自閉癥譜系障礙(Autism spectrum disorder，ASD)是一種與行為異常相關的神經發育疾病，其表現包括社會缺陷、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展為ASD受到環境因素的影響，有具有密切相似遺傳背景的親屬在他們發展為ASD癥狀的程度上可能有很大的不同^[1-3]。鑒于ASD易感的多基因基礎最為復雜，環境中可能會影響ASD發生的具體因素也尚不清楚，因此闡明環境因素對ASD發生的影響具有重要的治療意義。

最近瑞士弗里德里?！っ仔獱栄芯吭旱腜ico Caroni課題組在Neuron上發表了題為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]。

為了研究經歷情境和ASD參與程度之間的可能關系，研究者們首先比較了WT和Shank3^ΔC/ΔC小鼠在情境相關的社交/物體交互任務。他們所采用的行為學范式如圖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， Shank3^ΔC/ΔC小鼠的表型和WT小鼠類似。但在24h時記憶測試實驗中，Shank3^ΔC/ΔC小鼠并沒有表現出對陌生小鼠和新物體探索的增加(圖1A、B)。這說明Shank3^ΔC/ΔC小鼠可能存在長期記憶缺陷。

圖1:社交/物體記憶行為學范式及結果

接下來研究者們探究了將小鼠暴露在新環境中是否會影響其對環境中物體的探索。結果顯示在沒有環境前暴露的情況下，WT和Shank3^ΔC/ΔC小鼠在相同的新環境中對物體探索的表現相似（圖2A）。第二天將Shank3^ΔC/ΔC小鼠處于前一天探索過的環境中時，Shank3^ΔC/ΔC小鼠的社交互動相較于WT小鼠顯著減少（圖2B），但其對未探索過環境的社交互動與WT無明顯差異（圖2C）。Shank3^ΔC/ΔC小鼠的這種情境特異性社交障礙大約在初次進入新環境后12h出現，并持續至少1個月（圖2D）。這說明Shank3^ΔC/ΔC小鼠表現出長期的、情境特異性障礙。

圖2: 小鼠表現出情境特異性社交障礙

為了確定Shank3^ΔC/ΔC小鼠可能出現的環境特異性行為異常，研究者們對Shank3^ΔC/ΔC小鼠初次環境暴露和再次暴露時的行為進行了密切的觀察。結果發現在24h后重新暴露于舊環境中時，Shank3^ΔC/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“重復性動作”在Shank3^ΔC/ΔC小鼠再次環境暴露時顯著增加。

為什么Shank3^ΔC/ΔC小鼠這種環境特異性行為異常背后的神經環路機制是怎樣的呢？研究者們將目光投向了紋狀體。研究者們發現在通過化學手段（注射6-羥多巴胺）損傷紋狀體尾部（Tail of striatum，TS）時，Shank3^ΔC/ΔC小鼠在此暴露于環境中時的社交行為恢復到了正常水平，且其對新物體的探索時間明顯增加（圖4A）。這說明TS參與環境特異性的行為調控。

接下來研究者們又對TS區多巴胺（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（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。結果發現Shank3^ΔC/ΔC小鼠在靠近和離開物體時，其TS區DA的分泌遠高于對照組（圖4B），且在TS區注射D1/5R拮抗劑時，Shank3^ΔC/ΔC小鼠的異常行為得到恢復（圖4C）。這些結果說明在Shank3^ΔC/ΔC小鼠暴露于探索過的環境時，DA釋放增多引起TS的記憶導致再次暴露時參與性降低。

圖4:TS區DA釋放異常引起其環境特異性記憶障礙

第一次暴露時WT小鼠TS區也存在DA的釋放，但其在再次暴露時仍具有探索的能力。為了解釋這個現象，研究者們假設第一次暴露引起的TS相關回避可能會被來自其他腦區的輸入抵消。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，發現除了感覺和運動區外，內側前額葉皮層（medial prefrontal cortex，mPFC）的PreL區和前扣帶皮層（anterior cingulate cortex，ACC）以及杏仁核基地外側區（basolateral amygdala ，BLA）都存在至TS區的神經投射（圖5A、B）。

基于這些，研究者們想進一步確定抑制ASD相關的前額葉腦區是否會影響小鼠再次暴露于環境時的探索行為。他們借助化學遺傳學的方式對PV-Cre小鼠的PreL、ACC和BLA區分別注射rAAV9-CBA-flox-PSAM抑制PreL、ACC和BLA的神經元活動。結果發現只有在抑制PreL區時，再暴露的PV-Cre小鼠和WT小鼠才表現出了社交異常（圖6A、B）。當在PreL區注射AAV9-CBA-FLEX-PSAM激活神經元時，WT小鼠和Shank3^ΔC/ΔC小鼠再暴露時的社交行為明顯恢復（圖6C）。這些loss-of-function和gain-of-function的實驗說明在環境再暴露時Shank3^ΔC/ΔC小鼠PreL -> TS神經元活動被抑制，導致其環境特異性記憶受損。

圖5:逆向病毒示蹤標記TS區上游腦區

圖6:再暴露時小鼠行為依賴于PreL -> TS的神經投射

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境干預（envirnmental enrichment，EE），但這種干預提高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Shank3^ΔC/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。結果發現經歷過EE的Shank3^ΔC/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神經元的影響，研究者們同樣通過化學遺傳學的方式向PerL注射rAAV9-CBA-flox-PSAM并抑制其神經元活動。結果發現在初次暴露和二次暴露時，抑制PerL神經元后EE組的Shank3^ΔC/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的神經投射挽救Shank3^ΔC/ΔC小鼠的ASD樣表型。

總之，這項工作發現Shank3^ΔC/ΔC小鼠暴露在缺乏熟悉特征的新環境中會導致長期的參與失敗和重復行為。在第一次暴露于環境中時加入熟悉的特征可以防止TS多巴胺瞬變增強，并使其與環境的交互恢復至正常水平。在野生型小鼠中，再次環境暴露的參與依賴于PerL -> TS的神經投射，而在Shank3^ΔC/ΔC小鼠中，PreL -> TS投射受抑制，激活該環路可使小鼠的ASD癥狀得到緩解。因此，在遺傳易感小鼠中，新環境在觸發ASD樣表型中具有關鍵作用，而涉及熟悉和豐富的行為療法可能會阻止ASD表型的出現。

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