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近日，來自美國田納西大學健康科學中心解剖學和神經生物學系的Il Hwan Kim教授團隊在Cell Reports 雜志在線發(fā)表了題為“Neural circuit pathology driven by Shank3 mutation disrupts social behaviors”的研究，揭示了自閉癥譜系障礙風險因子Shank3突變驅動的社會行為缺陷背后的致病神經環(huán)路機制。

社交障礙是許多神經疾病中觀察到的最常見且具有破壞性的癥狀之一，包括精神分裂癥、抑郁癥和自閉癥譜系障礙(ASD)，而后者通常與風險基因突變有關。然而由于缺乏對風險基因如何改變神經系統(tǒng)以影響社會行為的了解，對受損的社會行為的治療方法有限。

以前對人類和非人類靈長類動物的研究表明，社會行為是由多個大腦區(qū)域參與的大型分布式神經網絡調節(jié)。盡管已經有了在整腦、特定腦區(qū)或特定細胞類型水平上操縱風險基因的動物模型，但人們對這些基因如何影響涉及社會行為的特定神經環(huán)路知之甚少。

為了解決我們知識中的這一差距，需要一種神經環(huán)路水平的策略來破譯風險基因驅動的社會缺陷背后的網絡機制。因此，本文中作者通過在體內操縱特定神經環(huán)路中的ASD風險基因來開發(fā)區(qū)域間神經連接方法。

PFC-BLA神經環(huán)路中的Shank3突變

作者開發(fā)了一種先進的環(huán)路特異性Cre表達系統(tǒng)，實現(xiàn)了Cre在單向中的穩(wěn)健、高度特異性和環(huán)路選擇性表達神經環(huán)路（圖1A）。

通過在PFC-BLA環(huán)路中刪除SHANK3的主要同種型并可視化突變環(huán)路（圖1B），作者在PFC的細胞體（圖1D）和紋狀體、BLA中的軸突纖維（圖1E-1G）中發(fā)現(xiàn)了Cre報告的tdTomato信號，證實了Cre在單向PFC到BLA環(huán)路中的獨特表達。

圖1 Shank3突變改變了PFC-BLA環(huán)路中的神經元形態(tài)

Shank3突變改變了PFC-BLA環(huán)路中神經元的形態(tài)

通過對包含PFC的清晰腦切片進行三維重建和分析發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，Shank3 ctMUT組小鼠的初級樹突數量顯著減少(圖1H和1I)。對樹突棘的分析(圖1J)顯示，與對照組相比，ctMUT組小鼠的突棘密度增加(圖1K)，突棘長度(圖1L)和突棘頭部大小(圖1M)減少。

由于Shank3基因只在PFC-BLA環(huán)路中發(fā)生突變，這些形態(tài)變化可能是由環(huán)路神經元上的自主Shank3突變效應引起的，而不是由大腦中其他細胞的影響引起的。

SHANK3 ctMUT改變PFC-BLA環(huán)路興奮性和抑制性突觸后傳遞

作者研究了Shank3缺失對分離的PFC-BLA環(huán)路神經元電生理特性的影響。作者標記了ctMUT和WT環(huán)路神經元(圖2A)，并在含有PFC區(qū)的腦片上對tdTomato標記環(huán)路神經元進行全細胞膜片鉗記錄(圖2B)。

結果顯示ctMUT神經元的平均mEPSC幅度、頻率顯著高于WT神經元(圖2D-2G)。同時ctMUT神經元的mIPSC波幅明顯低于WT神經元(圖2J)。CtMUT神經元的mIPSC頻率也顯著降低(圖2K-2L)。

綜上所述，這些結果表明Shank3 ctMUT PFC-BLA神經元興奮性突觸傳遞增加，抑制性突觸傳遞減少。

圖2 Shank3 ctMUT改變PFC-BLA環(huán)路神經元的突觸后傳遞

PFC-BLA環(huán)路中的SHANK3 ctMUT干擾社交能力并改變神經活動

作者同時監(jiān)測了PFC-BLA=環(huán)路中的社會行為和神經元活動（3A）。帶有社交刺激（社交階段；圖3C）的RSA測試顯示，Shank3ctMUT 小鼠對社會刺激的總嗅覺較少（圖3D），每回合的平均嗅探持續(xù)時間較短（圖3E）。

同時，在空測試和社交測試中，與WT神經元相比，ctMUT神經元中的Ca2+信號幅度和幅度變化顯著增加（圖3K-3L），且Ca2+瞬態(tài)振幅的變化與Ca2+瞬態(tài)的振幅正相關（圖3M）。

圖3 Shank3 PFC-BLA ctMUT破壞社交能力并誘導神經過度活躍

人類ASD患者表現(xiàn)出高度連接且mPFC和杏仁核之間的功能連接可變性增加

作者分析了來自ASD和對照個體的靜息狀態(tài)功能磁共振成像數據 (圖4A-4B)。發(fā)現(xiàn)ASD患者在靜態(tài)(圖4C)和動態(tài)(圖4D)水平上顯示出比對照組更高的mPFC-杏仁核功能連接。且mPFC-杏仁核連接具有特異性(圖4C和4D)。

這些結果表明，PFC-BLA環(huán)路的高活性和變異性不僅限于Shank3 ctMUT小鼠模型，而且可能是人類ASD的主要神經特征之一。

圖4 人類ASD患者顯示PFC-BLA高度連接和連接變異性

SHANK3 ctMUT降低PFC-BLA環(huán)路活動與社會行為的時間相關性

作者計算了神經元的Ca2+軌跡與行為向量之間的相關關系，并對社會行為的三個子類進行了分析：進入S區(qū)、嗅探和相互嗅探（圖5B-D）。結果顯示大多數針對社會刺激的行為調整神經元與在沒有社會刺激的情況下調整的神經元不同。

同時為了確定神經活動與社會行為之間的關系，作者進行實驗后發(fā)現(xiàn)Shank3 ctMUT誘導環(huán)路過度活躍和可變性，這可能會中斷神經活動和社會行為之間的時間相關性（圖5E-L）。

圖5 Shank3 ctMUT降低了PFC-BLA環(huán)路活動與嗅探行為的時間相關性

SHANK3 ctMUT增強神經活性與社會行為持續(xù)時間成正比

作者分析了嗅探-ON神經元的最大歸一化峰值幅度與峰值出現(xiàn)的嗅探回合持續(xù)時間之間的關系，揭示它們在WT和ctMUT組中彼此呈正相關（圖6)。這些結果表明，神經活動的幅度不是隨機的，而是與社交行為的持續(xù)時間成正比，Shank3 ctMUT增強了這種持續(xù)時間。

圖6 SHANK3 ctMUT增強神經活動與社會行為的持續(xù)時間成正比

光遺傳通路激活模擬Shank3ctMUT小鼠的社會缺陷并通過通路失活部分挽救

作者通過在RSA的社交互動過程中條件激活PFC-BLA環(huán)路神經元來模擬Shank3 ctMUT 神經元嗅探的平均和最長持續(xù)時間因視覺刺激而顯著減少（圖7D-7E），但總嗅探持續(xù)時間不受影響（圖7C）。同時相互嗅探行為的平均持續(xù)時間顯著減少（圖7J）。這些結果表明PFC-BLA環(huán)路神經元的過度活躍會破壞穩(wěn)定的社交互動。

圖7 條件性PFC-BLA環(huán)路激活擾亂社會行為

總 結

綜上所述，此篇研究的結果揭示了特定神經環(huán)路中ASD風險基因Shank3的基因突變如何影響神經元信號和功能連接，并導致社交行為受損。特定于環(huán)路的方法有望更準確地識別特定物種背后的神經機制。

參考文獻

Kim S, Kim YE, Song I, Ujihara Y, Kim N, Jiang YH, Yin HH, Lee TH, Kim IH. Neural circuit pathology driven by Shank3 mutation disrupts social behaviors. Cell Rep. 2022 Jun 7;39(10):110906. doi: 10.1016/j.celrep.2022.110906. PMID: 35675770.

編譯作者：Leo Ray（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

標簽：腦科學