正常人和2型糖尿病人脑葡萄糖代谢局域及网络属性的初步研究

【摘要】本文对正常健康被试和2型糖尿病被试脑葡萄糖代谢局域属性和网络属性进行初步的探讨。在神经科学领域,健康成年人脑的性别差异是人们持续关注的热点,近年来快速发展的非侵袭性神经影像学技术能在活体内探测脑的神经元活动,加速了“人脑的性别差异”这一科学问题的研究步伐。但迄今为止,有关脑葡萄糖代谢性别差异的研究尚少,在本论文的前一部分,我们收集了400例(包括200例女性和200例年龄匹配的男性)右利手的健康年轻人的FDGPET数据,用以研究人脑的局部脑葡萄糖代谢(含双侧小脑)、特定脑区的代谢连接强度和脑葡萄糖代谢协变网络的拓扑属性是否存在性别差异。我们采用了体素水平的两样本t检验、种子点相关脑网络分析和图论分析技术等常见神经影像学技术,最后结果提示两性在广泛脑区内存在局部脑葡萄糖代谢差异,特定脑区的连接强度和脑拓扑结构也存在差异。随后,为了探讨正常被试与2型糖尿病被试的差异,在后一部分的研究中,我们采用相似的技术方法,研究了113例2型糖尿病被试和性别、年龄匹配的195例健康被试的FDGPET数据。结果发现,相对于正常被试,2型糖尿病被试在大范围的大脑皮层和双侧小脑区域出现了局部脑葡萄糖代谢改变。此外,部分脑区与选定种子点间的代谢连接强度和脑葡萄糖代谢协变网络的拓扑属性也出现了明显改变。第一部分正常被试脑葡萄糖代谢局域属性和网络属性的初步研究第1节健康年轻成年人的脑葡萄糖代谢网络的性别差异研究目的：在神经科学领域,人脑的性别差异是一个重要的科研问题。近些年来,越来越多的来自无创神经影像学的研究证明了人类大脑存在着明显的性别差异。但是,目前为止,还没有用大样本的人群数据证明在脑葡萄糖代谢网络内也存在性别差异的报道。材料和方法：本研究共收集400例健康被试的FDGPET数据,被试均为右利手,包括200例女性(年龄：25-45岁,平均年龄±标准差：40.9±3.9岁)和200例年龄匹配的男性。本文首先用体素水平的两样本t检验分析两种性别间脑葡萄糖代谢的局部差异,随后再分析两种性别间脑葡萄糖代谢网络的差异。本文选取16个种子点来构建基于种子点水平的脑代谢网络,其中7个种子点位于存在明显脑葡萄糖代谢局部差异的脑区,另外9个种子点为在静息态脑网络研究中经常使用的感兴趣区。用置换检验的方法来检测两种性别脑葡萄糖代谢网络内部的和网络间的连接差异。结果：相对于男性,女性在大脑前部的葡萄糖代谢较低,在大脑后部的代谢较高。被调查的16个基于种子点的脑代谢网络均存在较广泛的脑内分布,男性和女性都是如此。此外,本次研究还发现,在脑葡萄糖代谢网络内部和网络间存在明显的性别差异。结论：本研究证明,局部脑葡萄糖代谢水平和脑葡萄糖代谢网络均存在明显的性别差异。这一发现可能有助于我们更好的理解人类脑功能的性别差异。此外,这个研究还给我们一个提示：在今后的相关研究中,要充分考虑到性别差异对实验设计和实验结果的影响。第2节年轻成年人的大尺度脑代谢协变网络的小世界属性及其性别差异目的：许多神经影像学研究已经证实人脑具有小世界属性,并且人脑的小世界属性具有明显的性别差异。但是,性别因素是否会对脑代谢协变网络的拓扑结构造成影响尚不明确。本研究旨在研究脑代谢协变网络拓扑结构的小世界属性及其性别差异。材料和方法：本研究数据采用400例健康年轻成年人的FDGPET数据,所有被试均为右利手,包含200例女性和200例年龄匹配的男性。应用自动解剖标记模板把大脑分成90个脑区(不包含小脑)。计算这90个脑区的局部脑葡萄糖代谢量的协变关系,以此构建脑葡萄糖代谢协变网络。再用图论分析技术分别计算出男、女性全脑网络参数和局域节点参数,并检测这些参数是否存在性别差异。此外,本研究还检验了90个脑区的平均局部脑葡萄糖代谢量的性别差异,并且分析了脑网络hub与存在局部脑葡萄糖代谢性别差异的脑区之间的关系。结果：本文在男、女性的脑代谢网络内都发现了明显的小世界属性。7个全脑网络参数未发现明显的性别差异。在小部分脑区内发现了局域节点参数存在性别差异。本文还发现男女两性脑网络hub的分布方式存在明显不一致,女性偏向双侧对称分布,而男性偏向于偏侧分布。最后,本文还发现某种性别的部分脑网络hub所在的脑区是这种性别局部脑葡萄糖代谢低于另外一个性别所在的脑区。结论：本文证明脑代谢协变网络有明显的小世界属性,并且脑代谢协变网络的拓扑结构存在性别差异。这个结果暗示：两性脑拓扑结构的差异造成了两性在认知和行为学上的差异。第二部分2型糖尿病被试脑葡萄糖代谢局域属性和网络属性的初步研究第1节2型糖尿病患者局部脑葡萄糖代谢及脑葡萄糖代谢网络改变的初步研究目的：本文的目的是研究2型糖尿病患者是否会出现局部脑葡萄糖代谢和脑葡萄糖代谢网络的改变,在某个特定脑区的局部脑葡萄糖代谢的异常是否和疾病病程、空腹血糖和糖化血红蛋白含量等临床指标相关。材料和方法：本文研究了113例2型糖尿病被试和195例健康被试的FDGPET资料,两组被试的性别、年龄无统计学差异。在113例2性糖尿病被试中,32例被试有较完整的临床数据,如疾病病程、空腹血糖和糖化血红蛋白等。首先,我们用体素水平的两样本t检验分析了两组样本间脑葡萄糖代谢的局部差异；其次,我们分析了每个体素的局部脑葡萄糖代谢值和以上临床指标的相关性；最后,我们用种子点相关的方法为每个被试组构建了9个脑葡萄糖代谢网络,并且研究了这些脑网络内的差异。结果：与正常对照组相比较,糖尿病组在大部分大脑皮层的局部脑葡萄糖代谢值减低,而在双侧小脑的代谢值上升。我们发现在2型糖尿病被试中,某些特定脑区的局部脑葡萄糖代谢值与病程、空腹血糖和糖化血红蛋白含量相关。此外,我们发现2型糖尿病患者的9个脑葡萄糖代谢网络均出现不同程度的改变。结论：本研究发现2型糖尿病患者会出现局部脑葡萄糖代谢和脑葡萄糖代谢网络的改变。这些研究结果有助于我们更好的理解2型糖尿病被试为何会出现认知功能受损。第2节2型糖尿病患者大尺度脑葡萄糖代谢网络拓扑属性的初步研究目的：本文的目的是研究2型糖尿病患者的大尺度脑葡萄糖代谢协变网络拓扑属性的改变情况。材料与方法：本文包含了113例2型糖尿病被试和195例健康被试的FDGPET资料。我们采用图论分析技术,比较了糖尿病组和正常对照组全脑网络属性和节点属性的差异。此外,我们计算了2个组的网络hub,用以观察糖尿病组网络hub的分布方式是否出现了异常。结果：2型糖尿病脑葡萄糖代谢协变网络具有显著的小世界属性。在多重校正前,有2个全脑网络参数,即Y和σ,出现了组间差异,但是,在多重校正后,7个全脑网络参数均未见明显统计学差异。部分脑区的节点参数出现了明显的组间差异。此外,我们发现在正常对照组有15个网络hub,这些网络hub基本上呈左右对称模式,且大多数脑网络hub位于双侧额叶。但是,在2型糖尿病组,我们没观察到这样的分布模式。结论：本研究发现2型糖尿病被试的大尺度脑葡萄糖代谢协变网络具有典型的小世界属性,但是其拓扑构造相对于正常对照组出现了明显的改变。这些研究成果可能有助于我们更好的理解2型糖尿病患者认知功能损害的神经机制。
【作者】胡裕效；
【导师】卢光明；
【作者基本信息】南京大学，内科学，2014，博士
【关键词】性别；FDG；PET；功能连接；代谢网络；中枢神经系统；正电子发射计算机断层显像仪；神经网络；大脑；成年人；2型糖尿病；18氟-脱氧葡萄糖；认知功能；脑葡萄糖代谢；脑功能网络；

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