超维景微型化双光子显微镜|助力揭示孤独症小鼠社交行为缺陷的神经编码机制

2022-09-02 17:36:49 浏览:520

 

近日,军事医学研究院认知与脑科学研究所吴海涛团队、北京大学未来技术学院陈良怡团队、北京大学前沿交叉学科研究院张珏团队联合在 Science Advances 期刊发表题为 Encoding of social novelty by sparse GABAergic neural ensembles in the prelimbic cortex 的研究论文。该工作前后历时6年多,通过综合利用动物行为学、行为依赖神经元活性化学操控、靶向特定神经元基因编辑及第二代微型化双光子显微成像等技术,揭示了自闭症模型小鼠社交行为缺陷背后的神经机制。

 

论文上线截图

(查看原文https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo4884

 

社交行为是在人类社会和个体中广泛存在的一种现象,对个体生存和人类社会繁衍至关重要。“喜新厌旧”似乎是绝大多数生物个体行为的本性,与陌生个体互动带来的新鲜感往往能给生活增添更多的惊喜。然而,由于存在不同程度的社交功能障碍,孤独症症谱系障碍(Autism spectrum disorder, ASD)患者往往不能体会到结识新朋友的快乐,也难以和陌生人进行正常的人际交往。那么,ASD患者脑内到底何种神经功能紊乱导致其产生“喜新厌旧”等社交行为缺陷的呢?针对该问题,研究团队以MECP2转基因(MECP2-TG)孤独症模型小鼠为研究对象,展开了一系列深入探索。

 

研究团队分别让头戴微型化双光子显微镜的野生型小鼠(WT)和孤独症模型小鼠(MECP2-TG)在改进的两箱社交行为学装置中自由探索(图1A and 1B),在小鼠进行社交探索行为的同时采集前额叶前边缘皮质(Prelimbic cortex, PrL)神经元钙荧光信号。行为学箱体两侧分别放有一只“陌生”小鼠(New)和一只“熟悉”小鼠(Old)。首先,研究人员发现,正常小鼠在社交上存在典型的“喜新厌旧”样行为,而MECP2-TG孤独症模型小鼠存在“喜新厌旧”行为缺陷(图1C)。

 

图1. (A)二代微型双光子显微镜装置图(B)小鼠行为学实验设计(C)社交探索时间统计结果

 

先前研究[1,2]认为,内侧前额叶PrL脑区编码和社交活动相关的多种行为信息。然而,目前有关PrL脑区是如何编码不同类型社交对象信息的仍不甚明了。研究人员借助WT和MECP2-TG孤独症模型小鼠,结合神经元胞体识别和功能集群发掘算法(图2A),首次发现了在小鼠PrL脑区内存在稀疏分布、特定响应“陌生”或“熟悉”小鼠社交偏好的抑制性中间神经元集群,分别将其命名为NewPNs(图2B)和OldPNs(图2C),它们就像区分不同社交对象的“指示灯”,会在遇到特定“陌生”或“熟悉”社交对象小鼠时特异性激活。

 

图2. 鉴定“陌生”和“熟悉”小鼠社交偏好特异性响应神经元,揭示其在MECP2-TG小鼠中的功能缺陷

 

独特的偏好响应模式引起了研究团队的兴趣。研究人员进一步利用钙信号定量分析范式,实现了对不同类型社交对象特异性偏好响应神经元的激活概率、钙信号幅度、达峰时间和功能连接强度等多种动力学特征和复杂网络参数的自动计算和统计。结果发现,同与“陌生”对象社交相比,与“熟悉”对象进行社交更能引起野生型小鼠OldPNs较之于NewPNs更加强烈的激活,这两种不同的细胞集群可通过“跷跷板”式协同增强效应,特异性调控小鼠的“喜新厌旧”行为。而孤独症模型小鼠OldPNs动力学却明显失去“熟悉”对象特异性激活的动力学特征,处理“熟悉”社交对象时效率显著减弱,导致其无法区分不同社交对象之间的差别,进而引发“喜新厌旧”样社交行为缺陷(图3)。

 

图3. 社交偏好特异性响应神经元集群钙信号动力学分析结果示意图

 

上述结果表明,在小鼠PrL脑区内存在一群稀疏分布的中间神经元集群,分别负责编码社交行为中的“熟悉”和“陌生”等不同社交对象信息。在MECP2-TG孤独症模型小鼠中,上述特异性编码不同社交对象的神经集群出现了显著的功能异常,最终导致了社交行为缺陷。不仅如此,研究人员还通过借助CRISPR-Cas9基因编辑技术,在MECP2-TG小鼠PrL脑区中间神经元内特异性去除外源性MECP2转基因后,可显著挽救孤独症小鼠“喜新厌旧”样缺陷表型。同时,得益于数据处理的标准化范式,研究人员很快复现了动力学分析结果,并发现MECP2-TG小鼠中NewPNs和OldPNs对“熟悉”小鼠社交探索行为的响应效率得到显著提升,进一步证明了社交行为同相关神经集群活动之间的强因果关系(图4)。

 

图4. MECP2-TG小鼠PrL脑区抑制性中间神经元内靶向特异性去除外源性MECP2转基因,可显著挽救孤独症模型小鼠“喜新厌旧”样行为缺陷

 

综上所述,该研究不仅深入解析了小鼠“喜新厌旧”社交行为的皮层神经元编码机制,也为靶向干预前额叶皮层特异类型神经元,治疗孤独症等神经精神疾病患者的社交行为障碍提供了宝贵线索

 

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