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孤独症背后有何机密?南京脑观象台助力解码
发布日期:2022-09-07  浏览次数:

小鼠也有“喜新厌旧”社交行为?孤独症背后有何机密?南京脑观象台再次发力!以脑成像前沿技术提供创新支撑,赋能科研团队再添硕果。近日,军事医学研究院吴海涛团队、北京大学未来技术学院陈良怡团队、北京大学前沿交叉学科研究院张珏团队联合在Science Advances期刊发表题为Encoding of Social Novelty by Sparse GABAergic Neural Ensembles in the Prelimbic Cortex的研究论文,该工作综合利用动物行为学、行为依赖神经元活性操控、靶向特定神经元基因编辑及第二代微型化双光子显微镜,并通过江北新区南京生物医药谷园区北京大学分子医学南京转化院布局打造的高端科研平台——南京脑观象台的数据工厂LeapBrain助力科学发现,揭示了孤独症模型小鼠“喜新厌旧”行为缺陷背后的神经机制。




社交行为是在人类社会和个体中广泛存在的一种现象,对个体生存和人类社会繁衍至关重要。“喜新厌旧”似乎是绝大多数生物个体行为的本性,与陌生个体互动带来的新鲜感往往能给生活增添更多的惊喜。然而,由于存在不同程度的社交功能障碍,孤独症症谱系障碍(Autism spectrum disorder, ASD)患者往往不能体会到结识新朋友的快乐,也难以和陌生人进行正常的人际交往。那么,ASD患者脑内到底何种神经功能紊乱导致其产生社交行为缺陷的呢?针对该问题,研究团队以MECP2转基因(MECP2-TG)孤独症模型小鼠为研究对象,展开了一系列深入探索。


研究团队分别让头戴微型化双光子显微镜的野生型小鼠(WT)和孤独症模型小鼠(MECP2-TG)在两箱行为学箱中自由探索,在小鼠进行社交探索行为的同时采集前额叶前边缘皮质(Prelimbic cortex, PrL)神经元钙荧光信号。行为箱两侧分别放有一只“陌生”小鼠(New)和一只“熟悉”小鼠(Old)。通过数据工厂LeapBrain的计算,研究人员完成了小鼠运动轨迹的精准识别,并在自动生成的统计结果中发现,正常小鼠在社交上的确存在“喜新厌旧”样行为特点,然而孤独症小鼠则存在上述社交行为的显著缺陷(图1)



图1.WT小鼠和MECP2-TG小鼠的社交行为学热图


先前研究[1,2]认为,内侧前额叶PrL脑区编码和社交活动相关的多种行为信息。然而,目前有关PrL脑区是如何编码不同类型社交对象信息的仍不甚明了。在PrL海量神经元群落中,到底哪些神经元编码了社交行为?又是哪些神经元编码了社交新颖性识别?在通过数据工厂LeapBrain建立的对图像数据进行预处理(运动矫正、去噪音等)、识别目标细胞胞体、提取钙信号、动物行为识别标注以及信号分析等一系列分析方法对神经元钙信号进行处理后,发现抑制性中间神经元表现出高度同步的群体兴奋特点,社交行为发生时中间神经元激活比例、钙信号与行为的相关系数以及行为起止前后钙信号幅度变化均显著高于兴奋性锥体神经元,这提示相较于锥体神经元,中间神经元与社交行为更加密切(图2)



图2.相比于锥体神经元,前边缘皮质(PrL)中间神经元深度参与社交行为编码


既然中间神经元更加深度地参与了社交行为,且孤独症小鼠存在喜新厌旧行为缺陷,故推测其中是否存在着不同亚型的神经元集群编码着特定“陌生”或“熟悉”社交对象信息,且在孤独症小鼠中存在编码缺陷。LeapBrain提供的神经元胞体识别和功能群落发掘算法证实了这一推测,借助WT和MECP2-TG孤独症模型小鼠,首次发现了在小鼠PrL脑区内存在稀疏分布、特定响应“陌生”或“熟悉”小鼠社交偏好的抑制性中间神经元集群,分别将其命名为NewPNs(图2B)和OldPNs(图2C),它们就像区分不同社交对象的“指示灯”,会在遇到特定“陌生”或“熟悉”社交对象小鼠时特异性激活。



图3.鉴定“陌生”和“熟悉”小鼠社交偏好特异性响应神经元,揭示其在MECP2-TG小鼠中的功能缺陷


独特的偏好响应模式引起了研究团队的兴趣。为了详细刻画神经元响应时的信号特点,研究人员进一步利用LeapBrain的钙信号定量分析范式,实现了对偏好响应神经元的激活概率、最大上升幅度、达峰时间、功能连接强度等多种动力学特征和复杂网络参数的自动计算和统计。同与“陌生”对象社交相比,与“熟悉”对象进行社交更能引起野生型小鼠OldPNs较之于NewPNs更加强烈的激活,这两种不同的细胞集群可通过“跷跷板”式协同增强效应,特异性调控小鼠的“喜新厌旧”行为。而孤独症模型小鼠OldPNs动力学却明显失去“熟悉”对象特异性激活的动力学特征,处理“熟悉”社交对象时效率显著减弱,导致其无法区分不同社交对象之间的差别,进而引发“喜新厌旧”样社交行为缺陷。



图4.社交偏好特异性响应神经元集群钙信号动力学分析结果示意图


上述结果表明,在小鼠PrL脑区内存在一群稀疏分布的中间神经元集群,分别负责编码社交行为中的“熟悉”和“陌生”等不同社交对象信息。在MECP2-TG孤独症模型小鼠中,上述特异性编码不同社交对象的神经集群出现了显著的功能异常,最终导致了社交行为缺陷。为了验证神经元损伤和行为缺陷的因果性,研究人员借助CRISPR-Cas9基因编辑技术,在MECP2-TG小鼠PrL脑区中间神经元内特异性去除外源性MECP2转基因后,可显著挽救孤独症小鼠“喜新厌旧”样缺陷表型。同时,得益于LeapBrain的标准化处理范式,研究人员很快复现了动力学分析结果,并发现MECP2-TG小鼠中NewPNs和OldPNs对“熟悉”小鼠社交探索行为的响应效率得到显著提升,进一步证明了社交行为同相关神经集群活动之间的强因果关系 (图5)。



图5. MECP2-TG小鼠PrL脑区抑制性中间神经元内靶向特异性去除外源性MECP2转基因,可显著挽救孤独症模型小鼠“喜新厌旧”样行为缺陷


综上所述,该研究借助南京脑观象台自主研发的数据工厂LeapBrain,不仅深入解析了小鼠“喜新厌旧”社交行为的皮层神经元编码机制,也为靶向干预前额叶皮层特异类型神经元,治疗孤独症等神经精神疾病患者的社交行为障碍提供了宝贵线索。



南京脑观象台数据工厂LeapBrain

南京脑观象台自主研发的数据工厂LeapBrain提供的高精准度小鼠自动追踪、视频抖动矫正、神经元胞体甄别等常用功能,大大缩短了实验数据预处理时间,提高了数据质检效率,使研究人员真正能够将精力集中在潜在规律的发现与总结;LeapBrain插件化与工序化的灵活设计将新的神经科学数据分析范式不断总结和引入,大大降低了探索求证的门槛。研究人员通过自由选配分析范式,便可得到相应的假设检验依据统计结果,并能够通过可视化提示找到进一步的分析线索与钥匙。此外,LeapBrain规范化的数据与算法管理模式,研究工作中用到的所有数据、算法以及参数使用均可溯源。探索过程的重要结果能够一键复现,极大提高了数据驱动和假设驱动的规律发现可靠性,为神经科学研究提供了难得的工厂级高效数据处理分析平台。


参考文献:

[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.