自闭症谱系障碍被认为是神经环路和突触功能异常发育的结果。在自闭症谱系障碍中已经鉴定出许多具有突变的基因，这些基因中有许多在突触前和突触后位点编码突触蛋白，包括neuroligins, neurexins, cadherins, PROSAP/SHANK, synapsin以及神经递质受体。然而，许多ASD相关基因在突触功能和ASD相关行为中的作用尚未被研究，突触功能障碍与ASD样异常行为之间的因果关系尚不清楚。
2019年7月22日，空军军医大学基础医学院神经生物学教研室武胜昔、王文挺团队联合MIT冯国平实验室在Nature Neuroscience杂志上在线发表题为Anterior Cingulate Cortex Dysfunction Underlies Social Deficits in Shank3Mutant Mice 的封面文章，揭示了前扣带回皮质（anterior cingulate cortex，ACC）锥体神经元兴奋性突触在自闭症小鼠模型社交障碍中的关键作用。作者通过正向或反向调控ACC锥体神经元的兴奋性突触，可以缓解或模拟社交障碍。
2020年10月12日，日本东京大学的Hiroaki Sacai等人在《Nature Communications》杂志上发表了题为“Autism spectrum disorder-like behavior caused by reduced excitatory synaptic transmission in pyramidal neurons of mouse prefrontal cortex”。通过研究CNTNAP2或AHI1基因敲低小鼠揭示了，prefrontal cortex（PFC）的锥体神经元兴奋性突触传递的减少导致了小鼠的自闭症样行为。下面，我们详细介绍一下最新的这篇Nature Communications的研究。
CNTNAP2敲低会降低PFC的突触功能并引起ASD样行为
通过子宫内电穿孔，在胚胎14-15天将携带有针对CNTNAP2的microRNAs和EGFP的cDNA的质粒转染到PFC的锥体神经元中。从2/3层锥体神经元进行全细胞膜片钳记录，CNTNAP2敲低神经元的诱发兴奋性突触后突触电流（EPSC）的幅度明显小于对照神经元。此外，在CNTNAP2敲低的神经元中，微型EPSC（mEPSC）的频率显著降低，表明CNTNAP2敲低减弱了兴奋性突触传递。配对脉冲比和NMDA/AMPA比没有发现差异。
这些结果表明CNTNAP2在2/3层锥体神经元中的敲低减少了这些神经元上的功能性兴奋性突触的数量。CNTNAP2敲低神经元的抑制性突触后电流（IPSC）的幅度明显小于对照神经元，微型IPSC（mIPSC）的频率显著降低，表明CNTNAP2敲低减少了抑制性突触传递。虽然EPSC和IPSC均降低，但CNTNAP2敲低神经元的抑制/兴奋（I/E）比率比对照神经元明显更大。
此外，8至11周龄小鼠的CNTNAP2敲低神经元中的EPSCs和IPSCs均减少，这表明突触功能的损害持续到成年期。综上所述，这些结果表明CNTNAP2是PFC第2/3层锥体神经元正常兴奋和抑制突触功能所必需的。
接着，运用社交性测验、三社交性测验及互动社会互动测验对社会互动进行分析。结果表明，在发育中的PFC的2/3层锥体神经元中，CNTNAP2基因敲低的小鼠在社会交往中受损。
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幼鼠利用超声波发声（USV）与它们的母亲交流，分析了P7时幼鼠的USV，发现CNTNAP2基因敲低的幼鼠在平均叫声持续时间上表现出一个小的但显著的减少，在发声方面表现出轻微的异常。其他行为学实验表明，虽然CNTNAP2基因敲低小鼠表现出高水平的抑郁特征，但它们表现出正常的运动活动和工作记忆。
AHI1基因敲低减少了PFC的兴奋性突触输入并引起ASD样行为
AHI1是另一种与自闭症易感性相关的基因。研究发现AHI1敲低神经元的诱发EPSC振幅明显小于对照神经元， NMDA/AMPA比值明显大于对照神经元。在AHI1敲低神经元中，mEPSC的振幅（而不是频率）明显小于对照神经元。配对脉冲比没有差异。这些结果表明，在mPFC的AHI1敲低神经元中，AMPA受体功能或突触后部位数量减少。对于抑制性突触传递，mIPSC的振幅和频率均无显著差异。成年小鼠（8-11周龄）中，AHI1基因敲低的2/3层锥体神经元上的兴奋性传递减少，这表明年轻和成年小鼠的突触表型几乎相同。
这些结果表示，AHI1基因敲低可导致PFC第2/3层锥体神经元突触后兴奋部位AMPA受体功能或数量的特异性降低。此外，行为学实验表明，AHI1基因敲低小鼠表现出较低的社会交往和轻微的幼崽发声异常，但探究行为、焦虑、运动能力和工作记忆没有改变。
CX546改善敲低小鼠的ASD样行为
目前的研究结果表明，在CNTNAP2基因敲低和AHI1基因敲低小鼠中，PFC第2/3层锥体神经元兴奋性突触传递减少可能是ASD样行为的原因。为了测试这种可能性，接着Hiroaki Sacai等人使用了CX546，一种AMPA受体的正变构调节剂。
首先评估了CX546对CNTNAP2敲低或AHI1敲低的2/3层锥体神经元兴奋性突触传递的影响，发现在对照组，CNTNAP2敲低和AHI1敲低的神经元进行CX546治疗后，mEPSC的衰减时间和电荷转移分别变得明显更长和更大。相比之下，未经CX546处理和对照组的神经元，CNTNAP2敲低和AHI1敲低神经元之间的mIPSC振幅和频率没有差异。这些结果表明CX546有效增强了兴奋性突触传递，而不会影响抑制性突触传递。
由于CX546是系统性给药，它应该影响整个大脑的兴奋性突触。因此，可以认为CX546可能会增强除mPFC以外的大脑区域的兴奋性突触传递。但是，研究结果显示CX546对对照小鼠的社交没有影响，这表明PFC第2/3层锥体神经元兴奋性突触传递的减少是CNTNAP2-nockdown和AHI1-nockdown小鼠社交交互受损的主要原因。
综上所述，发育中小鼠脑前额叶皮质2/3层锥体神经元 CNTNAP2或 AHI1基因的敲低，使兴奋性突触传递减少，社会交往受损，诱发轻度发声异常。尽管减少兴奋性传递的原因不同，但AMPA受体功能的药理作用增强可有效恢复CNTNAP2和AHI1基因敲低小鼠的社交行为受损。这项研究得出一个结论是，PFC的2/3层锥体神经元兴奋性突触传递的减少导致了小鼠的社会互动受损和轻微的发声异常。为突触功能障碍与ASD样异常行为之间的机制又提供了新证据。
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.
编译作者：Pika（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）