微型化雙光子顯微成像助力揭示孤獨癥小鼠社交行為缺陷的神經(jīng)編碼機制
社交行為是在人類社會和個體中廣泛存在的一種現(xiàn)象，對個體生存和人類社會繁衍至關重要。“喜新厭舊”似乎是絕大多數(shù)生物個體行為的本性，與陌生個體互動帶來的新鮮感往往能給生活增添更多的驚喜。然而，由于存在不同程度的社交功能障礙，孤獨癥癥譜系障礙（Autism spectrum disorder, ASD）患者往往不能體會到結識新朋友的快樂，也難以和陌生人進行正常的人際交往。那么，ASD患者腦內(nèi)到底何種神經(jīng)功能紊亂導致其產(chǎn)生“喜新厭舊”等社交行為缺陷的呢？針對該問題，研究團隊以MECP2轉基因（MECP2-TG）孤獨癥模型小鼠為研究對象，展開了一系列深入探索。
研究團隊分別讓頭戴微型化雙光子顯微鏡的野生型小鼠（WT）和孤獨癥模型小鼠（MECP2-TG）在改進的兩箱社交行為學裝置中自由探索（圖1A and 1B），在小鼠進行社交探索行為的同時采集前額葉前邊緣皮質(zhì)（Prelimbic cortex, PrL）神經(jīng)元鈣熒光信號。行為學箱體兩側分別放有一只“陌生”小鼠（New）和一只“熟悉”小鼠（Old）。首先，研究人員發(fā)現(xiàn)，正常小鼠在社交上存在典型的“喜新厭舊”樣行為，而MECP2-TG孤獨癥模型小鼠存在“喜新厭舊”行為缺陷（圖1C）。
圖1. （A）二代微型雙光子顯微鏡裝置圖（B）小鼠行為學實驗設計（C）社交探索時間統(tǒng)計結果
先前研究[1,2]認為，內(nèi)側前額葉PrL腦區(qū)編碼和社交活動相關的多種行為信息。然而，目前有關PrL腦區(qū)是如何編碼不同類型社交對象信息的仍不甚明了。研究人員借助WT和MECP2-TG孤獨癥模型小鼠，結合神經(jīng)元胞體識別和功能集群發(fā)掘算法（圖2A），首次發(fā)現(xiàn)了在小鼠PrL腦區(qū)內(nèi)存在稀疏分布、特定響應“陌生”或“熟悉”小鼠社交偏好的抑制性中間神經(jīng)元集群，分別將其命名為NewPNs（圖2B）和OldPNs（圖2C），它們就像區(qū)分不同社交對象的“指示燈”，會在遇到特定“陌生”或“熟悉”社交對象小鼠時特異性激活。
圖2. 鑒定“陌生”和“熟悉”小鼠社交偏好特異性響應神經(jīng)元，揭示其在MECP2-TG小鼠中的功能缺陷
獨特的偏好響應模式引起了研究團隊的興趣。研究人員進一步利用鈣信號定量分析范式，實現(xiàn)了對不同類型社交對象特異性偏好響應神經(jīng)元的激活概率、鈣信號幅度、達峰時間和功能連接強度等多種動力學特征和復雜網(wǎng)絡參數(shù)的自動計算和統(tǒng)計。結果發(fā)現(xiàn)，同與“陌生”對象社交相比，與“熟悉”對象進行社交更能引起野生型小鼠OldPNs較之于NewPNs更加強烈的激活，這兩種不同的細胞集群可通過“蹺蹺板”式協(xié)同增強效應，特異性調(diào)控小鼠的“喜新厭舊”行為。而孤獨癥模型小鼠OldPNs動力學卻明顯失去“熟悉”對象特異性激活的動力學特征，處理“熟悉”社交對象時效率顯著減弱，導致其無法區(qū)分不同社交對象之間的差別，進而引發(fā)“喜新厭舊”樣社交行為缺陷（圖3）。
圖3. 社交偏好特異性響應神經(jīng)元集群鈣信號動力學分析結果示意圖
上述結果表明，在小鼠PrL腦區(qū)內(nèi)存在一群稀疏分布的中間神經(jīng)元集群，分別負責編碼社交行為中的“熟悉”和“陌生”等不同社交對象信息。在MECP2-TG孤獨癥模型小鼠中，上述特異性編碼不同社交對象的神經(jīng)集群出現(xiàn)了顯著的功能異常，最終導致了社交行為缺陷。不僅如此，研究人員還通過借助CRISPR-Cas9基因編輯技術，在MECP2-TG小鼠PrL腦區(qū)中間神經(jīng)元內(nèi)特異性去除外源性MECP2轉基因后，可顯著挽救孤獨癥小鼠“喜新厭舊”樣缺陷表型。同時，得益于數(shù)據(jù)處理的標準化范式，研究人員很快復現(xiàn)了動力學分析結果，并發(fā)現(xiàn)MECP2-TG小鼠中NewPNs和OldPNs對“熟悉”小鼠社交探索行為的響應效率得到顯著提升，進一步證明了社交行為同相關神經(jīng)集群活動之間的強因果關系（圖4）。
圖4. MECP2-TG小鼠PrL腦區(qū)抑制性中間神經(jīng)元內(nèi)靶向特異性去除外源性MECP2轉基因，可顯著挽救孤獨癥模型小鼠“喜新厭舊”樣行為缺陷
綜上所述，該研究不僅深入解析了小鼠“喜新厭舊”社交行為的皮層神經(jīng)元編碼機制，也為靶向干預前額葉皮層特異類型神經(jīng)元，治療孤獨癥等神經(jīng)精神疾病患者的社交行為障礙提供了寶貴線索。
超維景自主研制的快速高分辨微型化雙光子顯微成像系統(tǒng)(Fast high-resolution miniature two photon microscopy, FHIRM-TPM)，在全球首次獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的清晰、穩(wěn)定的動態(tài)圖像。
其產(chǎn)品具有高分辨、大視野等多個型號，可在動物自由活動狀態(tài)下，約150 μm變焦和多平面快速切換的實時成像，并可對同一批神經(jīng)元長期穩(wěn)定跟蹤。
結合光遺傳模塊，還可以在結構與功能成像的同時，精準地操控神經(jīng)元和大腦神經(jīng)回路的活動。
FHIRM-TPM為研究大腦的結構和功能提供了一個革命性的新工具，可融合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動與大腦整體的信息處理和個體行為信息，成為全景式解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的利器!
參考文獻：
[1] Murugan, Malavika, et al. "Combined social and spatial coding in a descending projection from the prefrontal cortex." Cell 171.7 (2017): 1663-1677.
[2] Huang, Wen-Chin, et al. "Social behavior is modulated by valence-encoding mPFC-amygdala sub-circuitry." Cell reports 32.2 (2020): 107899.
