Nature | 症状前早期训练行为可减轻Rett综合征

撰文 | Qi

责编 | 兮

X连锁基因MECP2的突变会导致Rett综合征，这是一种进行性的神经系统疾病，儿童在经历严重的运动和认知衰退前的一到两年内会保持发育正常，直到目前为止，尚未有有效的治疗方法。已有研究报道，缺少一个Mecp2等位基因的雌性小鼠能再现Rett综合征的关键特征，在成年Rett小鼠中恢复Mecp2基因表达可以缓解病症，说明神经系统足够完整以支持恢复【1, 2】。虽然基因治疗原则上是一种理想的治疗方法，但是大脑对MeCP2蛋白数量的敏感性带来了一个特殊的挑战，因为过多的蛋白负载又反过来会引起MeCP2重复综合征【3】。在这种情况下，找到一种合适的替代疗法则显得尤为重要。

穹隆脑深部电刺激术（deep brain stimulation, DBS），一种非药理学的方法，可以通过刺激低活性的海马神经回路改善Rett小鼠的学习和记忆能力【4】。那么是否可以在避免DBS侵入性的情况下模仿持续刺激的效果呢？有研究提出行为训练可以提高自闭症儿童的运动和认知能力【5】，那么这种方法是否也同样适用于患有Rett综合征的患者呢？

近日，来自美国德州儿童医院的Huda Y. Zoghbi团队在Nature杂志上发表了一篇题为“Presymptomatic training mitigates functional deficits in a mouse model of Rett syndrome”的文章，在这项研究中，作者使用Rett综合征小鼠模型发现，在症状前阶段开始的强化训练显著改善了特定运动和记忆任务的表现，并显著延迟了Rett症状的出现。神经元活动和化学遗传操作的标记表明，在训练过程中反复激活的任务特异性神经元相较于未训练的动物而言能够产生更多的树突状突起。这些结果为新生儿进行Rett综合征的基因筛查的必要性提供了理论依据，因为症状前干预可能减轻症状或延缓其发病。

基于先前的发现，作者想知道在雌性Mecp2杂合子小鼠（以下简称Rett小鼠）中进行症状前训练能否增强回路活动并减轻行为缺陷。雌性Rett小鼠在12周龄左右会出现运动失调症状，为了确定训练在症状出现前或后的效果，作者观察三组24周龄小鼠在加速旋转杆装置上的运动表现，分别是：未进行旋转杆训练的野生型和Rett小鼠对照组（naive）；8周龄开始训练的早期训练组（early training）；以及接受相同训练次数但从22周开始的晚期训练组（late training）。正如所料，naive Rett小鼠的表现比naive WT 小鼠差，晚期训练组的表现略好于未训练的Rett小鼠，而早期训练组的表现明显好于未训练和晚期训练组（图1）。那么类似的训练是否可以提高Rett小鼠的认知能力呢？作者通过观察设置好的三组小鼠在Morris水迷宫中的表现，同样发现早期训练的Rett小鼠的表现优于naive组和晚期训练组。

图1. 症状前训练可改善Rett小鼠的运动协调能力

由于皮质和海马功能障碍是Rett小鼠学习和记忆异常的基础，作者想知道这些区域的任务特异性神经元是否表现出症状前训练带来的改变。为此，作者使用cFos靶向重组技术（FosTRAP）标记水迷宫训练中激活的任务特异性神经元【6】。FosTRAP使用基因编码的cFosCreER来驱动Cre依赖性报告基因（tdTomato）的表达，训练后立即给予4-羟基三苯氧胺可确保只有在训练期间激活的神经元被标记。如果标记的神经元是任务特异性的，那么在水迷宫中重新测试小鼠后，tdTomato+神经元中的cFOS会重新激活，与猜想一致，在水迷宫中重新测试的小鼠中有更多tdTomato+ cFos+神经元，说明任务特异性神经元参与其中。

为了确定症状前训练是否需要任务特异性神经元的活性，作者在经过训练的小鼠的任务特异性神经元中表达由设计药物（DREADDs）专一激活的设计受体，并用氯氮平-N-氧化物（CNO）操纵神经活动，即在CNO存在的情况下，神经元活动被hM4Di DREADDs受体抑制，但被hM3Dq DREADDs受体刺激。如果说任务特异性神经元对于症状前训练的益处是必要的，那么阻止它们的再激活应该会损害空间记忆。为此，作者将编码hM4Di–mCherry或mCherry的AAV注射到同样表达cFosCreER的野生型和Rett小鼠体内，所有组在4周龄开始训练，13周龄时在有CNO或对照存在的水迷宫中重新测试，表达mCherry的神经元表达cFos，但表达hM4Di–mCherry的神经元不表达，表明CNO阻止了任务特异性神经元的再激活，且CNO损害了表达hM4Di–mCherry的野生型和Rett小鼠的空间记忆（图2）。因此，激活任务特异性神经元对于改善Rett小鼠的症状前训练是必要的，然而，是否是充分条件尚未可知。

图2. 任务特定神经元的抑制会影响Rett小鼠的症状前训练的有益作用

为此，作者进一步将编码hM3Dq–mCherry或mCherry的AAV注射到表达cFosCreER的野生型和Rett小鼠体内。在进行水迷宫训练后，在笼中给予CNO或对照，并不进行额外的重复训练。在测试环节，作者观察到CNO保留了表达hM3Dq–mCherry的野生型和Rett小鼠的空间记忆，而表达mCherry并注射CNO或表达hM3Dq–mCherry并注射对照的野生型和Rett小鼠的空间记忆随着时间的推移而衰退。因此，激活任务特异性神经元对于Rett小鼠训练获益是充分必要条件。

在确认了任务特异性神经元的参与之后，作者进一步比较了在水迷宫中晚期训练和早期训练小鼠海马CA1神经元的形态学和电生理特征。结果显示症状前训练增强了Rett小鼠MeCP2−CA1神经元的树突复杂性和脊椎密度，且提高了Rett小鼠MeCP2-神经元自发性抑制性突触后电流（sIPSCs）和自发性兴奋性突触后电流（sEPSCs）的频率。

总的来说，这一发现表明Rett综合征症状前早期训练行为对于延缓特定症状的出现而言具有实际意义。尽管神经发育障碍的遗传异质性对开发治疗方法提出了重大挑战，但作为疾病表型基础的神经回路可能是早期训练的共同治疗切入点。症状前诊断和早期训练不仅对Rett综合征患者有益，其他神经系统疾病患者也同样可能获益。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03369-7

参考文献

1. Guy, J., Hendrich, B., Holmes, M., Martin, J. E. & Bird, A. A mouse Mecp2-null mutation causes neurological symptoms that mimic Rett syndrome. Nat. Genet. 27, 322–326 (2001).

2. Guy, J., Gan, J., Selfridge, J., Cobb, S. & Bird, A. Reversal of neurological defects in a mouse model of Rett syndrome. Science 315, 1143–1147 (2007).

3. Sandweiss, A. J., Brandt, V. L. & Zoghbi, H. Y. Advances in understanding of Rett syndrome and MECP2 duplication syndrome: prospects for future therapies. Lancet Neurol. 19, 689– 698 (2020).

4. Hao, S. et al. Forniceal deep brain stimulation rescues hippocampal memory in Rett syndrome mice. Nature 526, 430–434 (2015).

5. Dawson, G. et al. Randomized, controlled trial of an intervention for toddlers with autism: the Early Start Denver Model. Pediatrics 125, e17–e23 (2010).

6. Guenthner, C. J., Miyamichi, K., Yang, H. H., Heller, H. C. & Luo, L. Permanent genetic access to transiently active neurons via TRAP: targeted recombination in active populations. Neuron 78, 773–784 (2013)