基于近红外脑功能成像技术的糖尿病中枢神经病变研究

程炎培 汪俊逸 高凌

随着我国逐渐步入老龄化社会,认知功能障碍正在成为一个越来越常见的公共卫生问题,流行病学研究指出,糖尿病与认知功能障碍的风险显著相关[1]。其中,2型糖尿病(T2DM)对认知障碍的影响最为明显,患有T2DM的老年人患痴呆风险增加1倍。大多数纵向研究结果表明,T2DM与大脑执行功能、语言流畅性和记忆力的较大幅度下降有关[2]。既往研究表明,糖尿病可能通过葡萄糖毒性、氧化应激、胰岛素抵抗和晚期糖基化终产物(AGEs)积累等途径影响患者认知功能[3]。随着临床影像学的发展,一些基于MRI的研究已将T2DM与认知功能联系起来,这些研究从结构和机制方面初步探讨了糖尿病和神经系统改变的关系,但大多停留在静态影像分析层面,无法实现动态观察大脑功能变化。

随着神经成像技术的迅速发展,功能MRI(fMRI)的出现,使观察大脑功能的实时变化成为可能[4]。尽管fMRI可获得氧合血红蛋白(HbO2)指数等功能参数,但高昂的成本阻碍了其在研究中的常规应用。此外,fMRI测量受到身体姿势的严格限制,很难同时执行语言或认知任务[4]。近红外脑功能成像(fNIRS)是一种非侵入性的功能性神经成像技术,对外部刺激或事件敏感,并可对大脑代谢的变化进行纵向监测[5-6]。大脑通过血液的新陈代谢为神经元活动提供所需的氧,而氧的消耗又刺激大脑局部血管的舒张,促使毛细血管血流量增加。在这个机制的作用下,大脑活动区域在认知神经活动过程中会出现HbO2水平上升、脱氧血红蛋白水平下降[7]。在执行脑负荷认知任务时,脑氧代谢活动会更加活跃,近红外光谱技术可测量大脑皮层HbO2和脱氧血红蛋白的变化特征,间接反映大脑的功能[8]。除此之外,fNIRS的光谱分析允许评估大脑功能的自动调节,静息状态下不产生运动伪影,获得的信号更可靠,信号噪声更小[9]。本研究运用fNIRS技术动态观察T2DM患者和非糖尿病受试者在语素流畅性任务(VFT)下大脑血氧反应的差异,探究T2DM对认知功能障碍和神经系统改变的影响。

对象与方法

1.对象:前瞻性纳入2020年8月～2021年3月在我科住院的T2DM患者13例作为试验组,纳入标准:(1)年龄50～65岁;(2)右利手;(3)均符合美国糖尿病学会指南[10]中T2DM的诊断标准。排除标准:(1)脑内病变,如肿瘤、脑梗死、出血或血管畸形;(2)中风、癫痫、头部创伤或有脑部手术史;(3)全身器质性疾病或有肿瘤史;(4)近1个月有糖尿病急性并发症(糖尿病酮症酸中毒、高渗性昏迷);(4)其他类型糖尿病。同时纳入本院体检中心同期招募的健康者13例作为对照组。本研究已通过武汉大学人民医院伦理委员会审核批准,所有受试者均签署知情同意书。

2.方法

(1)一般资料及临床资料收集:包括所有受试者的年龄、性别、受教育程度、收缩压、舒张压、空腹血糖、餐后2 h血糖、fNIRS检测时随机血糖及MoCA量表评分和试验组患者的药物使用情况。

(2)VFT:所有受试者均需要完成VFT,同时同步进行fNIRS检测以便对患者大脑进行观察。该设备包含16个光源探头、16个探测探头,构成53个有效通道,通道距离采用3 cm间距。参考国际10-20系统进行定位,覆盖前额叶与双侧部分颞叶。该设备全通道采样率20 Hz。光源探头采用波长分别为690 nm和830 nm,可同时检测大脑皮质相关区域HbO2和脱氧血红蛋白水平的变化。根据核磁定位系统,53个通道分布在运动前和辅助运动皮质、部分布罗卡区、额叶视野、背外侧前额皮质、额极区、和眶额区。这些近似通道位置基于国际10/20系统的解剖颅骨矫正[11]。VFT采用区块设计,任务期60 s,静息期30 s,在任务阶段受试者被要求尽可能多的说出植物、动物和运动项目的名称。刺激任务应用E-prime软件编程,由电脑呈现。受试者戴好fNIRS配套的光学探查头帽,取坐位,待熟悉环境后开始试验。测试之前要求受试者避免躯体特别是头部的运动。

(3)fnirs数据记录及分析:采用基于Matlab的源代码对fNIRS数据进行处理和分析。预处理:①将原始NIRS的光强转换为光密度信号;②滤波:识别、去除或重新校准有噪声和长时间运动伪迹的通道,然后使用Homer2(参数设置为tMotion=0.5 s;tMask=1.0),减少生理噪音(滤波范围0.01～0.10 Hz);③采用改进的Beer-Lambert定律[12]将过滤后的光密度数据转化为HbO2、脱氧血红蛋白和总血红蛋白水平。预处理后将血流动力学的变化转化为相关系数,计算个体在静息期和任务期的HbO2变化(△HbO2)用以代表大脑激活程度,以此来估计血氧动力响应曲线,随后提取振幅等特征信息进行全组水平上的统计分析以评估脑区激活强度。在Matlab程序中使用NIRS-SPM[13]软件对预处理的数据进行分析,选择GLM所需参数,得到的参数β值估计模型,采用独立样本t检验,经错误发现率(FDR)矫正后,记录激活区的激活范围及激活强度。结果组数据图像的阈值为0.05。根据每位被试的HbO2数据,由相关及相干系数计算方式得到两种连接矩阵,进行组间t检验,画出任务态下数据的通道分布热图(数值范围0～0.05)。静息态功能连接分析(FC)和可视化操作在BrainNet viewer中进行。提取受试者各时间点的静息态数据,在时间序列节点上计算Person相关系数以观察全脑功能网络连接。

结 果

1.两组受试者一般资料及临床资料比较:试验组患者中4例(31%)单用胰岛素,5例(38%)单用二甲双胍,4例(31%)使用胰岛素联合口服药物降糖。试验组患者空腹血糖、餐后2 h血糖、fNIRS检测时随机血糖均高于对照组,MoCA量表评分低于对照组(P<0.05)。见表1。

表1 两组受试者一般资料及临床资料比较

2.两组受试者ΔHbO2比较:在VFT测试期间的53个通道中,试验组患者第37通道(眶额叶)ΔHbO2显著高于对照组[(-0.14±0.03)μM)比(0.71±0.11)μM,P=0.026]。

3.两组受试者大脑激活区域差异:各组受试者静息期与任务期大脑激活区域的大小和位置进行组内比较,所显示的激活区域为规定阈值<0.05矫正后图像,观察激活范围后结果显示,试验组和对照组在VFT任务下均出现显著激活区域,其中,试验组激活区域仅分布在左侧背外侧前额叶(DLPFC),而对照组的显著激活区域更广,以右侧DLPFC为主。见图1。

图1 两组受试者在VFT任务下的大脑激活图(A:试验组;B:对照组)

4.两组受试者大脑功能连接差异:FDR矫正前差异通道数过多且无意义。经FDR校正后,在任务期,两组数据组内各通道相关分析结果显示,两组数据比较差异无统计学意义(P=0.170),见图2;两组数据组内各通道相干分析结果显示,两组数据比较差异无统计学意义(P=0.230),见图3。提取受试者各时间点的静息态数据,分析各通道时间序列上的Person相关系数,两组受试者的全脑功能网络连接比较差异无统计学意义(P>0.05),见图4。

图2 两组受试者相关分析的通道分布热图(A:试验组;B:对照组)

图3 两组受试者相干分析的通道分布热图(A:试验组;B:对照组)

图4 两组受试者的大脑功能连接示意图(A:试验组;B:对照组)

讨 论

本研究中,我们对T2DM患者和健康人群在VFT下进行fNIRS检测,探究两组之间大脑ΔHbO2的差异,结果证明了T2DM患者存在更明显的认知障碍,同时发现了T2DM患者眶额叶ΔHbO2更高,且研究提示了糖尿病对大脑不同区域的损伤和大脑代偿的差异。

本研究结果发现,与年龄、性别和受教育程度相匹配的非糖尿病患者相比,T2DM患者MoCA量表评分较低,与前人对糖尿病患者的认知障碍研究结论一致。糖尿病患者认知障碍的发病机制涉及多种因素,包括氧化损伤和线粒体功能障碍[14]导致的糖尿病大血管病变、血管损伤[15]等。也有研究指出,与糖尿病患者认知障碍相关的危险因素还与糖尿病病程延长[16]、微血管功能障碍及所致并发症[17]的存在有关。大量临床研究表明,在降糖药物中,胰高血糖素样肽-1受体激动剂具有改善糖尿病认知功能障碍的作用,其他降糖药物如二甲双胍、胰岛素、钠-葡萄糖共转运蛋白-2抑制剂等是否能有效改善糖尿病认知功能障碍仍存在争议[18]。

本研究结果表明,T2DM患者眶额叶具有更高的ΔHbO2。在VFT任务期间,第37通道(眶额叶)平均ΔHbO2较对照组更高。眶额叶涉及大脑对食物等相关奖励机制的处理。fMRI显示OFC及其他参与奖励处理的结构在食物线索的反应中被激活[19],肥胖者在此区域表现出更高的血氧水平依赖(BOLD)[20]。T2DM患者眶额叶具有更高的ΔHbO2,可能参与了糖尿病的发病,这种变化很有可能发生在糖尿病更早以前。正是这种改变,使得这部分人群出现摄食平衡失调,进一步增强了对食物的渴望,最终导致了糖尿病的发生。对T2DM患者施行RYGB手术也正是通过手术对脑肠轴的影响,调节了大脑部分神经功能,使得患者在面对食物奖励时,大脑相关处理区域反应明显减弱,从而在一定程度上逆转了T2DM[21]。

本研究还发现,糖尿病患者的右侧DLPFC未出现激活,而左侧激活范围变广,这可能是在认知衰退过程中由于部分大脑功能受损,出现相应的代偿反应[22]。

本研究的不足之处在于入选病例数较少,且仅为T2DM患者,不能回答不同病情糖尿病的异常;在认知评估方面未采用简易智能精神状态检查量表;此外本研究没有对大脑进行影像学检查以及功能检测时没有同步实时血压监测,对于糖尿病并发认知障碍的机制研究不够充分,未来我们将纳入更全面的、样本量更大的糖尿病病种进行研究,比较不同类型糖尿病之间是否有一致的结论。另外,本研究为横向研究,未来将继续开展纵向研究来探讨糖尿病发展过程中的大脑结构及功能变化。

综上所述,本研究通过对T2DM患者和健康人群进行fNIRS检测,发现T2DM患者相比健康人群存在更严重的认知功能障碍。T2DM患者眶额叶具有更高的ΔHbO2。研究结果中右侧DLPFC未出现激活,而左侧额叶激活范围变广可能是T2DM患者大脑功能受损后的代偿反应。