2型糖尿病小腦亞區灰質體積改變及其與胰島素抵抗的相關性研究

張慧姸，沈過，楊琛，譚健，田靜，李周樂，黃剛，趙蓮萍*

作者單位：1.寧夏醫科大學臨床醫學院，銀川 750000；2.甘肅中醫藥大學第一臨床醫學院（甘肅省人民醫院），蘭州 730000；3.甘肅省人民醫院放射科，蘭州 730000

0 前言

糖尿病患病率逐年攀升，已成為本世紀的一項重大公共衛生挑戰[1-2]。據統計，2021 年全球約有5.366 億人患糖尿病[1]，其中，2 型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus, T2DM）占90%以上[3]。隨著糖尿病管理策略的改善，其傳統大血管和微血管并發癥的發生率有所下降，但其相關腦損傷導致的認知情緒異常嚴重影響患者的生活質量，帶來沉重社會負擔[1]，引起廣泛關注，但其神經病理生理機制尚不清楚。

胰島素抵抗是T2DM 的重要特征[4-5]，在中樞神經系統中，胰島素促進神經元軸突生長，調節突觸可塑性和神經元存活[6]，其可影響認知和情緒調節、飲食行為等多種行為和代謝效應[4,7]。尸檢標本發現，胰島素受體基因在人腦各個區域差異性表達，其中小腦表達量較高[4]，研究表明，小腦參與了多種認知情緒加工和獎勵過程[8-9]。課題組前期研究發現T2DM患者小腦與大腦間的功能連接紊亂[10-11]。然而，T2DM患者小腦結構改變及其與胰島素抵抗和認知情緒異常的關系尚不清楚。

傳統的基于體素的形態學分析（voxel-based morphometry, VBM）發現T2DM 患者小腦灰質體積減小，與較差的認知表現相關[12-13]，但傳統的蒙特利爾神經研究所（Montreal Neurological Institute,MNI）標準空間模板缺乏對小腦亞區結構信息的詳細描述[14]?？臻g無偏倚幕下（spatially unbiased infratentorial, SUIT）模板通過非線性圖譜生成算法，可將小腦分割為28個亞區，保留了更多的小腦解剖細節，但尚未見應用于T2DM的研究中。

因此，本研究擬采用VBM 分析方法，利用SUIT 模板對小腦進行亞區分割，探討T2DM 患者小腦亞區灰質體積變化及其與胰島素抵抗和認知情緒功能之間的關系。試圖進一步闡明T2DM患者小腦損傷的神經病理生理機制，為T2DM 伴認知情緒功能異?；颊叩脑\治提供新的思路和見解。

1 材料與方法

1.1 研究對象

前瞻性納入2017 年11 月至2023 年5 月就診于甘肅省人民醫院內分泌科的T2DM 患者75 名（T2DM組），廣告招募與之性別、年齡和受教育年限相匹配的健康對照（healthy controls, HCs）53 名（HCs組）。T2DM 組納入標準：（1）年齡30～65 歲；（2）右利手；（3）受教育年限≥6 年；（4）收縮壓＜140 mmHg（1 mmHg=1.333 kPa），舒張壓＜90 mmHg；（5）至少兩個月內未接受過任何精神藥物治療；（6）符合世界衛生組織2019 年糖尿病診斷與分型標準，無T2DM 相關并發癥（糖尿病腎病、糖尿病周圍神經病變、糖尿病視網膜病變、糖尿病酮癥酸中毒等），病程＞1年。HCs組納入標準：（1）年齡30～65 歲；（2）右利手；（3）受教育年限≥6 年；（4）收縮壓＜140 mmHg，舒張壓＜90 mmHg；（5）至少兩個月內未接受過任何精神藥物治療；（6）隨機血糖≤11.1 mmol/L，且未被明確診斷為糖尿病，蒙特利爾認知評估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）評分≥26分，24項漢密爾頓抑郁量表（24-item Hamilton Depression Scale, HAMD-24）評分＜8 分，漢密爾頓焦慮量表（Hamilton Anxiety Scale, HAMA）評分＜7 分。T2DM 組和HCs 組排除標準：（1）中樞神經系統器質性病變；（2）精神心理疾病史及家族史；（3）物質濫用及成癮史；（4）女性在妊娠、哺乳期及避孕藥服用期；（5）3 個月內做過電抽搐或經顱磁刺激治療；（6）磁共振檢查禁忌。

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經甘肅省人民醫院倫理委員會批準，全體受試者均簽署了知情同意書，批準文號：2017-188/2023-098。

1.2 臨床資料與認知心理量表采集

收集所有受試者的年齡、性別、受教育年限和身體質量指數（body mass index, BMI）等一般臨床資料，收集T2DM患者的病程、糖化血紅蛋白、空腹血糖、空腹胰島素、總膽固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白等臨床生化指標，采用HOMA Calculator 軟件（https://www.dtu.ox.ac.uk/homacalculator）計算T2DM 患者的更新版胰島素抵抗穩態模型指數（updated homeostasis model assessment insulin resistance index, HOMA2-IR）。

所有受試者在頭顱磁共振掃描前1 h 內完成認知心理量表測試。包括MoCA 北京版、HAMD-24 和HAMA。

1.3 頭顱結構MRI數據采集

顱腦結構MRI 數據使用3.0 T 磁共振掃描儀（MAGNETOM Skyra, Siemens Healthcare, Erlangen,Germany）以32通道頭部線圈采集。所有受試者掃描期間頭部固定、閉眼、告知盡量不做專注思維活動。使用3D-MPRAGE 序列采集頭顱高分辨率三維T1WI 圖像，參數如下：TR 2530 ms，TE 2.35 ms，FA 7°，FOV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層數192，體素大小1 mm×1 mm×1 mm，層厚1 mm，總掃描時間5 min 23 s。

1.4 數據處理

結構像數據處理使用基于SPM 12（Statistical parametric mapping software,https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12）的SUIT 軟 件（https://www.diedrichsenlab.org/imaging/suit_function.htm）。數據預處理主要包括：（1）數據格式轉換；（2）原點校正，圖像朝向檢查和修改，以滿足后續SUIT處理的要求；（3）小腦亞區分割（圖1）；（4）配準到SUIT模板空間；（5）重采樣到SUIT模板空間；（6）平滑（半高全寬為3 mm）；（7）在SPM 12中構建一般線性模型，評估T2DM和對照組小腦灰質體積差異。

圖1 基于空間無偏倚幕下（SUIT）模板的小腦分區示意圖。Fig.1 Schematic diagram of cerebellar subregions based on spatially unbiased infratentorial (SUIT) template.

使 用FreeSurfer 軟 件（https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu）評估顱內總體積，作為后續分析的協變量。

1.5 統計學分析

臨床資料的統計分析使用SPSS 軟件（version 26, Inc., Chicago, IL, USA），連續近似正態分布變量使用均數±標準差表示，差異性分析使用獨立樣本t檢驗；非正態分布變量使用中位數（上下四分位數）表示，差異性分析使用秩和檢驗；性別使用卡方檢驗，以上均以P＜0.05為差異有統計學意義。以性別、年齡、受教育年限和顱內總體積作為協變量，分析兩組小腦亞區灰質體積差異（體素水平P＜0.001，簇大?。?00）。提取差異腦區灰質體積，與臨床變量進行Pearson或Spearman相關性分析。

2 結果

2.1 臨床資料及認知心理量表評分

T2DM組和HCs組在年齡、性別和受教育年限上相匹配（P＞0.05），所有受試者的臨床資料與認知心理量表評分比較見表1。與HCs 組相比，T2DM 患者MoCA評分降低，HAMD-24和HAMA評分增高（P＜0.001），BMI組間差異無統計學意義（P＞0.05）。T2DM 組病程（年）：7.00（5.00，11.00）；糖化血紅蛋白（%）：8.34±1.97；空腹血糖（mmol/L）：8.80（7.36，11.49）；空腹胰 島 素（μU/mL）：7.10（5.70，10.20）；HOMA2-IR：1.16（0.81，1.69）；總膽固醇（mmol/L）：4.46±0.88；甘油三酯（mmol/L）：1.58（1.06，2.21）；高密度脂蛋白（mmol/L）：1.07（0.97，1.21）；低 密 度 脂 蛋 白（mmol/L）：2.44（2.04，3.03）。

表1 T2DM和HCs組臨床資料與認知心理量表評分比較Tab.1 Comparison of clinical information and cognitive psychological scale scores between T2DM and HCs groups

2.2 VBM結果

VBM 發 現，與HCs 組 相 比，T2DM 患 者 小 腦 右 側Crus Ⅰ、小葉Ⅰ-Ⅴ和左側小葉Ⅰ-Ⅳ亞區灰質體積減小，未發現T2DM 灰質體積增大的小腦亞區（表2，圖2）。

表2 T2DM和HCs組相比小腦灰質體積組間差異腦區Tab.2 Differential brain regions of cerebellar gray matter volume between T2DM and HCs groups

圖2 2 型糖尿病組與健康對照組相比灰質體積減小的小腦亞區（體素水平P＜0.001, 簇大?。?00，坐標為小腦冠狀面坐標）。Fig.2 Compared with healthy controls, cerebellar subregions with reduced gray matter volume in type 2 diabetes (voxel level P＜0.001,cluster＞100, coordinates are cerebellar coronal plane coordinates).

2.3 相關性分析

相關性分析顯示，T2DM 組BMI 與小腦右側小葉Ⅰ-Ⅴ灰質體積（r=0.265，P=0.022）和左側小葉Ⅰ-Ⅳ灰質體積（r=0.323，P=0.005）呈正相關。小腦右側Crus Ⅰ與空腹胰島素水平（r=-0.263，P=0.023）和HOMA2-IR（r=-0.327，P=0.004）呈負相關（圖3）。余臨床變量及認知心理量表評分與差異腦區間的相關性分析差異無統計學意義（P＞0.05）。

圖3 2型糖尿病灰質體積減小的小腦亞區與臨床變量的相關性。HOMA2-IR：更新版胰島素抵抗穩態模型指數。Fig.3 The correlation between reduced gray matter volume of cerebellar subregions and clinical variables in type 2 diabetes.HOMA2-IR: updated homeostasis model assessment insulin resistance index.

3 討論

本研究采用VBM的方法，利用SUIT結構圖譜對小腦進行精細亞區分割，探討T2DM患者是否存在小腦亞區灰質體積的異常及其與胰島素抵抗和認知情緒功能之間的關系。結果發現，T2DM患者存在認知功能減退及輕度抑郁焦慮情緒，其右側小腦Crus Ⅰ、小葉Ⅰ-Ⅴ和左側小腦小葉Ⅰ-Ⅳ灰質體積減小，其中右側Crus Ⅰ灰質體積與空腹胰島素水平和HOMA2-IR呈負相關，右側Ⅰ-Ⅴ和左側Ⅰ-Ⅳ小葉灰質體積與身體質量指數呈正相關。既往研究多關注T2DM患者大腦損傷相關的認知情緒功能異常，本研究基于文獻報道及課題組最新研究發現了小腦在T2DM中的重要作用，并對其進行了精細亞區分割及分析，為未來研究T2DM認知情緒異常的臨床管理提供了新的思路。

3.1 T2DM患者右側小腦Crus Ⅰ灰質體積減小

傳統觀點認為小腦的主要功能是維持肌張力、軀體平衡和協調隨意運動。近年來，學者發現小腦在認知情緒等高級功能中發揮著重要作用[15-16]。小腦后葉又被稱為認知/邊緣小腦，其損傷可引起小腦認知情感綜合征，包括視覺空間加工、語言能力、執行功能和情緒調節異常[17-18]。本研究發現T2DM 患者右側小腦Crus Ⅰ灰質體積減小，與空腹胰島素水平和HOMA2-IR 呈負相關。小腦Crus Ⅰ是小腦后葉的重要組成部分，其可映射到默認和執行控制網絡，默認網絡負責自我參照加工、冥想和自覺意識，執行控制網絡包括背外側前額葉和外側頂葉新皮質，參與工作記憶、反應選擇、記憶提取和情緒評估[19-24]。課題組前期基于靜息態功能MRI 的研究發現T2DM 患者Crus Ⅰ與額下回三角部間功能連接異常[10-11]，但其結構是否存在異常是課題組關注的重要問題之一。已有研究表明，小腦Crus Ⅰ參與高級認知功能，如工作記憶、執行功能、反應選擇、信息更新和情感功能等[23]。小腦Crus Ⅰ體積減小在額顳葉癡呆、雙相障礙和阿爾茨海默病中均有報道[19,24-25]，此外，基于傳統VBM 的研究發現T2DM 患者小腦體積減小[12,26]，并且在血糖異?；颊咧?，小腦灰質體積與胰島素抵抗和執行功能測試表現不佳之間存在相關性[12]。本研究發現T2DM 患者Crus Ⅰ體積變化與胰島素抵抗存在相關性。胰島素是神經營養、調節和保護過程中極為重要的神經肽，其在中樞神經系統中發揮著重要作用，參與調節外周葡萄糖代謝、突觸維持、血管功能、tau蛋白磷酸化以及Aβ淀粉樣蛋白沉積，在維持視覺和空間情景記憶、工作記憶、陳述性記憶功能及改善情緒異常和癡呆患者的認知功能過程中起著重要作用[7,27-30]。一項正電子發射斷層掃描的研究發現阿爾茨海默病大鼠的小腦對胰島素攝取明顯升高，提示其小腦中的胰島素受體對胰島素敏感性降低[31]，經鼻給予胰島素后可減少神經元凋亡、tau蛋白磷酸化和Aβ沉積[32]。本研究結果可能為進一步理解T2DM 患者小腦Crus Ⅰ功能異常提供了結構基礎，提示Crus Ⅰ可能是T2DM患者胰島素抵抗相關的易損腦區之一，可能參與其認知和情緒功能損傷的過程。

3.2 T2DM 患者雙側小腦小葉Ⅰ-Ⅴ/Ⅰ-Ⅳ灰質體積減小

小腦前葉（小葉Ⅰ-Ⅴ）與運動控制和軀體感覺有關，其病變可引起小腦運動綜合征，包括平衡功能異常、共濟失調、構音障礙和動眼控制異常等[33-35]。本研究發現T2DM 患者右側小腦Ⅰ-Ⅴ和左側小腦Ⅰ-Ⅳ小葉灰質體積減小，均與BMI 呈正相關。以往研究表明，進行性核上性麻痹、多系統萎縮患者小腦小葉Ⅰ-Ⅳ萎縮[19]。另外，伴有糖尿病周圍神經病變的患者與不伴者相比，小腦灰質萎縮與步行表現較差具有更強的相關性，提示T2DM 患者可能存在運動損傷[36]。遺憾的是，本研究未對T2DM 患者進行運動功能的評價，尚無法探討雙側小腦小葉Ⅰ-Ⅴ/Ⅰ-Ⅳ灰質體積減小與運動功能的關系。當前關于小腦灰質體積與BMI 的關系仍存在爭議[37-38]，有文獻報道，在老年人群中，較高的BMI與小腦灰質體積增加相關[37]，但在首發精神病患者中，BMI增加與小腦灰質體積減小有關[38]，這是否因不同疾病所致有待進一步研究。課題組后續將進一步收集BMI增大的T2DM患者，基于BMI分組探討其與T2DM患者小腦前葉灰質體積的關系。

3.3 局限性

本研究仍存在以下局限性：（1）本研究為橫斷面設計，無法闡明T2DM患者小腦損傷與胰島素抵抗、認知情緒功能受損間的因果關系；（2）由于糖尿病患者的個體差異，應用的降糖藥物種類和劑量不同，尚不能闡明用藥對小腦亞區灰質體積的影響；（3）本研究未對T2DM 患者運動功能進行評價，未來研究需測量T2DM 患者運動相關指標，以進一步探索其運動功能與小腦前葉損傷的關系。

4 結論

總之，本研究發現T2DM 患者存在認知情緒功能的異常，其小腦前葉及右側Crus Ⅰ亞區灰質體積減小，尤其是右側Crus Ⅰ體積變化與胰島素抵抗呈負相關，提示右側Crus Ⅰ 可能是T2DM胰島素抵抗的易損腦區。本研究重點關注小腦在T2DM患者中的體積變化，從新的角度進一步闡明了T2DM 患者認知情緒功能異常的潛在神經病理生理機制，為未來早期干預T2DM認知情緒損傷提供潛在的治療靶點。

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：趙蓮萍設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了修改；張慧姸起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究數據；沈過、楊琛、譚健、田靜、李周樂、黃剛獲取、分析本研究的數據，對稿件重要內容進行了修改；趙蓮萍獲得了國家自然科學基金的資助，張慧姸獲得了甘肅省人民醫院院內科研基金的資助；全體作者都同意發表最后的修改稿，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。