大脑的感觉开关与自闭症有着复杂的联系

脑机接口社区 2023-02-08

The following article is from Life博士 Author SARAHDEWEERDT

ILLUSTRATION BY JAMES LAMBERT

自2013年感觉差异(sensory differences)成为自闭症诊断标准的一部分以来，越来越多的自闭症研究人员被丘脑吸引，丘脑是位于大脑深处的卵形感觉中继站。研究已经证明，丘脑是一个重要的感觉过滤器，在自闭症患者中，它的功能可能有所不同，这有助于解释为什么一些自闭症患者对感觉刺激异常敏感(或有时被吸引)。

但它也表明，丘脑在自闭症中的作用超出了感官世界。新的研究表明，丘脑影响睡眠、社会认知、注意力和学习等多种功能。

加州斯坦福大学的精神病学和行为科学教授Antonio Hardan说:“丘脑在许多与自闭症有关的认知功能中发挥着作用，这也是为什么研究它的原因。”

对丘脑在自闭症中的作用的研究也扩大了对该区域结构的了解，将不同的功能分配给子区域，并阐明了它是如何与大脑的其他部分合作的。麻省理工学院大脑和认知科学教授冯国平(Guoping Feng)表示，丘脑与自闭症基因和特征之间的联系“让我们更加深入地思考丘脑的作用。”

有漏洞的过滤器:

长期以来，人们一直认为丘脑的工作是将来自眼睛、耳朵和其他感觉器官的信号传递到大脑皮层，即大脑的外层，在那里信息被处理。到2000年代中期，研究人员已经确定，来自丘脑的信号有助于确定发育中的老鼠大脑皮层的某些部分如何适应特定的感官刺激，从而强调了该结构在大脑成熟过程中的作用。

圣地亚哥州立大学的心理学教授拉尔夫·阿克塞尔·穆勒(Ralph-Axel Müller)说:“这确实表明丘脑可能在孤独症患者大脑皮层的非典型发育、非典型功能特化中起到一定作用。”

很快，科学家记录了自闭症患者的丘脑和大脑皮层之间的非典型交流。2006年，穆勒和他的团队报告称，自闭症患者在丘脑和部分皮层之间具有异常强大的功能连接——这是衡量两个大脑区域活动同步程度的指标。此后的其他研究表明，自闭症患者的丘脑和大脑皮层之间的连接发生了变化。

研究人员收集的大量证据表明丘脑对孤独症患者的异常感觉反应有贡献。例如，穆勒的团队在 2018 年报告说，丘脑和听觉皮层之间的联系越强，自闭症患者对声音就越敏感。一项针对 38 名儿童（其中一半患有自闭症）的研究显示，当自闭症儿童暴露在交通噪音和手臂上摩擦一块刺痒的织物时，他们的丘脑和大脑皮层之间的交流异常。

大脑化学物质的改变为丘脑在自闭症中的核心作用提供了更多支持。哈丹和他的同事在 2018 年报告说，自闭症患者的丘脑含有低水平的 N-乙酰天冬氨酸（一种神经元完整性的标志物），并显示出与对照组的其他化学差异。两年后，研究人员报告说，在成年自闭症患者的丘脑和前额皮质中，γ-氨基丁酸 (GABA) 的浓度可能存在缺陷，这是一种抑制大脑活动的信号分子。连接丘脑和大脑皮层的神经回路中低水平的 GABA 也与自闭症患者的感觉敏感性有关，在自闭症患者中，典型的感觉刺激变得令人烦恼或难以忍受。

麻省理工学院(MassachusettsInstitute of Technology)大脑和认知科学教授迈克尔·哈拉萨(Michael Halassa)说，缺乏 GABA 可能会使丘脑不仅对刺激更敏感，对所传递的信息的选择性也更低。也就是说，丘脑不仅是一个中继站，也是一个过滤器，负责放大重要的感官信息，过滤掉不重要的信息。Halassa说，“有漏洞的”丘脑过滤器可能有助于解释一些自闭症患者在聚会上难以集中注意力于某一特定对话，或者无法听清滴答滴答的时钟声。

这种过滤功能还有助于调节睡眠，部分是通过在人们睡觉时抑制感官输入。在睡眠期间不能过滤刺激的丘脑可能会引发失眠或其他睡眠问题，这在自闭症患者中很常见。根据圣地亚哥州立大学研究人员Inna Fishman和她的同事发表的研究报告，支持这一观点，丘脑和大脑皮层之间具有非典型强连接的自闭症儿童也往往比弱连接的自闭症儿童有更多的睡眠问题。

Social piece:

心理学家 AartiNair 自 2010 年代初成为 Müller 实验室的研究生以来，一直在研究自闭症患者丘脑和大脑皮层之间的功能连接。她的研究表明，丘脑和皮层的感觉区域之间存在一种过度连接的模式，而与社会认知、记忆和规划相关的区域（例如前额叶皮层）的连接不足。越来越多的证据表明，丘脑在自闭症中的作用延伸到情感、认知和社会行为的调节，这项工作是其中的一部分。

Nair 和她的同事在 9 月报告说，“Babysibs(婴儿同胞)”——有年长的自闭症同胞的孩子——在 6 周大时表现出这种丘脑和皮层之间连接改变的模式。 Nair 和 Müller 对年龄较大的儿童（7 至 17 岁）的早期研究将这种改变的联系与自闭症患者的社交困难以及他们的一些执行功能问题联系起来，其中包括顺畅社交互动所必需的冲动控制和认知灵活性。

对自闭症小鼠模型的研究也支持丘脑在社会行为中的作用。研究人员在 2017 年报告说，在三种自闭症小鼠模型中，连接前额叶皮层和一部分丘脑的回路中的活动比正常小鼠弱，并且与其中一种小鼠模型中的社会行为变化相关（其他两种模型中的社会行为尚未测试）。但令人惊讶的是，抑制电路——而不是增强其活动——可以缓解这些社会问题。

德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)神经病学和儿科学助理教授Audrey Brumback说:“这让我想到，‘天哪，也许我在大脑皮层层面看到的这些变化真的是代偿性变化。’”换句话说，皮质功能的改变可能是对大脑深处的非典型活动的补偿。这一想法还提出了一种新的治疗策略：也许在某些情况下，“我们并不是想要扭转大脑正在做的事情。事实上，我们可能想要提高这些东西。”

Brumback后来发现了一些与这些效应有关的特定神经元。她和她的同事发现，在一个自闭症小鼠模型中，一组从丘脑向前额皮质发送信号的神经元活动减弱。在对野生型小鼠的其他实验中，研究人员表明，激活连接内侧丘脑和内侧前额叶皮层的这些相同神经元会降低动物的社交能力。他们花更少的时间调查其他老鼠。综上所述，这些结果表明，来自丘脑的输入对于前额叶皮层调节社会行为是必要的。

其他研究人员推测，丘脑与前额叶皮层的对话也可能是自闭症患者兴趣受限和重复行为的基础。Hardan说，出现故障的丘脑可能无法抑制重复某一行为或专注于某件事的冲动。他正在通过寻找重复行为与丘脑和其他大脑区域大脑化学变化之间的关联来研究这一假设。

分而治之:

Brumback 和其他人也在努力了解丘脑的解剖结构，丘脑由许多亚单位或核组成。每个核都与大脑的特定部分有联系，并且可能具有可能影响特定自闭症特征的不同功能。“这是一个相对较小的结构，其职能组织非常复杂，”穆勒说。

Brumback的研究指出，背内侧丘脑(mediodorsal thalamus, MD)在社会行为中起着重要作用，而其他核似乎控制着学习、注意力和其他认知功能的各个方面。在2016年的一项研究中，Feng、Halassa和他们的同事们发现，丘脑网状核中缺乏与自闭症相关的基因PTCHD1的小鼠异常活跃，注意力不集中，这暗示着该子区域可能与注意力有关。Feng和他的同事在8月份的报告中指出，在另一个不同的核，即前背侧丘脑(anterodorsal thalamus)，敲除PTCHD1会导致小鼠的学习和记忆问题。干扰前背侧丘脑的其他几个自闭症基因也会产生类似的结果，进一步表明该结构的这一部分具有认知功能。