Neuron:自闭症小鼠模型社交行为的研究

日期: 2018年03月22日


    

导读:近期,一项研究结果表明,内侧前额叶皮质一种特定式样的脑电波异常导致自闭症模型小鼠出现社交障碍,在成年期通过操纵该皮质的特定类型神经元可恢复这种脑电波并克服社交障碍。这个发现可能还适用于其他自闭症模型,并且提示了成年期治疗自闭症的可行性。赛业小编为您推荐“Neuron:自闭症小鼠模型社交行为的研究”,详情如下:

浙江大学医学院罗建红教授团队在神经科学领域顶级期刊《神经元》发表了关于自闭症小鼠模型社交行为的研究,文章题目为“Gamma Oscillation Dysfunction in mPFC Leads to Social Deficits inNeuroligin 3 R451C Knockin Mice”。


这项研究工作为期四年半,共同第一作者是博士研究生曹蔚和林燊,共同通讯作者是罗建红教授和许均瑜副教授。


这项研究结果表明,内侧前额叶皮质一种特定式样的脑电波异常导致自闭症模型小鼠出现社交障碍,在成年期通过操纵该皮质的特定类型神经元可恢复这种脑电波并克服社交障碍。这个发现可能还适用于其他自闭症模型,并且提示了成年期治疗自闭症的可行性。这一发现或为人类自闭症治疗带来新的思路。

 

图片以中国剪纸的风格展示了自闭症模型小鼠光遗传治疗前后的两种状态。

图片以中国剪纸的风格展示了自闭症模型小鼠光遗传治疗前后的两种状态。左边的两只小鼠在社交时由于脑电波异常不能顺利交流,所以失落惊慌。但是,当接受了特定频率的光遗传刺激治疗,小鼠们开始载歌载舞了。音符代表了mPFC中的脑电波振荡,右边的音符强调了theta-gamma节律。


研究发现NL3小鼠自闭症源于PV抑制性神经元兴奋性下降


在线《人类孟德尔遗传》数据库显示,近30种核心基因的改变可能导致自闭症,并且这些基因的功能多与突触的功能有关。突触作为神经元之间通讯的功能性结构,构建了神经元之间相互联系的神经网络。


罗建红解释道:“神经连接素(NL)是一种把突触前后结构更好‘粘’在一起的蛋白质分子,它使神经元之间的信息传递的得以正常进行。已知神经连接素基因的突变可能导致自闭症,因此我们的研究就是从NL3基因突变的自闭症小鼠模型开始。”


小鼠的社交行为如何度量?


人类社会的社交是指人与人的交际往来,是人们运用一定的方式传递信息、交流思想,以达到某种目的的社会各项活动。天性爱群居的小鼠也有复杂的社交行为,表现为相互嗅探、追逐、发声等。


罗建红团队通过三厢社交模式开展研究,让小鼠在陌生环境中相互靠近并嗅探彼此,从而测量单位时间内,嗅探的次数和累计时长,进而度量自闭症小鼠的社交障碍。

 

图片为三厢轨迹图
图片为三厢轨迹图,KI小鼠在第三个阶段没有表现出对新加入的陌生鼠2的偏好性,即社交趋新缺陷。


●实验一:发现小鼠前额叶皮层与社交行为有关


特定行为由脑内特定的神经元活动所支配,神经元活动后细胞内会留下特定的标志物,科学家可以通过追踪这些标志物并建立与特定行为的关联。


课题组假设小鼠在进行社交时,大脑某个部位的神经元会发出社交活动的指令。通过分子痕迹的回溯及比较正常小鼠与自闭症小鼠的差异,课题组发现在社交时自闭症小鼠前额叶皮层存在异常。

 

三厢行为学和分子痕迹检测的实验设计图和三厢行为学和分子痕迹检测的实验设计图
左图:三厢行为学和分子痕迹检测的实验设计图。
右图:社交趋新组中WT和KI小鼠mPFC各亚脑区的分子痕迹。


●实验二:发现NL3自闭症与前额叶皮层中的PV神经元异常有关


在确定了关联脑区后,接下来需要定位到更小的结构单位,即从细胞层面找到异常的根源,探索基因变异对细胞功能的改变。


前额叶组织主要有两种神经元类型:具有兴奋性的主神经元和具有抑制性的中间神经元,神经元相互连接形成功能网络。课题组发现是一种表达小清蛋白(PV)的神经元出现了问题。PV神经元是一类代表性的抑制性神经元,代表了高代谢和高电活动的亚群,分布较广泛,该神经元是低频gamma振荡脑电波的细胞基础。


“寻找并确定缺陷来自于PV神经元,自闭症小鼠的PV神经元兴奋性下降,不易放电,课题组花了较长的一段时间。”罗建红说,“这就好比在大脑复杂的集成电路系统中,要寻找到具体是哪一种元件出现了问题,而要确定某种神经元的功能异常往往需要多种精致的电生理实验,很耗时。”

 

PV中间神经元(快速发放FS)响应同等去极化电流的动作电位个数减少,即兴奋性下降
PV中间神经元(快速发放FS)响应同等去极化电流的动作电位个数减少,即兴奋性下降


●实验三:发现PV神经元的兴奋性下降导致低频gamma震荡波异常


以往的研究表明,脑电振荡是局部神经元放电的宏观形式,与特定脑区执行特定功能进而引发社交行为有着密切关系。正常小鼠在社交过程中,前额叶脑区低频gamma振荡脑电波变化明显,能量变高,主神经元放电时间与之明显匹配。显然,这是一种节律脑电引动社交信息编码的机制,我们姑且称之为“社交律动”。


课题组通过记录分析自闭症小鼠社交时前额叶皮层脑电,发现低频gamma振荡的幅值明显下降,并与反映清醒时活动的theta振荡失去时相偶联关系,主神经元放电时间上与之不能匹配,这些都提示自闭症小鼠前额叶皮层在社交时信息整合和处理的异常。罗建红解释说:“这就好像指挥社交的司令部自身工作节奏被打乱,发出社交指令也混乱了。”


“低频gamma振荡的产生,往往提示局部PV神经元群体性同步化放电。”罗建红表示,“由此课题组得出结论,当PV神经元出现异常时,小鼠神经元放电发生紊乱,gamma频段振荡受损,进而引起小鼠社交行为异常。”


自闭症小鼠研究是揭示人类自闭症的一面镜子


光遗传学技术通常是指结合光学与遗传学手段,精确控制特定神经元活动的技术。科学家们可以通过控制光照的波长、时间、频率等条件就可以控制细胞上的光敏感通道蛋白的激活与关闭,从而有效激活或抑制神经元活动,或者精确控制神经元以特定频率进行活动。


●实验四:光遗传学技术验证找到的特定脑区和特定类型神经元


在寻找到PV神经元是以神经连接素NL3基因突变自闭症小鼠模型的疾病基础后,课题组通过光遗传学技术,按照低频gamma/theta振荡式样刺激该小鼠在内侧前额叶皮层的PV神经元,小鼠的社交行为缺陷就有效得到恢复,好似用“信息密钥”打开了“社交律动”。课题组通过光遗传学技术进一步验证了前额叶皮层和PV神经元调控小鼠的社交行为。值得一提是,只有合适频率组合刺激PV细胞才能有效恢复社交功能,这是个独特的发现!

 

在前额叶皮层PV神经元中注射表达光敏感通道病毒,并埋入光纤,待小鼠恢复后做结合光遗传的三厢社交实验。在前额叶皮层PV神经元中注射表达光敏感通道病毒,并埋入光纤,待小鼠恢复后做结合光遗传的三厢社交实验。


罗建红团队表示,通过前述的发现提示,可以通过精准调控特定神经元的活性来治疗自闭症,且由于实验模型鼠已经成年,该手段对于成年的自闭症动物仍可具有治疗效果。罗建红团队认为,如果人类自闭症有相似的机制,则可以通过物理或药物手段提高人的前额叶PV神经元功能,以重建前额叶低频振荡,达到改善自闭症患者的社交能力的目的。作为核心症状的社交缺陷的改善,可能还会对自闭症儿童智力和语言发育具有积极意义。

 

罗建红教授团队
罗建红教授团队


一位匿名评审专家表示,这项研究的新颖性基于这样的论证:存在特定的皮层区域与特定行为相关,并且作者发现该区域中gamma振荡改变和PV中间神经元异常,从而提供了行为、脑网络改变和自闭症相关的基因突变之间的联系。


从小鼠的自闭症治疗或可推论到人?


这是因为,该研究的基础就是将从自闭症患者中鉴定的到神经连接素基因突变,通过遗传工程技术复制到小鼠模型中,该小鼠也表现类似自闭症的行为异常,存在社交障碍。


简单说来,小鼠的遗传缺陷的基础信息来源于人的自闭症患者。与人类一样,小鼠也有NL3基因,其在神经发育中的功能也相似,这是推论的科学基础。


罗建红表示,科学家研究疾病动物模型,就好像是想用一面镜子来折射出人类疾病的发病机制,但因为进化上的差异,用小鼠模型得出的有关脑高级功能的结论是否适用于人类还需要更多的研究加以验证。


该研究主要受国家自然科学基金“情感和记忆的神经环路基础”重大计划重点项目、创新团队项目及面上项目的资助。


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