利用微型双光子活体成像技术研究自闭症小鼠社交行为障碍的神经环路机制

Autism spectrum disorder (ASD) is a lifelong neurodevelopmental disorder, the etiology and underlying neural mechanisms are still elusive. There are lots of evidence from clinical and laboratory studies demonstrated that the typical disorders in ASD people, such as social, communication and empathy, are tightly related with the dysfunction of neurons within prefrontal cortex (PFC) and insular cortex. The applicant previously participated the design, testing and sucessful application of a fast, high-resolution, miniaturized two-photon microscope (FHIRM-TPM) with independent intellectual property rights, which provides a powerful tool to visualize and investigate brain activities and structural dynamics in freely-behaving animals. In this proposal, first, we will use MeCP2(methyl CpG binding protein 2) transgenic (Tg), a classic mice model of autism, combined with multiple methodologies including live imaging of miniaturized two-photon microscope , behavioral test, GCaMP calcium imaging, grin lens, neural circuit-tracing virus, optogenetics, and chemogenetics to investigate and visualize the activities of “insula-mPFC” circuit in various behavioral tests including social communication and empathy in MeCP2 Tg mice model of autism. Second, we will investigate the precise anatomical projection of “insula-mPFC” circuit. Third, we will investigate neurobiological mechanisms of “insula-mPFC” circuit in the regulation of social communication and empathy behavior. Based on addressing the contribution and mechanisms of synaptic transmission and excitatory/inhibitory(E/I) balance with living imaging and neural manipulation studies in freely-behaving animals, our work will provide new ideas and research paradigms to better investigating and exlporing the potential therapy of many neuropsychiatric disorders including ASD.

自闭症谱系障碍是一类神经发育性精神疾病，其发生的神经机制仍不明了。有证据表明，自闭症患者社交与共情缺陷的神经机制可能与前额叶皮层和岛叶皮层功能异常密切相关。申请人前期参与并成功研制了具有自主知识产权的高速高分辨率微型化双光子显微镜系统，为深入揭示自由活动小鼠脑内神经元放电模式提供了强大手段。在本项目中，我们拟以经典MeCP2转基因自闭症小鼠模型为研究对象，综合利用微型化双光子活体成像技术、行为学、GCaMP钙成像、微透镜、病毒神经环路示踪、以及光遗传学和化学遗传学等技术，深入研究“岛叶-正中前额叶”环路在自闭症小鼠社交与共情行为中的活动规律；阐明该环路神经投射的精细解剖结构；并深入解析其调控社交和共情行为的神经生物学机制。通过对自由活动状态下MeCP2转基因自闭症小鼠突触可塑性与兴奋/抑制平衡动态变化规律的深入研究，为包括自闭症谱系障碍在内多种神经精神疾病的研究和治疗提供新思路和研究范式。

自闭症谱系障碍是一类以社交障碍和大脑功能异常为特点的发育性精神疾病，其发生的神经机制尚不明了。在分子层面，MeCP2基因复制增加是导致自闭症发生的重要因素之一；在神经编码和环路层面，前额叶与岛叶的功能异常可能参与了孤独症的发生。在本研究中，我们首先深入解析了包括MeCP2在内调控皮层发育与功能的关键信号机制。发现O-GlcNAc糖基化修饰在MeCP2功能和自闭症发生中发挥潜在作用，并揭示了MeCP2 T203位点O-糖基化突变导致自闭症发生的神经机制，相关研究成果以封面论文形式发表在Neurosci Bull（2022）。此外，关于神经干细胞和皮层发育调控分子机制的研究论文发表在PNAS（2019）和Cell Reports（2021，封面论文）。在神经编码和神经环路层面，我们同北京大学程和平院士团队合作，在前期工作基础上进一步优化了高速高分辨微型化双光子显微镜，为深入解析自闭症小鼠社交障碍的神经编码机制提供了重要工具，相关研究成果发表在Nat Methods（2021）。基于此技术，通过结合GCaMP6病毒表达和两箱社交行为学分析，深入解析了野生型和MeCP2转基因自闭症小鼠前边缘皮层（PrL）兴奋性和抑制性神经元参与社交行为的编码规律。发现PrL脑区存在一小群编码特定类型社交信息的GABA能中间神经元，这些神经元在MeCP2转基因自闭症小鼠模型中存在明显的编码异常现象，进而导致MeCP2转基因小鼠出现显著的社交新颖性缺陷。借助CRISPR/Cas9技术在PrL脑区GABA能中间神经元中特异性去除过表达的MeCP2，可有效挽救MeCP2转基因小鼠的社交行为缺陷。相关研究成果在Neuron杂志审稿中。该工作为深入理解自闭症社交行为障碍的神经机制及干预提供了重要实验证据。依托该基金资助，以通讯作者（含共同）共发表SCI研究论文和综述10篇（9篇为第一标准，1篇为第二标注）。