21号染色体三体性通过钙信号紊乱破坏小脑橄榄-小脑环路导致运动协调缺陷的机制研究

《Translational Psychiatry》：Altered motor coordination, vocal communication, and cerebellar circuit connectivity in mice carrying a near-complete human chromosome 21

　　本研究针对唐氏综合征(DS)运动协调障碍的神经机制这一未解难题，通过利用携带近完整人类21号染色体(HSA21)的TcMAC21小鼠模型，开展了小脑环路功能障碍与行为表型关联的系统研究。结果发现，HSA21三体导致浦肯野神经元钙稳态失调、爬行纤维突触肥大及小脑-丘脑同步性降低，进而引起运动学习和发声通信缺陷。该研究首次在遗传学完整的DS模型中建立了从基因剂量到环路功能障碍的因果链条，为干预小脑相关症状提供了新靶点。

　　

当提及唐氏综合征(Down syndrome, DS)，人们通常会联想到智力障碍和特殊面容。然而，影响患者生活质量的运动协调障碍和言语沟通困难，其背后的神经机制却长期笼罩在迷雾中。尽管小脑发育不良是DS的典型特征，但传统的"皮层中心"模型难以解释全部症状。越来越多的证据表明，这个小脑结构在运动、言语和社交障碍中扮演着关键角色，但21号染色体三体如何破坏小脑微环路功能，至今仍是未解之谜。

近期发表在《Translational Psychiatry》的研究首次在遗传学上最完整的DS动物模型——TcMAC21小鼠上，系统揭示了小脑环路功能障碍的行为表型和神经机制。这种特殊的小鼠携带了近完整的人类21号染色体，为研究基因剂量效应如何通过发育过程最终导致行为缺陷提供了独特窗口。

为了深入探索这一科学问题，研究团队运用了多学科交叉的研究策略。关键实验技术包括： ErasmusLadder系统用于定量分析运动协调和学习能力；超声发声记录系统(USVs)用于评估新生鼠沟通行为；在体多纤维光度记录技术同步监测小脑核团(CN)和腹外侧丘脑(VL)的钙活动；免疫组织化学结合三维成像定量分析突触超微结构；以及基于浦肯野神经元特异性启动子(Pcp2-Cre)的化学遗传学技术调控发育期钙信号。

TcMAC21小鼠表现出运动协调和发声通信障碍

研究人员通过ErasmusLadder系统发现，TcMAC21小鼠在四肢协调任务中失误更多、步态时间延长，且在听觉提示关联运动适应任务中表现出明显缺陷。加速旋转棒测试进一步证实了这种运动学习障碍具有跨性别一致性。更有趣的是，TcMAC21新生鼠分离呼叫次数增加但频率调制减少，同时母鼠检索行为出现双向障碍，表明21号染色体三体同时影响了表达性和接受性社交沟通。

小脑区域特异性萎缩与突触结构异常

深入的小脑形态学分析揭示了前叶和结节叶的选择性萎缩，这种区域特异性易感性可能与发育时间窗口有关。高分辨率成像显示，TcMAC21小鼠爬行纤维末梢(VGluT2阳性)体积增大、免疫反应增强，而抑制性突触(VGAT阳性)也发生类似改变。浦肯野神经元树突棘密度增加而长度缩短，提示突触成熟障碍。

发育期钙稳态紊乱是环路畸变的关键机制

Western blot证实TcMAC21小脑中DYRK1A、PDE9A、PCP4、RCAN1等HSA21基因编码蛋白表达上调。通过化学遗传学特异性激活发育期浦肯野神经元内钙信号，成功模拟了TcMAC21模型的爬行纤维突触肥大表和运动学习缺陷，证明了钙信号紊乱在表型形成中的细胞自主性作用。

小脑浦肯野神经元带状分布模式紊乱

热休克蛋白25(Hsp25)作为浦肯野神经元亚型的标志物，在TcMAC21小鼠中表现出异常的时空分布模式：发育早期该蛋白表达区域异常持续，而成年后Hsp25阳性神经元数量反而减少。这种带状分布模式的破坏可能影响小脑环路的精确组装。

小脑-丘脑神经同步性降低

通过在体双区域光纤记录，研究人员发现TcMAC21小鼠在运动状态下小脑核团与丘脑的活动同步性显著降低。尽管两个脑区的平均活动强度无差异，但运动状态依赖的神经活动区分度消失，且脑区间相关性在运动期间不升反降，提示信息传递的时间精确性受损。

这项研究通过多尺度系统生物学方法，首次在遗传学完整的DS模型中建立了从分子扰动到行为缺陷的完整因果链条。研究结果表明，21号染色体三体通过破坏发育期浦肯野神经元钙稳态，导致小脑微环路结构异常和神经同步性降低，进而引发运动协调和沟通障碍。这些发现不仅将DS研究视角从传统皮层中心模型扩展到小脑环路，更重要的是指出了早期钙信号干预作为潜在治疗策略的新方向。该研究为理解神经发育障碍中小脑功能障碍的普遍机制提供了新框架，未来针对关键发育窗口的环路特异性干预可能为改善DS患者生活质量带来希望。