相信看過電影《海洋天堂》的人，總能為影片中溫暖的父子情潸然淚下，這動人的背后是影片想要喚起公眾對自閉癥的重視。自閉癥，又稱孤獨癥，是一種兒童先天性的嚴重的神經(jīng)發(fā)育性疾病，發(fā)病率約1%，致殘率高，主要癥狀為社會交往障礙、語言障礙和行為刻板反復(fù)，不小比例還伴有智力障礙。自閉癥至今沒有有效的治療方法，臨床上行為訓(xùn)練和康復(fù)方式的效果不確定。
當?shù)貢r間3月1日，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《神經(jīng)元》上線了浙江大學(xué)羅建紅教授團隊的關(guān)于自閉癥小鼠模型社交行為的研究，題為“Gamma Oscillation Dysfunction in mPFC Leads to Social Deficits in Neuroligin 3 R451C Knockin Mice”。
這項研究結(jié)果表明，內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)一種特定式樣的腦電波異常導(dǎo)致自閉癥模型小鼠出現(xiàn)社交障礙，在成年期通過操縱該皮質(zhì)的特定類型神經(jīng)元可恢復(fù)這種腦電波并克服社交障礙。這個發(fā)現(xiàn)可能還適用于其他自閉癥模型，并且提示了成年期治療自閉癥的可行性。這一發(fā)現(xiàn)或為人類自閉癥治療帶來新的思路。
這項為期四年半的研究工作出自浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系，共同第一作者是博士研究生曹蔚和林燊，共同通訊作者是羅建紅教授和許均瑜副教授。
自閉癥小鼠治療前后示意圖：
圖片以中國剪紙的風(fēng)格展示了自閉癥模型小鼠光遺傳治療前后的兩種狀態(tài)。左邊的兩只小鼠在社交時由于腦電波異常不能順利交流，所以失落驚慌。但是，當接受了特定頻率的光遺傳刺激治療，小鼠們開始載歌載舞了。音符代表了mPFC中的腦電波振蕩，右邊的音符強調(diào)了theta-gamma節(jié)律。
研究發(fā)現(xiàn)NL3小鼠自閉癥源于PV抑制性神經(jīng)元興奮性下降
在線《人類孟德爾遺傳》數(shù)據(jù)庫顯示，近30種核心基因的改變可能導(dǎo)致自閉癥，并且這些基因的功能多與突觸的功能有關(guān)。突觸作為神經(jīng)元之間通訊的功能性結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了神經(jīng)元之間相互聯(lián)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
羅建紅解釋道：“神經(jīng)連接素（NL）是一種把突觸前后結(jié)構(gòu)更好‘粘’在一起的蛋白質(zhì)分子，它使神經(jīng)元之間的信息傳遞的得以正常進行。已知神經(jīng)連接素基因的突變可能導(dǎo)致自閉癥，因此我們的研究就是從NL3基因突變的自閉癥小鼠模型開始?！?/p>
●小鼠的社交行為如何度量？
人類社會的社交是指人與人的交際往來，是人們運用一定的方式傳遞信息、交流思想，以達到某種目的的社會各項活動。天性愛群居的小鼠也有復(fù)雜的社交行為，表現(xiàn)為相互嗅探、追逐、發(fā)聲等。
羅建紅團隊通過三廂社交模式開展研究，讓小鼠在陌生環(huán)境中相互靠近并嗅探彼此，從而測量單位時間內(nèi)，嗅探的次數(shù)和累計時長，進而度量自閉癥小鼠的社交障礙。
KI小鼠在第三個階段沒有表現(xiàn)出對新加入的陌生鼠2的偏好性，即社交趨新缺陷。
●實驗一：發(fā)現(xiàn)小鼠前額葉皮層與社交行為有關(guān)
特定行為由腦內(nèi)特定的神經(jīng)元活動所支配，神經(jīng)元活動后細胞內(nèi)會留下特定的標志物，科學(xué)家可以通過追蹤這些志物并建立與特定行為的關(guān)聯(lián)。
課題組假設(shè)小鼠在進行社交時，大腦某個部位的神經(jīng)元會發(fā)出社交活動的指令。通過分子痕跡的回溯及比較正常小鼠與自閉癥小鼠的差異，課題組發(fā)現(xiàn)在社交時自閉癥小鼠前額葉皮層存在異常。
左圖：三廂行為學(xué)和分子痕跡檢測的實驗設(shè)計圖。右圖：社交趨新組中WT和KI小鼠mPFC各亞腦區(qū)的分子痕跡。
●實驗二：發(fā)現(xiàn)NL3自閉癥與前額葉皮層中的PV神經(jīng)元異常有關(guān)
在確定了關(guān)聯(lián)腦區(qū)后，接下來需要定位到更小的結(jié)構(gòu)單位，即從細胞層面找到異常的根源，探索基因變異對細胞功能的改變。
前額葉組織主要有兩種神經(jīng)元類型：具有興奮性的主神經(jīng)元和具有抑制性的中間神經(jīng)元，神經(jīng)元相互連接形成功能網(wǎng)絡(luò)。課題組發(fā)現(xiàn)是一種表達小清蛋白（PV）的神經(jīng)元出現(xiàn)了問題。PV神經(jīng)元是一類代表性的抑制性神經(jīng)元，代表了高代謝和高電活動的亞群，分布較廣泛，該神經(jīng)元是低頻gamma振蕩腦電波的細胞基礎(chǔ)。
“尋找并確定缺陷來自于PV神經(jīng)元，自閉癥小鼠的PV神經(jīng)元興奮性下降，不易放電，課題組花了較長的一段時間?！绷_建紅說，“這就好比在大腦復(fù)雜的集成電路系統(tǒng)中，要尋找到具體是哪一種元件出現(xiàn)了問題，而要確定某種神經(jīng)元的功能異常往往需要多種精致的電生理實驗，很耗時?！?/p>
PV中間神經(jīng)元（快速發(fā)放FS）響應(yīng)同等去極化電流的動作電位個數(shù)減少，即興奮性下降
●實驗三：發(fā)現(xiàn)PV神經(jīng)元的興奮性下降導(dǎo)致低頻gamma震蕩波異常
以往的研究表明，腦電振蕩是局部神經(jīng)元放電的宏觀形式，與特定腦區(qū)執(zhí)行特定功能進而引發(fā)社交行為有著密切關(guān)系。正常小鼠在社交過程中，前額葉腦區(qū)低頻gamma振蕩腦電波變化明顯，能量變高，主神經(jīng)元放電時間與之明顯匹配。顯然，這是一種節(jié)律腦電引動社交信息編碼的機制，我們姑且稱之為“社交律動”。
課題組通過記錄分析自閉癥小鼠社交時前額葉皮層腦電，發(fā)現(xiàn)低頻gamma振蕩的幅值明顯下降，并與反映清醒時活動的theta振蕩失去時相偶聯(lián)關(guān)系，主神經(jīng)元放電時間上與之不能匹配，這些都提示自閉癥小鼠前額葉皮層在社交時信息整合和處理的異常。羅建紅解釋說：“這就好像指揮社交的司令部自身工作節(jié)奏被打亂，發(fā)出社交指令也混亂了?！?/p>
“低頻gamma振蕩的產(chǎn)生，往往提示局部PV神經(jīng)元群體性同步化放電?！绷_建紅表示，“由此課題組得出結(jié)論，當PV神經(jīng)元出現(xiàn)異常時，小鼠神經(jīng)元放電發(fā)生紊亂，gamma頻段振蕩受損，進而引起小鼠社交行為異常。”
自閉癥小鼠研究是揭示人類自閉癥的一面鏡子
光遺傳學(xué)技術(shù)通常是指結(jié)合光學(xué)與遺傳學(xué)手段，精確控制特定神經(jīng)元活動的技術(shù)。科學(xué)家們可以通過控制光照的波長、時間、頻率等條件就可以控制細胞上的光敏感通道蛋白的激活與關(guān)閉，從而有效激活或抑制神經(jīng)元活動，或者精確控制神經(jīng)元以特定頻率進行活動。
●實驗四：光遺傳學(xué)技術(shù)驗證找到的特定腦區(qū)和特定類型神經(jīng)元
在尋找到PV神經(jīng)元是以神經(jīng)連接素NL3基因突變自閉癥小鼠模型的疾病基礎(chǔ)后，課題組通過光遺傳學(xué)技術(shù)，按照低頻gamma/theta振蕩式樣刺激該小鼠在內(nèi)側(cè)前額葉皮層的PV神經(jīng)元，小鼠的社交行為缺陷就有效得到恢復(fù)，好似用“信息密鑰”打開了“社交律動”。課題組通過光遺傳學(xué)技術(shù)進一步驗證了前額葉皮層和PV神經(jīng)元調(diào)控小鼠的社交行為。值得一提是，只有合適頻率組合刺激PV細胞才能有效恢復(fù)社交功能，這是個獨特的發(fā)現(xiàn)！
在前額葉皮層PV神經(jīng)元中注射表達光敏感通道病毒，并埋入光纖，待小鼠恢復(fù)后做結(jié)合光遺傳的三廂社交實驗
羅建紅團隊表示，通過前述的發(fā)現(xiàn)提示，可以通過精準調(diào)控特定神經(jīng)元的活性來治療自閉癥，且由于實驗?zāi)Ｐ褪笠呀?jīng)成年，該手段對于成年的自閉癥動物仍可具有治療效果。羅建紅團隊認為，如果人類自閉癥有相似的機制，則可以通過物理或藥物手段提高人的前額葉PV神經(jīng)元功能，以重建前額葉低頻振蕩，達到改善自閉癥患者的社交能力的目的。作為核心癥狀的社交缺陷的改善，可能還會對自閉癥兒童智力和語言發(fā)育具有積極意義。
一位匿名評審專家表示，這項研究的新穎性基于這樣的論證：存在特定的皮層區(qū)域與特定行為相關(guān)，并且作者發(fā)現(xiàn)該區(qū)域中g(shù)amma振蕩改變和PV中間神經(jīng)元異常，從而提供了行為、腦網(wǎng)絡(luò)改變和自閉癥相關(guān)的基因突變之間的聯(lián)系。
●為什么課題組從小鼠的自閉癥治療或可推論到人？
這是因為，該研究的基礎(chǔ)就是將從自閉癥患者中鑒定的到神經(jīng)連接素基因突變，通過遺傳工程技術(shù)復(fù)制到小鼠模型中，該小鼠也表現(xiàn)類似自閉癥的行為異常，存在社交障礙。
簡單說來，小鼠的遺傳缺陷的基礎(chǔ)信息來源于人的自閉癥患者。與人類一樣，小鼠也有NL3基因，其在神經(jīng)發(fā)育中的功能也相似，這是推論的科學(xué)基礎(chǔ)。
羅建紅表示，科學(xué)家研究疾病動物模型，就好像是想用一面鏡子來折射出人類疾病的發(fā)病機制，但因為進化上的差異，用小鼠模型得出的有關(guān)腦高級功能的結(jié)論是否適用于人類還需要更多的研究加以驗證。
該研究主要受國家自然科學(xué)基金“情感和記憶的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)”重大計劃重點項目、創(chuàng)新團隊項目及面上項目的資助。
（文 柯溢能/攝影 盧紹慶）
