黃 楊，程 苗，楊 圳，張 鑫

(陜西省人民醫(yī)院MR室，西安 710068;*通訊作者,E-mail:zhangxin1600@126.com)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是最常見的代謝性疾病，以胰島素抵抗和慢性高血糖為特征[1]。而長期高血糖可引起腎系膜細胞擴張，加速內(nèi)皮細胞凋亡，最終導致多種微血管并發(fā)癥，其中包括糖尿病腎病、視網(wǎng)膜病變和周圍神經(jīng)病變[2]。多項臨床研究發(fā)現(xiàn)，微血管并發(fā)癥可加速糖尿病患者的認知損傷，對患者的生活質(zhì)量和總體預期壽命存在很大影響[3]。因此，探討T2DM-C患者的腦網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性改變及其認知功能損傷的神經(jīng)機制具有重要意義。

大腦的復雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了信息處理和認知表達的基礎(chǔ)[4]。腦網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元連接性改變可能是誘發(fā)微血管功能障礙，導致認知能力下降的關(guān)鍵步驟[5]?；陟o息態(tài)功能磁共振成像(rs-fMRI)的圖論分析方法能夠反映不同尺度的腦神經(jīng)元活動，以及不同腦區(qū)之間功能的分離與整合過程[6]。并且該方法能夠充分、有效地檢測人腦網(wǎng)絡(luò)特征的拓撲屬性變化[7]。本研究利用rs-fMRI數(shù)據(jù)結(jié)合圖論分析方法，探討T2DM-C患者的功能腦網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性改變，并進一步分析腦網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性與認知功能之間的關(guān)系，為T2DM-C患者腦功能研究提供一種新的視角和方法。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究從陜西省人民醫(yī)院內(nèi)分泌科招募了37例2型糖尿病伴微血管并發(fā)癥患者(T2DM-C)及同期體檢中心的41例健康被試(HC)。T2DM-C患者的納入標準：①符合2014年WHO的糖尿病診斷標準;②至少存在1種糖尿病相關(guān)的微血管并發(fā)癥(腎病、視網(wǎng)膜病變或周圍神經(jīng)病變)。糖尿病腎病的診斷標準：尿白蛋白/肌酐比值(ACR)>300 mg/g或ACR 30～300 mg/g；或腎臟病理檢查提示糖尿病腎病。若T2DM患者存在視網(wǎng)膜微動脈瘤、出血、滲出、新生血管等被定義為糖尿病視網(wǎng)膜病變。糖尿病周圍神經(jīng)病變需符合以下任意2個指標：①存在典型的神經(jīng)性感覺癥狀;②遠端感覺對稱減少或踝關(guān)節(jié)反射喪失;③神經(jīng)傳導異常。所有受試者的排除標準如下：①嚴重幽閉恐怖癥或MRI禁忌證；②酒精中毒、帕金森病、重度抑郁癥、腦損傷、癲癇或其他神經(jīng)或精神疾病；③存在另一種原發(fā)性、繼發(fā)性或先天性腎臟疾??；④存在其他眼部疾??；⑤小型精神狀態(tài)檢查(MMSE)評分<24。本研究通過陜西省人民醫(yī)院倫理委員會審核及批準，所有被試在參與前均被告知實驗詳情并簽署知情同意書。

1.2 臨床資料及神經(jīng)心理學測試

收集患者的病史和臨床資料。包括性別、年齡、糖化血紅蛋白、空腹血糖、甘油三酯、膽固醇、血清尿素、血清肌酐、尿微量白蛋白、尿肌酐，采用標準實驗室檢測方法測定尿白蛋白/肌酐比值。利用簡易智力狀態(tài)檢查量表MMSE和蒙特利爾認知評估量表MoCA評估一般認知功能。通過連線測試A(trail-making test part A, TMT-A)評估被試信息處理速度和注意力；采用時鐘繪圖測試(clock drawing test，CDT)評估被試視覺空間功能及執(zhí)行功能。

1.3 rs-fMRI數(shù)據(jù)采集和預處理

所有被試在陜西省人民醫(yī)院使用Philips 3.0T Ingenia磁共振和16通道頭線圈進行MRI掃描。采用常規(guī)T1WI、T2WI及T2-FLAIR序列來排除可見的腦損傷。靜息態(tài)數(shù)據(jù)rs-fMRI采用梯度回波平面成像序列的掃描參數(shù)如下：重復時間(TR)2 s、回波時間(TE)30 ms、視野(FOV)230 mm×230 mm、矩陣128×128、翻轉(zhuǎn)角度(FA)90°、層厚為4 mm，層間隔為0，34層，共采集200個時間點。整個掃描過程中都要求被試閉上眼睛并保持清醒。

rs-fMRI數(shù)據(jù)使用DPABI軟件包進行預處理[8]。首先去除前10個時間點，以確保磁場的穩(wěn)定性。對剩余的190個時間點進行時間層校正和頭動校正(排除頭動平移>1.5 mm或轉(zhuǎn)動>1.5°的被試)。然后，使用EPI模板將圖像匹配到標準MNI空間，并使用半高寬為6 mm的高斯核進行平滑處理。此外，回歸了24個頭部運動參數(shù)、線性漂移信號、腦脊液信號和白質(zhì)信號。最后，利用濾波器(0.01～0.08 Hz)去除了生理噪聲的影響。

1.4 腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性分析

利用GRETNA軟件包[9]的解剖學自動標記模板(anatomical automatic labeling，AAL)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，將每個被試的全腦劃分為116個區(qū)域，包括90個大腦區(qū)域和26個小腦區(qū)域。提取每個區(qū)域的平均時間序列，并計算每對區(qū)域時間序列之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。采用Fisher-Z變換將相關(guān)系數(shù)轉(zhuǎn)換為Z值，以改善正態(tài)分布。每個被試生成一個116×116的相關(guān)矩陣。通過設(shè)定稀疏度閾值(Sp)保證了每個網(wǎng)絡(luò)的邊數(shù)相同，并將組間總體相關(guān)強度差異的影響最小化[10]。因此，應用稀疏閾值[11](0.05

1.5 統(tǒng)計學分析

所有被試人口學、臨床資料及神經(jīng)心理學評分采用SPSS 24.0軟件進行分析。兩組間比較采用獨立樣本t檢驗，性別采用χ2檢驗，顯著性閾值設(shè)置為P<0.05。為了比較組間AUC的全局網(wǎng)絡(luò)拓撲指標(Cp、Lp、γ、λ、σ、Eg和Eloc)和節(jié)點拓撲指標(DC、BC和NE)，以年齡和性別作為協(xié)變量，對兩組拓撲指標進行獨立樣本t檢驗，使用FDR矯正，校正后P<0.05，表示兩組拓撲指標差異有統(tǒng)計學意義。此外，為了探討腦網(wǎng)絡(luò)的拓撲屬性與臨床/認知評分之間的關(guān)系，進一步在患者組中進行了拓撲屬性與認知/臨床變量之間的偏相關(guān)分析，將年齡和性別作為協(xié)變量，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 人口學資料及神經(jīng)心理學測試結(jié)果

兩組被試在性別、年齡、總膽固醇、甘油三酯、MMSE評分方面均未見顯著差異(P>0.05)；T2DM-C組的糖化血紅蛋白、空腹血糖水平以及TMT-A評分明顯高于HC，而MoCA和CDT評分明顯低于HC組(P<0.05，見表1)。

表1 T2DM-C組及HC組人口學、臨床資料及神經(jīng)心理學評分結(jié)果

2.2 全局拓撲屬性以及節(jié)點拓撲屬性比較結(jié)果

在全稀疏閾值范圍內(nèi)(0.05～0.5)，T2DM-C患者的標準化聚類系數(shù)(γ)、小世界屬性(σ)以及局部效率(Eloc)均顯著高于HC組，其他拓撲屬性指標在兩組被試間不存在顯著性差異(見圖1)。

Cp，聚類系數(shù)；Lp，特征路徑長度；γ，標準化聚類系數(shù)；λ，標準化特征路徑長度；σ，小世界屬性；Eg，全局效率；Eloc，局部效率；與HC組比較，**P<0.01圖1 T2DM-C組與HC組全局拓撲屬性指標比較Figure 1 Comparison of global topological properties between T2DM-C group and HC group

兩組被試間節(jié)點拓撲指標在全稀疏閾值下的差異比較見表2。與HC組相比，T2DM-C患者左側(cè)楔葉和小腦蚓部的BC值增高。T2DM-C患者在右側(cè)中央旁小葉和左側(cè)枕下回的DC值降低，雙側(cè)小腦3區(qū)和小腦蚓部的DC值增高。此外，T2DM-C患者右側(cè)中央旁小葉和左側(cè)枕下回的NE值降低，雙側(cè)小腦3區(qū)的NE值升高。

2.3 相關(guān)性分析

在T2DM-C組中，Eloc值與糖化血紅蛋白水平呈正相關(guān)(r=0.515,P=0.001)；右側(cè)中央旁小葉PCL的NE值與血清肌酐值呈負相關(guān)(r=-0.517,P=0.001)，其他網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性與臨床和神經(jīng)心理學參數(shù)之間沒有相關(guān)性(見圖2)。

表2 T2DM-C組相對于HC組節(jié)點拓撲屬性指標的差異

*表示該指標去除性別、年齡作為協(xié)變量的影響圖2 T2DM-C患者的拓撲屬性指標與認知/臨床變量之間的相關(guān)性Figure 2 Correlation between topological properties and cognitive and clinical scores of T2DM-C

3 討論

本研究利用rs-fMRI數(shù)據(jù)結(jié)合圖論的方法，通過探究復雜腦網(wǎng)絡(luò)的拓撲屬性改變，揭示T2DM-C患者的大腦神經(jīng)活動機制與認知損害的關(guān)系。與HC組相比，T2DM-C組具有較高的標準聚類系數(shù)和局部效率，且視覺網(wǎng)絡(luò)和小腦區(qū)域的節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)存在顯著異常。表明T2DM-C患者可能同時受到高血糖和微血管并發(fā)癥的影響，在全局網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點拓撲屬性表現(xiàn)出廣泛異常，而視覺皮層和小腦皮層可能是T2DM-C患者的中樞易損區(qū)域。

2型糖尿病常導致多種認知功能障礙，而臨床研究發(fā)現(xiàn)微血管并發(fā)癥可加速2型糖尿病患者的認知功能損害[3]。神經(jīng)影像學研究指出伴有糖尿病腎病和視網(wǎng)膜病變的2型糖尿病患者存在廣泛的神經(jīng)活動異常的腦區(qū)[12]。此外，也有研究表明，糖尿病視網(wǎng)膜病變患者表現(xiàn)出異常的拓撲改變，其網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性和節(jié)點的度中心性與患者的空腹血糖水平顯著相關(guān)[13]。一項縱向研究證實了，糖尿病微血管并發(fā)癥患者未來腦結(jié)構(gòu)改變和認知能力下降的風險較高[14]。

在當前研究中，與正常對照組(HC)相比，T2DM-C患者表現(xiàn)出更高標準化聚類系數(shù)、小世界屬性以及局部效率，這表明T2DM-C患者的局部結(jié)構(gòu)可能已出現(xiàn)異常。為了使全局網(wǎng)絡(luò)效率的穩(wěn)定性維持在一個相對正常的水平，局部網(wǎng)絡(luò)效率表現(xiàn)為代償性提高。之前有研究發(fā)現(xiàn)輕度認知障礙(MCI)患者的網(wǎng)絡(luò)局部效率提高，而癡呆患者的局部效率降低[15]。在本項研究中，所有T2DM-C患者的MMSE評分>24。因此，我們推測，在T2DM-C患者出現(xiàn)癡呆前，網(wǎng)絡(luò)局部效率可能已表現(xiàn)出代償性增加，以維持正常認知功能。并且T2DM-C患者的局部網(wǎng)絡(luò)效率與糖化血紅蛋白水平相關(guān)，這表明持續(xù)性高血糖可能是導致T2DM-C患者局部網(wǎng)絡(luò)效率代償性增加和認知功能損傷的原因。

枕葉視覺皮層是T2DM患者最易受損的大腦區(qū)域之一[16]，楔葉和枕下回參與了視覺空間過程，具有視覺感知功能[17]，本研究發(fā)現(xiàn)T2DM-C患者左側(cè)楔葉的BC值高于HC組，左側(cè)枕下回的DC值和NE值低于HC組，這表明T2DM-C患者視覺網(wǎng)絡(luò)存在廣泛的中斷，進一步證實了視覺皮層可能是T2DM-C患者易受損的大腦區(qū)域。有研究表明，視覺網(wǎng)絡(luò)異常的神經(jīng)活動可能會影響視覺空間記憶[18]和一般認知功能[19]，這可能是T2DM-C患者的CDT和MoCA評分較低的原因之一。中央旁小葉屬于感覺運動皮層，T2DM-C患者的右側(cè)中央旁小葉的DC和NE值低于HC組，并且右側(cè)中央旁小葉(PCL)的NE值與T2DM-C患者的血清肌酐值呈負相關(guān)，表明右側(cè)中央旁小葉的節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)異?？赡芘c糖尿病患者的腎功能損害有關(guān)。有研究證實不同的小腦亞區(qū)也參與了多種認知功能[20]，并有研究發(fā)現(xiàn)糖尿病腎病和視網(wǎng)膜病變患者的小腦神經(jīng)元存在異?；顒覽12,21]，周圍神經(jīng)病變患者的小腦灰質(zhì)體積減少[22]，說明小腦也是糖尿病微血管病變的易受損區(qū)域之一。本研究發(fā)現(xiàn)，T2DM-C患者在小腦多個亞區(qū)域的DC值和NE值高于HC，說明小腦網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)紊亂，這進一步證實了小腦可能是T2DM-C患者的中樞損傷靶點。此外，多項研究認為小腦的結(jié)構(gòu)和功能異常與信息處理速度障礙有關(guān)[23,24]，這可能是T2DM-C患者TMT-A評分較差的原因。

本研究也有一些局限性。首先，該研究是樣本量小的橫斷面研究，可能限制了我們結(jié)果的普適性。第二，不同患者的T2DM治療方案有所不同，不同的藥物可能對研究結(jié)果有一定的影響。

綜上所述，本研究采用圖論的方法，探究T2DM-C患者靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)的拓撲屬性，發(fā)現(xiàn)T2DM-C患者在全局網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性表現(xiàn)出廣泛的改變，并且視覺網(wǎng)絡(luò)和部分小腦區(qū)域存在節(jié)點屬性異常，表明視覺和小腦皮層可能是T2DM-C患者易受損的中樞區(qū)域。這為了解T2DM-C患者的腦功能損傷以及認知功能障礙的神經(jīng)機制提供了一些影像學證據(jù)。