Cell：首次发现胚胎瞬态多层回路，可能引发自闭症

在一项新的研究中，来自瑞士巴塞尔分子与临床眼科学研究所和巴塞尔大学的研究人员利用一种新的方法在单细胞分辨率下研究活的胚胎小鼠大脑，发现了一个活跃的多层回路，该回路在发育的早期阶段在大脑皮层中形成。从遗传上扰乱该回路导致了与自闭症患者大脑中所看到的类似的变化。相关研究结果于2023年4月17日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Pyramidal neurons form active, transient, multilayered circuits perturbed by autism-associated mutations at the inception of neocortex”。

论文通讯作者、巴塞尔分子与临床眼科学研究所主任Botond Roska说，“了解大脑皮层中细胞类型和回路的详细发育可以为自闭症和其他神经发育疾病提供重要的见解。这就是我们的发现所证实的。”

长期以来，自闭症一直与大脑皮层的错误回路有关，而大脑皮层是管理感官知觉、认知和其他高阶功能的部分。大脑皮层的大部分是由称为锥体神经元（pyramidal neuron）的兴奋性细胞组成。这些作者希望研究这些神经元何时以及如何在大脑皮层中组装成第一批活跃的回路，但这构成了一个困难的挑战。锥体神经元的宽度只有人类头发的十分之一，在实验过程中的任何移动都可能导致活动记录的不准确。

为了在研究中保持这些神经元的稳定，Roska及其研究团队设计了一种手术解决方案：胚胎被固定在母体腹腔内充满琼脂的三维保持装置内，这样就可以维持正常的胚胎血流和温度。

目前普遍流行的观点是，大脑皮层以“由内向外”的方式发育，它的六层中最深的一层首先出现。以这种方式来看，人们认为锥体神经元在迁移到大脑皮层的最终位置并形成彼此之间的联系时，会慢慢变得活跃。但是，论文共同第一作者、巴塞尔分子与临床眼科学研究所中央视觉回路小组系统神经科学家Arjun Bharioke说，在这项研究过程中，“我们实际上检测到了一种非常不同的活动模式。”

Roska团队特别关注发育为大脑皮层第5层的锥体神经元，发现了一个非常早期的瞬态回路，该回路甚至在这种6层的大脑皮层形成之前就已经高度活跃和相互关联了。这表明这些神经元在迁移形成第5层之前就已经连接在一起了。这个瞬态回路最初有2层：一个深层（deep layer）和一个浅层（superficial layer）。后来，浅层变得沉默并消失了，而这种经典的逐层皮层发育恢复了，第三中间层形成了第5层。

论文共同第一作者、巴塞尔分子与临床眼科学研究所中央视觉回路小组发育生物学家Martin Munz说，“我们还想了解这一回路在自闭症模型中是如何变化的。”这些作者利用缺少两个自闭症相关基因---Chd8和Grin2b---的一个或两个等位基因的基因敲除小鼠品系，取得了一项关键发现。众所周知，这些基因的缺失会导致儿童出现严重的自闭症。在纯合和杂合的基因敲除小鼠中，这个浅层作为一种发育的残余物仍然活跃。Munz说，“在整个胚胎发育过程中，它从未消失。”此外，基因敲除小鼠的大脑包含了类似于在自闭症患者身上看到的皮层混乱的斑块区域。

Bharioke说，这些发现表明，锥体神经元的空间分布受到这个新发现的回路的调节，而且“胚胎回路的变化在与神经发育障碍有关的功能障碍中起作用，包括自闭症谱系障碍”。

Roska说，在未来的研究中，Roska团队将“仔细观察这个早期回路的深层和浅层，并独立操纵它们”。“这对了解神经发育疾病的病因将具有指导意义。”

参考资料：

Martin Munz et al. Pyramidal neurons form active, transient, multilayered circuits perturbed by autism-associated mutations at the inception of neocortex. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.03.025.