0 引言

       肥胖症已成为全球公共卫生领域的重大挑战。既往流行病学研究预测2030年中国成人肥胖症患病率将上升至65.3%，学龄儿童及青少年肥胖症患病率将达到31.8%^[1]。因其与高血压、2型糖尿病及多种心血管疾病发生发展密切相关，肥胖症的流行趋势已构成严峻的公共卫生问题^[2]。磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）在神经影像学领域发挥着不可或缺的核心作用。近年来，多模态MRI的应用逐渐深入，目前常用的技术包括结构磁共振成像（structural magnetic resonance imaging, sMRI）、功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）、弥散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）等，多模态融合分析有助于从不同维度系统阐述BMS术后大脑重构的动态特征^[3]。

       与健康人群相比，超重及肥胖症人群的大脑灰质与白质结构发生改变，这些结构的改变可能会导致肥胖症患者产生精神病理学症状^[4]。这些神经结构的异常可能成为肥胖相关精神共病（如抑郁、认知功能障碍）的重要病理基础。减重代谢手术（bariatric metabolic surgery, BMS）作为目前能实现长期稳定减重并显著改善代谢综合征的干预手段，通过袖状胃切除术、Roux-en-Y胃旁路术及胆胰转流十二指肠转位术等术式，不仅能有效逆转肥胖状态，也能诱发中枢神经系统的动态重构^[5]。ZEIGHAMI等^[6]应用sMRI及DTI对BMS术后人群纵向随访显示，术后12个月肥胖症患者灰质密度达到峰值改变，这表明术后大脑代谢功能的变化早于形态学的变化。虽然已有相关研究从神经影像学角度揭示了BMS术后脑功能变化趋势，但未对其潜在中枢机制进行深度探索^[7]。现有综述大多从外科学疗效视角出发，利用多模态MRI揭示BMS术后大脑结构与功能重构机制的综述仍较少，且多局限于脑区改变，并未结合外周化学标志物与神经通路的内在联系。基于以上背景，本综述整理了近年来利用多模态MRI揭示BMS对肥胖症患者脑结构与功能影响的研究进展，对既往研究在样本含量、随访时长、因果关系等方面的局限性进行阐述，并展望未来研究能够结合纵向随访、多中心研究以及优化个体策略等方向，旨在总结BMS干预下肥胖症患者脑结构与功能的重构规律，为阐明肥胖症的神经生物学机制提供新的视角，并为发展基于神经调控的肥胖症精准治疗策略奠定理论基础。

1 BMS术后大脑结构改变

       多项神经影像学研究已经证实，肥胖症患者存在广泛灰质体积萎缩与白质完整性缺损，其涉及脑区包括额叶、颞叶、基底核及海马等关键部位。BMS术后，以上神经重构作用可发生可逆性变化，具体表现为术后灰白质体积的动态性恢复以及边缘系统功能通路的可逆性重构^{[8, 9]}。

1.1 灰质

       基于体素的形态学分析（voxel-based morphometry, VBM）作为神经影像学领域的重要技术手段，以体素为单位定量评估大脑灰质、白质的体积与密度特征，为揭示肥胖症的中枢神经机制提供了关键研究方法。sMRI能够精确量化脑灰质体积与皮层厚度，一项研究基于sMRI证实了肥胖症患者脑结构的异常表现，其双侧额叶、颞叶及基底核区域普遍存在皮层厚度变薄与灰质体积减小的现象（P均<0.001）^[10]。值得注意的是，灰质结构改变在执行控制功能中发挥着特殊作用，这表明肥胖可能与自我调节机制的缺陷存在着神经生物学联系^[11]。此外，一项研究分别使用0.3 T与3.0 T MRI设备采集了1609名受试者的sMRI数据，结果显示体质量指数（body mass index, BMI）的增高与双侧额叶皮层内较低的灰质体积具有相关性，并且伴随着颞叶、枕叶以及海马体积的进行性萎缩^[12]。肥胖症患者大脑灰质体积减低的机制尚不明确，现有研究提示，在成年以及老年肥胖症患者中，神经化学失衡与慢性炎症状态可能通过激活小胶质细胞、促炎因子表达，进而诱导神经元凋亡及突触可塑性异常^[13]。另一方面，一项基于全脑影像研究的Meta分析显示，肥胖症患者相关灰质改变具有显著的区域差异性：在左侧楔叶、额中回、枕下回及胼胝体等脑区，反而观察到灰质体积增加，这种与上述研究结果相反的现象可能反映了神经系统潜在的动态适应机制，具体而言，灰质体积的减少在一定程度上反映肥胖症对于大脑皮质的直接病理性损害作用，如神经炎症反应与细胞凋亡过程；而灰质体积增加则可能是神经可塑性所产生的代偿机制，以维持大脑皮质正常功能，但该代偿作用是否具有长期性有效性尚有待探索，目前认为，在肥胖症的发生发展中，以上两种大脑结构变化过程可能同时存在并相互作用，其功能意义仍需通过多模态影像进一步阐明^{[14, 15]}。

       在接受BMS的肥胖症患者中，其大脑灰质密度与完整性均表现出神经可塑性。LIU等^[16]采用sMRI和VBM技术进行的一项研究结果显示BMS术后不同脑区均发生结构重组：额中回、额上回、颞上回、左侧中央后回、岛叶和腹侧前扣带回皮质的皮质厚度明显增加（P<0.05），而楔前区皮质厚度明显下降（P<0.05），这可能是由于BMI下降而继发引起的神经解剖学改变。另一项短期随访研究显示了类似的结果，在术后4个月，双侧枕叶皮质、颞叶皮质、中央后回的灰质密度较基线期显著增加，但长期效应呈现不同模式：BMS术后12个月多数脑区呈现体积与灌注量下降，颞叶皮层厚度增加，而海马和白质体积保持稳定^{[17, 18]}。值得注意的是，颞叶在术后出现皮质增厚与灌注增强的双重改善，这一发现为BMS的神经保护效应提供了重要证据，其机制可能与瘦素敏感性改善、神经炎症缓解及脑血管功能重构密切相关^[19]。

       综上所述，既往研究通过VBM揭示了肥胖症患者额叶、颞叶及海马的灰质体积变化与BMI相关，并揭示了大脑皮质潜在的代偿适应机制，为证实BMS的神经可塑性提供了关键的影像学证据。然而，以上多数研究局限于横断面研究，其因果关系仍待阐明，未来仍需更多多模态影像纵向随访来验证BMS对于神经重塑性的长期有效性，并探索BMS作为一种肥胖症中枢保护治疗途径的临床潜力。

1.2 白质

       相较于灰质结构的可观测改变，肥胖症患者大脑白质的变化更具复杂性与不确定性。sMRI仅可显示结构异常，无法对白质的微观结构进行细微观察，而DTI作为一种基于水分子弥散运动的成像技术，通过量化水分子弥散特征反映白质纤维束的完整性，对其纤维走行的成像具有良好效果，DTI可通过各向异性分数（fractional anisotropy, FA）表示水分子弥散过程中的方向依赖性，该技术为揭示肥胖症相关中枢改变中的白质结构的动态变化提供了重要意义^[20]。既往对于肥胖症患者白质完整性改变的研究结果并不一致，一项荟萃分析旨在确定肥胖症患者白质发生一致性改变的脑区，该研究结果表明：与正常BMI人群相比较，肥胖症患者的胼胝体膝部FA值更低，提示该区域白质纤维束的结构完整性受损，胼胝体膝部作为连接双侧前额叶皮层的关键联合纤维束，其结构完整性与执行功能网络的神经调控密切相关^[21]。此外，一项为期9年的纵向研究结果显示，肥胖症患者的腰围增大不仅与海马体积的进行性下降呈显著负相关，并且值得注意的是，海马白质的高信号体积在不同性别存在差异性，男性群体的增幅更为显著，这种性别异质性可能由性激素的分泌调节造成^[22]。

       一项研究为证实BMS可诱导神经可塑性恢复提供了解剖学证据，术后3个月，肥胖症患者在涉及认知调控的关键脑区呈现显著的结构改变：尾状核、胼胝体体部及边缘系统（海马、岛叶）的白质密度较基线提升，同时额下回与外囊区域的FA值也有所增加（P均<0.05）^[23]。此外，BMS术后1年，缰核灰质体积明显增加，增加后与正常对照组无显著差异，BMS还显著改变了缰核与多个脑区如脑岛、下丘脑、丘脑的功能连接^[24]。神经影像功能分析显示，BMS术后，右背外侧前额叶皮层与前扣带皮层之间的FC值与基于DTI的结构连接（structural connectivity, SC）均表现出同步增强趋势，SC值可通过FC值进行量化。前扣带皮层作为进食行为自我调控的关键神经节点，其与右背外侧前额叶皮层的连接增强与术后BMI的改善存在显著相关性，SC变化与FC变化呈正相关（r=0.53，P=0.003），提示BMS可能通过调控前额叶-边缘系统通路的神经可塑性机制，实现对进食调控网络的调节^[25]。最近的一项纵向研究指出，BMS术后24个月可观察到白质密度普遍增加，主要表现在小脑、脑干、胼胝体及部分灰质区域（P均<0.05），除此之外，术前网膜脂肪细胞的增大也与术后24个月时白质密度增加相关，表明内脏脂肪面积过大的个体可能从手术中获益最大^[26]。一项纳入了159名BMS术后患者的研究通过测量术后人体成分与代谢参数的变化，发现在术后1个月、6个月、12个月、24个月时内脏脂肪面积持续降低，其结果具有统计学意义（P<0.05）^[27]。以上结果提示内脏脂肪堆积程度有望成为一个预测BMS术后神经结构可塑性的生物学标志物，有待未来更多前瞻性研究验证。

       以往研究初步证实了肥胖症患者胼胝体膝部、前额-边缘系统的白质结构改变，并提示了BMS不仅可诱发白质密度与纤维完整性的改变，还可以增强皮层通路间的结构连接，这些发现为进一步理解肥胖症的神经影像学机制提供了相当有价值的理论基础，并为肥胖症的治疗干预提供了新的思路。然而，在肥胖症大脑白质的相关研究中，仍存在结果差异性大的问题，未来研究需针对肥胖症患者的个体性差异，进一步探索性别、年龄等混杂因素对大脑结构改变的影响，更全面地评估其功能变化，为临床干预提供科学依据。

       基于现有神经影像学研究，肥胖症患者大脑结构整体呈现灰质体积、厚度下降与白质纤维完整性受损的特征，而BMS术后灰质结构体积恢复，白质纤维间功能连接增强，表明其可通过重塑大脑结构改变而发挥中枢保护性作用，未来需通过多模态纵向研究进一步明确其因果关联及个体化影响因素。

2 BMS术后大脑功能改变

       已有既往研究通过多个维度揭示了肥胖症中枢神经系统的功能障碍，包括多巴胺受体信号异常、下丘脑结构改变与炎症浸润、奖赏系统稳态失调以及前额叶认知功能障碍，BMS不仅能够改善灰白质结构改变，还可以显著逆转神经递质失衡与脑内炎症状态，并在一定程度上恢复脑区代谢与功能连接，这些脑功能的重构为解释代谢综合征与大脑功能的机制提供了全新视角^{[28, 29]}。

2.1 神经递质系统

       高糖高脂肪饮食的过度摄入是全球肥胖症发病率增加的主要因素，其内在机制可能与高热量食物刺激中枢神经奖赏回路异常激活有关^[30]。多巴胺在奖赏系统中起到重要作用，通过中脑边缘回路调节食物摄入与食欲控制，多巴胺能神经传递由五种受体亚型介导，其中D2受体在人类与动物研究中与进食与食物成瘾行为相关^[31]。在正常BMI人群中，个体的甜食偏好与多巴胺D2受体的可用性呈现负相关，与正常BMI人群相比，肥胖症患者对食物奖励的敏感性发生变化，即多巴胺D2受体纹状体可用性降低（P<0.001）^[32]。一项横断面研究采用正电子发射断层扫描对比肥胖人群与正常体重人群腹侧纹状体多巴胺D2与D3受体的水平，结果发现肥胖组该区域D2/3受体密度显著低于正常人群，进一步通过fMRI进行的神经反应测试显示，在受到食物刺激时，肥胖组纹状体的激活程度显著高于对照组^[33]。另一项研究也得出了相似的结果：脑-肠轴的激活与味觉系统对高热量食物的识别两者间的关联可加强大脑对高热量食物的持久偏好^[34]。这表明肥胖个体在面对高热量食物刺激时，可能存在代偿性神经调节机制对中枢奖赏系统的调控作用，有待未来研究阐明。KARLSSON等^[35]的研究发现，肥胖症患者中枢神经系统出现μ-阿片受体下调现象，并且该受体与多巴胺受体之间的相互作用被破坏，BMS诱导的体重减轻可逆转上述病理改变。此外，肥胖症患者在术后腹侧纹状体区域阿片受体的可用性呈现出恢复趋势，其受体功能重构可能在肥胖症代谢干预中发挥重要调控作用，一项动物实验的结果显示，BMS可改善肥胖症诱导的代谢与细菌紊乱，导致苯丙氨酸与胆碱的吸收降低，值得注意的是，这种结果与热量限制导致的体重减轻无关，此现象表明BMS在神经递质代谢中起到调节作用，为阐明BMS术后改善中枢神经递质系统失调的分子机制提供了新的实验证据^[36]。

       综上，高糖高脂饮食可通过异常激活奖赏回路以及促进神经递质代谢紊乱导致肥胖发生，而BMS可以通过调节神经递质受体功能与代谢途径逆转相关病理改变。然而，当前研究仍具有一定局限性：目前对BMS调节神经递质的大多数证据集中于多巴胺与阿片系统，未来研究可探讨其他递质如谷氨酸、γ-氨基丁酸等在神经通路中发挥的作用，且该领域临床研究较少，动物模型的结论向临床转化的效果仍待更多未来研究验证。

2.2 食欲调控中枢

       多项既往研究已经证明，肥胖症的发生发展与下丘脑炎症密切相关^{[37, 38]}。神经影像学分析显示，肥胖症患者普遍存在明显下丘脑结构损伤，其特征性改变表现为双侧胶质增生与下丘脑慢性炎症浸润，并且下丘脑炎症严重程度与血脂失调程度相关^[39]。值得关注的是，一项研究使用3.0 T扫描仪获取结构像T1加权图像，并使用两组参数获取：TR 1570 ms、TE 2.63 ms或TR 1900 ms、TE 2.52 ms，结果证明，与健康对照相比，肥胖症患者包括弓状核在内的下丘脑肾小管下区表现出更大的体积与更高的平均弥散率（P均<0.05），这些解剖学改变与体脂百分比等代谢参数呈正相关^[40]。而另一项研究基于DTI将下丘脑分割成为四个亚区，结果发现肥胖青少年的前上亚区弥散率显著升高，该亚区包含食欲抑制的神经元，其弥散率升高可能反映胶质增生或轴突损伤，阻碍饱腹信号传导，从而导致食欲调控障碍^[41]。BMS则可以显著改善下丘脑炎性浸润状态，恢复其正常功能。一项前瞻性队列研究比较了BMS对下丘脑性与普通肥胖症患者的不同影响，其结果表明术后胰高血糖素样肽-1在下丘脑性肥胖组的水平显著高于普通肥胖组，这一发现提示完整的下丘脑结构对于维持内分泌平衡的必要性^[42]。下丘脑作为调节食欲与饱腹感的关键神经内分泌中枢，其结构完整性对摄食行为起到决定性作用，长期进食高热量食物可诱发小胶质细胞活化及促炎因子的释放，导致神经元的凋亡以及神经通路重构^[43]。下丘脑弓状核刺激或损伤可引发动物摄食节律紊乱，继而引发体重的改变，这些发现表明，下丘脑结构与功能的变化不仅是能量代谢失衡的始动因素，同样是食物摄入量变化的结果，形成代谢与炎症的正反馈循环^[44]。一项动物实验的结果显示，在肥胖雌性大鼠模型中，下丘脑弓状核的Agrp神经元水平上调，该神经元可分泌食欲促进因子神经肽Y，BMS可特异性调控该通路，术后下丘脑的基因表达发生改变，神经肽Y的mRNA水平增高，这可能与神经元活性反馈调节相关，通过抑制代偿性饥饿信号，特异性调节下丘脑饥饿信号通路，从而有效降低能量摄入水平^[45]。

       以上研究表明，下丘脑的结构重塑与炎症浸润是肥胖发生发展的核心环节，BMS可调节相关神经内分泌通路改善代谢紊乱状态。尽管现有研究已经确定了下丘脑在肥胖症发生发展中的核心作用，但仍存在局限性有待未来研究突破。首先，现有技术对于下丘脑的结构复杂性的微观显示仍显不足；其次，当前研究多属横断面研究，对下丘脑的纵向动态变化以及在BMS干预过程中的作用机制尚不深入。未来研究应聚焦于下丘脑不同亚区，对其微观结构进行定量分析；开展长期纵向随访，比较BMS前后下丘脑功能与结构的改变，从而揭示BMS的神经调节机制。

2.3 奖赏系统及认知控制系统

       摄食行为是机体维持能量稳态的核心机制，其神经调控涉及多脑区协同作用^[46]。除下丘脑弓状核等食欲调控中枢通过整合外周代谢信号实现能量平衡的稳态调节外，以腹侧纹状体为核心的脑奖赏系统负责激活中脑-边缘多巴胺系统对喜爱的食物产生强烈的进食欲望，而以大脑前额叶皮层、扣带皮层以及前额叶背外侧皮层为核心的认知控制系统则负责执行抑制进食冲动、制订决策、调节情绪等功能^[47]。摄食行为的神经调控有赖于以上两个系统的精密协作，在肥胖状态下，奖赏系统对高热量事物的反应性异常增强，同时认知控制功能受损，从而导致摄食过度导致肥胖^[48]。fMRI可以精准评估大脑活动以及不同脑区间的功能连接，包括静息态与任务态，一项基于静息态fMRI的神经影像学研究揭示，随着BMI增高，腹侧纹状体网络间连接逐渐减弱，感觉运动皮层与顶叶上区之间的整合性逐渐增强^[49]。值得注意的是，奖赏系统与后脑孤束核及下丘脑室旁核等关键核团连接形成复杂网络，实现对能量摄入、代谢消耗与摄食行为的精准调控^[50]。关于奖赏系统与代谢调控的相互作用机制，一项动物实验结果显示术后大鼠蔗糖偏好性降低，其脑桥臂旁核对蔗糖神经反应性也显著下降^[51]。另一项研究发现BMS术后患者血浆胰岛素样因子-5水平显著下降，并且其水平下降并不是因为脂肪组织的减少，已知该因子具有促食作用，该结果或可为理解BMS术后大脑对高热量食物兴奋性降低提供新线索^[52]。以上结果表明摄食行为的神经调控本质上是代谢稳态系统与奖赏动机系统动态平衡的结果。另一方面，肥胖症所导致的低度全身持续炎症状态可通过影响血脑屏障、淋巴系统以及脑膜而对认知相关脑区产生损害，进而导致能量稳态失衡，增加痴呆等认知障碍的风险^[53]。全身性与内脏性肥胖均是认知功能下降的独立危险因素，其中皮质醇代谢异常可能是介导肥胖与认知功能障碍的关键中介通路^{[54, 55]}。一项针对脑血流代谢的神经影像学研究表明，BMS术后2周的肥胖症患者认知能力较基线期增加15%，并且此效应在14周后持续上升，与健康对照组水平相当^[56]。

       值得注意的是，奖赏系统与认知控制系统在BMS术后重塑脑功能呈现出协同作用。SALEM等^[57]比较了通过极低热量食物诱导的体重减轻与BMS术后的体重减轻，结果显示前者增加了认识控制区域对于食物线索的神经激活，而后者则不出现这种反应，上述研究表明，BMS术后的体重减轻更有利于调节认知控制系统以及奖赏系统的动态平衡，重塑摄食行为的调节能力。

       以上研究结果阐述了以腹侧纹状体为核心的奖赏系统与以前额叶皮层为核心的认知控制系统在摄食调控中的协同作用，揭示了BMS重塑摄食行为的神经机制。然而，目前研究对于脑区活动与行为改变之间的因果机制理解尚浅，其具体的病理机制及BMS术后的长期改善效应仍需大规模的前瞻性研究验证。

       BMS可从神经递质系统、食欲调控中枢、奖赏系统、认知控制系统四个方面对大脑结构与功能进行重塑。值得注意的是，上述多方面的机制并非独立作用，而是通过高度协同的神经网络共同发挥作用，对肥胖症造成的大脑结构与功能改变进行系统性逆转。BMS术后，由脑-肠轴介导的胰高血糖素样肽-1水平显著上升，该激素信号作用于下丘脑以调节食欲控制中枢并有效降低肥胖症患者的饥饿感，随着能量信号的稳态恢复平衡，中脑边缘-多巴胺通路对于高热量食物的渴望被抑制。与此同时，BMS术后下丘脑慢性炎症与代谢参数改善，进而影响以前额叶皮层为核心的认知控制系统，增强对由奖赏系统引发的进食冲动的抑制。而神经递质系统（多巴胺、5-羟色胺等）则是贯穿该通路始终的基础，这些递质不仅是不同脑区之间信息传递的化学基础，其本身也作为BMS术后调节的直接靶点，以实现持久且稳定的神经可塑性。

3 小结与展望

       综上所述，新近的MRI证据表明，BMS的疗效不仅仅局限于消化系统，还通过重构肥胖症患者的中枢神经系统来发挥减重作用，显著改善其大脑结构与功能异常，这种重构涵盖了从下丘脑的稳态调节到边缘系统的奖赏评价，再到前额叶的认知控制等多个层面，并涉及多巴胺、阿片等关键神经递质系统，为肥胖症的神经生物学干预提供了理论基础。内脏脂肪可能通过释放炎症因子或代谢信号影响神经可塑性，其蓄积水平或可作为预测BMS术后大脑重构效应的潜在生物标志物，为个体化手术疗效评估提供重要依据，亟待未来更多前瞻性研究及机制研究证实该结论。然而，当前该领域研究仍存在局限性，纵向影像学研究随访时间较短，术后神经重构的长期轨迹仍需随访验证；多数研究样本量较小，缺乏多中心研究验证，结论的普适性在一定程度上受限；此外，神经结构的改变与食物成瘾、认知功能之间的因果关系尚不明确。未来研究仍需结合多模态MRI系统性阐明BMS诱导的神经网络交互机制，并注重区分BMS术后特异性效应与非手术减重效应，推动基于中枢神经系统的精准治疗策略实施，有望为肥胖症及其共病的预防及干预开辟新路径。