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经验交流
2型糖尿病患者静息态脑镜像同伦功能连接的研究
淦帆 周水莲 刘慧 钟玉林

Cite this article as: Gan F, Zhou SL, Liu H, et al. Interhemispheric voxel-mirrored homotopic connectivity in patients with type 2 diabetes[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(8): 71-74.本文引用格式:淦帆, 周水莲, 刘慧, 等. 2型糖尿病患者静息态脑镜像同伦功能连接的研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(8): 71-74. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.08.013.


[摘要] 目的 本研究基于体素镜像同伦连接(voxel mirror homunculus connection, VMHC)方法,针对2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)患者进行大脑半球同伦功能连接的研究。材料与方法 本试验为横断面研究,根据纳排标准,选取2020年8月至2021年12月来自江西省人民医院的T2DM患者22例纳入T2DM组和从社会招募的正常对照者22例(性别、年龄及文化程度与T2DM组患者相匹配)纳入正常对照组,两组患者均进行3.0 T磁共振扫描,应用DPABI_V4.0软件及SPM8对磁共振数据进行预处理,使用VMHC方法分析两组受试者的全脑镜像同伦连接,采用两样本t检验比较组间差异,并分析显著差异脑区平均标准化VMHC值与空腹血糖值相关性。结果 与正常对照组相比,T2DM组双侧小脑小叶Ⅸ区VMHC值均升高(GRF校正,体素水平P<0.001,簇水平P<0.05),但差异脑区的平均标准化VMHC值与空腹血糖值无显著相关性(P>0.05)。结论 T2DM患者双侧小脑半球同伦功能连接异常,可能为T2DM患者脑损伤的发病机制提供参考。
[Abstract] Objective This study aimed to investigate the hemispheric homunculus functional connectivity in type 2 diabetes mellitus (T2DM) patients using the voxel mirror homunculus connection (VMHC) method.Materials and Methods This was a cross-sectional study, according to the inclusion criteria, 22 patients with T2DM from the Jiangxi Provincial People's Hospital from August 2020 to December 2021 were selected to the T2DM group and 22 healthy controls recruited from the community (sex, age and education level matched with patients in the T2DM group) were selected to the normal control group. Both groups underwent 3.0 T MRI scans, and then applied DPABI_V4.0 software and SPM8 to preprocess the MRI data, the differences in whole brain mirror homologous connections between the two groups of subjects were analyzed by the VMHC method, the differences in VMHC values between the two groups were analyzed by a paired two-sample t-test and the correlation between mean standardized VMHC values and fasting glucose values in significantly different brain regions was analyzed.Results Compared to healthy controls, VMHC values were higher in the diabetic group (GRF corrected, P<0.001 for voxel level, P<0.05 for cluster level) in both cerebellar lobule Ⅸ regions, and the mean standardized VMHC values in the differential brain regions did not correlate significantly with fasting glucose values (P>0.05).Conclusions The abnormalities in the functional connectivity of the bilateral cerebellar hemispheres with homunculus in T2DM patients may provide a reference for the pathogenesis of brain injury in T2DM patients.
[关键词] 镜像同伦连接;2型糖尿病;磁共振成像;小脑半球;脑损伤
[Keywords] voxel-mirrored homotopic connectivity;type 2 diabetes mellitus;magnetic resonance imaging;cerebellar hemisphere;brain injury

淦帆 1, 2   周水莲 2   刘慧 2   钟玉林 2*  

1 南昌大学医学院,南昌 330000

2 江西省人民医院(南昌医学院第一附属医院)眼科,南昌 330000

钟玉林,E-mail:804722489@qq.com

作者利益冲突声明:全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 江西省卫生健康委科技计划 202210012
收稿日期:2022-04-26
接受日期:2022-07-30
中图分类号:R445.2  R587.1 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.08.013
本文引用格式:淦帆, 周水莲, 刘慧, 等. 2型糖尿病患者静息态脑镜像同伦功能连接的研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(8): 71-74. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.08.013

       近50年来,糖尿病的患病率呈持续上升趋势,从西方国家向西太平洋、亚洲和非洲蔓延。目前的预测估计,2017年至2045年期间,糖尿病患者的数量将增加50%以上,导致约6.93亿人将患有糖尿病,估计每年的医疗费用约为8500亿美元[1]。糖尿病属于内分泌系统紊乱的代谢性疾病,其持续的高血糖和高血脂症状可损害机体多个器官,严重威胁人类身体健康及生命安全,可不同程度地导致脑组织不可逆损伤[2]。有研究表明2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)患者存在广泛的脑白质受损,特别是在整个胼胝体、内囊左前肢和外囊处[3],而大脑半球通过胼胝体在解剖学上相互连接,并在功能上具有高度互联,用于信息交流[4]。因此,胼胝体的损伤会影响T2DM患者半球之间的信息交流。静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)通过检测大脑静息状态下的自发神经元活动,可确定脑区之间的功能连接(functional connectivity, FC)[5, 6]。基于体素的镜像同伦功能连接(voxel-mirrored homotopic connectivity, VMHC)分析是一种rs-fMRI数据处理方法,用于量化给定体素的时间序列与对半球的镜像体素的时间序列之间的功能连通性[7],反映了大脑半球之间的信息交换和整合过程[8]。VMHC方法已成功应用于研究支气管哮喘[9]、亚急性卒中[10]、抑郁症[11]等多种疾病发病机制的研究。然而,基于VMHC探讨T2DM患者脑功能的研究甚少且结果相互矛盾。一项研究报告了T2DM患者枕叶区域的VMHC增加[12],而另一项针对T2DM肾病和视网膜病变的患者的研究则发现枕叶VMHC下降[13]。因此,本研究的目的是利用VMHC方法定量分析T2DM患者的大脑半球之间同伦FC的变化,以期为T2DM脑损伤的发病机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究采用前瞻性研究方法,将2020年8月至2021年12月于江西省人民医院就诊的T2DM患者22例纳入T2MD组,从社会招募与T2DM患者年龄、性别及教育年限相匹配的志愿者22名纳入正常对照组。

       T2DM组纳入标准:(1)符合中国2型糖尿病防治指南(2020版)诊断标准[14]:典型的糖尿病症状或加上随机血糖≥11.1 mmol/L,或加上空腹血糖≥7 mmol/L,或加上OGTT 2 h血糖≥11.1 mmol/L,或加上糖化血红蛋白≥6.5%,无糖尿病典型症状者,需改日复查确认;(2)无糖尿病并发症;(3)无低血糖发作史;(4)接受过非药物治疗(饮食控制、锻炼)及降糖药物治疗;(5)右利手。排除标准:(1)患有其他神经系统病变;(2)有脑外伤史;(3)有精神病史;(4)有酒精及药物依赖史;(5)MRI禁忌证。

       正常对照组纳入标准:同时满足空腹血糖≤6.1 mmol/L、餐后血糖≤7.8 mmol/L及糖化血红蛋白≤6.5%。排除标准与T2DM组一致。

       研究中所使用的方法均已经江西省人民医院伦理委员会批准(批准文号:2021-010),在研究开始前所有受试者及其家属均已签署知情同意书。

1.2 MRI参数

       使用3.0 T磁共振扫描仪(GE Discovery MR750)并8通道头颅线圈进行MRI扫描。采用T1WI 3D TFE扫描序列进行3D结构图像采集,成像参数:TR 8.5 ms,TE 3.3 ms,矩阵 256×256,FOV 240 mm×240 mm,FA 12°,层数188层,层厚 1.0 mm,层间距0 mm,激发次数1次。rs-fMRI的图像采用全脑平面回波成像(EPI)序列采集:TR 2000 ms,TE 25 ms,矩阵64×64,FOV 240 mm×240 mm,FA 90°,层数35层,层厚 3.0 mm,层间距1.2 mm,体素3.75 mm×3.75 mm×3.0 mm。

1.3 fMRI扫描步骤与数据预处理

       告知所有受试者使用泡沫垫行头部制动,佩戴耳塞降噪,在成像过程中,闭上双眼,保持清醒,避免做主动思维活动。整个扫描过程均由江西省人民医院影像科一位高年资医师完成。应用DPABI_V4.0软件(http://www.rfmri.org)及SPM8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)对磁共振数据进行预处理。步骤依次为:(1)将DICOM数据格式转换为NIFTI格式,剔除前10个时间点;(2)时间层校正;(3)头动校正(排除受试者头动平移>2 mm,旋转>2o),未排除任何一名受试者;(4)空间标准化(重采样体素大小为3 mm×3 mm×3 mm);(5)平滑(高斯核的半高宽为6 mm);(6)去线性漂移;(7)去除协变量(头动、脑脊液、脑白质信号和全脑均值信号)。

1.4 计算VMHC值并进行全脑FC分析

       基于先前的研究,采用DPABI软件[7]计算双侧大脑半球每对镜像体素之间的皮尔逊相关系数,即VMHC值。通过Fisher-Z变换得到Z值,使数据呈现正态分布方式,然后对Z变换后的VMHC值进行两样本t检验(GRF校正,双尾,体素水平P<0.001,簇水平P<0.05)获得两组间VMHC差异分布情况。

1.5 VMHC值与空腹血糖值相关性分析

       将上述显著差异脑区的平均标准化VMHC值与空腹血糖做Pearson相关性分析,P<0.05为差异具有统计学意义。

1.6 统计学分析

       采用SPSS 26.0统计软件进行统计分析。对两组样本间计量资料,如年龄、受教育年限采用独立样本t检验,P<0.05为差异有统计学意义,计数资料如性别采用χ2检验,P<0.05为差异有统计学意义。采用基于SPM8软件的双样本t检验对两组VMHC值进行比较,并对结果行高斯随机场(Gaussian random field, GRF)校正,体素水平阈值P<0.001、簇水平P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料统计结果

       T2MD组与正常对照组的平均年龄、性别及受教育年限的差异均无统计学意义(P>0.05),两组空腹血糖值差异有统计学意义(t=-17.32,P<0.05),见表1

表1  T2DM组与正常对照组临床资料比较

2.2 T2DM组和正常对照组VMHC值的组间差异分析

       与正常对照组比较,T2DM组双侧小脑半球VMHC值均升高,主要集中在双侧小脑小叶Ⅸ区[峰值=4.14,体素大小=183,蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)坐标:X=9,Y=-60,Z=-18],见图1

图1  Z-VMHC结果的组水平空间分布图:T2DM组平均值(1A)和正常对照组平均值(1B),颜色越亮表示组水平Z-VMHC值越高。1C:T2DM组与对照组VMHC差异脑区图,黄色为T2DM组VMHC值高于正常对照组的脑区,差异脑区主要位于双侧小脑小叶Ⅸ区(GRF校正,体素水平P<0.001,簇水平P<0.05)。T2DM:2型糖尿病;VMHC:基于体素的镜像同伦功能连接。

2.3 VMHC值与空腹血糖值相关性分析

       差异脑区的平均标准化VMHC值与空腹血糖值无显著相关性(P>0.05)。

3 讨论

       本研究旨在基于VMHC分析方法研究T2DM患者脑功能中枢及其连通性的变化。与正常对照组相比,T2DM组两侧小脑小叶Ⅸ区VMHC值升高,主要集中在双侧小脑小叶Ⅸ区。与以往研究不同,本研究首次发现T2DM患者双侧小脑半球连接功能的异常,可能为T2DM患者脑损害提供参考依据。

3.1 小脑半球与认知功能的关系

       以往的解剖和功能神经影像学研究以及从小脑病变患者的治疗中获得的临床证据表明,小脑除了参与精细的运动和肌肉紧张协调外,还在认知(即注意、言语学习、记忆和认知规划)和情感过程中发挥作用[15, 16, 17]。另有研究发现默认模式网络(default mode network, DMN)包括小脑小叶Ⅸ区和小叶VIIB右半球的一个小簇[18]。一项基于静息态FC分析的研究,也发现小叶Ⅸ区与DMN表现出较强的静息态FC[19]。一些研究也认为小脑小叶Ⅸ区参与DMN,并与大脑DMN区域具有内在的连接[20, 21, 22]。DMN以及DMN与其他大脑系统之间的相互作用在维持基本认知功能中起着关键作用[23]。结果表明,小脑小叶Ⅸ区VMHC值升高可能与T2DM认知功能损害有关。

3.2 T2DM患者连接功能改变的脑区

       在以往的研究中,Wang等[13]发现糖尿病视网膜病变患者双侧颞中回、双侧枕中回和双侧内侧额回的平均VMHC值降低。Xia等[12]研究发现T2DM患者表现出枕下回和中央前回两个脑区的半球连接增加。而本研究发现T2DM患者小脑半球连接功能增加。以往的fMRI研究表明,枕叶神经活动的减少与皮层视觉处理的损伤有关[24]。现在人们普遍认为视网膜病变与糖尿病有关,其可导致视力损害。在本研究中,纳入研究的T2DM患者没有并发视网膜病变,这可能是本研究并未发现枕叶VMHC值异常的原因。

3.3 T2DM组VMHC值与空腹血糖值相关关系

       在相关性分析中,我们并未发现VMHC值与空腹血糖有相关性,Liu等[25]研究表明在不同的糖代谢状态和糖尿病病程中,DMN连接可能表现出不同的模式。因此,我们推测不同糖尿病病程患者VMHC值的变化与空腹血糖值之间的关系并非呈单一变化,这可能是本研究没有发现相关性的原因。

3.4 T2DM患者脑损害的病理生理机制

       目前对于糖尿病患者脑损伤的病理生理机制尚不清楚,主要认为高血糖诱导脑损伤的机制包括血管疾病、氧化应激、神经炎症、线粒体功能障碍、细胞凋亡、神经营养因子减少、神经递质的变化、大脑的损伤修复障碍、大脑类淋巴系统的损伤、淀粉样蛋白的积累和神经退行性改变等[26]。有研究表明,小脑与前额叶皮质和边缘系统有解剖学关系[27]。这些区域形成多个闭环神经回路,参与认知和情绪处理[28]。因此,在小脑区域的VMHC的增加可能反映了一种协调机制,需要动员额外的神经元来启动或协调情感和更高阶的认知[29]。在本研究中T2DM组小脑小叶Ⅸ区VMHC值升高,可能为认知功能障碍的发病机制提供参考。

3.5 局限性

       但本研究尚存不足之处:首先,本研究样本量较少,其结果是否具普遍性还需多样本大数据验证。其次,未排除药物对T2DM大脑功能的影响,将来可细化分组、控制影响因素后进行深入及纵向的研究。最后,本研究未记录T2DM患者的病程及认知评分情况,按病程情况分组研究,并细致评估患者认知情况。

       综上,本研究通过VMHC方法发现T2DM患者双侧小脑半球同伦FC异常,此结果可能为T2DM患者脑损伤的发病机制提供参考。

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