程炎培 汪俊逸 高凌

隨著我國逐漸步入老齡化社會,認(rèn)知功能障礙正在成為一個越來越常見的公共衛(wèi)生問題,流行病學(xué)研究指出,糖尿病與認(rèn)知功能障礙的風(fēng)險顯著相關(guān)[1]。其中,2型糖尿病(T2DM)對認(rèn)知障礙的影響最為明顯,患有T2DM的老年人患癡呆風(fēng)險增加1倍。大多數(shù)縱向研究結(jié)果表明,T2DM與大腦執(zhí)行功能、語言流暢性和記憶力的較大幅度下降有關(guān)[2]。既往研究表明,糖尿病可能通過葡萄糖毒性、氧化應(yīng)激、胰島素抵抗和晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)積累等途徑影響患者認(rèn)知功能[3]。隨著臨床影像學(xué)的發(fā)展,一些基于MRI的研究已將T2DM與認(rèn)知功能聯(lián)系起來,這些研究從結(jié)構(gòu)和機制方面初步探討了糖尿病和神經(jīng)系統(tǒng)改變的關(guān)系,但大多停留在靜態(tài)影像分析層面,無法實現(xiàn)動態(tài)觀察大腦功能變化。

隨著神經(jīng)成像技術(shù)的迅速發(fā)展,功能MRI(fMRI)的出現(xiàn),使觀察大腦功能的實時變化成為可能[4]。盡管fMRI可獲得氧合血紅蛋白(HbO2)指數(shù)等功能參數(shù),但高昂的成本阻礙了其在研究中的常規(guī)應(yīng)用。此外,fMRI測量受到身體姿勢的嚴(yán)格限制,很難同時執(zhí)行語言或認(rèn)知任務(wù)[4]。近紅外腦功能成像(fNIRS)是一種非侵入性的功能性神經(jīng)成像技術(shù),對外部刺激或事件敏感,并可對大腦代謝的變化進(jìn)行縱向監(jiān)測[5-6]。大腦通過血液的新陳代謝為神經(jīng)元活動提供所需的氧,而氧的消耗又刺激大腦局部血管的舒張,促使毛細(xì)血管血流量增加。在這個機制的作用下,大腦活動區(qū)域在認(rèn)知神經(jīng)活動過程中會出現(xiàn)HbO2水平上升、脫氧血紅蛋白水平下降[7]。在執(zhí)行腦負(fù)荷認(rèn)知任務(wù)時,腦氧代謝活動會更加活躍,近紅外光譜技術(shù)可測量大腦皮層HbO2和脫氧血紅蛋白的變化特征,間接反映大腦的功能[8]。除此之外,fNIRS的光譜分析允許評估大腦功能的自動調(diào)節(jié),靜息狀態(tài)下不產(chǎn)生運動偽影,獲得的信號更可靠,信號噪聲更小[9]。本研究運用fNIRS技術(shù)動態(tài)觀察T2DM患者和非糖尿病受試者在語素流暢性任務(wù)(VFT)下大腦血氧反應(yīng)的差異,探究T2DM對認(rèn)知功能障礙和神經(jīng)系統(tǒng)改變的影響。

對象與方法

1.對象:前瞻性納入2020年8月～2021年3月在我科住院的T2DM患者13例作為試驗組,納入標(biāo)準(zhǔn):(1)年齡50～65歲;(2)右利手;(3)均符合美國糖尿病學(xué)會指南[10]中T2DM的診斷標(biāo)準(zhǔn)。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)腦內(nèi)病變,如腫瘤、腦梗死、出血或血管畸形;(2)中風(fēng)、癲癇、頭部創(chuàng)傷或有腦部手術(shù)史;(3)全身器質(zhì)性疾病或有腫瘤史;(4)近1個月有糖尿病急性并發(fā)癥(糖尿病酮癥酸中毒、高滲性昏迷);(4)其他類型糖尿病。同時納入本院體檢中心同期招募的健康者13例作為對照組。本研究已通過武漢大學(xué)人民醫(yī)院倫理委員會審核批準(zhǔn),所有受試者均簽署知情同意書。

2.方法

(1)一般資料及臨床資料收集:包括所有受試者的年齡、性別、受教育程度、收縮壓、舒張壓、空腹血糖、餐后2 h血糖、fNIRS檢測時隨機血糖及MoCA量表評分和試驗組患者的藥物使用情況。

(2)VFT:所有受試者均需要完成VFT,同時同步進(jìn)行fNIRS檢測以便對患者大腦進(jìn)行觀察。該設(shè)備包含16個光源探頭、16個探測探頭,構(gòu)成53個有效通道,通道距離采用3 cm間距。參考國際10-20系統(tǒng)進(jìn)行定位,覆蓋前額葉與雙側(cè)部分顳葉。該設(shè)備全通道采樣率20 Hz。光源探頭采用波長分別為690 nm和830 nm,可同時檢測大腦皮質(zhì)相關(guān)區(qū)域HbO2和脫氧血紅蛋白水平的變化。根據(jù)核磁定位系統(tǒng),53個通道分布在運動前和輔助運動皮質(zhì)、部分布羅卡區(qū)、額葉視野、背外側(cè)前額皮質(zhì)、額極區(qū)、和眶額區(qū)。這些近似通道位置基于國際10/20系統(tǒng)的解剖顱骨矯正[11]。VFT采用區(qū)塊設(shè)計,任務(wù)期60 s,靜息期30 s,在任務(wù)階段受試者被要求盡可能多的說出植物、動物和運動項目的名稱。刺激任務(wù)應(yīng)用E-prime軟件編程,由電腦呈現(xiàn)。受試者戴好fNIRS配套的光學(xué)探查頭帽,取坐位,待熟悉環(huán)境后開始試驗。測試之前要求受試者避免軀體特別是頭部的運動。

(3)fnirs數(shù)據(jù)記錄及分析:采用基于Matlab的源代碼對fNIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。預(yù)處理:①將原始NIRS的光強轉(zhuǎn)換為光密度信號;②濾波:識別、去除或重新校準(zhǔn)有噪聲和長時間運動偽跡的通道,然后使用Homer2(參數(shù)設(shè)置為tMotion=0.5 s;tMask=1.0),減少生理噪音(濾波范圍0.01～0.10 Hz);③采用改進(jìn)的Beer-Lambert定律[12]將過濾后的光密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為HbO2、脫氧血紅蛋白和總血紅蛋白水平。預(yù)處理后將血流動力學(xué)的變化轉(zhuǎn)化為相關(guān)系數(shù),計算個體在靜息期和任務(wù)期的HbO2變化(△HbO2)用以代表大腦激活程度,以此來估計血氧動力響應(yīng)曲線,隨后提取振幅等特征信息進(jìn)行全組水平上的統(tǒng)計分析以評估腦區(qū)激活強度。在Matlab程序中使用NIRS-SPM[13]軟件對預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,選擇GLM所需參數(shù),得到的參數(shù)β值估計模型,采用獨立樣本t檢驗,經(jīng)錯誤發(fā)現(xiàn)率(FDR)矯正后,記錄激活區(qū)的激活范圍及激活強度。結(jié)果組數(shù)據(jù)圖像的閾值為0.05。根據(jù)每位被試的HbO2數(shù)據(jù),由相關(guān)及相干系數(shù)計算方式得到兩種連接矩陣,進(jìn)行組間t檢驗,畫出任務(wù)態(tài)下數(shù)據(jù)的通道分布熱圖(數(shù)值范圍0～0.05)。靜息態(tài)功能連接分析(FC)和可視化操作在BrainNet viewer中進(jìn)行。提取受試者各時間點的靜息態(tài)數(shù)據(jù),在時間序列節(jié)點上計算Person相關(guān)系數(shù)以觀察全腦功能網(wǎng)絡(luò)連接。

結(jié) 果

1.兩組受試者一般資料及臨床資料比較:試驗組患者中4例(31%)單用胰島素,5例(38%)單用二甲雙胍,4例(31%)使用胰島素聯(lián)合口服藥物降糖。試驗組患者空腹血糖、餐后2 h血糖、fNIRS檢測時隨機血糖均高于對照組,MoCA量表評分低于對照組(P<0.05)。見表1。

表1 兩組受試者一般資料及臨床資料比較

2.兩組受試者ΔHbO2比較:在VFT測試期間的53個通道中,試驗組患者第37通道(眶額葉)ΔHbO2顯著高于對照組[(-0.14±0.03)μM)比(0.71±0.11)μM,P=0.026]。

3.兩組受試者大腦激活區(qū)域差異:各組受試者靜息期與任務(wù)期大腦激活區(qū)域的大小和位置進(jìn)行組內(nèi)比較,所顯示的激活區(qū)域為規(guī)定閾值<0.05矯正后圖像,觀察激活范圍后結(jié)果顯示,試驗組和對照組在VFT任務(wù)下均出現(xiàn)顯著激活區(qū)域,其中,試驗組激活區(qū)域僅分布在左側(cè)背外側(cè)前額葉(DLPFC),而對照組的顯著激活區(qū)域更廣,以右側(cè)DLPFC為主。見圖1。

圖1 兩組受試者在VFT任務(wù)下的大腦激活圖(A:試驗組;B:對照組)

4.兩組受試者大腦功能連接差異:FDR矯正前差異通道數(shù)過多且無意義。經(jīng)FDR校正后,在任務(wù)期,兩組數(shù)據(jù)組內(nèi)各通道相關(guān)分析結(jié)果顯示,兩組數(shù)據(jù)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.170),見圖2;兩組數(shù)據(jù)組內(nèi)各通道相干分析結(jié)果顯示,兩組數(shù)據(jù)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.230),見圖3。提取受試者各時間點的靜息態(tài)數(shù)據(jù),分析各通道時間序列上的Person相關(guān)系數(shù),兩組受試者的全腦功能網(wǎng)絡(luò)連接比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),見圖4。

圖2 兩組受試者相關(guān)分析的通道分布熱圖(A:試驗組;B:對照組)

圖3 兩組受試者相干分析的通道分布熱圖(A:試驗組;B:對照組)

圖4 兩組受試者的大腦功能連接示意圖(A:試驗組;B:對照組)

討 論

本研究中,我們對T2DM患者和健康人群在VFT下進(jìn)行fNIRS檢測,探究兩組之間大腦ΔHbO2的差異,結(jié)果證明了T2DM患者存在更明顯的認(rèn)知障礙,同時發(fā)現(xiàn)了T2DM患者眶額葉ΔHbO2更高,且研究提示了糖尿病對大腦不同區(qū)域的損傷和大腦代償?shù)牟町悺?/p>

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),與年齡、性別和受教育程度相匹配的非糖尿病患者相比,T2DM患者M(jìn)oCA量表評分較低,與前人對糖尿病患者的認(rèn)知障礙研究結(jié)論一致。糖尿病患者認(rèn)知障礙的發(fā)病機制涉及多種因素,包括氧化損傷和線粒體功能障礙[14]導(dǎo)致的糖尿病大血管病變、血管損傷[15]等。也有研究指出,與糖尿病患者認(rèn)知障礙相關(guān)的危險因素還與糖尿病病程延長[16]、微血管功能障礙及所致并發(fā)癥[17]的存在有關(guān)。大量臨床研究表明,在降糖藥物中,胰高血糖素樣肽-1受體激動劑具有改善糖尿病認(rèn)知功能障礙的作用,其他降糖藥物如二甲雙胍、胰島素、鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運蛋白-2抑制劑等是否能有效改善糖尿病認(rèn)知功能障礙仍存在爭議[18]。

本研究結(jié)果表明,T2DM患者眶額葉具有更高的ΔHbO2。在VFT任務(wù)期間,第37通道(眶額葉)平均ΔHbO2較對照組更高?？纛~葉涉及大腦對食物等相關(guān)獎勵機制的處理。fMRI顯示OFC及其他參與獎勵處理的結(jié)構(gòu)在食物線索的反應(yīng)中被激活[19],肥胖者在此區(qū)域表現(xiàn)出更高的血氧水平依賴(BOLD)[20]。T2DM患者眶額葉具有更高的ΔHbO2,可能參與了糖尿病的發(fā)病,這種變化很有可能發(fā)生在糖尿病更早以前。正是這種改變,使得這部分人群出現(xiàn)攝食平衡失調(diào),進(jìn)一步增強了對食物的渴望,最終導(dǎo)致了糖尿病的發(fā)生。對T2DM患者施行RYGB手術(shù)也正是通過手術(shù)對腦腸軸的影響,調(diào)節(jié)了大腦部分神經(jīng)功能,使得患者在面對食物獎勵時,大腦相關(guān)處理區(qū)域反應(yīng)明顯減弱,從而在一定程度上逆轉(zhuǎn)了T2DM[21]。

本研究還發(fā)現(xiàn),糖尿病患者的右側(cè)DLPFC未出現(xiàn)激活,而左側(cè)激活范圍變廣,這可能是在認(rèn)知衰退過程中由于部分大腦功能受損,出現(xiàn)相應(yīng)的代償反應(yīng)[22]。

本研究的不足之處在于入選病例數(shù)較少,且僅為T2DM患者,不能回答不同病情糖尿病的異常;在認(rèn)知評估方面未采用簡易智能精神狀態(tài)檢查量表;此外本研究沒有對大腦進(jìn)行影像學(xué)檢查以及功能檢測時沒有同步實時血壓監(jiān)測,對于糖尿病并發(fā)認(rèn)知障礙的機制研究不夠充分,未來我們將納入更全面的、樣本量更大的糖尿病病種進(jìn)行研究,比較不同類型糖尿病之間是否有一致的結(jié)論。另外,本研究為橫向研究,未來將繼續(xù)開展縱向研究來探討糖尿病發(fā)展過程中的大腦結(jié)構(gòu)及功能變化。

綜上所述,本研究通過對T2DM患者和健康人群進(jìn)行fNIRS檢測,發(fā)現(xiàn)T2DM患者相比健康人群存在更嚴(yán)重的認(rèn)知功能障礙。T2DM患者眶額葉具有更高的ΔHbO2。研究結(jié)果中右側(cè)DLPFC未出現(xiàn)激活,而左側(cè)額葉激活范圍變廣可能是T2DM患者大腦功能受損后的代償反應(yīng)。