减重对肥胖女性灰质和功能连接影响的初步研究

韩佳薇 周 国 张琼月 颜红梅 王 鹤

减肥对女性来说是一个充满压力的过程，不同的减肥方法对她们的生理和心理产生不同的影响。体重指数（BMI）定义为体重（kg）和身高（m）的平方之比（kg/m2），超重定义为患者BMI≥24 kg/m2，肥胖则定义为体内脂肪过多，即BMI≥30 kg/m2。近10年来肥胖和超重人群糖尿病患病率显著增加，肥胖人群糖尿病患病率升高了2倍［1］，这不仅给患者带来了健康和精神上的损害，还给个人和国家带来了沉重的经济负担。大多数2型糖尿病患者超重、肥胖、起病隐匿，因而基于循证医学证据，对患者的治疗策略应是综合性的，包括降糖治疗和控制体重等措施［1］。周婷等［2］对我国2型糖尿病人群影响因素的meta分析表明，超重与中心性肥胖会增强胰岛素抵抗引起血糖代谢异常，我国人群罹患糖尿病的危险因素便在于此［3］。因此，减轻体重、降低内脏脂肪是首要目标，饮食控制和加强运动是现有减重治疗的基础。Gja等［4］的研究表明，仅通过限制能量摄入引起的体重减轻会导致静息代谢率降低以及脂肪、非脂肪量的减少，但之后体重恢复的风险可能提高。此外，减重的基础治疗是控制饮食和加强运动，但患者仅凭毅力常常难以达到目的。西药治疗存在药物副作用且容易反弹等缺点。手术治疗则有一定的创伤且费用昂贵。中医理疗因其具有作用显著、疗效持久、较少反弹、无毒副作用、接受度较高等特点，最常用的减轻体重的草药和穴位具有良好的耐受性，但部分患者依旧难以接受针刺带来的疼痛感。当下，饮食控制与适当运动依旧是多数人认为“健康、安全、合理”的选择。本研究使用基于体素的形态学（voxel-based morphometry，VBM）和静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）分析，通过为期5周的饮食干预，研究减重对肥胖女性灰质体积与脑功能连接的影响。

方 法

1. 研究对象与干预

2019年8月—2020年8月，通过复旦大学附属中山医院内分泌科共招募女性肥胖受试者22名。所有受试者均为右利手，且体内无金属植入物，无磁共振检查禁忌证，经结构磁共振检查未发现明显的脑结构异常。纳入标准：①年龄18~70周岁；②BMI≥24 kg/m2；③无严重基础疾病，但轻症糖尿病患者依然纳入。排除标准：①男性；②未能完成减重干预；③静息态磁共振扫描期间头动参数＞3 mm或3°。

16名女性受试者的年龄、基线BMI、腰围、臀围和餐后2 h血糖见表1；由相关专业医师人工测量髂前上棘和肋下缘连线中点处腰围与股骨大转子处臀围（单位：cm），如图1所示。实验前告知受试者实验的目的、方法及可能存在的不适和风险，所有受试者签署参与实验的知情同意书。该研究经复旦大学附属中山医院伦理委员会审核通过。

表1 受试者（n=16）基线人口学数据

许多减重相关研究将干预时间设定在1~3个月，故本研究作为一项初步研究，考虑到受试者依从性，以5周为干预时限。在减重干预期间，受试者通过饮食控制与每日适当的运动控制减重，每日报告饮食摄入，由医生监督记录。

2.影像数据采集与参数

磁共振图像数据均由复旦大学附属中山医院放射科采集，使用3.0 T磁共振扫描仪（GE，DISCOVERY MR750系统），8通道鸟笼状头部线圈。高分辨T1加权结构像参数：TR 8.24 ms，TE 3.22 ms，矩阵256×256，扫描层数164，层厚1.0 mm。使用EPI序列进行静息态功能成像：TR 2 000 ms，TE 30 ms，矩阵128×128，层数30，层厚4.0 mm，体素大小3.75 mm×3.75 mm×4 mm，共采集210个时相，扫描时间为7 min。所有受试者在减重治疗前后接受同样的磁共振序列扫描，平均扫描间隔时间（42.0±10.0）d。

3. 数据预处理

影像数据基于MATLAB R2014a平台，使用Statistical Parametric Mapping（SPM12，https：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）软件包中的CAT12工具箱 （http：//www.neuro.uni-jena.de/cat/） 和Restplus软件包（http：//restfmri.net/forum/）对结构与功能数据进行预处理。结构数据通过将图像分割为灰、白质并配准至标准空间，并进行3 mm高斯平滑。功能数据预处理步骤：①去除前10个时间点以消除T1弛豫效应；②时间层校正（slice timing）；③空间对齐（realignment）；④使用标准EPI模板将所有图像标准化（normalization）至蒙特利尔神经研究所（MNI）坐标空间；⑤6 mm高斯平滑；⑦通过线性去趋势消除残余漂移；⑧通过线性回归从每个体素的时间序列中去除27个干扰信号，包括全脑、白质、脑脊液信号和24个头部运动参数，以减少不太可能反映神经活动的虚假方差；⑨使用0.01~0.08 Hz时间滤波减少高频噪声和低频漂移的影响。

4. 数据分析与统计

通过配对样本t检验，使用SPSS分析干预前后的BMI差异，使用SPM12分析灰质体积与后续的功能连接差异。基于灰质体积结果，以显著差异的脑区激活最大值坐标作为种子点，绘制半径6 mm的球形感兴趣区（ROI），进行全脑功能连接分析。年龄、全脑体积、BMI作为协变量。灰质体积分析结果使用族簇familywise error rate（FWE）校正，认为统计阈值P＜0.05具有显著统计学差异；认为功能连接分析结果的统计阈值P＜0.001（体素水平）具有显著统计学差异。通过XjView软件获得对应MNI空间坐标中显著差异脑区的解剖位置。

结 果

1. 生理指标结果

减重后，患者BMI为 （29.40±2.39）kg/m2（t=-5.413，P＜0.000 1），腰围为 （93.14±8.34）cm（t=-6.957，P＜0.000 1），臀围为（103.77±5.29）cm（t=-7.904，P＜0.000 1），餐后2 h血糖为（9.19±3.31）mmol/L（t=-2.552，P=0.22），认为干预对女性肥胖患者的减重、降糖有显著效果（病例10的BMI与腰围在干预后增加；病例19、20的餐后2 h血糖在干预后增加）。

2. 灰质体积分析结果

干预后，患者在左侧脑岛（insula）的灰质体积下降，在右侧小脑髓质（medulla）、钩回（uncus）的灰质体积有所增加（图2）。以该3个显著差异簇的最大激活点坐标为种子点，绘制相应球形ROI（编号为1~3）。干预前后的灰质体积差异具有显著统计学意义的脑区见表2。

表2 干预后的灰质体积差异具有显著统计学意义的脑区

3. 功能连接结果

干预后，患者在中央内侧和旁扣带回（middle cingulum gyrus）、左侧背外侧额上回（superior frontal gyrus）、右侧中央前回（precentral gyrus）和中央后回（postcentral gyrus）与ROI 1（左侧脑岛）的功能连接升高（图3）。全脑与ROI 2和ROI 3的功能连接无显著变化。干预后与ROI 1的全脑功能连接差异具有显著统计学意义的脑区见表3。

表3 干预后与ROI 1的功能连接差异具有显著统计学意义的脑区

讨 论

通过VBM分析，我们发现女性肥胖者通过饮食控制达到减重目的的同时，灰质萎缩的伤害在一定程度上也得到了恢复。已有多项研究表明肥胖会影响大脑结构，主要表现在总体脂肪比与部分区域下灰质体积（苍白球和尾状核）呈负相关，且随着体脂升高，男性的灰质萎缩更为严重［5］。本研究没有纳入男性受试者，除了由于招募的男性受试者数量远少于女性受试者，我们认为减重对于女性的脑功能影响可能更大也是原因之一。另一项调查眶额叶皮质体积和大脑奖赏反应的研究表明［6］，和健康女性对照相比，肥胖女性在眶额叶皮质、纹状体和脑岛显示出更低的灰质与相关白质体积。尽管上述研究仅对比了肥胖患者与健康对照之间的大脑体积差异，但足以证明肥胖对大脑萎缩的显著危害性。在本项研究中，16名肥胖女性在饮食控制5周后，右侧小脑髓质（medulla）、钩回（uncus）的灰质体积有所增加，而左侧脑岛的灰质体积下降。其中小脑髓质参与睡眠-觉醒机制与血压的调节［7-8］，故干预后该区域的神经元可塑性增强，很可能恢复了肥胖患者异常的血压和肥胖导致的睡眠功能紊乱，这是一项有价值的后续研究。

由于大脑结构变化往往伴随着功能活动的重构［9］，基于上述灰质体积显著改变的区域，功能连接结果显示，患者中央内侧和旁扣带回、左侧背外侧额上回、右侧中央前回和中央后回与脑岛之间的功能连接升高，这表明饮食干预可能在一定程度上影响了肥胖患者的脑功能连接。一项袖状胃切除术的研究表明，与正常受试者相比，肥胖患者在大脑多个区域之间出现无序的功能连接，且与BMI有显著相关性［10］。相应地，脑岛前部与与额叶皮质、前扣带回和颞叶前部有结构连接，且与嗅觉皮质相连［11］；在功能连接方面，有研究［12］表明糖尿病患者默认模式网络的功能连接降低。在本研究中，前额叶皮质与左侧脑岛的功能连接升高，表明干预可能通过背外侧额上回改变脑岛对胃肠道的感觉［11，13］，或者减弱味嗅觉加工的化学感应功能［11，14］，但左侧脑岛的灰质萎缩依旧不可忽视。尽管有研究发现热量限制依旧可以增加老年人额下回与海马的体积［9］，但在本研究中，并未发现额下回的灰质体积有所增加，即便如此，灰质体积的改变与功能连接改变的影响依然不可忽视。