目的糖尿病在中医学中是与肺、胃(脾)、肾相关的一类代谢性疾病,祖国医学虽然没有糖尿病脑病的病名,但其临床表现散见于历代医学古籍中,属于中医的“健忘”。“呆病”等证的范畴。多由痰浊阻窍、心脾两虚、肾虚血瘀和髓海不足造成其成因与脏腑功能失调有关,中医认为消渴病即糖尿病的病位在。肾,据《医学心悟》载“肾主智,肾虚则智不足”。肾精不足,精不化气,气虚不能帅血而行,血行不畅,久致血瘀,阻滞脑络,会加重脑部缺血,因此,肾虚血瘀可能是糖尿病认知功能障碍的主要病机制。现代医学,2型糖尿病是以胰岛素分泌不足及胰岛素抵抗所导致血糖增高为特征的复杂的全身代谢性疾病。据国际糖尿病联合会(International Diabetes Federation)统计,截止到2017年,全球数4.25亿人患糖尿病,其中2/3的人小于65岁;90%糖尿病为2型糖尿病,且有年轻化的趋势。糖尿病以及多个危险因子,如高血脂,肥胖,高血压,胰岛素抵抗等,可引起全身多种并发症,如外周神经病变(温、痛觉异常),糖尿病视网膜病变,糖尿病肾病,心脑血管疾病。糖尿病患者相比不伴糖尿病的人群高出2-3倍的机率发展为痴呆(如,血管性痴呆、阿尔茨罕默病),阿尔茨罕默症(AD)甚至被称为“3型糖尿病”。糖尿病的全身系统的并发病,已造成严重的社会负担。然而糖尿病引起认知障碍的机制尚未明确。静息状态功能磁共振指出,T2DM患者的静息状态神经活动全脑广泛减低,包括多个默认模式网络(DMN)的区域:双侧舌侧回,右侧颞下回,右侧脑岛和右侧后扣带皮层;同时指出,右侧楔前小叶和左侧额上回存在增强的BOLD信号,这被解释为在一定程度上维持认知表现的补偿能力。然而应谨慎解释静息态的结果,因在扫描期间,受试者自发的意识行为和随机不受控制的认知处理、动眼等难以完全避免。许多研究表明,认知障碍与脑白质损害及脑结构网络改变有关。DTI是常用的神经影像技术。作为一种结构MRI技术,DTI对常规MRI(如TIWI,T2WI)无法检测到的细微脑白质变化非常敏感,常用于检测神经系统疾病的脑白质微观结构的改变。最常用的检测脑白质微观结构改变的指标为各向异性分数(fractional anisotropy,FA)。FA值介于0和1之间的标量值,其描述扩散过程的各向异性的程度。零值表示扩散是各向同性的,即它在所有方向上不受限制;值为1意味着扩散只发生在一个轴上,并在所有其他方向上完全受限制。FA被认为反映纤维密度,轴突直径和白质髓鞘形成,对白质髓鞘改变非常敏感,FA值减少反映了轴突缺失或脱髓鞘引起的白质和纤维结构受损或紊乱,如肿瘤、梗塞及各种神经精神类疾病;FA值越增高,代表白质完整性最高,如最紧密的平行定向纤维束区域(胼胝体)。然而传统的弥散指标的运算基于特定的高斯模型使其在复杂结构的运算易于出错,例如在放射冠区,正常受试者的FA值较其他脑区低,可能是因为模型计算的局限性。同时,FA只反应了体素间的弥散情况,并不能完全的反应脑白质的水分子弥散情况。Gong提出了一种新的体素间弥散指标(local diffusion homogeneity,LDH)已被证实对脑白质有不同的敏感性,是对传统弥散指标的一种补充。该参数无需任何弥散模型,具体而言,首先在原始扩散加权图像(diffusion-weighted image,DWI)中计算沿每个扩散加权梯度方向的扩散率,得到每一个体素包含采样梯度方向总数(如本研究为25个弥散方向)的扩散率的序列。肯德尔系数一致性(Kendall’ s coefficient concordance,KCC)用于量化即定的体素及其最近邻域内体素间的扩散率序列的整体扩散相似性。研究发现左侧和右侧颞叶癫痫患者在肼胝体前份表现出明显减低的LDH值,这被认为是该疾病的潜在定量生物标志物。联合临床测评(梅氏评估量表,Fugl-Meyer assessment)及急性皮层下脑梗死期的患侧皮质脊髓束CST(上放放射冠和内囊后肢)减低的LDH值,能够在发病后12周内准确预测上肢损伤的恢复情况;而体素内的弥散指标,如FA,MD,则未能预测长期运动功能改善。相对FA,LDH亦能在精神分裂症中检测出更多白质损害的脑区。目前尚未发现体素间弥散指标检测糖尿病脑白质微观结构改变的报道。另外,相比正常对照组而言,未合并认知障碍的2型糖尿病患者的功能、结构网络均出现中断及局部代偿的情况。这些脑区大多数涉及默认网络(“defaultmode network”,DMN)。DMN参与构建自相关的大脑系统心理模拟,如记忆过去,思考未来,并理解当前的观点,它主要包含扣带回皮层,内侧前额叶皮层,内侧颞叶,角回,顶下小叶。大脑在无外部导向任务及特定系统性思考任务的状态(即“默认状态”)下DMN功能网络是激活的,而有思考任务时则是被抑制的。DMN的变化可以预测精神障碍患者的治疗反应。而有研究表明,构成“默认模式网络”的部分脑区表现出较高的结构一功能连通性一致性,提示其存在一定解剖学基础。关于T2DM的MRI白质结构网络改变的研究并不多,结论均提示病人组的全局网络连接效率或者连接最短路径增高,并与认知障碍相关。而反应局部网络的效率的集聚系数、局部效率不一定比对照组增高,提示局部网络增强并代偿全脑网络效率的减低。这些结构网络的病例组年龄较大且伴脑梗塞及明显认知障碍病例,或者病例组主要为难控制型高血糖的病例且有较长的病程。这对于揭示早期无认知障碍的糖尿病患者脑白质网络改变并无明显优势。本研究目的全面对比体素间与体素内的弥散指标对脑白质的检测能力及,系统比较T2DM受试者和健康对照在白质骨架模板里的每一个体素的LDH与FA的值的差异。我们还比较了基于体素水平的分析的弥散指标(LDH和FA)和临床测量值之间的相关性。我们假设相比体素内弥散指标,体素间弥散指标可以检测到2型糖尿病受试者的不同的脑白质的改变,以期能检测早期糖尿病脑白质改变,并为2型糖尿病认知功能障碍发展的病理生理学提供新的思路。在此研究的基础上,进一步探索未合并明显认知障碍及相关并发症(脑血管意外、明显糖尿病相关视网膜病变)的中年期的糖尿病人的白质结构网络的改变及其与临床指标的关系,以期能更深入了解T2DM早期脑网络改变,探索与糖尿病相关认知障碍的可能的影像标记物,这将有益于揭示相关的早期亚临床期的认知障碍机制,并以此为早期临床干预提供理论依据,防止或延缓认知障碍的发展。材料与方法本研究得到医院伦理委员会的支持,所有的受试者签署知情同意书。糖尿病人来源于医院内分泌科,年龄、性别、教育程度匹配的对照组为同时期的志愿者。所有受试者接受有经验的神经内科医生的专业神经系统的评估,包括十二对脑神经、神经病理征的检查,以确保没有明显认知障碍。严重糖尿病并发病(糖尿病足,糖尿病视网膜病变3级以上或黄斑水肿)及其他可能影响脑结构的因素亦排除。收集所有受试者的临床资料,包括年龄,性别,教育程度,体重指数,血压,检验结果(空腹血糖,甘油三酯,总胆固醇,高、低密度脂蛋白),胸片,糖尿病病程及糖化血红蛋白。2型糖尿病病人按照WHO诊断标准:空腹血糖>7.0 mmol/L,或口服糖耐量试验2小时血糖>11.1 mmol/L。排除标准:左利手或混合利手,十二对脑神经检查或病理征阳性发现,任何明显认知障碍的表现,任何脑血管意外(短暂性缺血缺氧发作,脑梗塞),任何头部外伤出现意识障碍越过5分钟,酒精、尼古丁、精神类药物上瘾,体重指数BMI大于30kg/m2,高血压(基于2003年高血压的临床指南:收缩压>140mmHg或舒张压>90mmHg,高血脂,高胆固醇,严重痛风,严重糖尿病并发病(糖尿病足,糖尿病视网膜病变3级以上或黄斑水肿),严重心、肝、肾病变,常规脑MRI,包括常规T1WI、T2WI、T2-flair发现异常情况(脑梗塞,严重脑白质病变)其他可能影响脑结构成像的情况。另外,所有2型糖尿病病人接受单视野眼底照相,按照国际临床疾病严重度分级,糖尿病视网膜病变分级为1级(无明显视网膜病变)、2级(轻度非增殖性视网膜病变)者不排除,3级及以上者排除。所有入组的受试者都签知情同意书。所有的受试者行3.0T头颅MRI扫描,包括常规T1WI、T2WI、液体衰减反转恢复序列(FLAIR),及3D结构T1、扩散张量成像(DTI)数据。经过检查数据、涡轮较正、剥脑、配准一系列数据处理后得到体素内(FA)及体素间(LDH)弥散指标。在体素水平比较2型糖尿病组及对照组的LDH及FA,找到差异脑区;将差异脑区设置为感兴趣(ROI)。体素水平做弥散值(LDH及FA)并与临床指标做相关,有统计学差异常的脑区保存为ROI。为了直观显示组间差异常及与临床指标相关的纤维连接,将上述ROI分别从标准空间反转到本地空间并用确定性追踪得到经过ROI的纤维。基于自动化的解剖标记(automated anatomical labeling atlas,AAL)标准大脑模板,将全脑纤维重建为116个皮层及皮层下区域(包括小脑),作为网络连接的节点。每一个连接都用各向性性分数(FA)加权。这样每一个受试者得到一个加权后的116×116的二维连接矩阵。利用这个矩阵,在“基于图论的复杂脑网络工具包”(Graph Theoretical Network Analysis,GRETNA)计算每个被试的网络指标,包括局部连接的指标1.集聚系数:以邻居之间的连接密度判断邻居是否还是邻居;2.局部连接效率:反应节点局部连接效率;全局连接指标:平均最短路径(节点上最好的边连接)及全脑连接效率(最短路径的倒数)。比较两组脑结构网络的改变及并计算其与临床指标的关系。最后,对每一个受试者的图形度量标准化为随机生成网络的可比值(计算100次)以评估网络是否具有小世界属性。小世界网络的属性为大于1的集聚系数及更短的最短路径。比较两组脑结构网络的改变及并计算其与临床指标的关系。统计:基于一般线性模型的两样本t检验计算组间差异。Pearson’ s correlation用于计算临床指标与弥散指标、小世界网络指标的相关性。所有的统计中,年龄、性别、教育程均为协变量,统计阈值均取P<0.05。在计算全脑网络指标与临床相关时,将第一部分的临床指标与弥散指标明显相关的团块的弥散值回归。AlphaSim correction用于统计图的多重多较较正(先体素水平P<0.01以形成团块,团块水平P<0.05为差异显著)。结果目前的研究共纳入32名T2DM受试者和33名年龄、性别、教育程度匹配的健康对照,所有受试者均为中年人(平均年龄不超过65岁)。T2DM组的BMI,SBP、空腹血糖高于健康对照组。根据(Shang等,2013)教育分类:所有的受试者均为中、低教育水平。T2DM组有12、20名受试者分别被评为低中等教育水平,而对照组则分别为9和24名。根据中国肥胖工作组的研究,二十个(58.8%)和一个(3%)T2DM受试者分别被认为是超重(BMI,24-28 kg/m2)和肥胖(BMI>28 kg/m2);根据2017年高血压临床实践指南,9例(26.5%)SBP大于130 mmHg的T2DM受试者被归类为1期高血压;而在所有对照中发现BMI超过24kg/m2或SBP大于130mmHg。T2DM组中有4名受试者被归为第二阶段“轻度中度非增殖性视网膜病变”,其余28名患者没有明显的视网膜病变。病人及对照组均有4例的脑白质异常高信号,评分为1级,均为斑点状<5mm的高信号影,其中出现在包括双侧额叶(n=4),上放射冠区(n=6),枕叶(n=4)和左侧颞叶(n=1)。相比对照组,糖尿病组显示广泛的FA值减低区(11个脑区),包括双侧延髓,中脑右份,双侧丘脑,左侧颞中回,前、中扣带回,右侧放射冠区,脑白质广泛受累,包括双侧皮质脊髓束、小脑脚,丘脑辐射后束,联合纤维(上纵束/下纵束/下额枕束),前/中扣带束。病人组的LDH值明显减低的脑区有(4个脑区):右侧颞中/上回,双侧前扣带回,右侧枕叶,累及的白质纤维有联合纤维,视束,双侧丘脑前辐射,前扣带回。将组间比较的差异的脑区设为感兴趣区(ROI),提取每一个病人的相应ROI当中的弥散指标值,与临床指标做相关,结果发现,3个FA值与临床指标相关,分别是双侧延髓的FA与糖化血红蛋白显著正相关,左侧颞中回的FA值与总胆固醇正相关(p<0.05);而组间差异的4个脑区的LDH值不与临床指标相关。用全脑体素水平分析,未发现病人组的全脑FA值与临床指标相关,而LDH则发现4个团块与临床指标相关(p<0.001),分别是:左侧额叶及中央后回的LDH与BMI正相关,左侧中央后回/中央旁小叶与低密度脂蛋白正相关,右侧颞中回(海马)的LDH与收缩压正相关,主要累及了联合纤维(双侧钩束、上纵束、下纵束)及与运动皮层连接的纤维(皮质脊髓束及额顶叶的U型纤维:fronto-parietal U-tracts,FPUT)。2糖尿病病人的全脑及局部网络连接效率、原始纤维连接密度、原始最短路径、原始集取系数均较正常对照组明显减低。但是经过标准整合后仍具有小世界网络属性,且平均最短路径、集聚系数较正常组无统计学差异。T2DM的双侧海马/海马旁回/颞上回/中扣带回,右侧颞极、楔前叶、小脑蚓,及左侧中央旁回/丘脑/颞下回的局部效率及扣带回、右侧颞极及左侧颞下回的局部连接效率及集聚系数较正常组明显减低。网络节点的属性进一步与临床测量值关联,2型糖尿病组的校准化集聚系数/校准小世界网络属性与体重指数明显正相关;原始平均集聚系数及右侧颞上回集聚系数/右侧颞极集聚系数明显正相关;左侧直回及颞极及右侧小脑6区的的集聚系数与SBP明显正相关,右侧颞极集聚系数与SBP显著负相关。结论本研究主要基于体素水平比较了 LDH及FA的组间差异及其与临床指标的关系,结果显示两个指示检测的脑区不一样,提示体素间及体素内的弥散指标对T2DM脑白质微结构特性的检测具有不同的敏感性,两者都对疾病的生物标记物的检测提供了补充的信息。这可能是因为1)体素内和体素间弥散指标是完全不同的指标,使用不同的计算方法反应白质水分子弥散情况并具有不同的敏感性;2)体素内指标因受限于计算模型,在复杂结构(如纤维交叉的脑区)的敏感性减低。相反,因为体素间的弥散指标不基于任何弥散模型的计算,因而真实反应脑白质体素间水分子弥散差异。组间差异中,尽管病人组的FA值相比对照组广泛受损,而LDH只有少数脑区存在组间差异,但是FA与LDH检测到的纤维束大致相同,且右侧视束受损只有LDH能检测到。在与临床指标做相关时,FA与LDH在不同的检测水平检测到的受影响的脑区不一致,仍体现了两种指标的不同敏感度。这些脑-生物学指标的关联,可能与早期无认知障时T2DM患者的脑局部神经弹性改变有关,这些改变在一定程度上代偿了白质受损引起的认知受损。第二部分白质网络研究与之前的功能及结构网络的结论相一致,都是发现了早期T2DM有局部网络效率减低全局功能损伤及代偿同时存在,同时,局部网络节点效率减低的部分脑区与第一部分脑白质微结构损伤脑区一致,进一步证实了第一部分的白质改变与功能损害的关联。因而,局部网络节点减低,可能是T2DM早期认知损害的标志。同时网络指标与临床指标关系正相关的关联,提示可能是对负相关的代偿机制。具体来说,除了右侧颞极集聚系数与收缩压负相关外,其余均为正相关,本研究示白质结构网络显示的是T2DM的双侧扣回、右侧颞极及左侧颞下回的局部连接效率较正常组明显减低。与第一章白质检测的结果相比,尽管弥散指标与临床指标关联的脑区,不与网络/临床指标相关的脑区重叠,但是受累的白质纤维是密切相关的。这些脑区的胰岛素水平与糖尿病认知(如记忆/执行等)明显相关。据我们所知,这项研究是第一个研究T2DM大脑体素间弥散指标的研究,并且体素间与体素内的对照、与临床指标的相关的分析,同时还进一步分析了脑结构网络的改变,比起单一的方法更准确。本研究两组年龄均为中年人且无认知障碍,且常规MRI扫描未发现明显异常,如腔隙性脑梗塞或明显白质高密度影。无认知障碍的中年T2DM多发脑白质微结构及结构网络的改变,其中可能存在相关神经弹性改变及代偿机制,以“掩盖”的认知损害,以维持2型糖尿病患者认知功能。本研究具有重大的临床意义,能早期发现、干预中年2型糖尿病患者未出现明显认知障碍时脑白质微观结构改变及并可能为T2DM相关认知障碍机制提供干预的理论依据,而尽早的干预可以防止或延缓认知障碍进一步发展。