2DM伴CSVD引起的脑微观结构的异常主要体现为：FA值的下降出现在患者脑内的广泛区域，如额叶、颞叶、枕叶、胼胝体、岛叶、海马、丘脑等，结合前文脑萎缩的研究，我们认为颞叶、枕叶、岛叶的FA值下降伴随着该区域小范围的脑萎缩，但胼胝体、海马、丘脑等区域未见明显萎缩，因此，笔者推测FA值对于检测T2DM伴CSVD患者的脑损伤更加敏感，DTI技术及其参数可以作为T2DM伴CSVD患者认知障碍早期诊断的影像学指标。

此外，进一步的研究发现，T2DM伴CSVD患者大脑内出现广泛的白质纤维束损伤，表现在基于大脑白质骨架的FA值显著下降，λ//、λ⊥和ADC值显著上升。Zhang等[10]的研究也发现有认知障碍的T2DM患者大脑存在广泛的白质完整性破坏，FA值的下降也伴随MD、λ⊥的上升。上述扩散参数也在一定程度上反映了T2DM患者大脑存在白质纤维的密度，轴突的完整性以及脱髓鞘的病理变化。与Zhang等[10]的研究结果不同的是，在本研究中笔者还发现FA值的下降伴随着的λ//上升。这可能与本研究中选取的T2DM患者都是小血管病患者有关。早在2003年，Ryan等[22]的研究已明确指出，脑小血管病变是引起1型糖尿病患者认知障碍的主要原因。Heinen等[23]也认为脑小血管病的存在影响了大脑的全局网络效率以及大脑的功能连接。同样，λ//上升在T2DM伴认知障碍的患者中也是存在的，Xiong等[24]推测λ//上升是由于T2DM伴认知障碍的患者大脑可能存在τ蛋白磷酸化，从而导致神经原纤维缠结，轴突终端损伤以及突触丢失。脑白质是由复杂的纤维连接构成的网络，其纤维结构的完整性、神经纤维束之间的有机连接及白质网络结构是大脑内信息有效传递的基础[25]。因此，笔者推测，T2DM伴CSVD患者所表现出的认知功能障碍可能与DTI参数所反应出的微观病理结构变化相关。

MMSE、MoCA评分是目前临床上应用最广泛的认知功能筛查量表[26-27]，其中MoCA评分对轻度认知障碍患者的筛查更敏感[24]，在本研究中，T2DM伴CSVD患者的MoCA总分、视空间与执行功能、记忆力评分均明显低于正常对照(表1)，进一步的研究还发现左、右侧上纵束的FA值与MoCA评分显著正相关；视空间执行能力与丘脑前辐射的FA正相关；记忆力与左侧扣带(海马)的FA值均正相关。Reijmer等[28]的研究也发现T2DM患者上纵束、下纵束、钩束等白质完整性的破坏会降低患者信息处理速度及记忆力。Zhang等[10]的研究也发现白质完整性的破坏会影响T2DM患者的认知能力，特别是执行功能。因此，笔者推测T2DM伴CSVD患者认知能力损伤主要表现为执行能力及记忆力的改变。

本研究的局限性：T2DM患者脑损伤的程度和病情严重程度、病程和性别等有关，由于本研究收集的样本量较少，未分组讨论，下一步的研究会将性别、血糖控制情况纳入分析，进一步分析血红蛋白含量与认知能力评分的相关性；此外，由于本研究中收集到的T2DM不伴CSVD患者数量较少，没有纳入对比分析，因此，CSVD是否为T2DM引起认知障碍的危险因素，有待进一步的研究。

综上所述，对于T2DM伴CSVD患者，其脑内存在小范围的脑萎缩及皮层厚度的变化，主要在颞叶、枕叶和岛叶区域，但同期FA值的下降及λ//、λ⊥和ADC的上升却存在于大脑的广泛区域，且丘脑前辐射、上纵束及海马区域的FA值与视空间执行能力及记忆力存在相关性。因此，对于T2DM伴CSVD引起的脑损伤来说，DTI参数异常所反应的大脑白质微观结构的变化(神经元丢失/突触减少、白质轴突损伤和脱髓鞘)可能是T2DM伴CSVD引起脑损伤的病理基础；而大脑白质纤维束完整性的破坏可能是引起认知能力障碍的直接原因。因此，DTI技术及其提供的影像学指标有助于T2DM伴CSVD患者认知障碍的早期诊断。

利益冲突：无。