李欣，張雯，劉佳妮，傅琳清，繆應雯，張鑫，陳玖，畢艷，張冰*

作者單位 1.南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學影像科，南京 210008；2.南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學內分泌科，南京210008

0 引言

2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus, T2DM）是一種由胰島素抵抗或胰島功能減退引起的糖代謝紊亂綜合征。糖尿病前期（pre-diabetes mellitus, PDM）是一種介于正常血糖值和糖尿病之間的糖代謝異常狀態(tài)。PDM 使糖尿病的發(fā)病風險增加了3～10 倍[1]。隨著生活方式的改變及人口老齡化的加劇，T2DM 及PDM 人數快速增長，我國高達35.7%人群處于PDM狀態(tài)，兩類人群總計超過50%[2]。多項研究顯示T2DM及PDM會明顯增加癡呆的風險[3-4]。因此早期發(fā)現糖尿病的腦損傷具有重要價值。

當前神經影像學的快速發(fā)展為糖尿病相關腦損傷的研究提供了新方法新思路，大量研究發(fā)現T2DM患者皮層和皮層下核團萎縮[5-6]，腦白質微結構完整性破壞[7-9]及功能網絡發(fā)生改變[10-11]，另外有研究顯示在T2DM 患者認知減退之前就發(fā)現了廣泛的大腦結構和功能的改變[12]。最近研究報道，血液中高糖化血紅蛋白水平與認知功能下降及腦容量減小相關[13]。目前PDM 與腦健康之間的關系仍不清楚，部分研究表明PDM 與大腦結構損傷有關，然而有些研究并沒有發(fā)現這一結論[14-15]。正確評估PDM 及T2DM 患者的大腦改變能為其神經損傷的產生機制提供影像依據，這對于糖尿病的早期干預及預防認知減退具有重要意義。故本研究旨在探討PDM及T2DM患者大腦皮層的改變模式及其與認知功能的關系，以期探尋血糖代謝異常的早期影像標志物。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性隊列研究，招募2016 年10 月至2020年12月在南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院內分泌科就診的30 例PDM 被試（PDM 組）及96 例T2DM 患者（T2DM 組），社區(qū)招募年齡、性別和受教育年限匹配的48例正常對照（normal control, NC）作為NC組。

1.1.1 PDM組入排標準

PDM 診斷標準：依據2010 年美國糖尿病協會推薦標準，即糖化血紅蛋白5.7%～6.4%定義為PDM。PDM 組納入標準：（1）無磁共振掃描禁忌證，如心臟起搏器、胰島素泵等植入術后；（2）35～75 周歲，受教育年限不少于6年；（3）右利手；（4）符合PDM 診斷標準。排除標準：（1）顱腦外傷、顱內出血、腦梗死及精神分裂癥、抑郁癥、焦慮癥等神經、精神系統(tǒng)疾病病史；（2）甲狀腺功能障礙、心血管或腦血管疾病、類固醇治療史；（3）磁共振圖像信息缺失；（4）根據2006年世界衛(wèi)生組織修訂的糖尿病診斷標準診斷為T2DM的患者。

1.1.2 T2DM組入排標準

根據2006年世界衛(wèi)生組織修訂的糖尿病診斷標準，即典型糖尿病癥狀（多飲、多尿和不明原因的體質量下降）加上以下3 條中之一即診斷為T2DM：（1）隨機血糖≥11.1 mmol/L；（2）空腹血糖≥7.0 mmol/L；（3）糖耐量測試后2小時血糖≥11.1 mmol/L；T2DM 組納入標準：同PDM 組納入標準所述（1）到（3）且符合T2DM 診斷標準。排除標準：同PDM 組排除標準所述（1）～（3）。

1.1.3 NC組入排標準

NC 組納入標準：（1）年齡、性別及受教育年限與PDM 組及T2DM 組相匹配；（2）右利手；（3）身體健康；（4）無磁共振掃描禁忌證。排除標準：神經精神系統(tǒng)病史。

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院倫理委員會批準（批準文號：NCT02738671），全體受試者均簽署了知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 一般資料

年齡、性別、受教育年限、身體質量指數（body mass index, BMI）、血壓。BMI 為身體質量除以身高的平方（kg/m2）；所有的臨床資料均來自標準化的臨床測量。

1.2.2 臨床與生化指標

收集T2DM 患者的病程、糖化血紅蛋白（hemoglobin A1c, HbA1c）、空腹血糖、餐后2 h 血糖、空腹胰島素、餐后2 h 胰島素、空腹C 肽、餐后2 h C 肽、甘油三酯及總膽固醇，根據穩(wěn)態(tài)模型（homeostasis model assessment, HOMA）（https://www.dtu.ox.ac.uk/homacalculator/）計算穩(wěn)態(tài)模型胰島β 細胞功能指數（HOMA2-B）、穩(wěn)態(tài)模型胰島素敏感指數（HOMA 2-S）、穩(wěn)態(tài)模型胰島素抵抗指數（HOMA2-IR）。

1.2.3 神經心理學認知量表評估

經過培訓的測試者對被試進行認知功能評估。認知功能測試包括簡易精神狀態(tài)量表（Mini-Mental State Examination, MMSE）、蒙特利爾認知評估量表（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）、連線測試（Trail Making Test, TMT）A（TMT-A）和 B（TMT-B）、數字廣度順背、數字廣度倒背、動物命名測試和Stroop 色詞測試（Stroop Color and Word Test, SCWT；包括顏色、詞語及顏色和詞語）。MMSE 及MoCA 用于評價整體認知能力。TMT-A、TMT-B 評估視覺注意力與處理時間，數字廣度順背及數字廣度倒背用于評估工作記憶，動物命名測試用于評估語言能力，Stroop 色詞測試用于評估執(zhí)行功能。其中TMT-A、TMT-B 和SCWT 是計時測試，分數越高表示完成耗時越久、成績越差。

1.2.4 MRI圖像采集與分析

1.2.4.1 MRI圖像采集

采用飛利浦Achieva TX 3.0 T 磁共振設備及8通道頭線圈進行磁共振圖像采集。所有被試均進行了高分辨率結構像3D-T1WI掃描，采用T1加權3D快速回波（turbo field echo, 3D-TFE）序列，掃描參數：TR 9.7 ms；TE 4.6 ms；TI 900 ms；FA 8°；FOV 256 mm×256 mm；體素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm；采集層數192。

1.2.4.2 基于體素的形態(tài)學分析

使用 CAT12 軟件（http://dbm.neuro.uni-jena.de/cat/）對全腦灰質體積進行基于體素的形態(tài)學分析（voxel-based morphometry, VBM），主要預處理步驟包括：（1）數據格式轉換，將數據從原始的DICOM 格式轉換為NIFTI格式；（2）圖像分割，將結構像分割為灰質（grey matter, GM）、白質（white matter, WM）及腦脊液（cerebrospinal fluid, CSF）；（3）空間配準以及標準化，使用T1方法進行空間配準，并標準化至蒙特利爾神經學研究所（Montreal Neurological Institute,MNI）解剖空間；（4）平滑，應用6 mm 半高全寬平滑核進行圖像平滑，平滑后的圖像用于下一步統(tǒng)計分析。全腦總體積（intracranial volume, ICV）為GM、WM及CSF體積之和。

1.2.4.3 基于表面的形態(tài)學分析

使用CAT12 進行基于表面的形態(tài)學分析（surface-based morphometry, SBM）。采用CAT12 軟件的默認設置，平滑處理時全腦皮層厚度采用12 mm高斯平滑核，皮層復雜度、局部回指數及腦溝深度采用20 mm 平滑核，計算全腦皮層厚度、皮層復雜度、局部回指數和腦溝深度。

臨床資料、神經心理認知量表及MRI 掃描數據在一周內完成收集。

1.3 統(tǒng)計學分析

使用SPSS 23.0 軟件進行人口學、臨床生化數據和認知量表的統(tǒng)計學分析。其中連續(xù)變量三組間比較采用單因素方差分析（one-way analysis of variance,ANOVA），采用事后檢驗進行兩兩比較。分類變量采用卡方檢驗進行統(tǒng)計。結果均以均值±標準差或例（%）表示，P＜0.05認為差異具有統(tǒng)計學意義。

采用SPM12工具箱的統(tǒng)計模塊進行組間全腦灰質體積比較，采用 CAT12 工具箱的統(tǒng)計分析模塊進行全腦形態(tài)學參數比較，控制性別、年齡、受教育年限及收縮壓，采用單因素協方差分析（one-way analysis of covariance, ANCOVA）和事后檢驗進行比較，結果均使用P＜0.05 的閾值和FWE 校正進行多重比較校正。進一步提取組間具有顯著性差異的參數，與臨床生化指標及認知量表得分進行相關性分析。

2 結果

2.1 人口統(tǒng)計學與臨床特征比較

本研究共納入了174 名被試，包含48 例NC、30例PDM 被試及96例T2DM 患者。人口統(tǒng)計學、臨床特征及認知量表結果詳見表1。年齡、性別及受教育年限在三組間均未見顯著差異（P＞0.05）。三組間收縮壓、HbA1c、空腹血糖、餐后2 h血糖、餐后2 h胰島素、餐后2 h C肽、HOMA2-B及HOMA2-IR差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。事后檢驗分析顯示NC組與T2DM組比較及PDM組與T2DM組比較，收縮壓、HbA1c、空腹血糖、餐后2 h 血糖、餐后2 h 胰島素、餐后2 h C 肽、HOMA2-B 及HOMA2-IR 差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。另外PDM組比NC組HbA1c更高（P＜0.05）。

表1 NC組、PDM組及T2DM組人口統(tǒng)計學與臨床特征比較Tab.1 Comparison of demographic and clinical characteristics between NC, PDM and T2DM groups

2.2 大腦皮層影像指標比較

2.2.1 VBM分析結果

性別、年齡、受教育年限及收縮壓作為協變量，三組間ANOVA 的VBM 分析顯示右側顳上回[峰值坐標（MNI）：X=39，Y=12，Z=-30，體素大小1231；F=12.692，P＜0.05，FWE 校正]、右側額下回眶部[峰值坐標（MNI）：X=41，Y=39，Z=-14，體素大小1551；F=19.155，P＜0.05，FWE 校正]、右側顳中回[峰值坐標（MNI）：X=60，Y=-54，Z=18，體素大小836；F=15.702，P＜0.05，FWE 校正]及左側中央后回[峰值坐標（MNI）：X=-45，Y=-13.5，Z=50，體素大小807；F=16.833，P＜0.05，FWE 校正]差異具有統(tǒng)計學意義，事后檢驗結果顯示T2DM 組較NC 組相比上述腦區(qū)萎縮（P＜0.001），T2DM 組較PDM 組右側顳上回萎縮（P＜0.001），PDM 組較NC 組右側額下回眶部（P=0.001）及左側中央后回萎縮（P=0.031）（圖1，表2）。

圖1 PDM組、T2DM組及NC組腦區(qū)灰質體積比較結果（P＜0.05，FWE校正），控制性別、年齡、受教育年限及收縮壓。1A：三組VBM分析ANOVA結果；1B：三組間四個腦區(qū)的兩兩組間灰質體積比較。PDM：糖尿病前期；T2DM：2型糖尿??；NC：正常對照；VBM：基于體素的形態(tài)學分析。Fig.1 Comparison of gray matter volume in brain regions between three groups (P＜0.05, FWE corrected).The results were adjusted for sex, age,education level, and systolic blood pressure.1A: ANOVA results of VBM;1B: Comparison of gray matter volume between two groups in four brain regions among three groups.PDM: pre-diabetes mellitus; T2DM: type 2 diabetes mellitus; NC: normal control; VBM: voxel-based morphometry.

表2 腦區(qū)灰質體積與皮層厚度三組間比較結果Tab.2 Comparison of gray matter volume and cortical thickness between three groups.

另外全腦灰質體積及灰質全腦占比（全腦灰質體積/總體積，GMV/ICV）差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），事后檢驗分析顯示T2DM組全腦灰質體積（P＜0.001）及灰質全腦占比（P=0.007）較NC 組減?。ū?）。PDM 組與NC組及PDM 組與T2DM 組相比差異均沒有統(tǒng)計學意義。

表3 全腦灰質體積、總體積及全腦灰質體積/總體積組間比較Tab.3 Comparison of whole brain gray matter volume, intracranial volume and whole brain gray matter volume/ intracranial volume between three groups

2.2.2 SBM分析結果

控制性別、年齡、受教育年限及收縮壓，三組間ANOVA 的SBM 分析結果顯示，右側前額葉皮層厚度差異具有統(tǒng)計學意義（體素大小322，F=14.25，P＜0.05，FWE 校正）（圖2，表2）。事后檢驗分析顯示T2DM 組右側前額葉皮層厚度分別較PDM 組及NC組減?。≒＜0.001），PDM 組與NC 組未見明顯組間差異。三組間局部回指數、皮層復雜度及腦溝深度差異無統(tǒng)計學意義。

圖2 PDM組、T2DM組及對照組皮層厚度比較結果（F=14.25，P＜0.05，FWE 校正），控制性別、年齡、受教育年限及收縮壓。PDM：糖尿病前期；T2DM：2型糖尿??；NC：正常對照。Fig.2 Comparison of cortical thickness in brain regions between three groups (P＜0.05, FWE corrected).The results were adjusted for sex, age,education level, and systolic blood pressure.PDM: pre-diabetes mellitus;T2DM: type 2 diabetes mellitus; NC: normal control.

2.3 神經心理學認知量表比較

在認知功能方面，PDM 組及T2DM 組總體認知功能、視覺注意力、語言能力及執(zhí)行功能等各項認知水平均較 NC 組有下降趨勢，其中MoCA、數字廣度-順背及數字廣度-倒背得分差異具有統(tǒng)計學意義（表4）。事后檢驗分析顯示T2DM 組（P＜0.001）及PDM 組（P=0.037）較NC 組MoCA 得分下降，PDM 組與T2DM 組MoCA 得分未見明顯組間差異（P＞0.05）。T2DM 組較PDM 組（P=0.037）及NC 組（P=0.024）相比數字廣度-順背得分均下降，PDM組與NC組間差異沒有統(tǒng)計學意義。T2DM 組較NC 組相比數字廣度-倒背得分下降（P=0.009）。

表4 三組被試神經心理學認知量表比較Tab.4 Comparison of neuropsychological scale scores between three groups

2.4 影像指標與生化指標、神經心理學認知量表相關性

對血糖代謝異常被試（PDM 與T2DM，n=126）具有組間差異的灰質體積、灰質全腦占比及皮層厚度與臨床生化指標及認知量表評分進行相關性分析（表5）。相關分析結果顯示，ICV 與HOMA2-S 呈正相關（r=0.222，P=0.030，未校正），GMV 與HOMA2-S呈正相關（r=0.226，P=0.013，未校正）、與HOMA-IR呈負相關（r=-0.227，P=0.012，未校正）、與TMT-A 呈負相關（r=-0.250，P=0.001，FDR 校正）、與數字廣度-倒背得分呈正相關（r=0.267，P=0.003，FDR 校正）。另外大腦皮層厚度與HbA1c呈負相關（r=-0.181，P=0.040，未校正）、與餐后2 h 血糖呈負相關（r=-0.272，P=0.020，未校正）、與餐后2 h 胰島素呈正相關（r=0.236，P=0.010，未校正）、與HOMA2-B 呈正相關（r=0.207，P=0.022，未校正）。腦區(qū)的灰質體積與臨床生化指標及認知量表評分間未發(fā)現顯著相關性（P＞0.05）。對T2DM組具有組間差異的灰質體積、全腦灰質體積/總體積及皮層厚度與糖尿病病程、臨床生化指標及認知量表評分進行相關分析，相關結果與血糖代謝異常被試基本一致。另外在T2DM 組GMV/ICV與病程呈負相關（r=-0.249，P=0.015）。

表5 126例血糖代謝異常被試大腦影像指標與臨床生化及認知量表的相關性Tab.5 Correlations between brain imaging biomarkers,clinical measures, and cognitive scores in subjects with abnormal glucose metabolism (n=126)

3 討論

本研究結合VBM 和SBM 評估了PDM 與T2DM的大腦灰質體積、皮層厚度等皮層指標及其與認知功能的關系，旨在探尋糖代謝異常被試早期腦損害的影像標志物。結果表明PDM右側額下回眶部及左側中央后回灰質體積減小，T2DM出現更多的灰質萎縮，特別是右側顳上回、右側額下回眶部、右側顳中回及左側中央后回，右側前額葉皮層厚度減小。在血糖代謝異常被試中全腦灰質體積與HOMA-IR 及TMT-A 呈負相關，與數字廣度-倒背得分呈正相關；皮層厚度與HbA1c及餐后2 h 血糖呈負相關，與餐后2 h 胰島素及HOMA2-B呈正相關。本研究結果揭示了大腦皮層萎縮有可能是糖尿病相關腦損傷早期的影像標志物。

3.1 PDM皮層結構與認知功能改變

本研究發(fā)現PDM 組總體認知功能較正常對照組變差，基于VBM 分析發(fā)現右側額下回眶部及左側中央后回灰質體積減小，部分研究也支持這一結果[16]。基于SBM 分析未發(fā)現PDM 組出現皮層厚度等皮層指標的改變。研究顯示灰質體積由皮層厚度和表面積決定[17-18]，灰質體積減小可能是皮層厚度變薄和（或）表面積減小引起。另外，厚度和表面積變化之間具有復雜的區(qū)域模式和拓撲模式[19]，灰質體積的改變不一定都對應了差異有統(tǒng)計學意義的厚度和表面積的改變，因此VBM結合SBM能更全面地評估腦結構的改變[18]。一項薈萃分析發(fā)現PDM 與腦梗死和腦卒中風險增加以及GMV 和WMV 下降有關[20]。然而這篇文章包括了一些與神經功能下降（如卒中）相關的臨床共病的研究。一項系統(tǒng)性綜述認為PDM可能與大腦結構受損有關，但有些研究反駁了這一結論[14,21]。研究結果各異可能有以下解釋：PDM診斷標準不同、被試的年齡分布各異、病情的嚴重程度差異和持續(xù)時間長短不同?；诒狙芯康慕Y果表明PDM 可能會加速不可逆轉性神經退化，這可能與更高的Aβ 蛋白沉積有關[22]。因為PDM 階段已經出現胰島素抵抗導致的糖代謝異常，腦局部葡萄糖代謝異常會影響淀粉樣蛋白的細胞內釋放和細胞外清除，從而導致神經退行性變和腦萎縮。

3.2 T2DM皮層結構與認知功能改變

本研究發(fā)現T2DM 總體認知功能及工作記憶較正常對照組變差、灰質萎縮，特別是右側顳上回、右側額下回眶部、右側顳中回及左側中央后回，右側前額葉皮層變薄。盡管VBM 和SBM 結果腦區(qū)沒有完全重疊，但其有相同的變化腦區(qū)（額葉）和相同的變化趨勢（灰質萎縮）。糖尿病是癡呆特別是阿爾茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的高危因素，腦萎縮是AD 的形態(tài)學表現。本研究顯示與認知障礙相關的腦區(qū)（顳上回、顳下回、額下回眶部及前額葉）皮層萎縮。顳上回參與聽覺處理和理解，包括語言，并涉及社會認知[23]。顳下回負責語義記憶處理、視覺知覺和多模態(tài)感覺整合[24]。額下回眶部和前額葉參與部分記憶功能（工作記憶等），主要負責高級認知功能，比如注意、情緒、推理、決策、執(zhí)行任務[25]。糖尿病相關的腦區(qū)萎縮可能與腦功能喪失的風險增加有關。先前研究顯示T2DM 顳上回、顳中回、額中回、中央旁小葉、島葉及丘腦等多個腦區(qū)皮層萎縮[26-28]，本研究與先前的研究結果具有一致性。

3.3 影像指標與臨床參數及認知評分的相關性

目前糖尿病相關腦損傷的病理生理機制尚不清晰，可能與高血糖毒性、胰島素抵抗及微血管功能等有關[29-30]。先前研究表明胰島素抵抗與糖尿病腦病和AD 密切相關，其共同的病理改變?yōu)锳β 的沉積和Tau 蛋白過度磷酸化[31-32]。本研究發(fā)現灰質萎縮與胰島素抵抗指數相關，進一步驗證了胰島素抵抗與腦損傷有關，這有可能是導致認知功能減退的原因。血糖代謝異常被試的灰質體積與TMT-A 評分呈負相關，與數字廣度-倒背評分呈正相關，表明大腦皮層萎縮越明顯，認知功能越差。另外GMV/ICV 與病程呈負相關，說明腦萎縮與長期暴露于糖尿病的狀態(tài)有關。

3.4 創(chuàng)新性與局限性

本研究的創(chuàng)新性是結合VBM 和SBM 兩種形態(tài)學分析方法從T2DM更早期的PDM探討糖代謝異常與認知功能的關系；但仍存在一定的局限性：（1）由于公眾對PDM關注度不高，本研究中PDM組樣本量偏??；（2）本研究為橫斷面研究，不能動態(tài)觀察T2DM大腦結構的變化過程；（3）出于倫理角度，部分T2DM被試在研究前服用過降糖藥物，雖然藥物對大腦結構的影響機制尚不清楚，但我們無法消除這種藥物效應。

4 結論

綜上，本研究發(fā)現PDM 人群已存在腦區(qū)灰質萎縮，T2DM 出現更多的灰質萎縮，且與注意和工作記憶功能相關，因此皮層萎縮有可能是糖尿病相關腦損傷早期的影像標志物。另外本研究結果提示處于PDM 的被試也應該嚴格控制血糖，早期干預可能有利于預防認知損害及改善預后。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：張冰設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了修改，獲得了科技創(chuàng)新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目和南京鼓樓醫(yī)院臨床研究專項資金的資助；李欣起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的數據；張雯、傅琳清、繆應雯、張鑫、陳玖、畢艷獲取、分析或解釋本研究的文獻/數據，對稿件重要內容進行了修改，其中張雯獲得了國家自然科學基金項目和南京鼓樓醫(yī)院臨床研究專項資金的資助；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。