Сахарный диабет (СД) — это хроническое метаболическое заболевание, которое связано с изменениями структуры головного мозга и ухудшением когнитивных функций (от легкой до умеренной степени) по данным нейропсихологического тестирования. В условиях растущей «эпидемии» СД и увеличения числа людей, доживающих до старости, когнитивная дисфункция, ассоциированная с СД, может иметь серьезные последствия для будущего здравоохранения. Хроническая гипергликемия, тяжелые эпизоды гипогликемии и микрососудистые осложнения являются важными факторами риска, общими для СД 1 и 2 типа. Для более точной диагностики когнитивных нарушений при СД в практике используют методы нейровизуализационных исследований головного мозга, которые позволяет оценить морфологию и волюмометрию, макроструктурные изменения, функциональную связность в колебаниях сигнала, метаболиты.
Мы представляем обзор исследований, проведенных за последние два десятилетия, чтобы улучшить понимание того, как СД, гликемия, наличие их осложнений влияют на функцию и структуру головного мозга. Также опишем изменения, характерные для СД 1 и 2 типа при проведении стандартной функциональной магнитно-резонансной томографии и протонной магнитно-резонансной спектроскопии, их особенности.
Ключевые слова: сахарный диабет, когнитивные нарушения, нейровизуализационные методики.
M.V. Matveeva, Yu.G. Samoilova, N.G. Zhukova, I.V. Tolmachov, K.S. Brazovskiy, O.P. Leiman, N.Yu. Fimushkina, M.A. Rotkank
Sibir State Medical University, Tomsk
Diabetes is a chronic metabolic disorder associated with brain structural changes and mild-to-moderate cognitive impairments assessed by neuropsychological testing. Cognitive dysfunction associated with diabetes will have a major impact on global health in the future as diabetes is a growing epidemic and many people live to old ages. Type 1 and type 2 diabetes share common important risk factors, i.e., chronic hyperglycemia, severe episodes of hypoglycemia, and microvascular complications. To diagnose cognitive impairments in diabetes more carefully, practitioners use brain imaging technologies which evaluate morphology, volumetric parameters, macrostructural changes, functional connectivity of signal fluctuations, and metabolites.
This paper reviews the studies over the last two decades to improve our understanding how diadetes, blood glucose, and complications affect brain function and structure. We also describe abnormalities revealed by magnetic resonance imaging and proton magnetic resonance spectroscopy which are typical of type 1 and type 2 diabetes.
Keywords: diabetes, cognitive impairments, neuroimaging technologies.
For citation: Matveeva M.V., Samoilova Yu.G., Zhukova N.G. et al. Brain neuroimaging technologies in diabetes. RMJ. Medical Review. 2019;7:8–10.
Представлен обзор исследований, посвященных изучению влияния сахарного диабета на функцию и структуру головного мозга. Описаны изменения, характерные для СД 1 и 2 типа при проведении МРТ головного мозга.
Сахарный диабет (СД) является хроническим метаболическим заболеванием и характеризуется абсолютным дефицитом инсулина при СД 1 типа и относительной его недостаточностью или резистентностью к нему при СД 2 типа [1]. СД является серьезной проблемой, т. к. поражает все органы и системы, приводит к развитию осложнений в периферической и центральной нервной системе [2]. При СД отмечается снижение ког нитивных способностей на 20–70% больше, чем у здоровых людей, а риск развития деменции на 5% выше [3]. Клетки и внеклеточный матрикс имеют динамическую реципрокную связь, модуляция компонентов матрикса при активации процесса гликирования приводит к изменению нейрогенеза, гиперфосфорилированию ключевых внутриклеточных сигнальных молекул и экспрессии белков внеклеточного матрикса, и все эти клеточные изменения могут вносить вклад в когнитивную дисфункцию и метаболизм при СД [4]. Существуют различные методы оценки когнитивной дисфункции, а именно нейрокогнитивное тестирование, метод вызванных потенциалов, электроэнцефалографическое исследование (ЭЭГ), магнитно-резонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография [5].
Для более точной диагностики когнитивных нарушений при СД в широкой практике использовался метод стандартной МРТ головного мозга, которая позволяет выявлять в основном связанные с цереброваскулярными заболеваниями макроструктурные изменения, такие как гиперинтенсивность белого вещества, а также косвенные признаки атрофии вещества головного мозга [6]. Использование функциональной МРТ основано на изменениях в моделях активации, функциональной связности и колебаниях сигнала, а также взаимосвязи когнитивных нарушений и доменов активации, сетей покоя и функциональной конъюктивности [7]. Протонная магнитно-резонансная спектроскопия (пМРС) — это аналитический метод, который позволяет неинвазивно идентифицировать и измерять уровни метаболитов в различных областях головного мозга, определять энергетический обмен и активность процессов в тканях головного мозга [8].
СД 1 типа
Особенности когнитивных нарушений
У пациентов с СД 1 типа отмечается частая вариабельность гликемии, гипер/гипогликемия, а кумулятивное хроническое гипергликемическое воздействие приводит к микрососудистым повреждениям органов, таким как ретинопатия и нефропатия [9]. Помимо микрососудистых осложнений СД 1 типа ассоциирован с повышенным риском когнитивных нарушений, в первую очередь со снижением скорости обработки информации, внимания и исполнительной функции [10–12]. Когнитивная дисфункция может наблюдаться достаточно рано (уже через 2 года после постановки диагноза) и сохраняется в зрелом и старшем возрасте [13, 14]. Тем не менее точный невропатологический механизм когнитивных нарушений, вызванных СД 1 типа, до сих пор в значительной степени неясен.
Методы нейровизуализации были применены для изучения анатомических и функциональных изменений в мозге пациентов с СД 1 типа. При проведении стандартного МРТ исследования обнаруживаются атрофия серого вещества и поражения белого вещества головного мозга, которые являются общими структурными отклонениями, наблюдаемыми в исследованиях и связанными с когнитивным снижением у пациентов с СД 1 типа [15–17]. В основном определяется уменьшение объемов головного мозга в корковых и подкорковых областях, включая затылочную, нижнюю лобную и парагиппокампальную [18, 19]. В работе Perantie et al. при анализе МРТ у детей с СД 1 типа не было выявлено значимых различий в объеме серого или белого вещества мозга по сравнению с группой контроля [20]. При анализе влияния гликемии на структурные изменения в головном мозге было показано, что тяжелая гипогликемия в анамнезе ассоциирована с меньшим объемом серого вещества в левой верхней височной области, тогда как хроническая гипергликемия связана с изменением объема серого вещества в правой задней теменной области и в правой префронтальной области [21]. Кроме того, имеются данные о том, что эти изменения отмечаются уже через несколько лет от начала манифестации СД и ассоциированы с изменением когнитивных функций [22].
При проведении диффузно-тензорной МРТ выявляется изменение фракционной анизотропии в верхней теменной доле и снижение средней диффузии в таламусе [23]. Кроме того, отмечается снижение фракционной анизотропии в задних отделах мозга, которое ассоциировано с большей продолжительностью заболевания, а также со снижением ряда когнитивных функций, таких как скорость обработки информации и исполнительное функционирование [24]. Используя функциональную МРТ в покое, van Duinkerken et al. продемонстрировали нарушение функциональной конъюктивности и изменения в сетях у пациентов с СД 1 типа [25]. Кроме того, обнаружена аномальная функциональная конъюктивность в субгенуальной области поясной извилины, которая была связана с когнитивной дисфункцией у пациентов с СД 1 типа [26]. С помощью анализа независимых компонентов было также обнаружено, что СД 1 типа связан с нарушением в нескольких сетях, включающих внимание, рабочую память, слух, язык и обработку информации [27–29]. Поскольку влияние гипергликемии на мозг может быть глобальным, анализ нейронной функции всего мозга, вероятно, выявит другие дефициты работы центральной нервной системы, связанные с СД 1 типа.
В работах Mangia et al. и Heikkilä et al. было показано снижение содержания метаболитов N-ацетиласпартата в сером веществе (затылочная доля, лобная доля), белом веществе и таламических областях у пациентов с СД 1 типа по сравнению с группой контроля [30, 31]. Кроме того, показано, что у пациентов с высоким уровнем гликированного гемоглобина имеется снижение уровня глюкозы в мозге почти на 10%. Этот нейрохимический процесс может объяснять потерю нейронов и сопутствующие нарушения когнитивных функций [32]. Кроме того, отмечается изменение отношений метаболитов N-ацетиласпартат/креатин, холин/креатин в левой задней теменной области белого вещества при СД 1 типа [33].
СД 2 типа
Особенности когнитивных нарушений
Несколько исследований показали, что именно СД 2 типа (не менее 90%) является фактором риска деменции [34, 35]. Как правило, у пациентов с СД 2 типа наблюдается умеренное снижение когнитивных функций, и, как сообщается, метаболический синдром вносит существенный вклад в их снижение [36, 37]. СД 2 типа чаще диагностируется в старшем возрасте и обычно связан с ожирением, резистентностью к инсулину, гипертонией и дислипидемией, которые могут оказывать негативное влияние на головной мозг [38].
СД 2 типа ассоциируется с диффузной атрофией головного мозга [39]. Уменьшение среднего общего объема мозга происходит значительно быстрее при СД 2 типа, что сопоставимо с 3–5 годами нормального старения [40, 41]. Атрофия головного мозга, связанная с СД 2 типа, наиболее выражена в областях, окружающих желудочки, таких как подкорковая область серого или белого вещества [42].
У пациентов с СД 2 типа наблюдается снижение функциональной связи между областями, включающими медиальную лобную извилину, прекунеус и медиальную височную извилину, которые связаны с когнитивными функциями [43].
При проведении пМРС у пациентов с СД 2 типа регистрируется низкий уровень N-ацетиласпартата в правой лобной и теменно-височной областях, а уровни глюкозы были повышены во всех областях головного мозга [44]. Также обнаруживаются сниженные уровни холина и креатина в лентикулярных ядрах и областях таламуса, отношения N-ацетиласпартат/креатин и холин/креатин. Данные изменения имели отрицательную корреляцию с уровнями гликемии и гликированного гемоглобина [45].
При оценке стандартной МРТ при наличии нарушений углеводного обмена определяются признаки атрофии головного мозга, которые в большей степени ассоциированы с этими нарушениями, но не могут однозначно указывать на когнитивные нарушения и не влияют на дальнейший диагностический алгоритм [46].
При СД отмечается изменение спонтанной активности мозга, особенно в зрительных областях, а также изменение функциональной связи в различных сетях покоя, однако пластичность нервной системы в молодом возрасте сохранена, и при проведении реабилитационных мероприятий функциональная взаимосвязь улучшается, когнитивные нарушения обратимы [47].
При проведении пМРС повышение уровня метаболита N-ацетиласпартата в лобной и теменно-височных областях указывает на изменение плотности, функций или жизнеспособности нейронов, которые погибают в зонах, ассоциированных со снижением памяти [48]. Концентрация холина изменяется при повреждении клеточной мембраны, особенно в области таламуса, что проявляется нарушением зрительного восприятия у пациентов с СД [49]. Содержание креатина изменяется в областях, отвечающих за мышечный тонус, и выявлено у пациентов с полинейропатией. Эти изменения связаны с энергетическим обменом, а его повышенный уровень означает усиление окислительного стресса, дисфункцию митохондрий как в нейронах, так и в глиальных клетках [40].
Все вышеперечисленные структурные и метаболические изменения при отсутствии коррекции уровня гликемии могут приводить к нарушению нейротрансмиссии, ускорению нейродегенерации и демиелинизации, а также атрофии головного мозга при СД. Изучение основных механизмов этих метаболических и структурных нарушений находится на начальной стадии, дальнейшие исследования должны подтвердить вышеизложенные результаты в более масштабных клинических исследованиях.