为了弄清楚自闭症的致病机理，科学家们给小鼠设计了一套闯关游戏

　　本期解读嘉宾：袁老师
　　哈佛大学医学院脑科学博士后
　　哈佛大学附属BWH脑科学专家
　　小小神经元首席脑科学家
　　自闭症谱系障碍（ASD）是一种神经发育性疾病。它不像感冒、发热一样，可通过体温检测、血液检测等身体数据来判断病症，ASD的核心症状社交沟通障碍和刻板行为背后的生物学机制尚不清楚。
　　为了深度挖掘ASD症状背后的致病机理，科学家们利用基因编辑等手段构建出多种自闭症小鼠模型，并通过行为学测试实验来观察小鼠的社交行为和刻板行为表现，这也是目前为止公认最有效的自闭症研究方式。
　　当科学家们在确定了与自闭症发病相关的遗传基因并以此构建出小鼠模型后，通过行为学测试实验，同样观察到了小鼠表现出的社交沟通能力缺陷以及不断出现的刻板重复行为等问题，这些现象和患有ASD的人群中观察到的核心缺陷是一致的，从而让我们对了解自闭症背后的致病机理更进一步。
　　然而，与自闭症发病相关的基因是如何一步步地导致这些常见的社交与行为问题，其背后的生物学机制目前尚不清楚。同时，自闭症谱系障碍中谱系两个字又代表着诸多不同的情况，如：核心症状严重程度的不同，并发症的情况不同等等。这些不同的患病情况关联着不同大脑区域的功能障碍，这使得探索ASD致病机理的挑战性进一步增加。
　　今天为大家解读的这篇发表在《神经科学和生物行为学评论》上的论文，它详细介绍了目前的自闭症动物模型及其行为学实验方法，以及对ASD小鼠模型病理生理机制进行进一步研究的记录。
　　《神经科学和生物行为学评论》（Neuroscienceandbiobehavioralreviews）专注于行为学、动物行为学、神经病学研究领域。自1978年创刊至今，该期刊发表的评论文章具有原创性且意义重大，涉及神经科学的各个方面，在其中明确建立了与心理过程和行为研究的关系。
　　该期刊发表关注心理过程和行为并且与神经科学的一个或多个方面相关的文章。不仅涉及传统的领域，而且涉及以下领域的主题：神经心理学认知神经科学脑成像体内监测大脑的电和生化活动分子生物学遗传学神经计算。其主编为美国国立卫生研究院的乔凡尼拉维奥拉（GiovanniLaviola）教授。
　　《NEUROSCIBIOBEHAVR》历年来在SCI学科临床神经病学杂志中专业排名及影响因子名列前茅。
　　本文涉及专业内容，阅读难度较大，家长们可选择加粗的重点内容进行浏览研究团队介绍
　　ToruTAKUMI实验室负责人
　　脑科学不仅对科学的发展具有重要意义，同时它也会对社会和经济的运行产生极大影响。为了促进脑科学的发展，日本政府支持的独立研究机构日本理化学研究所（RIKEN）于1997年成立了下属脑科学研究所（BSI）。BSI的使命是通过新的研究和技术，促成脑科学领域的新发现。
　　此外，BSI旨在通过创建一个将各种知识学科整合在一起的环境来汇集国内外脑科学领域的研究人员，并从这种融合中找到最终造福社会的解决方案，包括医学、工程、商业和教育领域。为了实现这一目标，BSI已成为国际领先的大脑研究中心，在科学企业的发现，创新，培训和全球化方面享有盛誉。
　　而本文作者们所属的ToruTAKUMI实验室作为BSI的一部分，其目标是研究神经精神疾病的分子病理生理，其中就包括自闭症谱系障碍（ASD）。研究人员尝试通过人类遗传学发现罕见的ASD突变，生成类人动物模型细胞和动物，并通过从分子水平到体内水平的综合方法分析其异常。
　　研究内容及成果
　　研究中，科学家们在一些ASD的动物模型中发现了异常的五羟色胺（5HT）的产生和调节现象，同时这种异常的现象往往和昼夜节律机场、睡眠的中断同时发生，这提示脑干在发育过程中发育时间的紊乱、发育空间（形态）的紊乱，可能是进一步影响大脑皮层的发育、引发ASD的原因之一。
　　截至目前，通过人体和动物自闭症研究，发现的相关分子生物学通路如下图所示，可以看到有众多的蛋白及信号通路与自闭症密切相关，如ASD发病机制中的PI3KmTOR通路。
　　其中，如PTEN，TSC12，FMRP，CYFIP1等蛋白已证实是通过mTOR通路上影响自闭症。因而编码这些蛋白的基因，都有可能可以用来开发做小鼠自闭症模型，比如，Fmr1基因引起FragileX综合征，Mecp2引起Rett综合征，Tsc12引起管状硬化症等等（delaTorreUbietaetal。，2016）。
　　除了基因修饰编辑可以用来做小鼠自闭症模型外，目前的自闭症动物模型还有另外两类：人为染色体变异的动物模型和药物诱导的动物模型。
　　其中一个经典的染色体变异自闭症模型是将人染色体15q11q13区域进行翻倍复制，即把小鼠第7位染色体共振区域进行内源性复制一倍（Nakatanietal。，2009），这个方法是最方便应用的细胞生成方式自闭症模型，可以很好地模拟人体自闭症行为。
　　在基因修饰和染色体变异动物模型越来越成熟，能更好地重现自闭症患者行为的情况下，药物诱导的小鼠自闭症模型已经被慢慢淘汰使用。
　　自闭症小鼠模型首先要进行社交行为测试，一般会包括以下三个实验。
　　实验一：用于测试社会互动的三厢实验。测试小鼠探索和接近陌生人鼠笼（社交笼）或目标笼（对照笼）的时间。这个实验是通过比较小鼠找到目标笼花费的时间进行评估社会能力。这个实验的优势在于其简易性。
　　实验二：用超声发声（USV）测量小鼠幼崽的社交沟通。把小鼠幼崽从黑暗环境中拿出，然后用连接电脑的敏感超声波麦克风放大器测量小鼠的超声发声，再由计算机进行分析。
　　实验三：反向巴恩斯迷宫测试不灵活行为。在巴恩斯迷宫测试中，首先，小鼠通过学习发现目标孔的位置在哪里（下图C组顶部），目标孔是平台上一个底部黑暗且有舒适的照明环境的地方。然后，将目标孔的位置移动到对面，让小鼠标学习新的目标孔位置（下图C组中间）。最后，将小孔去除，观察小鼠是到新目标（下图C组中间）区呢还是会去原来的目标（下图C组顶部）。如果小鼠宁可去原来的目标孔位置处，表明它对环境变化的抵抗力弱或行为不灵活。
　　早在1961年，Schain和Freedman便首次发现，小儿自闭症中，血液中5HT水平会快速增加（SchainandFredman，1961），自那后，5HT一直被认为和自闭症的病理发展相关。5HT在神经发育中有一系列的作用，如神经再生、凋亡、轴突分枝及最重要的神经递质功能。
　　Thp2是合成中枢5HT的酶，Thp2敲除小鼠生长缓慢，同时伴随睡眠障碍、全天的心率和血压异常（Aleninaetal。，2009），这个结果提示脑部5HT水平通过生理水平的自主神经系统调节小鼠行为。
　　进一步的研究显示，自闭症小鼠（染色体16p11。2丢失）的内源性5HT信号系统异常，且对5HT受体拮抗剂处理后，在强迫游泳（forcedswimtest）和旷场实验（openfieldtest）更加敏感（Panzinietal。，2017）。
　　而在近期另一项研究中，利用光遗传学手段，在脑部NAc区域释放5HT，可以逆转回来染色体16p11。2丢失引起的小鼠自闭症行为（Walshetal。，2018）。
　　那么通过干预5HT来治疗自闭症的最佳时期是什么时候呢？答案是大脑发育时期。据报道，在自闭症儿童患者中，其脑部5HT水平比正常儿童明显下降，且5HT能系统明显异常（BonninandLevitt，2011；Teissieretal。，2017）。
　　科学家们推测可能会是如下的过程：
　　1）孕期时伴随有炎症的产生，或者是其它一些非遗传因素影响了脑干的发育；
　　2）脑干发育受损后，通过DRN区域投射出的5HT，影响了下丘脑的功能，使下丘脑5HT功能异常，同时影响了生物钟，反过来进一步恶化脑干区域功能；
　　3）生物钟异常后，不仅影响了睡眠，也带来了人体全身代谢异常；
　　4）幼儿时期的睡眠节律会影响成年后的社交行为；
　　5）5HT神经元同时也在投射区域，如前额皮层区域，影响了控制行为功能神经元的突触功能异常和神经网络功能。因此，基于以上过程的自闭症药物及治疗方法也有成功案例，如褪黑素对自闭症有一定改善作用（Tordjmanetal。，2015），临床直接干预自闭症患者睡眠也有一定疗效（Cortesietal。，2010）。
　　未来研究方向
　　行为动作是大脑思维的直接表现，不管是人体还是动物实验，行为学测试都是研究自闭症的可靠手段，虽然它的重复性并不好经常会由于遗传背景不同、实验环境不同、操作者技能熟练度不一而导致实验可重复性差但目前为止它仍然是公认最有效的自闭症研究方式。
　　除此之外，脑电图、磁共振成像等技术也越来越多地被用于自闭症领域的研究，它们可以特异性地检测某个特定脑区的结构及神经功能情况，即找到某一症状是由大脑的哪块区域异常所导致的。多技术联用帮助我们从不同维度更清晰地探究自闭症的致病机理，从而进一步挖掘医药研究的方向。
　　虽然目前对于自闭症还有很多未解的难题，但随着技术的发展，关于自闭症致病机理的答案正在逐渐丰富。至少目前科学已经证实了家庭干预的有效性，星爸星妈们可以做到且做好的就是坚持进行家庭干预，同时心怀期待，万事可期。
　　参考文献
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