《NEURON》(中文譯名:神經元)是神經科學頂級期刊,至今已有32年歷史,是該領域公認的最具影響力和可靠性的期刊,也是生命科學領域著名期刊《Cell》(中文譯名:細胞)的姐妹刊。
在該期刊中,編輯們將生物物理、細胞、發育、分子生物與感官、運動和高階認知功能系統方法整合在一起,推進神經科學最前沿發展。
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Loyal A. Goff博士和Dülen博士均為約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)教授。
霍普金斯大學簡稱Hopkins或JHU,成立於1876年,是一所世界頂級的著名私立大學,美國第一所研究型大學,也是北美學術聯盟美國大學協會(AAU)的14所創始校之一。截止目前,學校的教員與職工共有37人獲得過諾貝爾獎。醫學與公共衛生領域是霍普金斯大學的強項,它擁有最負盛名且最頂尖的醫學院,與哈佛醫學院齊名;公共衛生學院自有排名以來,歷年均為全美第一。
Loyal A. Goff教授實驗室目前專注於開發和優化單細胞基因表達測量系統,以探索發育和退化哺乳動物神經系統中的細胞如何因遺傳或其他疾病相關的損傷而變化。
Dülen教授實驗室的研究側重於大腦如何通過基本的神經生物學過程(如神經調節和突觸可塑性)促進社會行為,尤其是在自閉症和精神分裂症等疾病中。
研究人員深入分析了小鼠催產素神經元在神經網絡的並行流,確定了小細胞催產素(OT)神經元在自閉症發病機理中的關鍵作用,並首次揭示了催產素途徑特異所引發的致病機制,可用於解釋自閉症譜系中的核心症狀——社交障礙。
催產素神經元分為大細胞和小細胞兩種亞型。首先,作者們使用逆行示蹤的方法對小鼠腦室旁核(PVN)內OT神經元亞型的比例和分布進行定量分析。結果表明,在PVN中,有66%的OT神經元是巨細胞的,而34%的OT神經元是小細胞的。大細胞OT神經元主要定位在PVN的頭端部,而小細胞OT神經元則集中在PVN的尾部。
進一步,對OT神經元中的大細胞和小細胞電生理學特徵進行檢測,表明了電生理和解剖學分類系統的近乎完美的一致,提示大細胞和小細胞OT神經元可以用電生理特徵來表徵。
接下來,為了研究大細胞和小細胞OT神經元轉錄的異同,作者們對通過分子技術特異性富集的OT神經元亞型的細胞進行高解析度的全長測序技術(cDNA-scRNA-seq),發現了OT神經元的兩種截然不同的轉錄亞型。
具體來說,通過螢光流式分選,作者們收集到了194個OT神經元,這些細胞分成2個集,通過兩個獨立的區別特徵(投射靶標和線粒體密度)交叉驗證這些轉錄譜,首次建立了用於區分大細胞和小細胞OT神經元亞型的轉錄特徵。
再完成OT神經元亞型分選之後,利用高解析度的轉錄數據鑑定出181個在巨細胞和小細胞OT細胞之間具有顯著差異表達的基因,這為大細胞和小細胞OT神經元的功能基因組學鋪平了道路。
研究表明,在Fmr1-KO 自閉症模型小鼠中,NAc區域中OT受體發生阻斷。自閉症的社會動機理論認為,同伴社會獎勵學習的基本缺陷可以解釋自閉症臨床表現的所有特徵性行為缺陷。
同齡人,古柯鹼和父母社會條件位置偏好(peer-peer social, cocaine, and allo-parent social conditioned place preference assays, CPP)實驗表明,與野生型(WT)相比,Fmr1 KO小鼠的同齡人社交CPP(sCPP)明顯受損,而WT和Fmr1 KO小鼠均表現出顯著的古柯鹼CPP(cCPP)以及父母CPP(aCPP)。
隨後,研究人員採用一種定性鑑定從PVN到VTA的大細胞和小細胞OT神經元投射的解剖學方法,結合免疫組化和電生理方法,將NAc鑑定為在雄性小鼠中僅接受小細胞OTergic輸入的大腦區域。
然後再使用條件性敲除(Cre依賴性)Fmr1-KO小鼠發現同伴社交獎勵學習需要持續的Fmr1功能,並且Fmr1同伴社交獎勵學習需要特定於OT的神經元投射到NAc,且只有小細胞OT神經元有用而不是大細胞OT神經元。
最後,研究人員試圖確定這種致病機制是否可以推廣到其他自閉症病因。
他們對自閉症風險基因進行了基因集富集分析,同時也對FMRP結合伴侶進行了顯示,在這兩種條件下,相對於大細胞OT神經元,自閉症風險基因都顯著富集在小細胞中。
作為陰性對照,研究人員也對精神分裂症,阿爾茨海默氏病和2型糖尿病的風險基因進行分析,顯示這些基因在大細胞或小細胞OT神經元中均未顯著富集,提示,小細胞OT神經元的功能是和自閉症密切相關。
這項研究證實了:在自閉症社交障礙的發病機制中,神經元亞型差異會使特定神經元群體受到損傷。從另一個角度來看,這為自閉症發病機理研究開啟了新的思考方向——從病理學角度或許可以得到更好地探明自閉症的全貌。
此外,這項研究也為催產素和自閉症的關係提供了某種解釋:催產素神經元的並行神經環路,使得它能夠編碼各種各樣的社會行為,顯著地擴展了大腦社交網絡能力,為更好理解支配社會性大腦迴路組織的普遍模式奠定基礎。
催產素作為可人工合成的一種激素,未來如果能夠探明它對自閉症社交障礙的具體調節作用,那麼有極大可能成為醫藥治療的希望。
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參考文獻
[1] Lewis, E. M., Stein-O'Brien, G. L., Patino, A. V., Nardou, R., Grossman, C. D., Brown, M., Bangamwabo, B., Ndiaye, N., Giovinazzo, D., Dardani, I., Jiang, C., Goff, L. A., & Dölen, G. (2020). Parallel Social Information Processing Circuits Are Differentially Impacted in Autism. Neuron, S0896-6273(20)30770-4. Advance online publication.