前額葉皮層錐體神經元的興奮性突觸傳遞減少也引起自閉症樣行為

自閉症譜系障礙被認為是神經環路和突觸功能異常發育的結果。在自閉症譜系障礙中已經鑑定出許多具有突變的基因，這些基因中有許多在突觸前和突觸後位點編碼突觸蛋白，包括neuroligins, neurexins, cadherins, PROSAP/SHANK, synapsin以及神經遞質受體。然而，許多ASD相關基因在突觸功能和ASD相關行為中的作用尚未被研究，突觸功能障礙與ASD樣異常行為之間的因果關係尚不清楚。

2019年7月22日，空軍軍醫大學基礎醫學院神經生物學教研室武勝昔、王文挺團隊聯合MIT馮國平實驗室在Nature Neuroscience雜誌上在線發表題為Anterior Cingulate Cortex Dysfunction Underlies Social Deficits in Shank3Mutant Mice 的封面文章，揭示了前扣帶回皮質（anterior cingulate cortex，ACC）錐體神經元興奮性突觸在自閉症小鼠模型社交障礙中的關鍵作用。作者通過正向或反向調控ACC錐體神經元的興奮性突觸，可以緩解或模擬社交障礙。

2020年10月12日，日本東京大學的Hiroaki Sacai等人在《Nature Communications》雜誌上發表了題為「Autism spectrum disorder-like behavior caused by reduced excitatory synaptic transmission in pyramidal neurons of mouse prefrontal cortex」。通過研究CNTNAP2或AHI1基因敲低小鼠揭示了，prefrontal cortex（PFC）的錐體神經元興奮性突觸傳遞的減少導致了小鼠的自閉症樣行為。下面，我們詳細介紹一下最新的這篇Nature Communications的研究。

CNTNAP2敲低會降低PFC的突觸功能並引起ASD樣行為

通過子宮內電穿孔，在胚胎14-15天將攜帶有針對CNTNAP2的microRNAs和EGFP的cDNA的質粒轉染到PFC的錐體神經元中。從2/3層錐體神經元進行全細胞膜片鉗記錄，CNTNAP2敲低神經元的誘發興奮性突觸後突觸電流（EPSC）的幅度明顯小於對照神經元。此外，在CNTNAP2敲低的神經元中，微型EPSC（mEPSC）的頻率顯著降低，表明CNTNAP2敲低減弱了興奮性突觸傳遞。配對脈衝比和NMDA/AMPA比沒有發現差異。

這些結果表明CNTNAP2在2/3層錐體神經元中的敲低減少了這些神經元上的功能性興奮性突觸的數量。CNTNAP2敲低神經元的抑制性突觸後電流（IPSC）的幅度明顯小於對照神經元，微型IPSC（mIPSC）的頻率顯著降低，表明CNTNAP2敲低減少了抑制性突觸傳遞。雖然EPSC和IPSC均降低，但CNTNAP2敲低神經元的抑制/興奮（I/E）比率比對照神經元明顯更大。

此外，8至11周齡小鼠的CNTNAP2敲低神經元中的EPSCs和IPSCs均減少，這表明突觸功能的損害持續到成年期。綜上所述，這些結果表明CNTNAP2是PFC第2/3層錐體神經元正常興奮和抑制突觸功能所必需的。

接著，運用社交性測驗、三室社交性測驗及互動社會互動測驗對社會互動進行分析。結果表明，在發育中的PFC的2/3層錐體神經元中，CNTNAP2基因敲低的小鼠在社會交往中受損。

幼鼠利用超聲波發聲（USV）與它們的母親交流，分析了P7時幼鼠的USV，發現CNTNAP2基因敲低的幼鼠在平均叫聲持續時間上表現出一個小的但顯著的減少，在發聲方面表現出輕微的異常。其他行為學實驗表明，雖然CNTNAP2基因敲低小鼠表現出高水平的抑鬱特徵，但它們表現出正常的運動活動和工作記憶。

AHI1基因敲低減少了PFC的興奮性突觸輸入並引起ASD樣行為

AHI1是另一種與自閉症易感性相關的基因。研究發現AHI1敲低神經元的誘發EPSC振幅明顯小於對照神經元， NMDA/AMPA比值明顯大於對照神經元。在AHI1敲低神經元中，mEPSC的振幅（而不是頻率）明顯小於對照神經元。配對脈衝比沒有差異。這些結果表明，在mPFC的AHI1敲低神經元中，AMPA受體功能或突觸後部位數量減少。對於抑制性突觸傳遞，mIPSC的振幅和頻率均無顯著差異。成年小鼠（8-11周齡）中，AHI1基因敲低的2/3層錐體神經元上的興奮性傳遞減少，這表明年輕和成年小鼠的突觸表型幾乎相同。

這些結果表示，AHI1基因敲低可導致PFC第2/3層錐體神經元突觸後興奮部位AMPA受體功能或數量的特異性降低。此外，行為學實驗表明，AHI1基因敲低小鼠表現出較低的社會交往和輕微的幼崽發聲異常，但探究行為、焦慮、運動能力和工作記憶沒有改變。

CX546改善敲低小鼠的ASD樣行為

目前的研究結果表明，在CNTNAP2基因敲低和AHI1基因敲低小鼠中，PFC第2/3層錐體神經元興奮性突觸傳遞減少可能是ASD樣行為的原因。為了測試這種可能性，接著Hiroaki Sacai等人使用了CX546，一種AMPA受體的正變構調節劑。

首先評估了CX546對CNTNAP2敲低或AHI1敲低的2/3層錐體神經元興奮性突觸傳遞的影響，發現在對照組，CNTNAP2敲低和AHI1敲低的神經元進行CX546治療後，mEPSC的衰減時間和電荷轉移分別變得明顯更長和更大。相比之下，未經CX546處理和對照組的神經元，CNTNAP2敲低和AHI1敲低神經元之間的mIPSC振幅和頻率沒有差異。這些結果表明CX546有效增強了興奮性突觸傳遞，而不會影響抑制性突觸傳遞。

由於CX546是系統性給藥，它應該影響整個大腦的興奮性突觸。因此，可以認為CX546可能會增強除mPFC以外的大腦區域的興奮性突觸傳遞。但是，研究結果顯示CX546對對照小鼠的社交沒有影響，這表明PFC第2/3層錐體神經元興奮性突觸傳遞的減少是CNTNAP2-nockdown和AHI1-nockdown小鼠社交交互受損的主要原因。

綜上所述，發育中小鼠腦前額葉皮質2/3層錐體神經元 CNTNAP2或 AHI1基因的敲低，使興奮性突觸傳遞減少，社會交往受損，誘發輕度發聲異常。儘管減少興奮性傳遞的原因不同，但AMPA受體功能的藥理作用增強可有效恢復CNTNAP2和AHI1基因敲低小鼠的社交行為受損。這項研究得出一個結論是，PFC的2/3層錐體神經元興奮性突觸傳遞的減少導致了小鼠的社會互動受損和輕微的發聲異常。為突觸功能障礙與ASD樣異常行為之間的機制又提供了新證據。

文章信息：
Sacai H, Sakoori K, Konno K, Nagahama K, Suzuki H, Watanabe T, Watanabe M, Uesaka N, Kano M. Autism spectrum disorder-like behavior caused by reduced excitatory synaptic transmission in pyramidal neurons of mouse prefrontal cortex. Nat Commun. 2020 Oct 12;11(1):5140. doi: 10.1038/s41467-020-18861-3. PMID: 33046712.

編譯作者：Pika（brainnews創作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）