Cell 子刊：自闭症社交障碍的最新环路机制
近日，来自美国田纳西大学健康科学中心解剖学和神经生物学系的Il Hwan Kim教授团队在Cell Reports 杂志在线发表了题为“Neural circuit pathology driven by Shank3 mutation disrupts social behaviors”的研究，揭示了自闭症谱系障碍风险因子Shank3突变驱动的社会行为缺陷背后的致病神经环路机制。
社交障碍是许多神经疾病中观察到的最常见且具有破坏性的症状之一，包括精神分裂症、抑郁症和自闭症谱系障碍(ASD)，而后者通常与风险基因突变有关。然而由于缺乏对风险基因如何改变神经系统以影响社会行为的了解，对受损的社会行为的治疗方法有限。
以前对人类和非人类灵长类动物的研究表明，社会行为是由多个大脑区域参与的大型分布式神经网络调节。尽管已经有了在整脑、特定脑区或特定细胞类型水平上操纵风险基因的动物模型，但人们对这些基因如何影响涉及社会行为的特定神经环路知之甚少。
为了解决我们知识中的这一差距，需要一种神经环路水平的策略来破译风险基因驱动的社会缺陷背后的网络机制。因此，本文中作者通过在体内操纵特定神经环路中的ASD风险基因来开发区域间神经连接方法。
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PFC-BLA神经环路中
的Shank3突变
作者开发了一种先进的环路特异性Cre表达系统，实现了Cre在单向中的稳健、高度特异性和环路选择性表达神经环路（图1A）。
通过在PFC-BLA环路中删除SHANK3的主要同种型并可视化突变环路（图1B），作者在PFC的细胞体（图1D）和纹状体、BLA中的轴突纤维（图1E-1G）中发现了Cre报告的tdTomato信号，证实了Cre在单向PFC到BLA环路中的独特表达。
图1 Shank3突变改变了PFC-BLA环路中的神经元形态
Shank3突变改变了
PFC-BLA环路中神经元的形态
通过对包含PFC的清晰脑切片进行三维重建和分析发现，与对照组相比，Shank3 ctMUT组小鼠的初级树突数量显著减少(图1H和1I)。对树突棘的分析(图1J)显示，与对照组相比，ctMUT组小鼠的突棘密度增加(图1K)，突棘长度(图1L)和突棘头部大小(图1M)减少。
由于Shank3基因只在PFC-BLA环路中发生突变，这些形态变化可能是由环路神经元上的自主Shank3突变效应引起的，而不是由大脑中其他细胞的影响引起的。
SHANK3 ctMUT
改变PFC-BLA环路兴奋性
和抑制性突触后传递
作者研究了Shank3缺失对分离的PFC-BLA环路神经元电生理特性的影响。作者标记了ctMUT和WT环路神经元(图2A)，并在含有PFC区的脑片上对tdTomato标记环路神经元进行全细胞膜片钳记录(图2B)。
结果显示ctMUT神经元的平均mEPSC幅度、频率显著高于WT神经元(图2D-2G)。同时ctMUT神经元的mIPSC波幅明显低于WT神经元(图2J)。CtMUT神经元的mIPSC频率也显著降低(图2K-2L)。
综上所述，这些结果表明Shank3 ctMUT PFC-BLA神经元兴奋性突触传递增加，抑制性突触传递减少。
图2 Shank3 ctMUT改变PFC-BLA环路神经元的突触后传递
PFC-BLA环路中的
SHANK3 ctMUT
干扰社交能力并改变神经活动
作者同时监测了PFC-BLA=环路中的社会行为和神经元活动（3A）。带有社交刺激（社交阶段；图3C）的RSA测试显示，Shank3ctMUT 小鼠对社会刺激的总嗅觉较少（图3D），每回合的平均嗅探持续时间较短（图3E）。
同时，在空测试和社交测试中，与WT神经元相比，ctMUT神经元中的Ca2+信号幅度和幅度变化显着增加（图3K-3L），且Ca2+瞬态振幅的变化与Ca2+瞬态的振幅正相关（图3M）。
图3 Shank3 PFC-BLA ctMUT破坏社交能力并诱导神经过度活跃
人类ASD患者表现出高度连接
且mPFC和杏仁核之间的
功能连接可变性增加
作者分析了来自ASD和对照个体的静息状态功能磁共振成像数据 (图4A-4B)。发现ASD患者在静态(图4C)和动态(图4D)水平上显示出比对照组更高的mPFC-杏仁核功能连接。且mPFC-杏仁核连接具有特异性(图4C和4D)。
这些结果表明，PFC-BLA环路的高活性和变异性不仅限于Shank3 ctMUT小鼠模型，而且可能是人类ASD的主要神经特征之一。
图4 人类ASD患者显示PFC-BLA高度连接和连接变异性
SHANK3 ctMUT
降低PFC-BLA环路活动
与社会行为的时间相关性
作者计算了神经元的Ca2+轨迹与行为向量之间的相关关系，并对社会行为的三个子类进行了分析：进入S区、嗅探和相互嗅探（图5B-D）。结果显示大多数针对社会刺激的行为调整神经元与在没有社会刺激的情况下调整的神经元不同。
同时为了确定神经活动与社会行为之间的关系，作者进行实验后发现Shank3 ctMUT诱导环路过度活跃和可变性，这可能会中断神经活动和社会行为之间的时间相关性（图5E-L）。
图5 Shank3 ctMUT降低了PFC-BLA环路活动与嗅探行为的时间相关性
SHANK3 ctMUT增强神经活性
与社会行为持续时间成正比
作者分析了嗅探-ON神经元的最大归一化峰值幅度与峰值出现的嗅探回合持续时间之间的关系，揭示它们在WT和ctMUT组中彼此呈正相关（图6)。这些结果表明，神经活动的幅度不是随机的，而是与社交行为的持续时间成正比，Shank3 ctMUT增强了这种持续时间。
图6 SHANK3 ctMUT增强神经活动与社会行为的持续时间成正比
光遗传通路激活
模拟Shank3ctMUT小鼠的社会缺陷
并通过通路失活部分挽救
作者通过在RSA的社交互动过程中条件激活PFC-BLA环路神经元来模拟Shank3 ctMUT 神经元嗅探的平均和最长持续时间因视觉刺激而显着减少（图7D-7E），但总嗅探持续时间不受影响（图7C）。同时相互嗅探行为的平均持续时间显着减少（图7J）。这些结果表明PFC-BLA环路神经元的过度活跃会破坏稳定的社交互动。
图7 条件性PFC-BLA环路激活扰乱社会行为
总 结
综上所述，此篇研究的结果揭示了特定神经环路中ASD风险基因Shank3的基因突变如何影响神经元信号和功能连接，并导致社交行为受损。特定于环路的方法有望更准确地识别特定物种背后的神经机制。
参考文献
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.
编译作者：Leo Ray（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）