青少年肥胖对脑结构网络拓扑属性的影响：基于图论的神经影像学研究

本研究针对青少年肥胖与认知功能障碍的神经机制尚不明确的问题，通过图论分析脑结构网络拓扑属性。研究发现，肥胖青少年脑结构网络的聚类系数(Cp)和局部效率(Eloc)显著降低，且与体脂率(TBF)负相关；模块化分析显示联合皮层与边缘系统连接增强，模块化属性与空腹胰岛素(FINS)负相关。该研究为理解肥胖影响脑网络拓扑结构提供了重要影像学证据。

　　

在全球范围内，超重和肥胖已成为日益严重的公共卫生挑战，其流行率持续上升。根据《2025年世界肥胖地图》预测，到2030年全球超重和肥胖成人比例将高达50%。尤其值得关注的是，10至18岁青少年肥胖率呈现快速增长趋势，常伴随代谢综合征(MS)的发病风险增加。中国居民营养与慢性病状况报告（2020年）显示，我国6-17岁青少年超重率和肥胖率分别达到11.1%和7.9%，且男孩肥胖率(10.7%)显著高于女孩(5.4%)。更令人担忧的是，肥胖青少年常表现出认知功能受损，包括记忆力、理解力、执行功能和视觉空间能力下降，但常规结构磁共振成像往往难以检测到明显异常。

为了深入探究肥胖青少年脑结构网络的改变，南京医科大学附属儿童医院放射科的研究团队开展了一项前瞻性观察研究，成果发表在《Brain Research Bulletin》上。该研究创新性地采用图论分析方法，旨在揭示肥胖青少年脑结构网络拓扑属性的异常变化，为理解肥胖影响认知功能的神经机制提供新的影像学证据。

研究团队采用了多项关键技术方法：首先，前瞻性纳入了2023年1月至2024年4月期间就诊的86名肥胖青少年（包括60名单纯肥胖组和26名肥胖伴代谢综合征组）以及24名健康对照志愿者。所有参与者均接受了头部DTI扫描、人体测量学评估和血液检测。利用Gretna工具箱在MATLAB平台上进行DTI数据预处理，包括去噪、伪影校正、脑组织提取和配准。基于自动化解剖标记(AAL)90图谱，通过确定性纤维追踪构建全脑结构网络，采用固定密度阈值法进行网络密度标准化。最后，运用图论计算全局属性（小世界属性(σ)、聚类系数(C_p)、特征路径长度(L_p)、全局效率(E_g)、局部效率(E_loc)）、节点属性（节点效率(N_e)、节点度(D_c)、中介中心性(B_c)）以及模块化分析。

3.1. 人口统计学和临床数据

三组参与者在性别、年龄或空腹血糖(FBG)方面无显著差异。但在身高、体重、BMI、腰围、舒张压(DBP)、收缩压(SBP)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)等方面存在显著差异。与对照组相比，肥胖组和代谢综合征组在体脂率(TBF)、甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、天冬氨酸氨基转移酶(AST)、空腹胰岛素(FINS)方面表现出显著差异。

3.2. 脑网络拓扑属性在三组间的比较

3.2.1. 三组间全局属性的差异

小世界属性(σ)、特征路径长度(L_p)和全局效率(E_g)在三组间无显著差异。然而，聚类系数(C_p)和局部效率(E_loc)存在组间差异，肥胖组的C_p和E_loc值均显著低于对照组。这表明肥胖青少年的脑结构网络在局部信息处理效率方面存在明显受损。

3.2.2. 三组间节点属性的差异

节点水平分析发现，左侧额下回三角部、右侧岛叶、右侧楔前叶等脑区的节点属性存在显著差异。具体而言，肥胖组在左侧额下回三角部、右侧岛叶和右侧楔叶的节点效率(N_e)显著高于对照组；在左侧额下回三角部和右侧岛叶的节点度(D_c)也显著增高；而右侧岛叶的中介中心性(B_c)在肥胖组显著升高，左侧枕下回和左侧楔前叶的B_c值则显著降低。这些异常脑区主要涉及自我意识、认知控制、情绪调节和感觉运动功能。

3.3. 模块化分析

模块化分析显示，肥胖组联合皮层(模块2)与边缘系统(模块4)之间的连接强度显著高于对照组。这种连接增强可能反映了肥胖状态下脑网络的功能重组或代偿机制，但也可能提示网络调节功能的异常。

3.4. 相关性分析

相关性分析发现，局部效率(E_loc)与体脂率(TBF)呈负相关(β = -0.227, p = 0.036)，模块化属性与空腹胰岛素(FINS)也呈负相关(β = -0.293, p = 0.006)。这些结果表明肥胖程度和胰岛素抵抗与脑结构网络的拓扑属性改变密切相关。

本研究通过图论分析揭示了青少年肥胖对脑结构网络拓扑属性的显著影响。研究发现肥胖青少年的脑结构网络呈现出聚类系数(C_p)和局部效率(E_loc)降低的特征性改变，表明局部信息处理效率受损。节点水平分析发现多个脑区存在异常，特别是涉及认知控制、情绪调节和感觉运动功能的脑区。模块化分析显示联合皮层与边缘系统连接增强，可能反映了肥胖状态下脑网络的功能重组。此外，研究还发现这些网络属性改变与体脂率(TBF)和空腹胰岛素(FINS)水平密切相关，提示代谢因素在脑网络改变中起着重要作用。

这些发现为理解肥胖影响认知功能的神经机制提供了重要线索。脑结构网络的拓扑属性异常可能构成了肥胖青少年认知功能障碍的神经基础，特别是在自我意识、认知控制、情绪调节和感觉运动功能方面。该研究不仅填补了基于中国人群的肥胖青少年脑网络研究空白，也为早期识别和干预肥胖相关认知障碍提供了潜在的神经影像学生物标志物。未来研究可结合多模态影像技术和行为学评估，进一步探索脑网络改变与具体认知功能障碍之间的因果关系，为制定针对性的干预策略提供更多科学依据。