張會美，李　威，張　揚，盧　山，李　楠，倪長林，張　權(quán)

（1.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院放射科 天津市功能影像重點實驗室，天津　300052；2.天津醫(yī)科大學(xué)代謝病醫(yī)院，天津　300060）

2型糖尿病患者工作記憶相關(guān)腦區(qū)的無效率激活

張會美1，李威1，張揚1，盧山2，李楠1，倪長林2，張權(quán)1

（1.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院放射科 天津市功能影像重點實驗室，天津300052；2.天津醫(yī)科大學(xué)代謝病醫(yī)院，天津300060）

目的：探討2型糖尿?。═2DM）患者工作記憶相關(guān)腦區(qū)的激活改變，及其可能的神經(jīng)機制。方法：對21例T2DM患者及21名正常對照受試者進行數(shù)字1-back任務(wù)下的fMRI實驗。采用SPM8軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和統(tǒng)計分析，組內(nèi)分析采用單樣本t檢驗，組間比較采用雙樣本t檢驗，統(tǒng)計閾值均設(shè)定為P＜0.01（AlphaSim校正）。將組間差異區(qū)的BOLD信號變化百分比與工作記憶任務(wù)的反應(yīng)時間及糖化血紅蛋白之間進行相關(guān)分析。結(jié)果：T2DM組的空腹血糖和糖化血紅蛋白明顯高于對照組（P＜0.001），1-back任務(wù)的正確率明顯低于對照組（P＜0.05）。在1-back任務(wù)下，T2DM組的雙側(cè)前額葉腹外側(cè)及背外側(cè)、右側(cè)后頂葉皮層的激活強度明顯高于對照組（P＜0.01），左側(cè)頂下小葉和右側(cè)額上回的負激活程度明顯低于對照組（P＜0.01）。雙側(cè)前額皮層背外側(cè)的激活強度與1-back任務(wù)的反應(yīng)時間明顯負相關(guān)（P＜0.05）。結(jié)論：T2DM患者存在工作記憶能力損害，工作記憶相關(guān)腦區(qū)以過度激活的模式對工作記憶能力進行有限的代償。

糖尿病，2型；認知障礙；磁共振成像

2型糖尿?。═2DM）是以高血糖為特征的一種代謝性疾病，發(fā)病率逐年增加，可導(dǎo)致糖尿病腎病、腦病等多種并發(fā)癥。研究表明，T2DM患者發(fā)生認知障礙和癡呆的風(fēng)險明顯增加［1-2］，影響生活質(zhì)量，增加社會負擔(dān)。工作記憶（WM）是一種重要的基礎(chǔ)認知功能，行為學(xué)研究表明T2DM患者的WM能力明顯下降［3］，但關(guān)于T2DM對WM影響的神經(jīng)基礎(chǔ)研究較少［4］。本研究擬采用WM任務(wù)下的功能磁共振成像（fMRI）方法，探討無并發(fā)癥的T2DM患者的腦激活形式，及其與WM表現(xiàn)和血糖控制水平之間的關(guān)系，進而分析T2DM對WM影響的可能神經(jīng)機制。

1　資料與方法

1.1研究對象

收集T2DM患者26例，入組標準：符合糖尿病國際診斷標準；右利手；簡易智能精神狀態(tài)檢查量表評分≥27分。排除標準：①癡呆家族史；②腦外傷史；③中風(fēng)史；④酒精或藥物成癮史；⑤可能影響認知的重癥抑郁或其他神經(jīng)精神疾??；⑥甲狀腺功能障礙；⑦腎臟疾?。虻鞍祝?00 mg/mL）；⑨嚴重視聽缺損；⑩MR檢查禁忌癥；⑾體質(zhì)量指數(shù)（BMI）＞30；⑿近期服用過可能影響腦功能的藥物或激素；⒀癲癇史；⒁TIA史；⒂腦白質(zhì)病變。招募性別、年齡匹配的健康對照組25例，不符合糖尿病國際診斷標準，其它入組和排除標準同患者組。

所有受試者中，3例患者和2名對照者因在常規(guī)MRI檢查中可見明顯腦白質(zhì)病變而排除；另有2例患者和2名對照者因在fMRI掃描中頭部平移大于2 mm或旋轉(zhuǎn)超過2°而排除。最終兩組各有21例受試者入組，用于進一步統(tǒng)計分析。所有入組受試者均接受實驗室檢查，包括空腹血糖（FBG）、糖化血紅蛋白（HbA1c）、甘油三酯、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、總膽固醇。兩組受試者的性別、年齡、教育程度、糖尿病病程、血壓、血脂、血糖及工作記憶表現(xiàn)等資料見表1。

表1　對照組及T2DM組人口學(xué)、行為學(xué)及實驗室檢查結(jié)果

本實驗經(jīng)天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準，并在獲得所有受試者的書面知情同意后進行。

1.2工作記憶（WM）任務(wù)

本研究采用組塊設(shè)計的n-back WM任務(wù)，包括 0-back和1-back。每個任務(wù)組塊以提示語開始，然后連續(xù)呈現(xiàn)一組數(shù)字，兩個數(shù)字的間隔時間為2 000 ms，每個數(shù)字的呈現(xiàn)時間為1 000 ms。在 0-back任務(wù)中，要求受試者對數(shù)字‘0'做出反應(yīng)，在1-back任務(wù)中要求受試者判斷當(dāng)前呈現(xiàn)的數(shù)字與前一個數(shù)字是否相同。實驗中，6個0-back和5個1-back組塊交替進行，每個組塊中靶刺激（0-back中的“0”和1-back中與上一個數(shù)字相同的當(dāng)前數(shù)字）的數(shù)量占50%，且隨機出現(xiàn)。所有的數(shù)字均以白色40號的Arial字體呈現(xiàn)于黑色屏幕中心。采用EPrime 2.0軟件編寫刺激程序，并記錄受試者的按鍵反應(yīng)。實驗內(nèi)容通過視覺刺激系統(tǒng)（NordicNeuroLab，Bergen，Norway）傳輸至磁體間。實驗前先對受試者進行培訓(xùn)，在完全理解實驗內(nèi)容的情況下進行正式實驗，并于實驗結(jié)束后計算受試者執(zhí)行1-back任務(wù)的反應(yīng)時間（RT）和正確率。

1.3數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用3.0T磁共振掃描儀（Discovery MR750，GE）對受試者進行常規(guī)MRI采集（用于排除腦部疾?。┘皀-back任務(wù)下的全腦fMRI掃描。T2WI采用快速自旋回波序列，參數(shù)如下：重復(fù)時間（TR）=2 000 ms，回波時間（TE）=90 ms，反轉(zhuǎn)角（FA）=90°，視野（FOV）=256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚=3 mm，層間距=1 mm，層數(shù) 35。3D-T1WI采用腦容積成像序列（BRAVO），參數(shù)如下：TR=8.15 ms，TE=3.17 ms，反轉(zhuǎn)時間（TI）=450 ms，F(xiàn)A=12°，F(xiàn)OV=256 mm× 256 mm，矩陣256×256，層厚=1 mm，無間隔，188層，矢狀位采集。BOLD-fMRI采用梯度回波單次激發(fā)回波平面成像序列（GRE-EPI），參數(shù)如下：TR=2000ms，TE=45 ms，F(xiàn)OV=220 mm×220 mm，矩陣 64×64，F(xiàn)A= 90°，層厚=4 mm，層間距=0.5 mm；層數(shù)32，層面內(nèi)分辨率=3.75 mm×3.75 mm，掃描時間為4分24秒，其中前12秒為勻場時間，不采集數(shù)據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用基于MATLAB的SPM8軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。首先對每個受試者的fMRI數(shù)據(jù)進行時間校正、頭動校正、空間標準化和空間平滑。通過頭動校正排除頭部旋轉(zhuǎn)大于2°和平移大于2 mm的受試者?？臻g標準化采用EPI模板將個體數(shù)據(jù)歸一化到MNI標準空間，并進行重新采樣使每個體素大小為3 mm×3 mm×3 mm。最后采用6 mm半高全寬的高斯核進行空間平滑處理，以降低噪聲并減小腦結(jié)構(gòu)的個體差異。

1.5統(tǒng)計分析

采用SPM8軟件中的一般線性模型進行統(tǒng)計分析。組內(nèi)分析采用單樣本t檢驗，獲得1-back相對于0-back的正、負激活腦區(qū)，統(tǒng)計閾值設(shè)定為P＜0.01（Alphasim校正）。將兩組的正激活和負激活結(jié)果分別建立掩模（mask），并取其并集生成新的正、負激活mask用于組間比較。組間比較采用雙樣本t檢驗，將年齡、性別和教育程度作為協(xié)變量，比較在上述并集mask范圍內(nèi)兩組間的正、負激活差異，統(tǒng)計閾值設(shè)定為P＜0.01（Alphasim校正）。將正、負激活的組間差異區(qū)建立為興趣區(qū)（ROI），并計算該興趣區(qū)內(nèi)所有體素的平均BOLD信號變化百分比（PSC）。采用SPSS 16.0軟件對PSC與WM行為學(xué)表現(xiàn)和HbA1c之間進行相關(guān)分析，統(tǒng)計顯著性水平設(shè)定為P＜0.05。

采用SPSS 16.0軟件中的Kolmogorov-Smirnov方法檢驗兩組被試年齡、教育程度、行為學(xué)指標和實驗室檢查結(jié)果是否符合正態(tài)分布，符合正態(tài)分布者進行雙樣本t檢驗，不符合者進行Mann-Whitney U檢驗，對兩組受試者性別差異進行卡方檢驗。統(tǒng)計顯著性水平設(shè)定為P＜0.05。

2　結(jié)果

2.1人口學(xué)、行為學(xué)及實驗室檢查結(jié)果

人口學(xué)、行為學(xué)及實驗室檢查結(jié)果的組間比較見表1。T2DM患者組教育程度高于對照組（P＜0.05），F(xiàn)BG和HbA1c明顯高于對照組（P＜0.001），1-back任務(wù)的RT低于對照組（P＜0.01）。余各項指標兩組間差異無顯著性。

2.2WM相關(guān)腦激活結(jié)果

對照組正激活腦區(qū)主要包括：右側(cè)前額皮層腹外側(cè)（vlPFC）、右側(cè)前額皮層背外側(cè)（dlPFC）、右側(cè)頂后皮層（PPC）、雙側(cè)輔助運動區(qū)（SMA）和右側(cè)顳上回；負激活腦區(qū)主要包括：雙側(cè)前額皮層內(nèi)側(cè)面（mPFC）/前扣帶、后扣帶、右側(cè)額上回、右側(cè)楔前葉、左側(cè)頂下小葉、雙側(cè)枕葉（圖1a）。

患者組正激活腦區(qū)主要包括：左側(cè)vlPFC、雙側(cè)dlPFC、雙側(cè)PPC、雙側(cè)SMA、左側(cè)島葉、左側(cè)基底節(jié)-丘腦區(qū)和左側(cè)顳葉；負激活腦區(qū)主要包括：雙側(cè)mPFC和左側(cè)額上回（圖1b）。

組間比較顯示，患者組高于對照組的正激活腦區(qū)包括雙側(cè)dlPFC、vlPFC和右側(cè)PPC；未見患者組低于對照組的正激活腦區(qū)。與對照組相比，患者組負激活下降的腦區(qū)包括左側(cè)頂下小葉和右側(cè)額上回；未見患者組負激活增強的腦區(qū)（圖1c）。

圖1　工作記憶組內(nèi)激活圖及組間差異圖。A，正常對照組；B，患者組；C，為組間比較。A和B中的暖色代表正激活，冷色代表負激活；C中的暖色代表T2DM組正激活增強區(qū)，冷色代表T2DM組負激活減弱區(qū)。Figure 1.　Working memory related brain activity within groups and intergroup difference maps.A，normal control；B，T2DM group；C，intergroup difference.Warm and cold colors in A and B represent the positive and negative activations respectively.Warm and cold colors in C indicate increased positive activations and decreased　negative　activations　in　T2DM　group compared with normal controls.

2.3腦激活與行為學(xué)及HbA1C的相關(guān)性

T2DM組雙側(cè)dlPFC的PSC與1-back任務(wù)的RT呈負相關(guān)（圖2），右側(cè)頂葉后部皮層的PSC與1-back任務(wù)的RT有負相關(guān)趨勢；各差異腦區(qū)的PSC與HbA1C均無明顯相關(guān)性。

圖2　BOLD信號變化百分比（PSC）與反應(yīng)時間（RT）之間的相關(guān)性。T2DM組右側(cè)（A）及左側(cè)（B）前額葉背外側(cè)皮層的PSC與RT明顯負相關(guān)。Figure 2.Correlation analysis between PSC and RT.There are significant negative correlations between PSC of the right（A）and the left（B）dorsal lateral gyrus of the prefrontal cortex and the RT.

3　討論

本研究對無并發(fā)癥的T2DM患者進行n-back任務(wù)的fMRI研究。T2DM患者的1-back任務(wù)的正確率明顯低于對照組，雙側(cè)dlPFC、vlPFC和PPC等腦區(qū)呈現(xiàn)過度激活，且雙側(cè)dlPFC的激活強度與1-back的RT呈負相關(guān)；T2DM患者默認網(wǎng)絡(luò)的部分腦區(qū)負激活下降。上述結(jié)果提示T2DM患者需動員更多腦資源，以過度激活的形式對WM能力的下降進行有限的代償。

3.1T2DM患者WM相關(guān)腦區(qū)過度激活

本研究中，T2DM患者表現(xiàn)為過度激活的腦區(qū)主要包括雙側(cè)dlPFC、vlPFC和右側(cè)PPC，這些腦區(qū)是經(jīng)典的WM相關(guān)腦區(qū)。dlPFC在管理執(zhí)行控制過程中起關(guān)鍵作用，包括組織整理信息、減少認知負荷、促進記憶能力，整編資料使之成為熟悉或者有規(guī)律的結(jié)構(gòu)以提高WM能力等［5］。vlPFC與記憶信息的存儲和提取有關(guān)，其激活與受試者記住或提取目標刺激的努力程度有關(guān)［6］。PPC廣泛涉及到WM過程的各個階段［7］。這些腦區(qū)構(gòu)成的額頂網(wǎng)絡(luò)是WM的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其聯(lián)合作用是WM順利完成的保證［8］。上述腦區(qū)在T2DM患者中過度激活，提示在執(zhí)行WM任務(wù)時需要動員更多腦資源以完成任務(wù)，表現(xiàn)為腦區(qū)功能代償［9］。T2DM患者雙側(cè)dlPFC激活程度與1-back任務(wù)RT呈負相關(guān)，即激活程度越強，反應(yīng)越快，這一結(jié)果也提示前額葉腦區(qū)的過度激活是一種代償反應(yīng)，但患者組WM的反應(yīng)正確率明顯低于對照組，提示這種腦區(qū)過度激活的代償能力有限，或者說腦區(qū)活動效率低下。

3.2T2DM患者負激活減弱

本實驗兩組中的負激活腦區(qū)均以默認網(wǎng)絡(luò)（DMN）為主，但患者組左側(cè)頂下小葉和右側(cè)額上回的負激活下降。DMN腦區(qū)在靜息態(tài)下激活增強，與自省、意識程度、場景記憶、環(huán)境警覺及其它高級認知功能相關(guān)。而在任務(wù)狀態(tài)下，DMN表現(xiàn)為負激活。T2DM患者的DMN部分腦區(qū)在WM任務(wù)中的負激活減弱，提示患者不能有效抑制DMN腦區(qū)，而影響任務(wù)表現(xiàn)。這一表現(xiàn)也見于1型糖尿病中［10］。靜息態(tài)下的功能連接研究也發(fā)現(xiàn)T2DM患者的DMN存在功能異常［11］。

3.3T2DM患者WM損害的可能機制

糖尿病的多種并發(fā)癥（如腦血管病變等）可影響腦功能，因此本研究僅選擇了無并發(fā)癥的T2DM患者，以避免并發(fā)癥對實驗結(jié)果的影響。T2DM對腦認知功能的損害機制復(fù)雜，但主要與高血糖引起的一系列代謝功能改變有關(guān)。長期處于高血糖狀態(tài)可使醛糖還原酶活性增高，從而激活山梨醇通路，過多的山梨醇可導(dǎo)致細胞內(nèi)高滲，損害神經(jīng)細胞的結(jié)構(gòu)與功能［12］。持續(xù)高血糖狀態(tài)可使自由基的產(chǎn)生增多，損害神經(jīng)細胞。高級糖基化終產(chǎn)物積聚可引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、理化特性和功能狀態(tài)發(fā)生改變，引起微血管病變和神經(jīng)損傷［13］。上述各種機制的綜合作用可能是導(dǎo)致腦區(qū)活動異常的病理生理基礎(chǔ)。但本研究中，腦區(qū)激活程度與HbA1c之間并無相關(guān)性。分析其原因可能與本實驗采用的實驗任務(wù)相對簡單有關(guān)，增加任務(wù)難度（如2-back）后有可能發(fā)現(xiàn)二者之間的相關(guān)性［4］。

本研究證實T2DM可損害WM能力，T2DM患者WM相關(guān)腦區(qū)以過度激活的模式對WM能力進行有限的代償。本研究的不足之處在于樣本量相對較小，且未對WM的負載效應(yīng)進行分析。此外，本研究雖然排除了肉眼可見的腦血管病變，但不能排除微血管異常對結(jié)果的影響。如能將腦激活、腦血流測量及腦內(nèi)葡萄糖代謝情況相結(jié)合進行綜合研究，有望對T2DM患者WM損害的神經(jīng)機制有更深入的理解。

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Inefficient activity in working memory related brain regions in patients with type 2 diabetes mellitus

ZHANG Hui-mei1，LI Wei1，ZHANG Yang1，LU Shan2，LI Nan1，NI Chang-lin2，ZHANG Quan1
（1.Department of Radiology and Tianjin Key Laboratory of Functional Imaging，Tianjin Medical University General Hospital，Tianjin 300052，China；2.Tianjin Medical University Metabolic Diseases Hospital，Tianjin 300060）

Objective：To investigate the altered activity of working memory related brain regions in patients with type 2 diabetes mellitus（T2DM），and the possible neural mechanisms.Methods：Twenty-one T2DM patients and 21 normal subjects received functional MRI（fMRI）scanning with a 1-back working memory（WM）task in this study.The fMRI data were preprocessed using SPM8.One-sample t-test and two-sample t-test were used to analyze the WM related brain activity within and between groups，respectively.Statistical thresholds were set at P＜0.01（AlphaSim correction）.BOLD percent signal change（PSC）of regions with intergroup difference was calculated and the correlation analyses were performed between the PSC and the response time（RT）of 1-back task and glycosylated hemoglobin level.Results：The fasting plasma glucose and glycosylated hemoglobin level were significantly higher in T2DM patients than controls（P＜0.001），and accuracy of 1-back task was significantly lower than that of controls（P＜0.05）.Compared to the controls，T2DM patients showed significantly higher activation in the bilateral dorsolateral and ventrolateral prefrontal cortex and the right posterior parietal cortex（P＜0.01），and significantly lower deactivation in the left inferior parietal lobule and the right superior frontal gyrus（P＜0.01）.Significant negative correlations were found between the PSC of the bilateral dorsolateral prefrontal cortex and the RT in T2DM group（P＜0.05）.Conclusion：Hyperactivation of the WM related brain regions may have a limited compensation for the decreased WM behavior in T2DM patients.

Diabetes mellitus，type 2；Cognition disorders；Magnetic resonance imaging

R587.1；R749.2；R445.2

A

1008-1062（2015）05-0313-04

2014-08-22；

2014-09-25

張會美（1988-），女，山東人，在讀碩士研究生。

張權(quán)，天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院放射科，300052。