0 引言

       2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus, T2DM）是一种以高血糖为临床特征的慢性疾病，流行病学研究显示，2021年全球糖尿病患者人数达到5.25亿，到2050年这一数字将达到13.1亿，在全球范围内糖尿病人群基数增长形势严峻^[1]。T2DM患者除常见的心血管、肾脏等并发症外，还面临着较高的认知功能减退风险。研究表明，T2DM人群较非T2DM人群发生痴呆的风险高出2.28倍^[2]。并且一旦痴呆的临床症状出现，认知减退进程难以延缓或逆转^[3]。因此，糖尿病患者的认知减退已成为亟待解决的公共卫生问题，并且其治疗干预仍然是临床研究的热点^{[4, 5]}。

       目前，部分降糖药物被证明可能具有神经保护作用，但其具体机制尚存在争议^{[6, 7, 8]}。能够改善认知的降糖药物是预防T2DM认知障碍的重要发展方向^[9]。在所有的降糖药物中，胰高血糖素样肽-1受体激动剂（Glucagon-like peptide-1 receptor agonists, GLP-1RAs）因其对认知的作用而成为最有吸引力的降糖药物，是治疗认知减退的有前景的降糖药物之一^[7]，代表药物为利拉鲁肽。近年来，新型降糖药物GLP-1RAs被报道具有神经保护、血脂代谢调节等方面的药理作用^{[10, 11]}，许多基础动物实验也曾报道过GLP-1RAs能够改善动物的脑功能及认知情况^{[12, 13, 14, 15]}。同样作为新型降糖药物，钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂（sodium-glucose cotransporter inhibitors, SGLT2i）在保护心、肾血管有着卓越的疗效^{[16, 17]}，在改善认知方面也有过相关报道^[18]，其代表药物为达格列净。传统口服降糖药物α-葡萄糖苷酶抑制剂如阿卡波糖，能够有效控制餐后血糖，作为T2DM患者二甲双胍疗效不佳时的联合治疗药物^[19]，其对T2DM相关认知减退的疗效尚待进一步验证。虽然这些药物之间在血糖控制等方面的比较已被广泛研究^{[17, 20, 21]}，但它们之间针对认知功能方面的随机对照试验尚不充分。本研究通过将利拉鲁肽、达格列净和阿卡波糖三种药物进行直接对比，评估它们对T2DM患者认知功能的改善效果，为T2DM患者提供更多的治疗选择，也为临床实践中的个性化治疗提供了新的依据。此外，本研究设置了正常对照（normal control, NC）组，作为T2DM患者群体的对比，能够更好地揭示T2DM患者在认知功能和脑区功能连接上较糖代谢正常人群的差异，并为降糖药物的疗效评估提供更加可靠的基准。

       先前研究表明T2DM相关的认知功能减退与嗅觉受损有关，并且能够通过影像学技术测量大脑的结构和功能异常^{[22, 23]}。既往的药物治疗研究^[24]证实了嗅觉神经环路功能可以中介T2DM临床代谢的改变与认知减退，另外嗅觉功能受损与神经退行性病变以及认知功能下降相关，可作认知障碍的早期诊断指标。功能连接（functional connectivity, FC）主要通过功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）来呈现不同大脑区域之间活动的同步耦合，相比传统局部脑区的激活，FC能够更全面地揭示大脑区域之间的相互作用和协同作用。尽管FC已广泛应用于研究T2DM的脑功能网络^{[25, 26, 27]}，但针对多种药物对T2DM患者脑区功能连接的影响进行比较的研究尚未得到充分探索。在本研究中，我们不再局限于单一的脑区，而是聚焦于脑区间的功能连接，通过静息态fMRI监测大脑的血氧水平依赖（blood oxygen level dependence, BOLD）信号，以无创且有效的方式呈现大脑在静息状态下的活动模式，测量嗅觉相关脑区^[28]之间的FC，比较多种降糖药物对于T2DM患者脑区间协同作用的影响，为探索其恢复T2DM认知功能减退机制提供了新视角新方法。

       本研究基于横断面研究与前瞻性、平行分配、开放标签的随机对照试验（randomized controlled trial, RCT）相结合，研究上述三种降糖药对于T2DM患者的认知功能治疗效果以及嗅觉神经环路重塑价值。本研究以新颖的角度和方法探究T2DM相关的认知减退，进一步探究降糖药改善认知的影像学机制，以期为临床T2DM认知减退个体化治疗提供新的依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究中的药物治疗随访研究是一项为期16周的前瞻性、平行分配、开放标签的研究。于2019年5月至2023年2月在南京鼓楼医院纳入了NC组51例和T2DM患者组191例。在T2DM组中，纳入愿意接受药物治疗的T2DM患者36例进行药物随机对照研究。NC组被试从附近社区招募，并进行正常葡萄糖耐量筛查。所有被试年龄在40~75岁之间，右利手，受教育年限大于或等于6年。

1.1.1 T2DM组入排标准

       美国糖尿病协会T2DM诊断标准^[29]如下。（1）空腹血浆葡萄糖（fasting plasma glucose, FPG）≥126 mg/dL（7.0 mmol/L），空腹状态是指至少8小时未进食；（2）口服葡萄糖耐量试验（Oral Glucose Tolerance Test, OGTT）：在摄入75克葡萄糖后，2小时血糖水平≥200 mg/dL（11.1 mmol/L）；（3）糖化血红蛋白（glycated hemoglobin, HbA1c）≥6.5%（48 mmol/mol）；（4）随机血糖水平≥200 mg/dL（11.1 mmol/L），同时伴有糖尿病症状（如多尿、极度口渴、体质量下降等）。以上如果任何一项测试结果符合诊断标准，且患者有糖尿病症状，则可以诊断为T2DM。

       本研究T2DM组纳入标准：（1）根据美国糖尿病协会T2DM诊断标准确诊为T2DM；（2）40~75岁；（3）受教育年限至少6年；（4）右利手；（5）无磁共振扫描禁忌证，如心脏起搏器、胰岛素泵等植入术后。排除标准：（1）颅脑外伤、颅内出血、脑梗死及精神分裂症、抑郁症、焦虑症等神经、精神系统疾病病史；（2）甲状腺功能障碍、心血管或脑血管疾病、类固醇治疗史；（3）无法进行MRI扫描或认知评估测试；（4）有频繁的低血糖发作史的T2DM患者。

1.1.2 药物治疗随机对照研究入排标准

       药物治疗组纳入标准：（1）已经接受稳定剂量（每天1500 mg）的二甲双胍单药治疗至少90天，但血糖控制不佳（HbA1c在7%至10%之间）；（2）身体质量指数（body mass index, BMI）≥25 kg/m²；其他纳入标准同T2DM组纳入标准所述（1）~（5）。三组治疗组在人口统计学（年龄、性别、受教育年限等）与血管风险因素（血压、血脂）上相匹配，具有可比性。

       药物治疗组排除标准：（1）接受与研究药物（利拉鲁肽、达格列净和阿卡波糖）类似作用机制药物（如二肽基肽酶4抑制剂和肠促胰岛素治疗或胰岛素）治疗的患者；（2）对研究药物不耐受或过敏反应；（3）其他排除标准同T2DM组纳入标准所述（1）~（4）。

1.1.3 NC组入排标准

       NC组纳入标准：年龄与T2DM组相匹配；其余同T2DM组纳入标准所述（2）~（5）。排除标准：同T2DM组排除标准所述（1）~（3）。

1.1.4 干预方案

       根据区组随机化方法将36例T2DM患者随机平均分配为三组（1∶1∶1），受试者使用二甲双胍单药（每天1500 mg）治疗至少90天，血糖仍控制不佳（HbA1c在7%至10%之间）后，分别接受利拉鲁肽（Novo Nordisk; Denmark; Victoza）、达格列净（AstraZeneca; Sweden; Farxiga）或阿卡波糖（Bayer; Germany; Glucobay）联合二甲双胍（Sanofi; France; Glucophage）治疗16周。

       用法用量：利拉鲁肽皮下注射，剂量逐渐从0.6 mg调至1.8 mg，每日1次；达格列净口服，剂量10 mg，每日1次；阿卡波糖随餐口服，剂量逐渐从50 mg增加至100 mg，每日3次。

       所有用药被试每4周进行一次复查。若发生低血糖，允许减少二甲双胍的剂量。

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经南京鼓楼医院伦理委员会批准，全体受试者均签署了知情同意书，批准文号：2017-017-01、2017-017-04。

1.2 研究方法

1.2.1 一般资料及临床指标资料

       所有被试均采集人口学信息、糖尿病相关指标[HbA1c、FPG、空腹胰岛素（fasting insulin, FINS）、空腹C肽（fasting C-peptide, FCP）]、体质量指标（BMI、腰臀比）及心血管风险因素（血压、血脂）。由评估员测量体质量、身高、腰臀比（waist-to-hip ratio, WHR）和血压，计算BMI（体质量/身高²）及WHR（腰围/臀围）。通过DEXA（Lunar iDXA软件）分析HbA1c、FPG、FINS、FCP、血脂[总胆固醇（total cholesterol, TC）、甘油三酯（triglyceride, TG）、高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein cholesterol, HDL-C）、低密度脂蛋白胆固醇（low density lipoprotein cholesterol, LDL-C）]；糖耐量试验后检测2小时血糖（2 h-PPG）、胰岛素（2 h-PINS）及C肽（2 h-PCP）。基于稳态模型2（homeostasis model assessment 2, HOMA2）（v2.2.3）计算胰岛β细胞功能指数（HOMA2 for β-cell function, HOMA2-β）、胰岛素敏感指数（HOMA2 sensibility, HOMA2-S）及胰岛素抵抗指数（HOMA2 for insinlin resistance index, HOMA2-IR），数值越高分别代表功能越佳、敏感性越高或抵抗越强。药物治疗组于第16周重复上述指标采集与评估。

1.2.2 神经心理学认知量表及嗅觉行为学评估

       本研究通过标准化神经心理学测试综合评估认知功能：总体认知功能采用简易精神状态测验（Mini-Mental State Examination, MMSE）和蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA，北京版）量表测量；认知域通过可重复性神经心理状态评估量表（Repeatable Battery for the Assessment of Neuropsychological Status, RBANS）评估，分数越高，成绩越佳。处理速度通过连线测试（Trail Making Test, TMT-A/B）完成时间评估，执行功能通过Stroop色词测试（Stroop Color and Word Test, SCWT-A/B/C）完成时间评估，时间越短表示成绩越佳；工作记忆通过数字广度顺背（Digit Span Test-Forward, DST-F）及倒背（Digit Span Test-Backward, DST-B）评估，分数越高表示成绩越佳。所有测试由经过培训的住院医师按固定流程盲法实施。嗅觉行为学评估采用计算机化嗅觉功能测试仪，包括嗅觉阈值、识别与记忆三部分：嗅觉阈值测试要求被试区分不同浓度的正丁醇，基于浓度梯度反转点计算得分（范围1~14分，8~10分为正常，≤3分为功能障碍）；识别任务A（TASK-A，0~10分）要求匹配10种气味与图片，识别任务B（TASK-B，0~20分）要求匹配20种气味与图片，并要求区分10种新气味与10种旧气味（嗅觉回忆-新/旧，0~10分），分数越高代表嗅觉能力越佳^[23]。药物治疗组于第16周重复上述评估。

1.2.3 影像数据采集与分析

1.2.3.1 数据采集

       所有被试的脑结构MRI和静息态fMRI使用荷兰飞利浦Achieva TX 3.0 T和Ingenia CX 3.0 T磁共振设备采集，分别配备8通道和32通道头线圈。所有被试均采集高分辨率3D T1WI图像，采用T1加权3D快速回波（turbo field echo, TFE）序列。TX机型扫描参数为：TR 9.7 ms，TE 4.6 ms，FA 8°，FOV 256 mm×256 mm，层厚1 mm，体素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm；CX机型参数为：TR 8.1 ms，TE 3.7 ms，FA 8°，FOV 256 mm×256 mm，层厚1 mm，体素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。

       所有被试均采集静息态fMRI图像，采用回波平面成像（echo planar imaging, EPI）序列采集，TX机型与CX机型扫描参数一致：TR 2 s，TE 30 ms，FA 90°，FOV 192 mm×192 mm，层厚4 mm，体素大小3.0 mm×3.0 mm×4.0 mm，共扫描230个时间点。在第16周，药物治疗组的被试重新评估并采集3D T1WI图像及静息态fMRI图像。

1.2.3.2 fMRI数据分析

       静息态fMRI数据的预处理使用了基于Matlab R2020b的统计参数映射12（Statistical Parametric Mapping 12, SPM12）软件和脑成像数据处理分析工具（DPABI_V6.0_210501,https://rfmri.org/dpabi）。具体预处理步骤如下：（1）将原始的DICOM格式转换为NIFTI格式；（2）去除数据的前10个时间点；（3）时间层校正；（4）头动校正，排除平移超过2.5 mm或旋转超过2.5°的头动伪影数据；（5）将T1加权高分辨率解剖图像与fMRI数据配准，按照标准蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）标准空间模板对其进行空间标准化；（6）使用6 mm半高全宽高斯平滑核进行空间平滑；（7）应用0.01~0.08 Hz带通滤波消除高频及低频噪声，去除线性漂移。最后，提取感兴趣区（region of interest, ROI）的时间序列，根据之前的研究，提取自动解剖图谱（automated anatomical labeling, AAL）、Brodmann等模板中嗅觉相关脑区作为分析蒙板，计算ROI和全脑体素之间的FC。其中，嗅觉相关脑区包括初级嗅觉皮层（双侧嗅前核、梨状皮层、内嗅皮层、杏仁核）及次级嗅觉皮层（双侧海马、海马旁回、丘脑、岛叶、下丘脑、眶额叶皮层、背外侧前额叶）在内的共22个脑区。

1.2.3.3 结构影像数据分析

       3D T1W高分辨率图像数据使用基于SPM12的计算解剖工具箱（Computational Anatomy Toolbox, CAT12）软件（http://dbm.neuro.uni-jena.de/cat/）进行预处理。预处理的步骤如下：（1）转换数据格式，将数据从原始的DICOM格式转换为NIFTI格式；（2）分割图像，将结构像分割为灰质（grey matter, GM）、白质（white matter, WM）及脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）；（3）空间配准以及标准化，使用T1方法进行空间配准，并标准化至MNI空间模板；（4）平滑，应用8 mm半高全宽平滑核进行图像平滑，平滑后的图像用于下一步统计分析。

       同上，使用22个嗅觉相关脑区为分析蒙板，作为ROI提取各区域的灰质密度用于统计分析。

1.2.4 主要终点及次要终点

       主要终点是22个嗅觉相关脑区种子点与全脑间静息态fMRI的FC从基线到第16周的变化。次要终点为以下指标的变化：（1）认知评估量表，包括总体认知评估（MMSE、MoCA）、认知域评估RBANs（即刻记忆、语言、注意、延迟记忆）、处理速度和执行功能等；（2）嗅觉行为学得分，包括嗅觉阈值、嗅觉识别、嗅觉回忆；（3）临床指标，包括糖尿病相关指标（HbA1c、FPG、FINS、FCP、2 h-PPG、2 h-PINS、2 h-PCP等）、肥胖指标（体质量、BMI、WHR、腰围、臀围等）、血管风险因素（SBP、DBP、TC、TG、LDL-C、HDL-C等）。

1.3 统计学分析

       根据先前的研究^[24]，我们计算出每个药物治疗组需要至少招募12例患者，以确保研究具有足够的统计能力（即 90%的检验效能）来检测治疗组之间脑功能的差异。此外，该计算还综合考虑了可能出现的20%患者脱落率，即假设在研究过程中即使部分患者因故退出，最终仍能确保有足够的样本量以进行有效的统计分析。

       在人口学信息、临床指标、嗅觉行为学及认知量表的统计学分析中，基线研究数据连续变量两组间比较采用独立样本t检验，分类变量采用卡方检验进行统计。药物治疗三组间基线连续变量比较采用方差分析，分类变量比较采用卡方检验统计。使用配对样本t检验比较三组各组内基线和第16周的连续变量，而使用调整基线值的ANCOVA进行治疗后比较，并使用LSD校正进行事后检验。结果均以均数±标准差或例（%）表示，P<0.05认为差异具有统计学意义。这些分析使用SPSS 26.0软件（IBM, Armonk，NY）进行。脑结构体积的结果T2DM组与NC组进行独立样本t检验，药物治疗研究三组治疗组组间进行ANOVA检验，各治疗组组内基线与治疗第16周进行配对样本t检验。脑结构体积的统计分析使用SPSS 26.0软件进行，使用错误发现率（false discovery rate, FDR）进行多重比较校正，通过FDR校正认为差异有统计学意义。

       采用独立样本t检验比较NC组与T2DM组两组间FC的差异，采用配对样本t检验比较三种药物各组内基线时和治疗第16周FC的差异，控制性别、年龄、受教育年限及机型变量，根据高斯随机场（Gaussian random field, GRF）理论进行多重比较校正，体素水平P<0.005，团块水平P<0.05。这些分析使用DPABI_V6.0_210501软件执行。

       选取NC组与T2DM组组间FC显著差异脑区，进一步提取191例T2DM患者在差异脑区的ROI参数，与临床指标、认知评估量表及嗅觉行为学得分进行偏相关性分析，控制性别、年龄及受教育年限及机型。使用FDR进行多重比较校正。选取药物治疗组用药前后FC显著差异脑区，提取差异脑区的ROI参数，计算用药前后的FC差值（ΔFC）与临床指标、认知评估量表及嗅觉行为学得分的差值进行偏相关性分析，控制性别、年龄及受教育年限。使用FDR进行多重比较校正。

       使用PROCESS 3.5宏程序中模型4对NC与T2DM组组间以及利拉鲁肽治疗组用药前后具有显著偏相关性的FC、认知及嗅觉等其他指标进行中介效应分析，使用Bootstrap法进行显著性检验，限定条件在95%置信区间的前提下，重新取样的样本量限定为5000次，如果结果中95% Bootstrap置信区间中未包含0，则认为本研究中介效应模型存在显著中介效应。

2 结果

2.1 人口统计学、临床特征比较

2.1.1 NC组与T2DM组人口统计学、临床特征比较

       本研究共纳入242例被试，其中NC组51例，T2DM组191例。NC组的年龄为（55.24±7.78）岁，男20例，女31例；T2DM组的年龄为（57.19±7.14）岁，男106例，女85例。NC组与T2DM组在年龄上差异无统计学意义（P=0.090）。T2DM组较NC组SBP（P<0.001）、TG（P=0.046）、TC（P=0.037）、HbA1c（P<0.001）、FPG（P<0.001）、2 h-PPG（P<0.001）、2 h-PINS（P=0.022）、2 h-PCP（P<0.001）、HOMA2-IR（P=0.015）、BMI（P<0.001）、WHR（P<0.001）、体质量（P=0.001）及腰围（P<0.001）显著增高；T2DM组较NC组HDL-C（P<0.001）、HOMA2-β（P<0.001）显著降低（表1）。

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表1  NC组与T2DM组人口统计学与临床指标比较
Tab. 1  Comparison of demographic and clinical indicators between the NC group and the T2DM group

2.1.2 药物治疗三组各组内基线与治疗第16周及三组间人口统计学、临床特征比较

       本研究从招募的191例T2DM患者中纳入36例被试进入药物治疗研究，并进行随机平均分配为3组，每组12例被试，分别给予利拉鲁肽、达格列净以及阿卡波糖，为期16周。三组间人口学信息、糖尿病相关指标、血管风险因素、肥胖指标在用药前和用药后差异均无统计学意义（表2）。三组各组内用药前后BMI、体质量、臀围、腰围在阿卡波糖组无统计学意义P=0.375及HbA1c差异均有统计学意义（P<0.05），提示三组药物在干预16周后较基线期在以上肥胖指标和糖尿病相关指标均有显著性的改善。其中，达格列净组（P=0.008）与阿卡波糖组（P=0.005）在治疗第16周较基线期臀围显著降低，但其效果不及利拉鲁肽组（P<0.001）；达格列净组（P=0.007）与阿卡波糖组（P=0.011）在治疗第16周较基线期HbA1c显著降低，但其效果不及利拉鲁肽组（P=0.001）；利拉鲁肽组在治疗第16周较基线期2 h-PCP（P=0.020）显著升高, 达格列净组（P=0.187）与阿卡波糖组（P=0.569）在治疗后较基线期2 h-PCP没有显著性改善。

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表 2  利拉鲁肽、达格列净或阿卡波糖治疗前后被试临床指标的组间差异
Tab. 2  Intergroup differences in clinical characteristics before and after treatment with Liraglutide, Dapagliflozin, or Acarbose

2.2 神经心理学认知评估与嗅觉行为学比较

       神经心理学认知评估量表得分中，T2DM组与NC组相比较，总体认知MMSE（P=0.002）、MoCA（P<0.001），工作记忆DST-F（P=0.008）、DST-B（P<0.001），处理速度TMT-A（P<0.001）、TMT-B（P<0.001），执行功能Stroop-A（P=0.006）、Stroop-B（P=0.013）、Stroop-C（P=0.003），语言功能AFT（P=0.035）得分均有显著性降低（表3）。而药物治疗研究三组中仅有利拉鲁肽治疗组用药第16周较基线期在延迟记忆（P<0.001）、注意力（P=0.001）及执行功能（P=0.012）得分有显著性的提高（表4）。

       在嗅觉行为学测试中，T2DM组嗅觉阈值（P<0.001）、嗅觉识别TASK-A（P<0.001）、TASK-B（P<0.001）以及嗅觉回忆-旧（P=0.002），嗅觉回忆-新（P<0.001）得分较NC组均有显著性的降低（表3）。药物治疗研究三组中，只有利拉鲁肽治疗组第16周与基线期相比嗅觉阈值（P=0.040）得分有显著性的提高（表4）。

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表3  NC组与T2DM组认知评估及嗅觉行为学评分比较
Tab. 3  Comparison of cognitive assessment and olfactory behavior scores between the NC group and the T2DM group

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表4  利拉鲁肽、达格列净或阿卡波糖治疗前后认知评估及嗅觉行为学评分的组间差异
Tab. 4  Intergroup differences in cognitive assessments and olfactory behavioral scores before and after treatment with Liraglutide, Dapagliflozin, or Acarbose

2.3 FC与脑体积影像学指标比较

       在以22个嗅觉环路易损脑区作为种子点和全脑间FC的分析中，我们发现与NC组相比，T2DM组在左侧嗅前核和左侧眶部额中回、右侧顶上回、右侧中央旁小叶，右侧嗅前核和左侧顶下回，左侧内嗅皮层和右侧顶下回，左侧丘脑和左侧枕下回、左侧额上回，右侧丘脑和左侧梭状回，左侧下丘脑和左侧额上回，右侧下丘脑和左侧额上回与右侧眶额叶皮质和左侧额上回共11组嗅觉相关脑区种子点和全脑间的FC增强（GRF校正，体素水平P<0.005，团块水平P<0.05）。其中，左侧丘脑记为种子点1，左侧丘脑和左侧枕下回之间的FC记为FC1；右侧丘脑记为种子点2，右侧丘脑和左侧梭状回之间的FC记为FC2。在脑结构影像指标上，T2DM与NC两组组间脑体积差异无统计学意义。

       在药物治疗16周后，我们发现只有利拉鲁肽治疗组在以上发现显著差异的11组嗅觉相关脑区种子点和全脑间的FC中，有2组FC在用药后与基线期有显著性的差异（GRF校正，体素水平P<0.005，团块水平P<0.05），分别是左侧丘脑和左侧枕下回（FC1）以及右侧丘脑和左侧梭状回的FC（FC2），利拉鲁肽治疗16周后FC1和FC2均下降恢复至NC组水平，与NC组差异（图1、表5）。在脑结构影像指标上，三组药物治疗组第16周与基线期嗅觉相关脑区的脑体积组间差异无统计学意义。

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图1  嗅觉环路易损脑区作为感兴趣区种子点与全脑之间的FC比较结果（GRF校正，体素水平P<0.005，团块水平P<0.05；控制年龄、性别、受教育年限及机型）。1A：以左侧丘脑作为种子点1和左侧枕下回的FC（FC1），T2DM组较NC有显著性提高（F=-4.402）；三组药物治疗只有利拉鲁肽治疗组在药物治疗前后的差异具有统计学意义（F=7.560），且用药第16周较基线期显著下降。1B：以右侧丘脑作为种子点2和左侧梭状回的FC（FC2），T2DM组较NC有显著性提高（F=-3.993）；三组药物治疗只有利拉鲁肽治疗组在治疗前后的差异具有统计学意义（F=9.804），且用药第16周较基线期显著下降。1C：药物治疗三组间∆FC1比较结果（***表示P<0.005，差异具有统计学意义。），∆FC1=用药后FC1-用药前FC1。1D：利拉鲁肽治疗组用药前、用药后与NC组FC1比较结果（***表示P<0.005，差异具有统计学意义）。1E：药物治疗三组间∆FC2差异比较结果（***表示P<0.005，差异具有统计学意义。），∆FC2=用药后FC2-用药前FC2。1F：利拉鲁肽治疗组用药前、用药后与NC组FC2比较结果（***表示P<0.005，差异具有统计学意义。）。FC：功能连接；GRF：高斯随机场；NC：正常对照；T2DM：2型糖尿病；PRE：用药前；POST：用药后；∆FC1：用药前后FC1的变化；∆FC2：用药前后FC2的变化。
Fig. 1  Comparison of FC between olfactory circuit vulnerable brain regions as regions of interest (ROIs) and the whole brain (GRF correction, voxel P < 0.005, cluster P < 0.05, controlling for age, gender, education years, and machine type). 1A: Using the left thalamus as Seed 1 and its FC with the left inferior occipital gyrus (FC1), the T2DM group shows a significant increase compared to the NC group (F = -4.402). Among the three drug treatment groups, only the Liraglutide treatment group shows a statistically significant difference before and after treatment (F = 7.560), with a significant decrease at the 16th week of treatment compared to baseline. 1B: Using the right thalamus as Seed 2 and its FC with the left fusiform gyrus (FC2), the T2DM group shows a statistically significant increase compared to the NC group (F = -3.993). Among the three drug treatment groups, only the Liraglutide treatment group shows a significant difference before and after treatment (F = 9.804), with a significant decrease at the 16th week of treatment compared to baseline. 1C: Comparison of ∆FC1 between the three drug treatment groups (***: P < 0.005, the difference is statistically significant), where ∆FC1 = Post-treatment FC1 - Pre-treatment FC1. 1D: Comparison of FC1 between the Liraglutide treatment group before and after treatment and the NC group (***: P < 0.005, the difference is statistically significant). 1E: Comparison of ∆FC2 differences between the three drug treatment groups (***: P < 0.005, the difference is statistically significant), where ∆FC2 = Post-treatment FC2 - Pre-treatment FC2. 1F: Comparison of FC2 between the Liraglutide treatment group before and after treatment and the NC group (***: P < 0.005, the difference is statistically significant). FC: functional connectivity; GRF: Gaussian Random Field; NC: normal control; T2DM: type 2 diabetes mellitus; PRE: pre-treatment; POST: post-treatment; ∆FC1: changes in FC1 before and after treatment; ∆FC2: changes in FC2 before and after treatment.

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表5  T2DM及药物治疗变化嗅觉易损脑区功能连接存在显著组间差异的大脑区域
Tab. 5  Brain regions with significant inter-group differences in functional connectivity of vulnerable olfactory-related brain areas in T2DM and drug treatment changes

2.4 影像指标与临床指标、神经心理学认知量表及嗅觉行为学相关性

2.4.1 基线期影像指标与临床指标、神经心理学认知量表及嗅觉行为学间的相关性

       对T2DM组与NC组有显著性差异的影像指标（FC1和FC2）与认知量表及血糖相关指标进行偏相关性分析（图2）。偏相关性分析结果显示，左侧丘脑和左侧枕下回间的FC（FC1）与MoCA量表得分之间存在显著负相关（r=-0.283，P<0.001，FDR校正）；右侧丘脑和左侧梭状回间的FC（FC2）与MoCA呈现负相关（r=-0.201，P=0.006，FDR校正）。

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图2  T2DM基线期FC与认知量表、血糖相关指标的偏相关分析结果（^*表示P<0.05，差异具有统计学意义，控制年龄、性别、受教育年限及机型）。2A：FC1与总体认知（MoCA评分）具有相关关系；随着T2DM患者FC1代偿升高，认知水平（MoCA评分）越差。2B：FC2与总体认知（MoCA评分）具有相关关系；随着T2DM患者FC2代偿升高，认知水平（MoCA评分）越差。T2DM：2型糖尿病；FC：功能连接；FC1：左侧丘脑和左侧枕下回之间的FC；FC2：右侧丘脑和左侧梭状回之间的FC；MoCA：蒙特利尔认知评估量表评分。
Fig. 2  The results of partial correlation analysis between FC, cognitive assessment, and blood glucose-related indicators at baseline in T2DM (^*: P < 0.05, the difference is statistically significant, controlling for age, gender, education years, and machine type). 2A: FC1 is correlated with overall cognition (MoCA score); as the compensatory increase in FC1 in T2DM patients became more pronounced, cognitive performance (MoCA score) declined. 2B: FC2 is correlated with overall cognition (MoCA score); as the compensatory increase in FC2 in T2DM patients became more pronounced, cognitive performance (MoCA score) declined. T2DM: type 2 diabetes mellitus; FC: functional connectivity; FC1: the FC between the left thalamus and the left inferior occipital gyrus; FC2: the FC between the right thalamus and the left fusiform gyrus; MoCA: Montreal Cognitive Assessment.

2.4.2 药物治疗前后影像指标与临床指标、神经心理学认知量表及嗅觉行为学变化间的相关性

       对T2DM患者药物治疗第16周与基线有显著性差异的影像指标FC变化差值与认知量表及嗅觉行为学得分变化差值进行偏相关性分析（图3）。偏相关性分析结果显示，发现左侧丘脑和左侧枕下回间的FC变化差值（∆FC1）与嗅觉阈值变化差值呈负相关（r=-0.411，P=0.017，未校正）；∆FC1与执行功能测试Stroop A（r=0.356，P=0.042，未校正）、Stroop B（r=0.354，P=0.044，未校正）之间呈正相关。右侧丘脑和左侧梭状回间的FC变化差值（∆FC2）与嗅觉阈值变化差值呈负相关（r=-0.394，P=0.023，未校正），∆FC2与延迟记忆量表得分的变化差值之间呈负相关（r=-0.382，P=0.028，未校正）。另外，我们还发现药物治疗的嗅觉阈值变化差值和延迟记忆量表得分的变化差值两者之间呈正相关（r=0.495，P=0.003，FDR校正）。中介效应分析中，药物治疗组的∆FC2、延迟记忆的变化差值与嗅觉阈值的变化差值之间无显著性中介效应。

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图3  T2DM降糖药物治疗FC变化差值（∆FC）与嗅觉阈值、认知功能指标变化差值的偏相关分析结果（^*表示P<0.05，差异具有统计学意义，控制年龄、性别、受教育年限）。3A：∆FC1与嗅觉阈值变化执行功能变化（∆Stroop A、∆Stroop B）具有相关关系；随着T2DM患者FC1代偿升高恢复，执行功能与嗅觉阈值水平提升。3B：∆FC2与嗅觉阈值的变化延迟记忆评分变化具有相关关系；随着T2DM患者FC2代偿升高恢复，延迟记忆与嗅觉阈值水平提高。3C：T2DM药物治疗前后嗅觉阈值变化与延迟记忆评分变化具有正相关关系；随着嗅觉阈值的改善，延迟记忆评分提高。T2DM：2型糖尿病；FC：功能连接；∆FC1：药物治疗前后左侧丘脑和左侧枕下回的FC变化差值；∆FC2：药物治疗前后右侧丘脑和左侧梭状回的FC变化差值；Stroop A/B：执行功能测试A/B。
Fig. 3  Results of partial correlation analysis between changes in FC (ΔFC) due to anti-diabetic drug treatment and changes in olfactory threshold and cognitive function measures (^*: P < 0.05, the difference is statistically significant, controlling for age, gender, and education years). 3A: ∆FC1 is correlated with changes in olfactory threshold and executive function (∆Stroop-A, ∆Stroop-B). As the compensatory increase in FC1 progressed in T2DM patients, both executive function and olfactory threshold levels improved. 3B: ∆FC2 is correlated with changes in olfactory threshold and delayed memory score. As the compensatory increase in FC2 progressed during recovery in T2DM patients, both delayed memory and olfactory threshold levels improved. 3C: Changes in olfactory threshold and delayed memory scores are positively correlated pre- and post-treatment. As the olfactory threshold improves, the delayed memory score increased. T2DM: type 2 diabetes mellitus; FC: functional connectivity; ∆FC1: change in FC between the left thalamus and left inferior occipital gyrus before and after drug treatment; ∆FC2: change in FC between the right thalamus and left fusiform gyrus before and after drug treatment; Stroop-A/B: executive function test A/B.

3 讨论

       本研究基于fMRI结合降糖药治疗，旨在探究T2DM和不同机制的降糖药物对嗅觉易损脑区的FC的影响，以及与认知功能、嗅觉行为学的关系。结果表明：（1）与NC相比，T2DM患者的血糖、血脂代谢紊乱；在与认知功能相关的嗅觉环路易损脑区FC代偿升高；T2DM患者嗅觉功能及总体认知功能较NC显著性下降。（2）与NC相比，T2DM患者的嗅觉环路FC与总体认知功能（MoCA评分）具有相关关系。（3）T2DM患者药物治疗后，血糖明显改善，减重效果显著；只有利拉鲁肽干预后嗅觉阈值及认知功能显著性改善；在与认知功能相关的嗅觉环路FC有显著性改善。（4）利拉鲁肽干预后嗅觉环路FC的变化与嗅觉阈值、认知评估（延迟记忆、执行功能）的变化具有相关关系。

3.1 T2DM嗅觉易损脑区FC及认知功能

       本研究结果显示，T2DM组较NC组在血糖相关指标、心血管风险因素、肥胖指标等临床代谢指标，嗅觉行为学以及认知量表评分均有不同程度的负向影响，这与既往的研究结果一致^{[22, 30, 31]}。

       在嗅觉易损脑区FC分析中，T2DM患者左侧丘脑和左侧枕下回以及右侧丘脑和左侧梭状回等11组脑区间的FC较NC组升高，这可能与嗅觉皮层试图通过增强脑区间的FC来代偿由T2DM导致的嗅觉行为及认知功能的下降有关。一项横断面研究报道^[27]，T2DM患者较糖代谢正常人群在广泛的大脑区域具有较低的脑容量，并且双侧丘脑与视觉网络之间的功能连接更强，并且这种功能连接增加可能是由于从糖尿病前期开始脑容量减少所引发的一种代偿机制。而本研究的结果与既往研究的结果一致，T2DM组较NC组两侧丘脑与左侧枕叶（枕下回、梭状回）之间的FC都有显著性的升高。枕下回与梭状回都属于视觉网络的一部分。另外，本研究还通过RCT试验揭示了利拉鲁肽能够恢复这种FC的代偿增高。

3.2 降糖药物对嗅觉易损脑区FC及认知功能的改善

       在本研究中，我们通过RCT研究比较了三种不同机制的降糖药物对T2DM患者临床指标、FC以及认知功能的影响。在临床指标上，本研究结果显示，三种药物治疗后都有显著的降糖减重的药理作用，利拉鲁肽对T2DM的HbA1c、2 h-PCP、臀围的降糖、减重改善效果较达格列净与阿卡波糖更为显著。利拉鲁肽是一种GLP-1RAs，具有外周和中枢作用，包括刺激葡萄糖依赖性胰岛素分泌和胰岛素生物合成，抑制胰高血糖素分泌和胃排空，抑制食物摄取，能够通过促进肠内胰岛素的释放来降低血糖^{[32, 33]}。

       在FC指标、认知功能及嗅觉行为学上，本研究结果显示，只有利拉鲁肽组在降糖减重的同时，能够改善认知评估和嗅觉行为学，能够恢复两侧丘脑与左侧枕叶之间FC的代偿升高。GLP-1RAs在许多研究中被报道是最具有改善认知前景的降糖药物^{[34, 35]}。GLP-1RAs激活胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1, GLP-1）受体，升高环磷酸腺苷水平，促进细胞存活、抑制凋亡并减轻炎症反应^[36]，在阿尔茨海默病模型中能减少神经炎症和氧化应激，发挥神经营养作用，并抑制β-淀粉样蛋白沉积及微管结合蛋白Tau过度磷酸化^[37]。在既往研究中，我们认为GLP-1RAs是通过改善嗅觉环路脑功能从而改善脑认知。利拉鲁肽治疗与记忆延迟之间的关系部分由左海马激活介导，中介效应为21.31%，表明利拉鲁肽的认知益处可能涉及海马神经元功能的恢复^[24]。在国外其他基础研究中，也提到嗅球能够通过GLP-1信号来调节神经机制从而控制胰岛素分泌^[38]，嗅球中的GLP-1能够控制觅食^[39]，这表明GLP-1与嗅觉神经环路是有一定关联的，但本研究中没有扫描嗅球，其激活很难在人脑中检测到^[40]。

       在本研究中，我们未发现利拉鲁肽能够显著改善海马和全脑其他脑区的FC，原因如下：（1）虽然利拉鲁肽对大脑海马的任务态激活脑区有显著影响，但它不一定会直接影响海马和全脑的广泛连接。海马与大脑其他区域的FC是一个复杂的网络过程，可能受到多种因素的影响，包括大脑皮层、边缘系统以及其他相关脑区的作用^[41]。（2）出现这种情况也有可能是由于研究设计或方法学差异，在本研究中，脑功能的评估方法（基于ROI计算FC）与之前的研究（如局部脑区的激活或基于独立成分分析计算FC等）不同，可能导致结果的差异^[42]。（3）短期内不同脑区间FC可能会表现为不同程度的可重塑性，局部脑区激活可能在短期内得到改善，而全脑FC可能需要更长时间的观察才能被发现。与既往研究相同的是，三种不同机制的降糖药物治疗研究中，都只有利拉鲁肽能够改善FC及脑认知，这也有力地证明了GLP-1RAs在T2DM患者中能够改善认知及脑功能的作用^[10]。

       丘脑在中枢神经系统参与整合处理了许多认知脑区的信号^{[43, 44]}，既往研究报道丘脑的病变与语言、记忆和执行功能的多领域行为障碍有关^{[45, 46]}。丘脑属于嗅觉神经环路中的高级嗅觉皮层，丘脑可能较其他脑区对于利拉鲁肽改善脑功能的病理损伤更为敏感。达格列净作为SGLT2抑制剂也能够穿过血脑屏障作用于神经系统，但对认知及嗅觉的改善作用对于T2DM的FC损伤恢复没有GLP-1RAs效果强。相较于新型降糖药物利拉鲁肽与达格列净，目前关于阿卡波糖改善认知功能的证据并不多^[47]。另外，本研究参与药物治疗的患者均联合二甲双胍用药。二甲双胍是国内临床上最常用的口服降糖药物，是T2DM患者控制高血糖的一线用药以及药物联合中的基本用药^[48]，这使得本研究结果对于现实世界的降糖用药方案更具有参考意义^[49]。

3.3 影像指标与认知评估及嗅觉行为学的相关性

       T2DM组与NC组有显著性差异的FC影像指标（FC1和FC2）与认知量表及血糖相关指标偏相关性分析结果显示，FC1与MoCA量表得分之间具有负相关关系，FC2与MoCA具有负相关关系。结果表明T2DM组FC1与FC2的FC与其总体认知（MoCA评分）具有相关关系，随着T2DM患者FC1与FC2的代偿升高，MoCA得分降低。FC的增强可能反映了大脑通过调动高级嗅觉皮层的功能来维持认知功能。一项基于嗅觉任务态fMRI的研究表明^[50]，在头部创伤嗅觉减退的患者中，背外侧丘脑对气味的反应与嗅觉功能的改善也呈负相关，受损的背外侧丘脑对气味的反应反而是增加。研究者认为这种负相关表明，在头部创伤导致的嗅觉减退中，背外侧丘脑主要集中于初级嗅觉皮层的信号处理，而未能进一步传导至高级嗅觉皮层以完成气味识别。

       药物治疗研究结果显示T2DM患者通过16周利拉鲁肽治疗前后FC1的变化与嗅觉阈值具有负相关关系，和执行功能的变化具有正相关关系。随着嗅觉阈值与执行功能改善，代偿升高的FC1下降恢复至与NC组差异无统计学意义。FC2的变化与嗅觉阈值和延迟记忆的变化具有负相关关系，随着嗅觉阈值与延迟记忆改善，代偿升高的FC2下降恢复与NC组差异无统计学意义。这一结果与我们前面假设的代偿机制吻合。

       本研究结果表明利拉鲁肽能够在降糖减重的同时，有效改善T2DM患者的认知功能、嗅觉能力以及FC2嗅觉神经环路的FC，但在中介分析中并没有看到三者之间的中介效应。虽然本研究不能够得出三者之间的因果关系，但这仍然为利拉鲁肽很可能是通过恢复嗅觉相关脑区丘脑和枕叶的FC和嗅觉行为表现来改善脑认知提供了有力的证据，也为利拉鲁肽改善T2DM人群的脑认知药物机制提供了更多的思路及证据。

3.4 创新性与局限性

       本研究结合医学影像学和药物随机对照试验，从FC、认知功能和嗅觉行为学多方面揭示了T2DM嗅觉环路的功能改变及其与药物治疗效果的关系。然而，本研究存在一定局限性：（1）样本量相对较小，病例来源单中心，不足以对药物治疗的被试进行认知上的分组。（2）研究中存在干扰因素，不能排除T2DM患者中血压、血脂的影响，且未设置安慰剂组；未采集NC随访数据，不能排除时间上的因素，且研究周期较短。（3）本研究方法仅分析T2DM患者FC，试验层次较为单薄。（4）此外，部分偏相关性分析结果未经过多重校正。未来研究将考虑扩大样本量或采用多模态影像技术，进一步研究有望明确嗅觉环路功能变化在T2DM认知障碍进展中的因果关系。

4 结论

       综上所述，本研究发现T2DM患者在左侧丘脑和左侧枕下回以及右侧丘脑和左侧梭状回之间的FC较NC呈现代偿性升高，且FC与总体认知（MoCA评分）呈负相关。利拉鲁肽治疗16周可以恢复T2DM患者两侧丘脑与左侧枕叶之间FC的代偿性升高，有效改善T2DM患者的认知功能、嗅觉能力，而达格列净与阿卡波糖在本研究中则未发现这种治疗效果。这可能为利拉鲁肽改善T2DM患者的认知功能机制提供更多的线索，也为T2DM相关认知障碍的早期干预提供了新思路和靶点。