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本文采用双向两阶段最小二乘法（2SLS）和遗传工具变量分析，在406名中国儿童青少年中探究了肥胖与执行功能（EF）的因果关系。研究发现，较高的体重指数（BMI）是导致认知灵活性受损的显著因果因素，表现为持续反应（PR）增加、完成分类（CC）减少以及连线测试（TMT-A/B）耗时延长，而执行功能缺陷对肥胖则未显示出因果影响。敏感性分析进一步确认了肥胖损害认知灵活性这一通路的稳健性与单向性。本研究为肥胖对青少年认知健康的不良影响提供了遗传学层面的因果证据，强调了早期预防肥胖对于维护认知发展的重要性。
1. 引言
肥胖已成为全球主要的公共卫生挑战，尤其在儿童和青少年群体中，其患病率持续攀升。越来越多的证据表明，肥胖可能对大脑功能产生影响，特别是对执行功能。执行功能在儿童的学业表现、社会适应和心理健康中扮演着至关重要的角色。神经影像学研究提示，肥胖可能影响与执行功能密切相关的特定脑区（如前额叶皮层）的结构和功能。现有研究指出，肥胖可能通过诱发慢性低度全身性炎症、胰岛素抵抗和脑内脂肪积聚等生理机制损害认知功能。同时，也有观点认为执行功能缺陷可能是肥胖的易感因素。然而，由于方法学局限和潜在的混杂因素，肥胖与执行功能之间的因果关系尚未完全阐明。本研究旨在结合任务型测量与双向遗传工具变量分析设计，系统探讨肥胖与执行功能之间的双向因果联系。
2. 方法论
2.1 研究设计
研究首先通过斯皮尔曼相关和逻辑回归分析探讨了各项执行功能指标与四种体重指数指标之间的关联。随后，基于全基因组关联研究（GWAS）识别了与执行功能和体重指数相关的单核苷酸多态性（SNP）位点，并在研究人群中构建了多基因风险评分（PRS）。最后，进行双向遗传工具变量分析和敏感性分析，以探索这些性状间的因果关系。
2.2 数据来源与研究参与者
研究数据来源于中国辽宁省2024年肥胖相关慢性病家庭队列中6-18岁的儿童和青少年。初始纳入547名儿童，在排除相关缺失数据后，最终分析共包含406名儿童。
2.3 执行功能测量
为确保测量工具在中国儿童青少年中的等效性，所有执行功能评估均采用已发布的中文版本或经过中国大陆样本验证的文化适应方案。所有任务均在标准化计算机化格式下进行。具体而言，认知灵活性通过威斯康星卡片分类测验-64版（WCST-64）和连线测试（TMT）测量；工作记忆通过数字广度测验（DST）评估；抑制控制通过Stroop色词测验（SCWT）评估。
2.4-2.7 具体测验描述
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WCST-64：采用经过中国儿童青少年验证的计算机化64卡片版本评估认知灵活性，分析了总正确数、总错误数、持续反应数、持续错误数、非持续错误数、概念水平反应数、完成分类数和完成首个分类所需尝试数等八个原始分数。
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TMT：采用经过验证的中文方案，包含TMT-A（按顺序连接数字1-25）和TMT-B（在数字1-13和字母A-L之间交替连接）两部分。主要结果是完成时间（秒），并计算TMT差异分。
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DST：采用直接中文翻译的计算机化数字广度测验，反向广度分数反映了能按相反顺序准确回忆的最长序列。
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SCWT：采用本地化中文版本的Stroop色词测验，使用常见的中文颜色词与一致/不一致的颜色刺激配对。
2.8 超重与肥胖诊断及数据收集
体重指数计算为体重（kg）除以身高（m2）。超重和肥胖的定义依据中国肥胖工作组制定的年龄和性别特异性体重指数切点。人口学特征、体力活动、久坐行为和睡眠信息通过结构化问卷获取。
2.9 体力活动及其他变量评估
使用儿童体力活动问卷（PAQ-C）评估过去7天的体力活动水平。每日屏幕久坐时间通过问卷估算，将每日屏幕时间≥2小时定义为存在屏幕久坐风险行为。睡眠时长通过问题“过去一个月，您每晚睡多少小时和分钟？”进行估计，并根据教育部推荐睡眠时长定义睡眠不足。
2.10-2.13 血样采集、SNP检测与遗传工具变量选择
采集空腹静脉血，离心后保存血浆和分离外周血单核细胞。基于DNA产物峰面积生成SNP基因分型散点图并进行聚类分析，验证显示与1000基因组计划数据高度一致。从大规模GWAS中筛选与执行功能和肥胖相关的显著SNP，并应用严格的排除标准（如次要等位基因频率<5%、F统计量<10、基因分型失败、偏离哈迪-温伯格平衡等），最终保留21个与执行功能相关的SNP和12个与肥胖相关的SNP。经连锁不平衡分析和相关性分析后，选择三个执行功能相关SNP和一个肥胖相关SNP作为遗传工具变量。基于加性遗传模型，使用公式PRS = Σ(βi× SNPi)计算多基因风险评分，其中β为每个SNP的效应值，SNP为性状增加等位基因的数量。
2.14-2.15 统计分析
采用百分位数、均值（标准差）和中位数（四分位距）描述变量特征。使用t检验、曼-惠特尼U检验或皮尔逊卡方检验进行组间比较。采用双向两阶段最小二乘法（2SLS）评估执行功能与肥胖之间的因果关联。分析分为两个阶段：第一阶段，将内生变量对遗传工具变量进行回归，生成预测值；第二阶段，将这些预测值作为自变量放入回归模型，估计其对结局变量的因果效应。此方法用于评估两个方向的因果：1）执行功能→肥胖；2）肥胖→执行功能。分析包含两个主要调整模型：模型1调整年龄和性别；模型2在模型1基础上进一步调整体力活动、久坐行为和睡眠。作为敏感性分析，模型3在模型2基础上进一步调整了与因变量相关的遗传因素。为控制多重比较，采用错误发现率校正，显著性水平设定为校正后q值<0.05。
3. 结果
3.1 参与者特征与执行功能和体重指数变量的相关性分析
共406名儿童纳入研究，其中男孩占56.65%，平均年龄10.75岁。与非肥胖组相比，肥胖组在性别、体重指数、体力活动、睡眠等级和Stroop B错误数上存在显著差异。相关性分析显示，体重指数及其年龄性别标准化指标与执行功能的三个维度（工作记忆、抑制控制、认知灵活性）均存在显著关联。随着体重指数增加，认知灵活性呈整体下降趋势。当比较正常体重、超重和肥胖组时，抑制控制和认知灵活性随体重状态从正常到超重再到肥胖而逐步下降。
3.2 执行功能多基因风险评分与执行功能对肥胖风险的关联
采用2SLS方法，以执行功能多基因风险评分为工具变量，检验执行功能指标与肥胖风险间的因果关系。第一阶段分析显示，执行功能遗传工具变量与多个WCST-64指标显著相关。然而，在第二阶段分析中，无论调整模型1还是模型2，均未发现执行功能多基因风险评分或对数转换后的执行功能指标与肥胖风险存在显著因果关联。
3.3 肥胖基因、肥胖与执行功能风险的关联
使用2SLS方法，以SNP rs17817449为工具变量，研究肥胖与执行功能及其子域指标的因果关系。第一阶段分析显示，该遗传工具变量与肥胖显著相关。第二阶段分析表明，肥胖是WCST-64表现中持续反应数、持续错误数、完成分类数、完成首个分类所需尝试数等指标，以及TMT表现中TMT-A和TMT-B完成时间的显著影响因素。在多变量调整分析中，肥胖与持续反应数、持续错误数、完成首个分类所需尝试数呈显著负相关，与完成分类数呈显著正相关。对于TMT，肥胖与TMT-A和TMT-B呈显著负相关。这些关联在模型1和模型2中均保持稳健。在SCWT中，模型1显示肥胖与Stroop-A时间、Stroop-B时间、Stroop B-A时间差呈负相关，与Stroop-C时间差呈正相关，但这些关联在模型2中减弱。数字广度测验或Stroop-A时间与肥胖在任一模型中均无显著关联。肥胖与认知灵活性指标（持续错误数、TMT-A和TMT-B）的关联在经过错误发现率校正后依然显著。
3.4 敏感性分析
当进一步调整执行功能遗传风险评分后，肥胖与持续反应数、持续错误数、完成首个分类所需尝试数、TMT-A和TMT-B的负向关联，以及与完成分类数的正向关联，虽效应值略有减小，但仍具有统计学显著性。而之前观察到的与Stroop-B时间、Stroop-C错误数差等的关联则进一步减弱且不显著。这些结果表明，遗传因素可能部分影响肥胖对某些执行功能领域的作用，但与认知灵活性的强关联在经过充分调整后依然存在。肥胖与认知灵活性指标的关联在错误发现率校正后保持显著。
4. 讨论
4.1 与既往研究的比较
本研究结果与多项先前研究一致。肥胖与认知灵活性下降的显著关联，可能与肥胖诱导的慢性低度全身性炎症及前额叶皮层等功能异常有关。神经影像学研究也表明，肥胖可能改变与高级认知功能相关脑区的结构，导致认知灵活性下降。本研究的创新在于使用2SLS和遗传工具变量，为肥胖损害认知灵活性提供了因果证据。
4.2 执行功能缺陷与肥胖缺乏因果关系
与某些现有研究不同，本研究未发现执行功能缺陷与肥胖之间存在因果关系。这种差异可能源于研究设计、样本特征、分析方法的不同，或受文化背景、社会经济状况和健康行为等因素影响。
4.3 肥胖与认知灵活性关联的潜在生物学机制
肥胖对认知灵活性的负面影响可能涉及多种生物学机制。慢性低度炎症可能损害前额叶皮层，干扰神经传递和突触可塑性。胰岛素和瘦素抵抗等代谢功能障碍可能进一步损害大脑功能。此外，肥胖可能通过改变大脑灰质和白质结构，特别是减少前额叶和海马体的灰质体积，以及损害白质微结构，从而削弱认知灵活性。
4.4 遗传工具与统计效能
本研究的一个重要局限是遗传工具变量数量有限，这是由于在本地队列中为增强特异性而进行的严格筛选过程所致。依赖少量SNP使得效应估计不稳定，解释需谨慎。尝试使用多基因风险评分也因样本量较小和跨祖先遗传异质性导致工具强度弱。因此，主要分析结果应视为初步结论，需要在更大、祖先匹配的队列中进行验证。
4.5 研究优势与局限性
本研究的主要优势在于结合了2SLS方法与执行功能任务型评估。任务型测量提供了对执行功能的科学严谨评估，而2SLS方法有助于控制混杂、减少观察性研究偏倚并处理反向因果，从而得出更可靠的因果推断。研究聚焦儿童青少年群体，对理解肥胖对大脑发育的影响具有重要价值。局限性包括：使用的执行功能遗传工具源自欧洲血统GWAS，而体重指数工具源自亚洲血统GWAS，可能存在人群分层偏倚；样本量相对较小；结果在不同种族、文化和社会经济群体中的普适性有待验证；未考虑其他潜在中介或调节变量。
5. 结论
本研究采用2SLS方法，确立了肥胖对认知灵活性的负面影响。这些发现为理解肥胖与认知功能之间的复杂关系提供了重要的理论依据。结果表明，针对肥胖儿童的干预措施应优先考虑保护和增强其认知灵活性的策略。未来探索基因-环境交互作用以及肥胖-执行功能关系的中介效应，可能为制定个性化干预策略提供新视角。
