自閉癥譜系障礙(Autism spectrum disorder，ASD)是一種與行為異常相關(guān)的神經(jīng)發(fā)育疾病，其表現(xiàn)包括社會缺陷、語言和智力障礙、堅持相同、感覺異常和刻板的行為模式增加[1-3]。遺傳易感個體是否以及在多大程度上發(fā)展為ASD受到環(huán)境因素的影響，有具有密切相似遺傳背景的親屬在他們發(fā)展為ASD癥狀的程度上可能有很大的不同[1-3]。鑒于ASD易感的多基因基礎(chǔ)最為復(fù)雜，環(huán)境中可能會影響ASD發(fā)生的具體因素也尚不清楚，因此闡明環(huán)境因素對ASD發(fā)生的影響具有重要的治療意義。
最近瑞士弗里德里希·米歇爾研究院的Pico Caroni課題組在Neuron上發(fā)表了題為Absence of familiarity triggers hallmarks of autism in mouse model through aberrant tail-of-striatum and prelimbic cortex signaling的文章，闡明了行為療法對自閉癥治療的有效性[4]。
為了研究經(jīng)歷情境和ASD參與程度之間的可能關(guān)系，研究者們首先比較了WT和Shank3ΔC/ΔC小鼠在情境相關(guān)的社交/物體交互任務(wù)。他們所采用的行為學(xué)范式如圖1所示，并測試小鼠的社交記憶和物體記憶。在1h時短期記憶測試實驗中， Shank3ΔC/ΔC小鼠的表型和WT小鼠類似。但在24h時記憶測試實驗中，Shank3ΔC/ΔC小鼠并沒有表現(xiàn)出對陌生小鼠和新物體探索的增加(圖1A、B)。這說明Shank3ΔC/ΔC小鼠可能存在長期記憶缺陷。
圖1:社交/物體記憶行為學(xué)范式及結(jié)果
接下來研究者們探究了將小鼠暴露在新環(huán)境中是否會影響其對環(huán)境中物體的探索。結(jié)果顯示在沒有環(huán)境前暴露的情況下，WT和Shank3ΔC/ΔC小鼠在相同的新環(huán)境中對物體探索的表現(xiàn)相似（圖2A）。第二天將Shank3ΔC/ΔC小鼠處于前一天探索過的環(huán)境中時，Shank3ΔC/ΔC小鼠的社交互動相較于WT小鼠顯著減少（圖2B），但其對未探索過環(huán)境的社交互動與WT無明顯差異（圖2C）。Shank3ΔC/ΔC小鼠的這種情境特異性社交障礙大約在初次進入新環(huán)境后12h出現(xiàn)，并持續(xù)至少1個月（圖2D）。這說明Shank3ΔC/ΔC小鼠表現(xiàn)出長期的、情境特異性障礙。
圖2: 小鼠表現(xiàn)出情境特異性社交障礙
為了確定Shank3ΔC/ΔC小鼠可能出現(xiàn)的環(huán)境特異性行為異常，研究者們對Shank3ΔC/ΔC小鼠初次環(huán)境暴露和再次暴露時的行為進行了密切的觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在24h后重新暴露于舊環(huán)境中時，Shank3ΔC/ΔC小鼠的探索行為顯著減少，自我為中心的行為顯著增加（圖3A）。其中ASD的核心特征“重復(fù)性動作”在Shank3ΔC/ΔC小鼠再次環(huán)境暴露時顯著增加。
為什么Shank3ΔC/ΔC小鼠這種環(huán)境特異性行為異常背后的神經(jīng)環(huán)路機制是怎樣的呢？研究者們將目光投向了紋狀體。研究者們發(fā)現(xiàn)在通過化學(xué)手段（注射6-羥多巴胺）損傷紋狀體尾部（Tail of striatum，TS）時，Shank3ΔC/ΔC小鼠在此暴露于環(huán)境中時的社交行為恢復(fù)到了正常水平，且其對新物體的探索時間明顯增加（圖4A）。這說明TS參與環(huán)境特異性的行為調(diào)控。
接下來研究者們又對TS區(qū)多巴胺（dopamine，DA）的釋放進行了觀察。他們將AAV9-hSyn-dLight1.3b病毒特異性注射到TS區(qū)（DA特異性熒光傳感器），并觀察小鼠與新物體交互時DA的分泌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Shank3ΔC/ΔC小鼠在靠近和離開物體時，其TS區(qū)DA的分泌遠高于對照組（圖4B），且在TS區(qū)注射D1/5R拮抗劑時，Shank3ΔC/ΔC小鼠的異常行為得到恢復(fù)（圖4C）。這些結(jié)果說明在Shank3ΔC/ΔC小鼠暴露于探索過的環(huán)境時，DA釋放增多引起TS的記憶導(dǎo)致再次暴露時參與性降低。
圖4:TS區(qū)DA釋放異常引起其環(huán)境特異性記憶障礙
第一次暴露時WT小鼠TS區(qū)也存在DA的釋放，但其在再次暴露時仍具有探索的能力。為了解釋這個現(xiàn)象，研究者們假設(shè)第一次暴露引起的TS相關(guān)回避可能會被來自其他腦區(qū)的輸入抵消。于是他們通過逆向病毒示蹤的方式將RetroAAV-Ef1a-mCherry-IRES-Cre注射至TS區(qū)，發(fā)現(xiàn)除了感覺和運動區(qū)外，內(nèi)側(cè)前額葉皮層（medial prefrontal cortex，mPFC）的PreL區(qū)和前扣帶皮層（anterior cingulate cortex，ACC）以及杏仁核基地外側(cè)區(qū)（basolateral amygdala ，BLA）都存在至TS區(qū)的神經(jīng)投射（圖5A、B）。
基于這些，研究者們想進一步確定抑制ASD相關(guān)的前額葉腦區(qū)是否會影響小鼠再次暴露于環(huán)境時的探索行為。他們借助化學(xué)遺傳學(xué)的方式對PV-Cre小鼠的PreL、ACC和BLA區(qū)分別注射rAAV9-CBA-flox-PSAM抑制PreL、ACC和BLA的神經(jīng)元活動。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有在抑制PreL區(qū)時，再暴露的PV-Cre小鼠和WT小鼠才表現(xiàn)出了社交異常（圖6A、B）。當(dāng)在PreL區(qū)注射AAV9-CBA-FLEX-PSAM激活神經(jīng)元時，WT小鼠和Shank3ΔC/ΔC小鼠再暴露時的社交行為明顯恢復(fù)（圖6C）。這些loss-of-function和gain-of-function的實驗說明在環(huán)境再暴露時Shank3ΔC/ΔC小鼠PreL -> TS神經(jīng)元活動被抑制，導(dǎo)致其環(huán)境特異性記憶受損。
圖5:逆向病毒示蹤標(biāo)記TS區(qū)上游腦區(qū)
圖6:再暴露時小鼠行為依賴于PreL -> TS的神經(jīng)投射
目前為止，緩解ASD患者癥狀的成功方法包括各種形式的社會和環(huán)境干預(yù)（envirnmental enrichment，EE），但這種干預(yù)提高ASD患者社交能力的機制并不清楚。為了探討這種模型的影響，研究者們對WT小鼠和Shank3ΔC/ΔC小鼠進行了為期三周的EE（圖7A），并觀察了在缺乏熟悉對象或物體的情況下，它對特定情境參與性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷過EE的Shank3ΔC/ΔC小鼠對新物體的探索時間明顯增多，且EE時間越長，其參與程度越好（圖7B、C）。為了進一步確定EE對PreL神經(jīng)元的影響，研究者們同樣通過化學(xué)遺傳學(xué)的方式向PerL注射rAAV9-CBA-flox-PSAM并抑制其神經(jīng)元活動。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在初次暴露和二次暴露時，抑制PerL神經(jīng)元后EE組的Shank3ΔC/ΔC小鼠社交行為都沒有受到影響（圖7E、F）。這說明EE可以通過避免PreL -> TS的神經(jīng)投射挽救Shank3ΔC/ΔC小鼠的ASD樣表型。
總之，這項工作發(fā)現(xiàn)Shank3ΔC/ΔC小鼠暴露在缺乏熟悉特征的新環(huán)境中會導(dǎo)致長期的參與失敗和重復(fù)行為。在第一次暴露于環(huán)境中時加入熟悉的特征可以防止TS多巴胺瞬變增強，并使其與環(huán)境的交互恢復(fù)至正常水平。在野生型小鼠中，再次環(huán)境暴露的參與依賴于PerL -> TS的神經(jīng)投射，而在Shank3ΔC/ΔC小鼠中，PreL -> TS投射受抑制，激活該環(huán)路可使小鼠的ASD癥狀得到緩解。因此，在遺傳易感小鼠中，新環(huán)境在觸發(fā)ASD樣表型中具有關(guān)鍵作用，而涉及熟悉和豐富的行為療法可能會阻止ASD表型的出現(xiàn)。
圖7:EE可緩解ASD表型
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參考文獻…
[1]Bourgeron T. From the genetic architecture to synaptic plasticity in autism spectrum disorder [J]. Nat Rev Neurosci, 2015, 16(9): 551-63.
[2]Baron-Cohen, S., and Belmonte, M.K. (2005). Autism: a window onto the development of the social and the analytic brain. Annu. Rev.Neurosci. 28,109–126.
[3]Jiujias, M., Kelley, E., and Hall, L. (2017). Restricted, repetitive behaviors in autism spectrum disorder and obsessive-compulsive disorder: a comparative review. Child Psychiatr. Hum. Dev. 48, 944–959.
[4] Kruttner S, Falasconi A, Valbuena S, et al. Absence of familiarity triggers hallmarks of autism in mouse model through aberrant tail-of-striatum and prelimbic cortex signaling [J]. Neuron, 2022