Хроническая ишемия мозга (ХИМ) — заболевание, при котором происходит снижение притока крови к мозгу по магистральным и мелким артериям головы, что приводит к различным нарушениям работы мозга. ХИМ, как правило, развивается в пожилом и старческом возрасте. Обычно это сопровождается сужением и потерей эластичности артерий, снабжающих мозг кровью, вследствие атеросклероза, гипертонии, диабетической ангиопатии и других патологических процессов. Коморбидность ХИМ и сахарного диабета второго типа (СД2) — распространенное явление. СД2 усугубляет ишемическое повреждение головного мозга, однако влияние этой коморбидности на коннективную организацию мозга изучено недостаточно [1].

Избыток глюкозы у больных СД2 может вызвать дегенерацию нейронов и связанные с этим неврологические заболевания и когнитивные нарушения. Высокий уровень глюкозы в крови влияет на клетки, которые имеют ограниченную способность регулировать потребление глюкозы. Это, в первую очередь, эндотелиальные клетки, как и нейроны периферической и центральной нервной системы [2]. Скачки уровня глюкозы влияют на микроглиальную активность, которая способствует развитию воспалительных процессов [3]. Хроническая гипергликемия приводит к ряду патофизиологических изменений, усиливающих ее токсическое воздействие на клетки, ткани и системы органов. Некоторые нейроны начинают избыточно выделять нейромедиаторы, например, глутамат — один из наиболее распространенных возбуждающих нейромедиаторов, способный оказывать эксайтотоксическое действие [4]. Избыток глюкозы приводит к снижению способности нейронов к обработке информации и нарушению межнейрональных контактов. Отчасти это может быть связано со снижением уровня глюкозы в межклеточном пространстве, что влияет на взаимодействие между нейронами [5–7]. Существуют данные, свидетельствующие о том, что мозг играет активную роль в гомеостазе глюкозы, однако относительная важность данного фактора по сравнению с другими пока неясна [8].

Глюкоза переносится в клетки мозга с помощью транспортеров. Glut1 и Glut2 — белки-транспортеры глюкозы, участвующие в процессе переноса глюкозы через клеточные мембраны. У пациентов с диабетом 2 типа инсулинорезистентность может нарушать способность глюкозы поступать в клетки мозга, что приводит к снижению церебрального энергетического обмена. Исследования с использованием позитронно-эмиссионной томографии показали, что у таких лиц наблюдается снижение метаболизма глюкозы в определенных областях мозга, таких как префронтальная кора и гиппокамп. Эти области важны для когнитивных функций, памяти и принятия решений. Например, показано, что у пациентов с диабетом 2-го типа снижен метаболизм глюкозы в префронтальной коре головного мозга по сравнению со здоровыми людьми, с чем связаны более низкие показатели в когнитивных тестах. Есть также сведения о том, что в мозге пациентов с диабетом 2 типа возможно нарушение функции митохондрий. Было обнаружено, что у таких пациентов функция митохондрий в головном мозге снижена по сравнению со здоровыми людьми, с чем связано ухудшение когнитивных способностей [9–12].

Нарушение метаболизма глюкозы сопровождается перестройкой межнейрональных связей, изучение которых необходимо для понимания работы мозга больных ХИМ с СД2. Этому способствуют исследования, выполненные с помощью функциональной магнитнорезонансной томографии (фМРТ) — современного метода нейровизуализации, позволяющего изучать коннективность, или функциональную связанность, между различными областями мозга, без чего в настоящее время невозможен дальнейший прогресс неврологии [13]. Существует большое количество литературы об особенностях структурно-функциональной организации мозга у больных ХИМ и СД2, однако изменение функциональной коннективности мозга у таких пациентов по данным фМРТ покоя изучено недостаточно. BOLD-сигнал — это соотношение между окисленными и восстановленными формами гемоглобина. Предполагается, что синхронизация BOLD-сигналов в разных областях мозга отражает синхронизацию нейронной активности в этих областях. Данный подход доказал свою эффективность на практике, что позволяет изучать коммуникации между различными областями мозга. Информация, полученная с помощью оценки синхронизации BOLD-сигнала, дает количественную оценку силы межнейрональных связей, а также указывает на знак такого взаимодействия.

При ХИМ нарушение церебрального кровообращения может иметь значительные последствия для работы центральной нервной системы, включая снижение когнитивных способностей и повышенный риск инсульта. Коморбидность с СД2 увеличивает риск микрососудистых и макрососудистых осложнений, включая ишемический инсульт, а также болезнь мелких сосудов, что значительно усиливает общий патогенный эффект васкулярной дисфункции и снижает эффективность взаимодействия между различными областями мозга [14].

Цель работы — исследовать организацию коннективности нейросетей мозга по данным фМРТ покоя у пациентов с ХИМ, страдающих диабетом 2-го типа, по сравнению с больными ХИМ без диабета. Мы стремились понять потенциальное влияние СД2 на коннективную организацию мозга в условиях хронической ишемии и оценить роль коморбидности этих заболеваний в развитии когнитивных и других нарушений, связанных с хронической церебральной ишемией, что может послужить основой для разработки новых методов лечения и профилактики этих заболеваний.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

В исследовании участвовали 257 больных (81 мужчина и 176 женщин) в возрасте 50–85 лет с ХИМ (табл. 1). Часть больных, 80 человек (31%), была больна СД2. Демографические характеристики обследуемых представлены в табл. 1. Средняя давность заболевания ХИМ: 10,1 ± 0,7 лет.

Больные ХИМ были разделены на две группы: без (группа 1) и с СД2 (группа 2). Основные этиологические причины ХИМ: атеросклероз, артериальная гипертензия (включая гипертоническую болезнь), венозная недостаточность, диабетическая ангиопатия, васкулиты различной этиологии и т. д. Давность заболевания СД2: 15,8 ± 1,1 лет, больные без тяжелых макрососудистых осложнений и риска тяжелой гипогликемии. Критерии включения: пациенты с начальными проявлениями и субкомпенсацией ХИМ, не нуждающиеся в постоянной опеке со стороны окружающих [15–17]. Критерии исключения: деменция выраженностью 1 балл и более по клинически-рейтинговой шкале деменции [18], наличие в анамнезе острых нарушений мозгового кровообращения, черепно-мозговых травм, тяжелая кардиальная, почечная недостаточность, некомпенсированные нарушения функций щитовидной железы. Все пациенты были правшами.

Индекс массы тела (ИМТ) был выше у больных с СД2 как мужского пола, так и женского (р = 0,006 и р = 0,009 соответственно). Доля мужчин с высшим образованием была достоверно больше, чем доля женщин в обеих группах (р < 0,01).

Не нашли различий статистических показателей у мужчин и женщин в обеих группах по ИМТ, возрасту, доля мужчин в обеих группах статистически не различалась. Это дает основание исследовать организацию нейросетей в объединенных группах из мужчин и женщин.

Исследование фМРТ покоя

Обследуемым (83 больных ХИМ, из них — 27 с СД2) проводили фМРТ головного мозга для получения BOLDсигнала на магнитно-резонансном томографе Magnetom Verio (Siemens; Германия) с величиной магнитной индукции 3,0 Тл. Функциональные сканы были получены в состоянии покоя с использованием T2*-взвешенной последовательности EPI: TR = 1 500 мс, TE = 30 мс, flip angle = 70°, толщина среза — 2 мм, FOV = 190 мм, фаза FoV — 100,0%. Исследуемым предлагали инструкцию: максимально расслабиться, лежать спокойно с закрытыми глазами (для исключения стимулирования зрительного анализатора) и не думать о чем-либо конкретном. МРТданные обрабатывали в программе SPM12 в среде MATLAB. Используя приложение CONN-18b на платформе SPM-12, анализировали коннективность в различных нейросетях мозга. CONN-18b представляет собой инструментарий с открытым исходным кодом на базе MATLAB [19].

Проводили сравнение коннективностей в двух группах больных ХИМ, отличающихся по наличию СД2, оценивая достоверность различий по стандартизированному коэффициенту регрессии с поправкой на множественность сравнений (FDR — False Discovery Rate) в программе CONN-18b.

Для анализа нейросетей пользовались двумя основными характеристиками: размером и интенсивностью. Эти показатели — удобные и естественные инструменты для описания графов коннективности [20–22]. Размер нейросети — количество коннективностей, связывающих ее с другими образованиями. Интенсивность нейросети — сумма, без учета знака, значений Т-критерия коннективностей конкретной нейросети. Использовали нормированную коннективность — отношение интенсивности к размеру изучаемой нейросети.

Когнитивные тесты

Больные выполняли корректурную пробу для поиска буквенных паттернов, при которой в тексте без пробелов искали в течение трех минут две рядом стоящие одинаковые буквы. Подобное тестирование основано на идее n-back теста Кирчнера при n = 1, поскольку при n > 1 испытание оказывалось трудно выполнимым для большинства пациентов. Рассчитывали эффективность выполнения теста: количество найденных буквенных паттернов (двух рядом стоящих одинаковых букв) по отношению к существующему количеству таких сочетаний и к количеству просмотренных строк, а также общее количество просмотренного текста, разность между всеми буквенными паттернами и найденным числом паттернов. Кроме того, больных обследовали с помощью теста вербальной беглости, теста на вербальную память Лурия и теста МоСA. Эти когнитивные тесты были описаны ранее [23].

Дуплексное сканирование

Оценивали линейную скорость систолического и диастолического кровотока в правой и левой внутренних сонных, средних мозговых (СМА) и плечевых артериях. Цветовое дуплексное сканирование проводили на приборе Toshiba Viamo. Величину систолической линейной скорости кровотока и индекс периферического сопротивления в артериях исследовали по общепринятой методике с помощью линейного датчика с частотой 5,0–12,0 МГц.

Биохимические исследования

У больных проводили клинический анализ крови, который включал оценку глюкозы, триглециридов, фибриногена, СОЭ (скорость оседания эритроцитов) и другие показатели. Уровень интерлейкинов исследовали в пробах слюны. Определение цитокинов в слюне проводили твердофазным иммуноферментным методом (ELISA) сэндвич-типа. Для определения IL6 — наборы Вектор-Бест («Вектор-Бест»; Россия). Диапазон измерения: 1–2000 пг/мл. При всех исследованиях использовали калибраторы фирм-производителей реагентов с дополнительно приобретенными калибраторами.

Исследование проводили в дублях на плашечном ридере VICTOR 2 (Perken Elmer; США) с использованием контрольных образцов с низким и высоким содержанием изучаемых параметров. У больных осуществляли сбор образцов слюны. Обследуемые не употребляли алкоголь в течение недели, а также чай или кофе за 1 ч до взятия анализа, далее сплевывали слюну в пробирку объемом не менее 1,5 мл, за 10 мин до этого прополоскав рот водой. Образцы слюны, загрязненные кровью, исключали из исследования, для определения загрязнения использовали набор иммуноферментного анализа [23]. Кроме того, регистрировали артериальное давление и частоту сердечных сокращений.

Статистическая обработка данных

Статистическую обработку полученных данных осуществляли с помощью пакета прикладных программ Statistica-12 (Dell; США). Оценивали нормальность распределения по критерию Колмогорова–Смирнова. Вычисляли средние арифметические, стандартные ошибки, проводили однофакторный дисперсионный и корреляционный анализы. При анализе нейросетей вычисляли t-критерий по Стьюденту, использовали поправку на множественность сравнений — FDR (False Discovery Rate). Оценивали размер и нормированную интенсивность нейросетей.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Больные ХИМ двух групп (с СД2 и без) отличались по ряду биохимических, гемодинамических и когнитивных показателей, а также по характеристикам воспалительных процессов, указывающих на серьезные метаболические и иные различия в деятельности головного мозга и организма (табл. 2).

Полученные данные указывают на серьезные различия в двух группах, связанные с углеводным и липидным обменом (глюкоза, триглицериды), процессами воспаления (IL6, СОЭ), гемодинамическими показателями и когнитивными функциями. Показатели воспаления повышены в двух группах больных, однако у больных СД2 изменения более выражены. Показатели корректурного теста у больных 2-й группы (c СД2) снижены.

Выявленные различия, возможно, имеют связь с организацией нейросетей. На рис. 1 и в табл. 3 приведены данные о нейросетях мозга, в которых все достоверно различающиеся коннективности были статистически значимо более высокими в группе больных ХИМ без СД2 по сравнению с группой больных ХИМ и СД2.

Таким образом, обнаружены нейросети, показатели коннективности в которых достоверно различаются с учетом поправки на множественность сравнений и уровнем значимости p (FDR) < 0,05 для двух групп больных. Как следует из полученных данных, измененные коннективности связаны с крупными нейронными сетями (сетью по умолчанию, салиентной, мозжечковой, речевой). Это предполагает, что потенциальные изменения организации нейросетей могут затрагивать работу этих сетей и значительные регионы мозга.

Поэтому можно предположить, что при СД2 перестройка связей в мозге не ограничивается только этими четырьмя коннективностями, но при данном заболевании наблюдаются и другие, возможно, менее значительные изменения в каждой сети, но характерные для большинства нейронных сетей и часто выпадающие из обсуждения. Существует два способа описания сетей — размер нейросети и ее интенсивность [24]. Второй показатель зависит от размера нейросети: чем больше размер, тем выше интенсивность. Поэтому целесообразно рассматривать нормированный показатель интенсивности нейросети (интенсивность, деленная на размер). В табл. 4 представлены эти показатели для двух групп больных.

Из полученных данных следует, что количество статистически значимых показателей коннективности, как правило, ниже у больных СД2. У этих же больных в большинстве нейросетей ниже нормированная интенсивность. Эти данные достоверны, исходя из параметрических критериев, а также непараметрических — критерия знаков, который свидетельствует о достоверном (p < 0,01) преобладании размера нейросетей и нормированной интенсивности у больных ХИМ без диабета по сравнению с этими же показателями у больных ХИМ с диабетом.

На рис. 2 представлено распределение коннективностей, выходящих из дорсальной сети внимания в правом полушарии.

Дорсальная сеть внимания в правом полушарии у больных ХИМ без СД2 значительно, почти в два раза, отличается по размеру от сети у группы больных ХИМ с СД2 (86 и 44). В левом полушарии она отличается несколько меньше, в 1,7 раза, однако разность нормированных интенсивностей в этой нейросети наибольшая (2,2) (табл. 4). Различия показателей коннективности этой нейросети наиболее заметны в лобной медиальной извилине левого полушария, в дорсальной сети внимания правого и левого полушария, в правой половине мозжечка, в правой теменной области и других. При этом некоторая часть коннективностей высокой интенсивности остается стабильно высокой и у больных ХИМ с СД2. Это относится, в первую очередь, к сети дорсального внимания левого полушария, к постцентральной извилине левого полушария, к дополнительной моторной области обоих полушарий и некоторым другим образованиям.

Сопоставление данных нейросетей и значений из табл. 2 показывает, с какими изменениями в отношении углеводного, липидного обмена, воспаления, гемодинамики и когнитивных функций сопряжена реорганизация нейросетей. Дальнейшие исследования помогут выяснить, насколько сетевая реорганизация у больных СД2 может быть маркером этих изменений.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

СД2 — распространенное сопутствующее заболевание у пациентов с хронической церебральной ишемией. Согласно нашим собственным исследованиям и литературным данным, до трети пациентов с ХИМ имеют СД2 [25]. СД2 вызывает повреждение сосудистого эндотелия, который выполняет жизненно важные функции, играя паракринную, эндокринную и аутокринную роли, необходимые для поддержания нормального сосудистого баланса организма. Эндотелий регулирует целостность сосудов, их проницаемость, ангиогенез, гемостаз и иммунные реакции. Он контролирует сосудистый тонус, вазодилатацию и вазоконстрикцию, миграцию и пролиферацию гладкомышечных клеток, фибринолиз и тромбогенез. Нарушение эндотелиальной регуляции может привести к эндотелиальной дисфункции, которая часто наблюдается при СД2 [26]. При микрососудистых осложнениях она, в первую очередь, характеризуется снижением высвобождения NO, усилением окислительного стресса, повышением продукции факторов воспаления, экспрессией провоспалительных цитокинов и нарушением ангиогенеза [27]. По нашим данным, у пациентов ХИМ с СД2 наблюдается по сравнению с больными ХИМ без СД2 повышение уровня провоспалительного интерлейкина 6 в слюне, значительное увеличение уровня СОЭ, нарушение липидного обмена, а также увеличение индекса резистентности СМА и снижение некоторых когнитивных функций [28]. Наши исследования показали, что СД2 оказывает влияние на организацию нейронных сетей, снижающую эффективность их функционирования.

По данным настоящей работы, достоверное снижение показателей коннективности у больных ХИМ с СД2 по сравнению с больными ХИМ без СД2 связано с рядом крупных нейросетей: речевая нейросеть правого полушария и ее связи с парагиппокампальной областью левого полушария и угловой извилиной правого полушария. Угловая извилина составляет часть сети пассивного режима работы мозга. Коннективность передней поясной извилины, входящей в салиентную нейросеть, с верхней височной извилиной также значимо выше у больных ХИМ без диабета. Достоверные изменения затрагивают и мозжечковые сети. Таким образом, относительно небольшое количество измененных коннективностей связано с крупными нейронными сетями: сетью по умолчанию, речевой и салиентной сетями. Это сопровождается многочисленными изменениями и в других нейронных сетях, что можно видеть по снижению нормированной интенсивности коннективных связей у больных диабетом по сравнению с больными ХИМ без СД2. У больных ХИМ, осложненной СД2, вследствие реорганизации нейросетей наблюдается почти на четверть снижение их размера. Понятно, что если скоррелированность отдельных узлов нейросети падает, то это приводит к уменьшению точности в передаче информации. Другие исследования также показали, что СД2 может влиять на нейронные сети мозга [29, 30]. В них использовали различные методы, включая фМРТ покоя. Эти исследования позволяют предполагать, что СД2 может изменять нейронные сети, увеличивая риск значительного когнитивного снижения и деменции, что кажется вероятным из-за сокращения большого числа достоверно отличающихся от нуля показателей коннективности.

ВЫВОДЫ

СД2 — распространенное сопутствующее заболевание у пациентов с ХИМ, усугубляющее хроническое воспаление и эндотелиальную дисфункцию. Существенные различия наблюдали между пациентами с ХИМ, имеющими и не имеющими СД2, в отношении углеводного, липидного обмена, воспаления, гемодинамики и когнитивных функций. Маркеры воспаления повышены в двух группах больных, однако у больных ХИМ с СД2 изменения более выражены. Как и ожидалось, у пациентов с СД2 были выявлены значительные изменения в нейронных сетях, особенно в парагиппокампальной области, угловой, передней поясной и верхней височной извилинах, сетях мозжечка. Эти изменения сопровождаются уменьшением размера и интенсивности нейронных сетей, снижением их синхронизации, с чем, очевидно, связано уменьшение точности передачи информации между различными мозговыми структурами. Дальнейшие исследования могут развиваться в направлении поиска маркеров начальных изменений в организации нейросетей, обусловленных СД2 у больных ХИМ, и разработки средств их предупреждения.