2型糖尿病认知相关小脑-大脑环路功能连接的研究

齐菲，张东升，王嫚，苏宇，谢清明，张小玲*

1.陕西省人民医院磁共振室，陕西西安 710068；2.西安医学院研究生处，陕西西安 710021；*通讯作者 张小玲 zxl.822@163.com

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是一种慢性代谢性疾病，可增加阿尔茨海默病的患病风险，并导致患者认知功能下降[1]。然而，对于本病患者认知功能损伤的神经机制尚不清楚。神经元活动异常和脑网络连接紊乱是认知功能障碍的神经基础。静息态功能磁共振成像（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）相关研究发现，T2DM患者认知相关的默认功能网络（default-mode network，DMN）、执行控制网络（executive control network，ECN）紊乱与情景记忆、抑郁症状、工作记忆等认知功能异常有关[2-3]。既往针对认知相关网络的研究主要集中在大脑皮层。然而，目前多项研究证实小脑同样参与多种高级认知功能[4-6]。小脑不同亚区在功能上具有异质性。Habas 等[6]研究发现双侧小脑Ⅸ与DMN 密切相关，左侧及右侧小脑CrusⅠ/Ⅱ区分别与对侧执行控制网络有关。多项研究也证实了这一结论[7-8]。

rs-fMRI 研究证实T2DM患者小脑神经元活动异常，提示小脑可能是T2DM 的易损脑区[9-11]。Fang 等[12]研究发现，T2DM患者小脑-大脑环路结构连接异常，并与认知功能损伤有关。结构损伤常伴随功能异常，因此，本研究拟采用rs-fMRI 方法，选取双侧小脑Ⅸ区、左右侧小脑CrusI/Ⅱ区为感兴趣区（ROI），探讨T2DM 小脑-大脑环路功能连接模式及其与认知功能的关系，从小脑的角度揭示T2DM 认知功能损伤的神经机制。

1 资料与方法

1.1 研究对象 收集2018年6月—2019年9月陕西省人民医院内分泌科36例T2DM患者及33例健康志愿者（对照组）。两组受检者年龄40～70岁，均为右利手，受教育年限≥6年。T2DM患者符合2014年美国糖尿病协会T2DM 的诊断标准：①糖化血红蛋白（HbA1c）≥6.5%；②空腹血糖≥7.0 mmol/L；③口服糖耐量试验2 h 餐后血糖≥11.1 mmol/L；④有典型高血糖症状或高血糖危象，随机血糖＞11.1 mmol/L[3]。若无高血糖症状，标准中①～③项应进行复查[13]。T2DM 及对照组排除标准：有听力、语言交流困难、幽闭恐惧症等无法配合MRI检查者；合并其他内分泌疾病者；合并影响认知功能的其他精神及神经疾病者；有精神药物滥用或依赖史及神经系统外伤手术史；常规MRI检查有脑血管意外、肿瘤、外伤、感染、先天性脑发育异常等疾病者。本研究通过陕西省人民医院伦理委员会批准，所有受检者检查前均被详细告知试验内容及方法，并签署知情同意书。

1.2 神经心理学测试 受检者接受fMRI扫描前需完成简易智力状态检查量表（mini-mental state examination，MMSE）、蒙特利尔认知评估量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）、连线测试A（trail-making test part A，TMT-A）、画钟测验（clock drawing test，CDT）及抑郁自评量表（beck depression inventory，BDI）。MMSE 及MoCA 用于评估受检者的一般认知功能；TMT-A 评估受检者的神经反应速度及注意力；CDT 评估受检者的视觉空间功能；BDI评估受检者的抑郁症状。所有神经心理学测试由经过系统测试培训的心理科医师完成。

1.3 数据采集 采用Philips 3.0T Ingenia MR扫描仪，使用16通道相控阵头线圈。受检者仰卧，闭目，清醒，保持全身静止不动，尽量避免任何思维活动。以海绵垫固定头部，佩戴耳塞以减少噪声的影响。首先行常规T1WI、T2WI及T2-FLAIR序列图像，用于临床影像学诊断，并剔除脑实质有器质性病变的患者。腔隙性梗死和深部白质损伤采用年龄相关性脑白质改变Wahlund评分规则，剔除ARWMC得分＞2分者[14]。然后行3D-T1WI及rs-fMRI扫描。3D-T1WI结构像采用三维快速扰相梯度回波序列（3D-FSPGR T1WI）。扫描参数：TR 7.5 ms，TE 3.5 ms，视野250 mm×250 mm，矩阵256×256，层厚1 mm，间隔0，层数328。静息态数据采用梯度回波平面成像序列，扫描参数：TR 2000 ms，TE 30 ms，FOV 230 mm×230 mm，矩阵128×128，翻转角90°，采集200个时间点，层厚4 mm，层数34。

1.4 rs-fMRI数据处理 数据处理采用Matlab 2014b基础上运行SPM 12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）及dpabi3.0工具箱对3D-T1WI及静息态数据进行预处理及统计学分析。功能连接数据处理流程：去除前10个时间点，行时间校正及空间校正，剔除头动较大患者[平动≥1.5 mm或（和）角动≥1.5°]，空间标准化。将静息态数据配准至3D-T1WI解剖像，以3 mm×3 mm×3 mm分辨率重采样后再配准到蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）模板。采用FWHM为6 的高斯平滑核进行平滑处理，采用0.01～0.08 Hz带宽对所有信号进行低频滤波。

采用自动化解剖标记（automated anatomical labeling，AAL）图谱在标准MNI空间中定义ROI。3个ROI包括双侧小脑Ⅸ区、左侧及右侧小脑I/Ⅱ区。计算每个ROI与大脑各体素之间的功能连接，获得大脑功能连接图，并采用Fisher转换将计算所得功能连接值转换为z值。

1.5 统计学方法 应用SPSS 18.0软件，采用拟合优度检验（K-S检验）和Levene方差齐性检验评价两组计量资料的正态性，符合正态分布者以表示，组间比较采用独立样本t检验；不符合正态分布者以M（Qn）表示，组间比较采用Wilcoxon秩和检验。计数资料组间比较采用χ2检验。P＜0.05表示差异有统计学意义。每个ROI进行组间比较时将受教育年限作为协变量，结果采用GRF校正（单个体素P＜0.001，校正后P＜0.05）。提取T2DM组存在显著组间差异脑区功能连接平均值，以年龄、性别、受教育年限为协变量，对存在显著组间差异的功能连接平均值与病程、HbA1c、MMSE、MoCA、TMT-A、CDT及BDI评分行偏相关性分析。

2 结果

2.1 人口学资料及神经心理学测试结果 剔除3例（T2DM 1例、对照组2例）头动较大及2例（T2DM 1例、对照组1例）ARWMC 得分＞2 分的受检者，最终纳入34例T2DM患者和30例对照组。两组受检者性别、年龄、体重指数、血压、总胆固醇、三酰甘油、低密度脂蛋白、MMSE、MoCA、TMT-A、CDT差异均无统计学意义（P＞0.05）；T2DM 组空腹血糖水平、HbA1c 及BDI 评分显著高于对照组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。对照组受教育年限明显高于T2DM 组，差异有统计学意义（P＜0.05，表1）。

表1 T2DM组及对照组人口学、临床资料及行为学评分比较

2.2 静息态功能连接结果 与对照组相比，T2DM患者双侧小脑Ⅸ区与右侧楔叶/楔前叶功能连接减低，右侧小脑CrusI/Ⅱ区与右侧额中回/额下回、右侧舌回功能连接减低，左侧小脑CrusI/Ⅱ区与右侧额中回/额下回、左侧颞中回/颞下回、双侧辅助运动区功能连接减低（图1）；未发现功能连接增高的脑区（表2）。

2.3 相关性分析结果 T2DM患者左侧小脑CrusⅠ/Ⅱ区与右侧额下回功能连接强度与HbA1c水平呈负相关（r=-0.367，P=0.046；图2）。Bonferroni校正后（P＜0.001）无相关性。MMSE等其他量表评分与差异脑区功能连接平均值均无相关性（r=-0.003～0.79，P＞0.05）。

表2 T2DM组相对于对照组功能连接存在显著差异的脑区

图1 T2DM组与对照组功能连接存在显著差异的脑区（单个体素P＜0.001，GRF矫正后P＜0.05，体素簇＞46）；A为T2DM双侧小脑Ⅸ区功能连接显著减低的脑区；B为T2DM右侧小脑CrusI/Ⅱ区功能连接显著减低的脑区；C为T2DM左侧小脑CrusI/Ⅱ区功能连接显著减低的脑区

图2 以年龄、性别、受教育年限为协变量，T2DM组左侧小脑CrusI/Ⅱ区与右侧额下回功能连接强度与HbA1c水平的相关性

3 讨论

本研究采用rs-fMRI功能连接方法，分别以双侧小脑Ⅸ区、左右侧小脑CrusI/Ⅱ区作为种子点，探讨T2DM小脑-大脑环路的功能连接模式。结果发现，T2DM患者DMN及双侧ECN小脑-大脑功能连接减低；且左侧小脑CrusI/Ⅱ区与额下回功能连接强度与HbA1c呈负相关，提示高血糖可能损伤小脑-大脑执行控制环路。

前额叶皮层是执行功能的核心脑区[15]。多项研究发现前额叶皮层与小脑CrusI/Ⅱ区存在双相投射及功能耦联，小脑CrusI/Ⅱ损伤会导致执行功能异常[16-17]。既往研究证实T2DM伴认知功能障碍患者ECN内部网络连接明显减低[2]；且患者执行功能损伤与额中、下回在工作记忆任务中激活减低有关[18-19]。本研究发现，双侧小脑CrusI/Ⅱ区与前额叶（额中回、额下回、辅助运动区）功能连接减低，提示T2DM患者双侧小脑-ECN环路存在异常。既往研究认为左右侧小脑CrusI/Ⅱ区分别与对侧ECN活动有关。然而本研究结果显示，右侧小脑CrusI/Ⅱ与右侧额中、下回功能连接减低，而非左侧。Fang等[12]的DTI研究同样发现T2DM患者右侧小脑CrusⅡ区与右侧额上回解剖连接减少，与本研究结论一致。研究证实，健康人群小脑CrusI/Ⅱ-前额叶环路并非绝对的交叉连接，依然存在少量（20%～30%）同侧连接[20]。因此推测这种改变的功能连接可能与T2DM患者ECN固有模式的损伤有关，且小脑-ECN的改变主要表现为交叉投射功能异常。相关性分析发现，T2DM患者左侧小脑CrusI/Ⅱ区与右侧额下回功能连接强度与HbA1c水平呈负相关，提示高血糖可能是导致患者小脑-ECN环路固有模式损伤的原因。既往研究证实高血糖及胰岛素抵抗会导致tau蛋白及β淀粉蛋白沉积于认知相关的核心脑区，并破坏这些脑区的功能连接，进而引起认知功能损伤[20-21]。

外侧颞叶（颞中回、颞下回）及舌回具有维持工作记忆处理过程完整性的功能。工作记忆需求越高，舌回激活越显著；而外侧颞叶出现损伤时，工作记忆过程遭到破坏[22-24]。脑网络研究发现T2DM患者工作记忆功能损伤可能与以舌回为中心枕叶网络的连接减低有关[25]。在记忆编码任务过程中，左侧颞中回激活明显减低。本研究发现，T2DM患者小脑CrusI/Ⅱ区与舌回、颞中下回功能连接减低，可能提示T2DM患者存在工作记忆功能受损。

DMN是人脑静息状态下最稳定的网络，与内在认知密切相关。Yang等[2]研究发现DMN失活可能在T2DM患者认知功能下降中发挥重要作用，并发现双侧小脑后叶与DMN连接减低并与病程呈负相关。本研究发现T2DM患者小脑Ⅸ区与楔前叶功能连接减低，进一步为T2DM患者小脑-大脑DMN环路损伤提供了证据。楔前叶是DMN的核心脑区之一，在自我认知及情绪管理过程中具有重要作用[26]。T2DM可增加抑郁症的风险。流行病学研究证实，T2DM与抑郁症之间存在相互促进的双向联系[27]；小脑参与情感调节[28]。抑郁患者小脑后叶与DMN功能连接减低及情绪行为异常有关[29]。本研究中T2DM患者抑郁量表得分明显高于健康志愿者，提示可能存在抑郁倾向。因此推测T2DM小脑-大脑DMN环路连接紊乱可能与患者认知及情绪异常有关。

本研究的局限性：①样本量相对较小，这可能使统计效能有所降低，如左侧小脑CrusI/Ⅱ与右侧额下回功能连接强度与HbA1c水平存在相关性，但未能通过多重比较矫正，需扩大样本量进一步验证。②并未控制T2DM患者并发症及用药情况，这可能对结果产生一定的偏倚，如二甲双胍对脑功能有一定的影响。今后的研究需细化分组。本研究缺少执行控制功能的特异性量表，导致结果缺少行为学支持。本研究未扫描SWI序列以评估微出血灶，这可能会影响局部脑实质BOLD信号。

总之，T2DM患者小脑-大脑DMN、ECN环路功能连接紊乱。高糖可能损伤了患者小脑-大脑ECN环路的固有模式，从而为揭示T2DM认知功能损伤的神经机制提供参考。