自闭症小鼠模型中全脑连接组与嗅觉缺陷的共享及特异性改变：从结构异常到行为障碍

《Molecular Psychiatry》：Shared and divergent alteration of whole-brain connectivity and sensory deficits in multiple autism mouse models

　　本研究针对自闭症谱系障碍（ASD）遗传异质性高、神经环路缺陷机制不清的问题，利用AI驱动的全脑成像平台BM-auto，系统分析了Tbr1+/-、Nf1+/-和Vcp+/R95G三种ASD小鼠模型中Thy1-YFP标记的投射神经元连接组。研究发现不同突变导致独特的全脑连接模式改变，但均共享梨状皮层（PIR）的结构和功能缺陷，并伴随嗅觉辨别障碍。通过化学遗传学操控证实PIR活动调控社交行为模式，为ASD的感觉处理异常机制提供了重要证据，支持“感觉优先”的ASD发病假说。

　　

在我们探索大脑奥秘的征程中，自闭症谱系障碍（Autism Spectrum Disorder, ASD）始终是一个充满挑战的领域。ASD患者表现出社交互动障碍、重复行为以及感觉处理异常等核心症状，但其背后复杂的神经环路机制至今尚未完全阐明。尤其令人困惑的是，众多不同的基因突变均可导致ASD，这些突变如何影响大脑连接，以及是否存在共同的神经环路缺陷，成为了领域内的关键科学问题。

以往的研究多依赖于磁共振成像技术分析大脑异常，但这种方法的分辨率有限，难以揭示细胞特异性的连接变化。近年来，全脑免疫染色与标准脑图谱配准技术的结合，为在介观尺度上解析神经环路提供了新的可能。然而，传统方法耗时耗力，限制了大规模系统性研究的开展。

正是在这样的背景下，来自中央研究院分子生物学研究所的研究团队在《Molecular Psychiatry》上发表了他们的最新研究成果。他们开发了一个名为BM-auto的AI驱动全脑映射平台，系统分析了三种ASD相关基因突变小鼠模型的全脑连接组变化，揭示了不同ASD模型中共享和特异的神经环路异常。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了几个关键技术方法：首先，他们利用Thy1-YFP-H转基因小鼠标记大脑中的投射神经元，通过高内涵全脑成像获取神经元的分布和投射信息；其次，他们建立了BM-auto平台，整合了深度学习配准算法，实现了脑区自动识别和定量分析；此外，研究还采用了逆行追踪技术，通过霍乱毒素B亚单位确定特定脑区的输入连接；行为学上，通过嗅觉辨别和偏好测试评估小鼠的嗅觉功能；最后，利用化学遗传学手段特异性操控梨状皮层神经元活性，探究其对社交行为的影响。

全脑映射与自动校正定量分析

研究人员首先建立了BM-auto平台，该平台基于深度学习配准技术，能够自动校正脑区识别，显著提高了全脑定量分析的准确性和效率。通过比较自动校正与人工校正的结果，证实了该平台在边界对齐和定量准确性方面的优越性能。

全脑投射的改变

分析结果显示，三种ASD模型呈现出截然不同的Thy1-YFP信号分布模式。Tbr1^+/-小鼠在多数脑区表现出YFP信号增强，而Nf1^+/-和Vcp^+/R95G小鼠则主要表现为信号减弱。这种差异反映了不同ASD相关突变对投射神经元连接的异质性影响。

Thy1-YFP神经元数量的改变

除了投射信号的变化，三种突变还影响了不同脑区Thy1-YFP阳性神经元的数量。Tbr1^+/-小鼠在多个脑区表现出神经元数量增加，而Vcp^+/R95G小鼠则普遍减少，Nf1^+/-小鼠的变化模式则较为复杂。

差异性Thy1-YFP神经支配

通过相关性分析筛选出主要反映轴突支配变化的脑区，发现三种模型中丘脑、下丘脑、中脑和hindbrain区域的神经支配均发生改变。其中，背侧膝状体核团是唯一在三种模型中均出现变化的区域，但变化趋势各不相同。

丘脑核团的逆行标记

选择腹后核和背外侧膝状体进行逆行追踪验证，发现Tbr1单倍不足导致体感皮层与腹后核之间的连接增强，而视觉皮层与背外侧膝状体之间的连接变化则更为复杂，反映了Tbr1缺陷对投射神经元分化和轴突支配的多元影响。

感觉皮层的特异性靶向

在所有分析的300多个脑区中，梨状皮层是唯一在三种突变模型中均表现出YFP信号和YFP阳性神经元数量减少的区域。此外，初级视觉皮层、体感皮层等感觉相关区域也表现出不同程度的变化，表明感觉皮层对ASD相关突变特别易感。

嗅觉辨别功能损伤

行为学测试发现，Nf1^+/-和Vcp^+/R95G小鼠与先前报道的Tbr1^+/-小鼠一样，均表现出嗅觉辨别能力缺陷。在嗅觉偏好测试中，突变小鼠对新异气味2-庚醇的识别能力受损，而基础嗅觉反应和气味偏好性保持正常。

嗅觉刺激下的神经激活减少

通过c-FOS表达分析发现，Vcp^+/R95G小鼠在嗅觉刺激后，梨状皮层及其他多个脑区的神经元激活程度显著降低，进一步证实了梨状皮层的功能性损伤。

梨状皮层在嗅觉辨别和社交行为中的作用

化学遗传学抑制野生型小鼠的梨状皮层活动，可模拟出突变小鼠的嗅觉辨别障碍，并特异性地影响社交互动中的鼻对尾和并排互动行为，证实了梨状皮层在调节嗅觉和社交功能中的关键作用。

Tbr1+/-小鼠的异常PIR连接和社交行为

基于c-FOS相关性分析发现，Tbr1^+/-小鼠梨状皮层的功能连接出现异常，左右半球PIR之间的同步性降低。行为分析显示，Tbr1^+/-小鼠的鼻对尾互动时间减少，与PIR抑制后的野生型小鼠表型相似。

这项研究通过创新的全脑连接组分析平台，揭示了不同ASD模型中的共享神经环路缺陷。研究结果表明，尽管不同ASD相关基因突变导致独特的全脑连接模式改变，但它们共同靶向感觉处理区域，特别是梨状皮层。梨状皮层的结构和功能异常与嗅觉辨别障碍密切相关，并且调控特定的社交行为模式。

这些发现具有重要的理论意义和临床价值。首先，研究支持了“感觉优先”的ASD发病假说，强调感觉处理异常可能是ASD的核心特征之一。其次，研究建立的BM-auto平台为系统性分析神经环路异常提供了强大工具，可应用于其他神经精神疾病模型的研究。最后，梨状皮层作为多种ASD模型的共同靶点，可能成为未来干预治疗的重要目标。

该研究还提出了许多值得深入探讨的问题，如不同性别ASD模型中的连接组差异、发育过程中连接变化的动态过程，以及其他类型神经元在ASD连接异常中的作用等。这些问题的解答将进一步深化我们对ASD神经机制的理解，为开发新的治疗策略提供理论基础。