基于fMRI的执行功能与手术减肥效果关系及作用机理研究

Bariatric surgery is the primary effective treatment of severe obesity. However, there is significant individual difference in weight loss and part of people regain weight. Some studies have indicated an association between executive function and weight change after surgery. Little is known about the interaction between executive function and weight loss after surgery, and the neural mechanism underlying such interaction remains unclear. Based on the hypotheses that weight loss after bariatric surgery is associated with the activation alteration of brain cortices for executive function. We record the executive function, physiology indexes, mental health status and eating behaviors before laparoscopic sleeve gastrectomy (LSG) surgery and 3, 6, 12, 18, 24 months after surgery. We plan to investigate the relationship between executive function and the other indexes of weight loss. Meanwhile, we utilize functional magnetic resonance imaging (fMRI) tasks on executive function and on food pictures processing to explore the association between the activation pattern of brain executive inhibition cortices and the weight loss. We also plan to calculate the functional connectivity and effective connectivity between the prefrontal cortices for executive function and brain reward system, as well as between the prefrontal cortices for executive function and dorsal striatum. We also analyze the relationship between these connectivity pattern and weight loss by using of longitudinal regression models, to explore the neural mechanism underlying the association between executive function and weight loss after surgery. The current study will provide clinical and theoretical support to the improvement of appropriate treatment and development of new weight loss methods.

外科手术减肥是治疗重度肥胖的唯一有效方法，但手术效果存在比较明显的个体差异，部分被试存在体重反弹。已有研究初步发现执行控制功能与术后体重存在关联，但具体作用模式和神经机理尚不清楚。我们假设Bariatric手术减肥的效果与大脑执行控制皮层的活动模式变化显著相关。在进行袖套式胃减肥手术（LSG）手术前和术后3个月、6个月、12个月、18个月和24个月，跟踪记录被试执行控制功能、生理（体重）指标、心理健康状态和进食行为，从多个维度分析执行控制功能与手术减肥效果的关系。同时，借助功能核磁共振成像（fMRI）实验，阐明大脑执行控制皮层活动模式与手术减肥效果的联系，揭示大脑执行控制系统和大脑中脑边缘奖赏系统、背侧纹状体在食物刺激任务中的功能和有效连接模式变化对术后减肥效果的意义。本项研究将为手术减肥调节体重的神经机制提供新的论证思路和依据，为相应治疗措施的开发提供临床实践与理论支持。

外科手术减肥是治疗重度肥胖的有效方法，但手术效果存在明显的个体差异，部分被试存在体重反弹。已有研究发现执行控制功能与术后体重存在关联，但具体作用模式和神经机理尚不清楚。本项目借鉴经典执行功能实验，以食物刺激图片设计相关任务，使用核磁共振成像技术记录被试在手术前后的大脑活动模式和结构变化。研究结果显示：1）海马术后一个月的低频振荡幅度显著降低，同时楔前叶的低频振荡幅度显著增加，楔前叶与外背侧前额叶皮层功能连接强度增加。手术后海马活动水平的改变说明了手术减肥调整了被试对进食行为的内在记忆。手术后楔前叶和背外侧前额皮层功能连接强度增加，说明被试参与内在的自我信息加工与执行控制的大脑皮层之间的沟通增强。2）袖状胃切除手术降低了参与自我参照加工的大脑皮层（腹内侧前额皮层、后扣带回\楔前叶）的功能连接密度，同时增强了上述脑区与大脑执行控制系统（背外侧前额叶皮层和尾状核）的功能连接强度，说明执行控制脑区在手术后更大程度上参与了进食行为的自我控制过程。3）面对高热量食物刺激，外背侧前额叶皮层手术后的活动水平降低，说明被试对高热量食物的渴求调控下降。同时，外背侧前额叶与腹侧前扣带回功能连接增强，说明手术后认知控制对冲动性进食行为的抑制作用增强。4）袖状胃切除手术后，负责自我对照的楔前叶皮层厚度降低，参与大脑执行控制功能的额上回、额中回、前扣带回的皮层厚度增加。同时，身体质量指数变化与楔前叶的皮层厚度降低显著相关，与额上回皮层厚度增加显著相关，说明负责大脑执行控制的脑区功能与胃部手术的体重降低效果存在显著关联。综上所述，袖状胃切除手术调整前额叶执行控制皮层、默认大脑网络自我参照加工脑区和海马的功能活动与连接模式，上述脑区在袖状胃切除手术后活动模式的改变与身体质量指数改变存在直接关联。本项目揭示了手术前后大脑执行控制网络的活动模式变化，为后续针对手术减肥患者进一步制定基于认知控制行为学的干预方式提供了依据。