Nature子刊最新研究为什么孤独症孩子的运动学习能力弱？

　　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
　　《自然神经科学》（Nature Neuroscience）为Nature聚焦于神经科学领域的著名子刊，出版该领域各个领域的最佳神经科学研究，旨在为读者提供权威、可访问和及时的信息，了解神经科学最重要的进展。该杂志为国际神经科学界提供了一个非常引人注目的论坛，该论坛涵盖的领域包括分子，细胞，系统，行为，认知和计算研究，包括新闻和观点，评论，观点和社论，有助于将主要研究置于背景之中，从而为读者提供整个领域的广阔视野。
　　本文涉及专业内容，阅读难度较大，家长们可选择  标出的重点内容  进行浏览  研究团队介绍
　　Simon X. Chen 博士
　　Simon X. Chen 博士本硕博就读于不列颠哥伦比亚大学，此后到2016年，他在圣地亚哥加州理工神经所做博士后研究，现为加拿大渥太华大学医学院的助理教授。
　　Chen博士实验室的目标是在清醒大脑中形成新的运动记忆时，以空间精度和细胞亚型特异性阐明学习驱动神经回路修饰背后的分子机制。
　　渥太华大学，简称渥大，始建于1848年，位于加拿大的首都渥太华，是加拿大最古老和全球最大的英法双语大学。创立伊始，渥太华大学以良好的学术氛围，英法双语的教学环境闻名。时至今日，渥大已一跃成为声名大噪的学术研究中心。研究内容及成果
　　为了研究孤独症小鼠的运动学习能力是否受到影响，研究者们使用了经典的小鼠加速旋转实验（accelerating rotarod test）。
　　如图1a所示，孤独症小鼠和正常小鼠同时放在旋转的棒上，为了保持身体平衡不致跌下，需要向转动棒的反方向移动，并保持四肢肌肉协调运动，否则将从棒下落下，因此运动能力障碍的小鼠会更快地跌落下来。
　　通过这个简单的实验，研究者们发现，孤独症小鼠和正常小鼠在第一次实验时表现相仿 ，它们均在18秒左右掉下转动棒，且在10次实验后，均可以维持32秒左右时间不掉下来。
　　但有意思的是，正常小鼠比孤独症小鼠可以更快地达到最高维持时间（图1c），因此研究者们推测，孤独症小鼠的运动学习能力要弱于正常小鼠。
　　为了验证这个猜测，研究者们进一步做了加速转盘实验，研究者们固定小鼠的头部，使其头部无法动弹，而四肢自由在一个转动的转盘上，因此小鼠们需要学习如何运动才能保持身体的平衡；与此同时，研究者们还利用了体内双光子成像技术，实时监测小鼠速度、移动距离等变化。
　　在这个实验中，作者们发现了同样的现象：孤独症小鼠和正常小鼠在起始实验中没有区别，而在多次实验中，正常小鼠比孤独症小鼠能够更快地学习到运动技巧 ，表现为在转盘中跑动距离更远（图1 g-i）；图中RE代表运动期（running spochs）,其持续时间越长代表小鼠跑动距离越远。
　　因此，根据以上实验，研究者们推测，该孤独症小鼠的运动学习能力存在延迟（delayed motor learning），而当多次训练之后，可以和正常小鼠表现一致。
　　图1
　　控制个体运动的神经元位于皮层运动区，那么该孤独症小鼠的皮层运动区神经元功能是否存在异常呢？
　　为了能够做此研究，研究者们在小鼠皮层运动区注射了携带钙离子指示基因的腺病毒 ，其感染神经元后，可以表达CaMKII启动子依赖的钙信号，同时利用了双光子钙离子成像技术，来监测该区域钙离子活动变化。因此通过这一整套技术，研究者们可以实时看到皮层运动区神经元的激活情况。
　　在转盘实验中，研究者们惊奇地发现，孤独症小鼠在运动期内，其皮层运动区神经元过度兴奋，表现为更多的神经元释放钙离子被监测到，和正常小鼠相比，具有明显的显著性差异（图2b-d）。
　　在以往的研究中，神经元过度兴奋放电往往是由于过度的整体同步性（enhanced ensemble synchrony）,因此研究者们也对此做了研究。
　　令人疑惑的是，无论是随机选择孤独症小鼠不同运动期阶段的运动皮层区神经元进行分析，还是和正常小鼠进行随机对照，孤独症小鼠神经元的过度兴奋并没有展现出整体同步性，而仅仅是运动期内兴奋增加。
　　因而，研究者们推测，这些神经元可能是对肢体活动非常敏感，更加容易受到影响。 更有意思的是，这个现象仅发生在第一个运动期内，强烈提示我们可能和小鼠早期运动学习能力相关。
　　图2
　　另一个和运动学习紧密相关的是皮层运动区兴奋性神经元脊柱重塑变化，因此研究者们也对此进行了研究。
　　同样利用双光子成像技术，研究者们标记了皮层L2/3区域兴奋性神经元，并追踪记录了每个神经元树突脊活动。
　　研究者们发现，在孤独症小鼠中，神经元脊的密度比正常小鼠高(WT: 17.4 ± 1.6 per 100 μm; 16p11.2+/−: 24.4 ± 1.8，per 100 μm, P < 0.001)；然而脊的形成并没有受到影响。
　　在静息状态下，两种小鼠神经元脊活动无明显差异，但在运动期则有较大变化。而记录到的神经元脊最高清除速率和小鼠最佳运动表现完全吻合，提示孤独症小鼠的运动学习能力延迟与该区域神经环路功能相关，而适度的神经元脊修剪对运动学习能力的提升至关重要。
　　图3
　　神经调节在大脑信息处理、认知表现、情感等等方面发挥重要作用，皮层运动区的神经调节递质包括多巴胺、乙酰胆碱、去甲肾上腺素，都曾被相关研究证实和运动学习相关，且和孤独症存在一定关系。
　　研究者们因此挨个对这三个神经调节递质做了检测，通过c-FOS染色，检测小鼠运动期时激活的神经元，研究者们发现多巴胺和乙酰胆碱能神经元在孤独症小鼠和正常小鼠中激活程度很接近，而蓝斑区域的去甲肾上腺素能神经元激活则在孤独症小鼠中显著减少。
　　进一步地，研究者们通过标志免疫染色（NET Staining），发现去甲肾上腺素能神经元在皮层运动区L2/3部分分布减少。
　　那么，去甲肾上腺素能神经元是否就是影响小鼠运动学习能力的关键因素呢？ 为了证实这个猜想，研究者们在正常小鼠中使用了三种去甲肾上腺素拮抗剂，发现正常小鼠的运动学习能力发生了下降。
　　图4
　　那么，先前观察到的自闭症小鼠异常的神经放电增加和神经元脊重塑，是否是由蓝斑去甲肾上腺素能神经元引起的呢？
　　为了研究这个问题，研究者们使用了DREADD技术，将DBH-CreERT+/-小鼠和自闭症小鼠16p11.2+/-杂交得到仅在去甲肾上腺素能神经元上表达Cre的16p11.2+/-自闭症小鼠，然后注射DIO-hM3Dq-mCherry腺病毒到该小鼠的蓝斑区域，这样只需要腹腔注射hM3Dq配体药物CNO，就可以在目标小鼠的蓝斑神经元中特异性地激活相应神经元。
　　如研究者们所预期，在自闭症小鼠中预先激活蓝斑去甲肾上腺素能神经元，前述神经放电增加的现象受到抑制 （虽然仍比正常小鼠高）。
　　而在神经元脊功能的研究中，特异性激活蓝斑去甲肾上腺素能神经元可以逆转神经元脊的延后清除。因此，结合起来看，蓝斑去甲肾上腺素调节可能就是早期自闭症小鼠运动学习受损的关键因素。
　　图5
　　最后，是否可以通过增加蓝斑去甲肾上腺素来拮抗孤独症小鼠运动学习受损呢？
　　研究者们发现，通过特异性激活蓝斑去甲肾上腺素能神经元来增加去甲肾上腺素释放，可以加速孤独症小鼠运动学习能力，表现为小鼠运动时间快速增加，在加速转盘和加速旋转实验中都得到了证实。
　　这些结果证实，单纯激活蓝斑肾上腺神经系统释放去甲肾上腺素就可以逆转孤独症小鼠的延后运动学习能力。
　　图6未来研究方向
　　蓝斑去甲肾上腺素能使人们更加集中注意力。该项研究发现，通过提高皮层运动区中的去甲肾上腺素，孤独症小鼠的运动学习能力提高得更快，这意味着未来有可能可以找到一个特异性治疗方式，来通过提高蓝斑去甲肾上腺素水平来改善孤独症的部分伴随症状。
　　与此同时，该项研究也有一定瑕疵。蓝斑去甲肾上腺素能神经元可以投射到很多大脑区域，该区域去甲肾上腺素本身的水平增加，可能也会通过其它脑区甚至引起全身性兴奋等其它途径来增加孤独症小鼠运动学习能力。
　　由于技术所限，我们无法直接检测各脑区的去甲肾上腺素水平，也没检测其它小鼠器官，所以并不意味着蓝斑去甲肾上腺素就是源头，真正的＂源头＂可能还有待进一步研究。
　　此外，去甲肾上腺素对机体的影响很多，需要非常细致全面的研究，才能将它研究清楚。
　　据美疾控中心2020年的报告，美国孤独症的发病率已高达1/54，这是什么概念呢？相当于在一节高峰时期的地铁车厢内就可能有一位孤独症患者。
　　而目前中国有超过1000万的孤独症患者，其中12岁以下的患者约有300多万 ，这并不意味着我们的发病率低，而可能是很大一部分患者连诊断的机会也没有。
　　虽然孤独症的具体病因还没有找到，但是科学家们在锲而不舍地进行研究，每一项研究的进展都在拉近我们和星星的距离。
　　我们会将这些国际上最新的研究成果分享给大家，以科学的态度看待孤独症，不轻信没有科学证明的所谓＂能治好孤独症＂的药物或是治疗方式。
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　　参考文献 [1] Yin, X., Jones, N., Yang, J., Asraoui, N., Mathieu, M. E., Cai, L., & Chen, S. X. (2021). Delayed motor learning in a 16p11.2 deletion mouse model of autism is rescued by locus coeruleus activation. Nature neuroscience, 24(5), 646–657.