近日，軍事醫(yī)學(xué)研究院認知與腦科學(xué)研究所吳海濤團隊、北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院陳良怡團隊、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院張玨團隊聯(lián)合在 Science Advances 期刊發(fā)表題為 Encoding of social novelty by sparse GABAergic neural ensembles in the prelimbic cortex 的研究論文。該工作前后歷時6年多，通過綜合利用動物行為學(xué)、行為依賴神經(jīng)元活性化學(xué)操控、靶向特定神經(jīng)元基因編輯及第二代微型化雙光子顯微成像等技術(shù)，揭示了自閉癥模型小鼠社交行為缺陷背后的神經(jīng)機制。
 
社交行為是在人類社會和個體中廣泛存在的一種現(xiàn)象，對個體生存和人類社會繁衍至關(guān)重要。“喜新厭舊”似乎是絕大多數(shù)生物個體行為的本性，與陌生個體互動帶來的新鮮感往往能給生活增添更多的驚喜。然而，由于存在不同程度的社交功能障礙，孤獨癥癥譜系障礙（Autism spectrum disorder, ASD）患者往往不能體會到結(jié)識新朋友的快樂，也難以和陌生人進行正常的人際交往。那么，ASD患者腦內(nèi)到底何種神經(jīng)功能紊亂導(dǎo)致其產(chǎn)生“喜新厭舊”等社交行為缺陷的呢？針對該問題，研究團隊以MECP2轉(zhuǎn)基因（MECP2-TG）孤獨癥模型小鼠為研究對象，展開了一系列深入探索。

研究團隊分別讓頭戴微型化雙光子顯微鏡的野生型小鼠（WT）和孤獨癥模型小鼠（MECP2-TG）在改進的兩箱社交行為學(xué)裝置中自由探索（圖1A and 1B），在小鼠進行社交探索行為的同時采集前額葉前邊緣皮質(zhì)（Prelimbic cortex, PrL）神經(jīng)元鈣熒光信號。行為學(xué)箱體兩側(cè)分別放有一只“陌生”小鼠（New）和一只“熟悉”小鼠（Old）。首先，研究人員發(fā)現(xiàn)，正常小鼠在社交上存在典型的“喜新厭舊”樣行為，而MECP2-TG孤獨癥模型小鼠存在“喜新厭舊”行為缺陷（圖1C）。
圖1. （A）二代微型雙光子顯微鏡裝置圖（B）小鼠行為學(xué)實驗設(shè)計（C）社交探索時間統(tǒng)計結(jié)果

先前研究^[1,2]認為，內(nèi)側(cè)前額葉PrL腦區(qū)編碼和社交活動相關(guān)的多種行為信息。然而，目前有關(guān)PrL腦區(qū)是如何編碼不同類型社交對象信息的仍不甚明了。研究人員借助WT和MECP2-TG孤獨癥模型小鼠，結(jié)合神經(jīng)元胞體識別和功能集群發(fā)掘算法（圖2A），首次發(fā)現(xiàn)了在小鼠PrL腦區(qū)內(nèi)存在稀疏分布、特定響應(yīng)“陌生”或“熟悉”小鼠社交偏好的抑制性中間神經(jīng)元集群，分別將其命名為NewPNs（圖2B）和OldPNs（圖2C），它們就像區(qū)分不同社交對象的“指示燈”，會在遇到特定“陌生”或“熟悉”社交對象小鼠時特異性激活。

圖2. 鑒定“陌生”和“熟悉”小鼠社交偏好特異性響應(yīng)神經(jīng)元，揭示其在MECP2-TG小鼠中的功能缺陷

獨特的偏好響應(yīng)模式引起了研究團隊的興趣。研究人員進一步利用鈣信號定量分析范式，實現(xiàn)了對不同類型社交對象特異性偏好響應(yīng)神經(jīng)元的激活概率、鈣信號幅度、達峰時間和功能連接強度等多種動力學(xué)特征和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的自動計算和統(tǒng)計。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同與“陌生”對象社交相比，與“熟悉”對象進行社交更能引起野生型小鼠OldPNs較之于NewPNs更加強烈的激活，這兩種不同的細胞集群可通過“蹺蹺板”式協(xié)同增強效應(yīng)，特異性調(diào)控小鼠的“喜新厭舊”行為。而孤獨癥模型小鼠OldPNs動力學(xué)卻明顯失去“熟悉”對象特異性激活的動力學(xué)特征，處理“熟悉”社交對象時效率顯著減弱，導(dǎo)致其無法區(qū)分不同社交對象之間的差別，進而引發(fā)“喜新厭舊”樣社交行為缺陷（圖3）。

圖3. 社交偏好特異性響應(yīng)神經(jīng)元集群鈣信號動力學(xué)分析結(jié)果示意圖

上述結(jié)果表明，在小鼠PrL腦區(qū)內(nèi)存在一群稀疏分布的中間神經(jīng)元集群，分別負責(zé)編碼社交行為中的“熟悉”和“陌生”等不同社交對象信息。在MECP2-TG孤獨癥模型小鼠中，上述特異性編碼不同社交對象的神經(jīng)集群出現(xiàn)了顯著的功能異常，最終導(dǎo)致了社交行為缺陷。不僅如此，研究人員還通過借助CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，在MECP2-TG小鼠PrL腦區(qū)中間神經(jīng)元內(nèi)特異性去除外源性MECP2轉(zhuǎn)基因后，可顯著挽救孤獨癥小鼠“喜新厭舊”樣缺陷表型。同時，得益于數(shù)據(jù)處理的標準化范式，研究人員很快復(fù)現(xiàn)了動力學(xué)分析結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)MECP2-TG小鼠中NewPNs和OldPNs對“熟悉”小鼠社交探索行為的響應(yīng)效率得到顯著提升，進一步證明了社交行為同相關(guān)神經(jīng)集群活動之間的強因果關(guān)系（圖4）。

圖4. MECP2-TG小鼠PrL腦區(qū)抑制性中間神經(jīng)元內(nèi)靶向特異性去除外源性MECP2轉(zhuǎn)基因，可顯著挽救孤獨癥模型小鼠“喜新厭舊”樣行為缺陷

綜上所述，該研究不僅深入解析了小鼠“喜新厭舊”社交行為的皮層神經(jīng)元編碼機制，也為靶向干預(yù)前額葉皮層特異類型神經(jīng)元，治療孤獨癥等神經(jīng)精神疾病患者的社交行為障礙提供了寶貴線索。
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參考文獻：
[1] Murugan, Malavika, et al. "Combined social and spatial coding in a descending projection from the prefrontal cortex." Cell 171.7 (2017): 1663-1677.
[2] Huang, Wen-Chin, et al. "Social behavior is modulated by valence-encoding mPFC-amygdala sub-circuitry." Cell reports 32.2 (2020): 107899.