2型糖尿病视网膜病变患者静息态功能磁共振认知控制网络研究.pdf

临床研究 中国中医眼科杂志 2024 年 4 月第 34 卷第 4 期2型糖尿病视网膜病变患者静息态功能型糖尿病视网膜病变患者静息态功能磁共振认知控制网络研究磁共振认知控制网络研究张春柱1，赫义兰1，接传红1，王建伟1，姜颖群1，吕喆1，胡津赫1，杨剑英1，杨丹1，高倩1，那旭2摘要 目的探讨 2 型糖尿病视网膜病变（T2DR）患者在静息状态下背外侧前额叶（DLPFC）的功能连接（FC）改变特征。方法纳入2021年8月2022年8月中国中医科学院眼科医院诊治的T2DR患者30例作为观察组，将通过广告宣传招募的30例健康受试者作为对照组。2组受试者均测定空腹状态下血糖（GLU）、糖化血红蛋白（HbA1c）、血清C肽指标，进行静息态脑功能磁共振（rs-fMRI）扫描，通过分析DLPFC与全脑的FC，比较2组受试者FC差异，将差异脑区FC值与临床量表评分进行Pearson相关分析，并完成蒙特利尔认知评估量表（MoCA）、简易智力状态检查（MMSE）的评定。结果（1）糖尿病相关指标：观察组患者GLU、HbA1c水平高于对照组（tGLU=11.601、tHbA1c=13.837，均P=0.000），MoCA得分、MMSE得分低于对照组（tMoCA=-12.827、tMMSE=-13.395，均P=0.000），差异均有统计学意义。2组血清C肽浓度比较，差异无统计学意义（P0.05）。（2）FC值比较：以年龄、性别、受教育程度及头动作为协变量，观察组患者以左侧DLPFC为种子点，观察组在左侧顶下小叶、右侧中央后回的FC均高于对照组（t左侧顶下小叶=6.785、t右侧中央后回=5.126，均P=0.000）；以右侧DLPFC为种子点，观察组在左侧顶下小叶、左侧额下三角回及小脑后叶的 FC 均高于对照组（t左侧顶下小叶=4.274，t左侧额下三角回=3.991、t小脑后叶=4.227，均P=0.000），阈值体素水平数值满足要求，差异均有统计学意义。（4）相关性分析：观察组以右侧DLPFC为种子点，左侧顶下小叶FC值与MoCA量表评分呈正相关（r=0.494，P=0.005），有统计学意义。结论T2DR患者存在认知控制网络（CCN）与默认网络、感觉运动网络和小脑网络异常的FC，这可能是T2DR重要的神经病理机制。关键词 2型糖尿病视网膜病变；静息态；磁共振成像；功能连接，认知控制网络中图分类号：R774.1 文献标识码：A 文章编号：1002-4379（2024）04-0319-06Resting-state Functional Magnetic Resonance Imaging Study on Cognitive Control Network in Patients with Type 2 Diabetic Retinopathy ZHANG Chunzhu,HE Yilan,JIE Chuanhong,WANG Jianwei,JIANG Yingqun,LV Zhe,HU Jinhe,YANG Jianying,YANG Dan,GAO Qian,NA Xu.Eye Hospital,China Academy of Chinese Medical Sciences,Beijing 100040,ChinaAbstract OBJECTIVE To explore the characteristics of changes in functional connectivity(FC)of the dorsolateral prefrontal cortex(DLPFC)in patients with type 2 diabetic retinopathy(T2DR)during resting state.METHODS A total of 30 patients with T2DR from August 2021 to August 2022 treated at the Eye Hospital,China Academy of Chinese Medical Sciences were included as the observation group,and 30 healthy participants recruited through advertising were included as the control group.Fasting blood glucose(GLU),glycated hemoglobin(HbA1c),and serum C-peptide levels were measured in both groups.Resting-state functional magnetic resonance imaging(rs-fMRI)scans were performed,and FC between the DLPFC and the whole brain was analyzed to DOI:10.13444/ki.zgzyykzz.2024.04.004基金项目：中国中医科学院眼科医院中央高水平中医医院项目资助（GSP5-87）作者单位：1 中国中医科学院眼科医院，北京1000402 首都医科大学附属北京潞河医院，北京101100通讯作者：那旭，E-mail：319中国中医眼科杂志2024 年 4 月第 34 卷第 4 期compare the differences in FC between the two groups.The FC values of different brain regions were correlated with clinical scale scores using Pearson correlation analysis.Montreal Cognitive Assessment(MoCA)and Mini-mental State Examination(MMSE)were also conducted.RESULTS(1)Diabetes-related indicators:GLU and HbA1c levels in the observation group were higher than those in the control group(tGLU=11.601,tHbA1c=13.837,both P=0.000),while MoCA scores and MMSE scores were lower than those in the control group(tMoCA=-12.827,tMMSE=-13.395,both P=0.000),with statistically significant differences.There was no significant difference in serum C-peptide concentration between the two groups(P0.05).(2)Comparison of FC values:Using age,sex,education level,and head motion as covariates,patients in the observation group showed higher FC values between the left DLPFC and the left inferior parietal lobule(LIPL)and the right posterior cingulate gyrus(RPCG)compared to the control group(tLIPL=6.785,tRPCG=5.126,both P=0.000).Using the right DLPFC as the seed point,patients in the observation group showed higher FC values between the LIPL,left triangular part of inferior frontal gyrus(LTPIFG),and the posterior lobe of the cerebellum(PLC)compared to the control group(tLIPL=4.274,tLTPIFG=3.991,tPLC=4.227,all P=0.000).The threshold voxel level met the requirements,and the differences were statistically significant.(4)Correlation analysis:Using the right DLPFC as the seed point,the FC value of the LIPL was positively correlated with MoCA scale score(r=0.494,P=0.005),with statistical significance.CONCLUSIONS Patients with T2DR exhibit abnormal FC in cognitive control network(CCN)with default mode network,sensorimotor network,and cerebellar network,which may be an important neuropathological mechanism of T2DR.Keywords type 2 diabetic retinopathy;resting state;magnetic resonance imaging;functional connectivity;cognitive control network2 型 糖 尿 病 视 网 膜 病 变（type 2 diabetic retinopathy，T2DR）是2型糖尿病患者最常见的一种并发症，主要发病部位是视网膜微血管，其基底膜变厚，周细胞减少甚至消失，进而影响到内皮细胞正常功能的发挥，出现微血管阻塞现象，也是导致新生血管生成的主要诱因1。流行病学调查2显示，T2DR患者人数在2010年2030年将增加近1亿，而且T2DR患病率逐年上升，年龄区间主要分布在2074岁，致盲率较高3。T2DR发病机制比较复杂，包含多种不同的影响机制，在发病早期无法精准识别确诊，进而导致扩散，带来不可逆后果，最终导致患者失明4-5。因此，探寻新的简单的诊疗方法对T2DR进行早期诊断和治疗具有十分重要的意义。近些年医学影像技术不断更新发展，静息态功能 磁 共 振 成 像（resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）技术优势显著，在神经疾病科研领域中得到广泛应用，其优点是容易操作且可以重复使用。既往研究6表明，T2DR患者在额叶的低频振幅存在异常，且认知功能紊乱。功能连接（functional connectivity，FC）是基于感兴趣区的先验假设，通过时间序列来表示不同体素的静息态血氧 水 平 依 赖（blood oxygen levels are dependent，BOLD）信号，着重提取感兴趣区域的数据集，进一步展开相关性研究。近些年，医学研究领域对FC的关注度变高，有越来越多的研究学者对其展开研究7。认知控制网络（cognitive control network，CCN）是人体脑网络之一，参与人体“自上而下”的控制作用，对皮层的活跃度进行调节，控制其在合理范围内。背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）认知功能较强，并且在任务执行和转换中起到关键作用8-9。基于此，本文着重对DLPFC种子点进行研究分析，探究T2DR患者和健康受试者之间的FC特征，找到两者的差异变化，对静息状态下T2DR患者神经影学展开进一步研究。1对象与方法1.1研究对象纳入2021年8月2022年8月中国中医科学院眼科医院诊治的T2DR患者30例，作为观察组；将通过广告宣传招募的 30例健康受试者作为对照组。其中，观察组男性 12 例，女性 18 例，平均年龄（54.3710.51）岁，平均受教育时间（10.733.74）年，320中国中医眼科杂志2024 年 4 月第 34 卷第 4 期平 均 身 体 质 量 指 数（body mass index，BMI）为（22.102.09）kg/m2；对照组男性13例，女性17例，平均年龄（53.2110.88）岁，平均受教育时间（11.863.67）年，平均 BMI（21.462.12）kg/m2。2 组受试者的一般临床资料比较，差异无统计学意义（P0.05），具有可比性。本研究遵守 赫尔辛基宣言，并经过中国中医科学院眼科医院伦理委员会评审通过（伦理审批号：YKEC-KT-2022-009-P002）。1.2诊断标准采 用 美 国 糖 尿 病 协 会（American Diabetes Association，ADA）糖 尿 病 医 学 诊 疗 标 准（2019版）10制定的2型糖尿病诊断标准：（1）空腹至少8 h后，血浆葡萄糖浓度7.0 mmol/L；（2）口服葡萄糖耐量试验（oral glucose tolerance test，OGTT）2 h的血浆葡 萄 糖 浓 度 11.1 mmol/L；（3）糖 化 血 红 蛋 白（glycated hemoglobin，HbAlc）6.5；（4）有典型高血 糖 症 状 或 危 象 且 任 意 时 刻 血 浆 葡 萄 糖 11.1 mmol/L。以上4项，符合其中任意1项者，即可诊断。采用 我国糖尿病视网膜病变临床诊疗指南（2014）11制定的 T2DR 诊断标准：（1）眼底检查发现视网膜有典型的微血管瘤、渗出、出血、静脉串珠样改变及视网膜内微血管异常；（2）眼底荧光血管造影显示片状无血管灌注区或发生增殖性玻璃体视网膜病变；（3）诊断为2型糖尿病。1.3纳入标准观察组：（1）符合上述诊断标准；（2）年龄在4075岁之间；（3）右利手；（4）行免散瞳眼底照相检查，且临床资料完整的患者；（5）检查的各项生命体征数据未出现异常情况；（6）试验对象知情后开展。对照组：（1）年龄在4075岁之间；（2）右利手；（3）无糖尿病、高血压病及其他心脑血管疾病病史；（4）实验室检查和临床查体均无明显异常。1.4排除标准（1）近期发生感染、心率不齐、肝肾功能不全、严重精神障碍、肿瘤等症状者；（2）患有其他类型的糖尿病；（3）近期进行过视网膜激光光凝、药物等治疗者；（4）妊娠或哺乳期的女性；（5）不符合rs-fMRI检查要求；（6）合并白内障、青光眼、屈光改变、高血压性视网膜病变等眼部疾病。1.5观察指标所有受试者均在入组前测定空腹状态下血糖（blood glucose，GLU）、HbA1c、血清C肽指标。在检查前12 h禁食，抽取清晨空腹静脉血5 mL，将血液标本储存在试管中，做好相关标记后及时送检。使用全自动生化分析仪（深圳迈瑞生物医疗电子有限公司，BS-2000）、糖化蛋白检测仪（东曹生物科技有限公司，G11）分别对患者血清GLU、HbA1c水平进行检测，使用全自动电化学发光免疫分析仪（科美生物技术有限公司，LiCA800）和配套试剂盒对血清C肽进行检测。在进行检测时严格规范操作，2 h内完成血液标本检测，详细记录检测结果并进行分析。完 成 蒙 特 利 尔 认 知 评 估 量 表（Montreal Cognitive Assessment，MoCA）、简易智力状态检查（Mini-Mental State Examination，MMSE）评定。1.6rs-fMRI图像数据采集所有受试者均使用1.5 T磁共振扫描仪（上海联影医疗科技股份有限公司，UMR660）进行数据采集。先进行颅脑轴位 T2 加权成像（T2 weighted imaging，T2WI）、弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）序列扫描，如扫描结果并没有检测到器质性病变，需进一步展开三维T1加权成像（three-dimensional T1 weighted imaging，3 D-T1WI）全脑结构像以及静息态 BOLD 成像。全脑结构成像选择t1_gre_fsp_3d_iso1mm 序列，对受试者进行全脑扫描，扫描参数：TR 10.3 ms，TE 4.4 ms，翻转角 10，FOV 256 mm223 mm，矩阵 256256，层厚 1.0 mm，层间隔0 mm，进行一次激励，扫描所需时间332，扫描完成后得到全脑结构数据。静息态BOLD成像利用平面回波成像（echo planar imaging，EPI）序列来实现，方向与前颅底保持平行，扫描参数：FOV 225 mm225 mm，共35层图像，层厚3.5 mm，层间隔0 mm，扫描所需时间330。1.7处理图像数据1.7.1预处理分析为了确保数据处理的合理性与有效性，将收集到的数据使用DPARSF6.0工具包处理，预处理BOLD数据需关注以下8点，（1）图像格 式 转 换：原 始 图 像（digital imaging and communications in medicine，DICOM）数 据 转 换 为NIFTI格式；（2）去除前面10个时间点，减少纵向磁化弛豫未达到稳定带来影响；（3）时间校正：对时间层的数据进行矫正处理，把头转向超过1.5的患者数据去除掉；（4）空间标准化：借助非线性处理，完成标准空间（montreal neurological institute，MNI)的转换，提高空间标准；确定的空间分辨率达到3 mm3 mm3 mm；（5）空间平滑处理，平滑核距离达到321中国中医眼科杂志2024 年 4 月第 34 卷第 4 期6 mm；（6）删除线性漂移数据；（7）线性回归处理全脑信号；（8）低频滤波处理：预处理图像滤波控制在0.010.08 Hz。1.7.2FC 值分析通过梳理已有研究12-13结论得知，DLPFC是CCN的核心组成部分，将DLPFC（36，27，29）作为种子点，提取DLPFC和全脑每个感兴趣区（region of interest，ROI）内全部体素BOLD信号并计算平均值，以代表其时间序列，计算ROI间时间序列的Pearson相关系数并做Fisher-Z变换，使数据符合正态分布，得到 ROI 间的 FC 数值强度，采用DPABI软件计算FC数值。1.8统计学方法采用SPSS 23.0软件进行数据分析，符合正态分布且方差齐的计量资料以平均数标准差（x s）表示，组间比较采用独立样本 t 检验；计数资料以率（%）表示，采用2检验；相关性分析采用Pearson相关性分析。当P0.05时，认为差异有统计学意义。2结果2.12组糖尿病相关指标比较观察组患者GLU、HbA1c水平高于对照组（tGLU=11.601、tHbA1c=13.837，均 P=0.000），MoCA 得 分、MMSE 得 分 低 于 对 照 组（tMoCA=-12.827、tMMSE=-13.395，均P=0.000），差异均有统计学意义（表1）。2 组 血 清 C 肽 浓 度 比 较，差 异 无 统 计 学 意 义（P0.05）。2.2观察组FC值增高的脑区以年龄、性别、受教育程度及头动作为协变量，观察组患者以左侧DLPFC为种子点，观察组在左侧顶 下 小 叶、右 侧 中 央 后 回 的 FC 高 于 对 照 组（t左侧顶下小叶=6.785、t右侧中央后回=5.126，均P=0.000）；以右侧DLPFC为种子点，观察组在左侧顶下小叶、左侧额下三角回及小脑后叶的FC高于对照组（t左侧顶下小叶=4.274、t左侧额下三角回=3.991、t小脑后叶=4.227，均 P=0.000），阈值体素水平数值满足要求，差异均有统计学意义（表2、图1）。表12组糖尿病相关指标资料比较（x s，n=30）组别观察组对照组t值P值GLU（mmol/L）10.812.51*5.430.3911.6010.000HbA1c（%）9.431.59*5.360.2613.8370.000C肽（g/L）1.130.361.120.250.1250.901MoCA（分）20.632.69*28.121.73-12.8270.000MMSE（分）21.122.56*28.691.74-13.3950.000注：*与对照组比较，P0.05；GLU空腹血糖；HbA1c糖化血红蛋白；MoCA蒙特利尔认知评估量表；MMSE简易智力状态检查。1A 2A 注：1A 左侧DLPFC；1B 右侧DLPFC；FC 功能连接；柱状图由蓝色到黄色表示T值由低到高。图1观察组FC值增高的脑区表22组在静息状态下左、右侧DLPFC能连接的差异比较种子点左侧DLPFC右侧DLPFC脑区左侧顶下小叶右侧中央后回左侧顶下小叶左侧额下三角回小脑后叶BA分区61586113100Peak点MNI坐标X-3324-26-3915Y-48-48-4827-78Z5154473-15体素数目（个）164146939077t值6.7855.1264.2743.9914.227P值0.0000.0000.0000.0000.000注：DLPFC 背外侧前额叶；BA 布罗德曼分区；Peak点代表差异最突出的种子点；MNI用于数据分析的蒙特利尔坐标系。322中国中医眼科杂志2024 年 4 月第 34 卷第 4 期2.3观察组脑区FC值与临床量表相关性分析观察组以右侧DLPFC为种子点，左侧顶下小叶FC 值与 MoCA 量表评分呈正相关，有统计学意义（r=0.494，P=0.005）。3讨论FC作为rs-fMRI常用的研究指标，在临床广泛用于糖尿病、眼病等领域14-17。DLPFC是CCN的中心脑区，对信息的整合、认知控制和记忆信息提取等脑功能活动有着重要调节作用。本研究选取DLPFC作为种子点进行研究，发现观察组存在CCN与默认网络、感觉运动网络和小脑网络异常的FC，这可能是T2DR患者重要的神经病理机制。本研究发现，与对照组比较，观察组患者DLPFC与左侧顶下小叶的FC数值有明显增强的变化趋势。顶叶在整个大脑中占据着重要位置，生理功能强大，具有对人体肢体运动及感觉、感知进行调节等功能18，并有较强的计算能力。顶叶可以细分为顶上小叶及顶下小叶，前者对身体运动控制起到一定的作用，后者则是提供有效通路，实现数据信息的高效传输。顶下小叶形成异构区域，包含不同的模态功能，如情景记忆及执行功能，是默认网络的重要组成部分19-20。既往研究6发现，T2DR患者左侧顶下小叶、双侧顶上小叶脑区低频振幅增高，这提示T2DR患者存在默认网络功能损害。此外，观察组右侧DLPFC和左侧顶下小叶的FC值与MoCA量表评分呈正相关，这提示右侧DLPFC和左侧顶下小叶的FC值能够预测T2DR患者的记忆损伤程度。因此，DLPFC与默认网络的代偿性异常可能是T2DR的重要发病机制。本研究发现，与对照组比较，观察组患者左侧DLPFC与右侧中央后回的FC增高。中央后回是感觉运动区，对人体感觉进行调节，是构成额顶网络的部分，并且关联着情绪和执行功能区21-22。通过梳理已有的文献23-24可知，T2DR患者存在额中回、额下回及中央后回的局部一致性异常，提示T2DR的感觉运动网络存在损伤。也有研究25发现，原发性闭角型青光眼患者的脑区异常可能同时发生在视觉皮层和感觉运动网络，说明二者关联密切。DAI H等26认为，在静息态下，青光眼患者的初级视觉皮层和中央前回FC数值有明显下降趋势。本研究结果也提示，T2DR患者的感觉运动脑区功能异常的脑活动和患者躯体感觉运动障碍的发生有关。通过分析结果得知，观察组患者右侧DLPFC与小脑后叶的FC强于对照组。小脑后半球损伤经常导致认知及情感症状，有时称为“小脑认知情感综合征”27。既往小脑的功能主要被定义为参与机体平衡及运动的调节，其特点是执行功能和语言处理的缺陷，以及情绪失调28。纤维连接着大脑的不同部位，能够起到调节身体平衡的作用，还能够确保人体运动的协调性，有助于认知水平的提高。除此之外，还能够起到良好的情绪调节效果，增强空间记忆加工效果29。有研究21发现，T2DR患者在左小脑后叶存在局部一致性减低。该区域容易发生活动异常问题，会损害个体的认知功能30。本研究结论表明，T2DR患者右侧DLPFC与小脑后叶的FC的代偿性损伤可能是其重要的神经病理机制。本研究存在一定不足之处：（1）仅关注与T2DR有关的CCN一个脑网络，默认网络、感觉运动网络等需要进一步关注；（2）不能避免前期T2DR患者服用药物因素的影响；（3）样本量较小，为了避免患者的异质性，需要进一步扩大样本数据规模，覆盖不同级别的T2DR，针对性地进行数据检测，以验证或反驳本研究的结果。综上所述，rs-fMRI FC 分析方法，初步发现T2DR患者主要存在于CCN与默认网络、感觉运动网络和小脑网络异常的FC，这可能是T2DR重要的神经病理机制；且部分异常脑区与抑郁症核心临床量表评分存在相关性，提示T2DR发生发展与局部相关脑区的功能紊乱相关，或可作为T2DR患者监测及诊断疾病的影像学标识。参考文献1BEHL T,KAUR I,KOTWANI A.Role of endocannabinoids in the progression of diabetic retinopathyJ.Diabetes Metab Res Rev,2016,32(3):251-259.2ZHENG Y,HE M,CONGDON N.The worldwide epidemic of diabetic retinopathyJ.Indian J Ophthalmol,2012,60(5):428-431.3CUI J,REN JP,CHEN DN,et al.Prevalence 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