Mol Psychiatry丨婴儿期行为异常的源头是什么？Peixoto团队揭示出生后早期PV中间神经元功能障碍机制

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2025年7月19日，美国匹兹堡大学精神病学系Rui T. Peixoto在Molecular Psychiatry发表：Early postnatal dysfunction of ACC PV interneurons in Shank3B−/− mice，Shank3B−/−小鼠ACC PV中间神经元的早期产后功能障碍。

前扣带回（ACC）功能障碍被认为与自闭症谱系障碍（ASD）中的认知和社会功能缺陷有关，然而，ASD中ACC神经环路发育成熟的过程仍不清楚。SHANK3缺失是已知的自闭症遗传病因之一，本研究中，作者检测了携带SHANK3基因缺失（Shank3B−/−）小鼠ACCPV中间神经元（PVINs）在出生后发育过程中谷氨酸能突触连接和内在兴奋性的变化。发现Shank3B−/−小鼠的ACC PVINs早在出生后第15天（P15）就表现出兴奋性降低以及在体下活动减弱，尽管它们接收到的谷氨酸能输入水平正常。这种早期PVIN兴奋性降低与来自丘脑背内侧核（MD）的前馈抑制减弱以及由超极化激活环核苷酸门控（HCN）通道介导的超极化激活电流（Ih）减少有关。HCN通道的功能障碍在早期就已出现。到成年期，这两种神经元群体都经历了显著的表型变化，表现为谷氨酸能突触输入减少，兴奋性出现差异性改变。综上所述，作者的研究揭示了Shank3B−/−小鼠ACC中一种独特的病理发展顺序：早期PVIN功能障碍随后是不同神经元类型特异性的环路重组，并识别出HCN通道功能障碍和PVIN介导的抑制受损是SHANK3相关神经发育障碍的早期致病特征。

图一 P15 Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层锥体神经元中AMPA受体介导的突触功能与兴奋性正常

成年Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层锥体神经元表现出谷氨酸能输入减少。然而，这些动物的许多行为缺陷早在P15阶段就已出现，提示ACC神经环路功能障碍可能在早期发育阶段就已经开始。为了评估Shank3缺失是否影响ACC第2/3层锥体神经元在出生后谷氨酸能突触的成熟过程，作者在P15阶段的野生型（WT）和Shank3B−/−小鼠急性脑片中记录了AMPA受体介导的mEPSC，以此评估谷氨酸能突触的数量和强度，发现野生型与Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层锥体神经元的AMPA受体mEPSC幅度无明显差异。此外，Shank3B−/−锥体神经元的mEPSC平均频率也与野生型无差异，表明在P15阶段AMPA受体介导的突触数量和强度保持正常。mEPSC的上升时间和衰减时间，以及膜电容也未见显著差异。这些结果表明，Shank3缺失对ACC第2/3层锥体神经元在早期出生后阶段AMPA受体输入的成熟过程影响不大。Shank3基因缺失与神经元内在兴奋性的异常有关。作者继续评估了P15阶段Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层锥体神经元的内在电生理特性是否发生改变。在两种基因型小鼠的锥体神经元中未观察到动作电位阈值或引发动作电位所需的最小电流之间的差异，电流-电压关系和电流-放电频率关系也无显著差异。静息膜电位和动作电位动力学也未受影响，表明在P15阶段，Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层锥体神经元的兴奋性保持正常。

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图二 P15 Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层PV中间神经元兴奋性降低但AMPA受体介导的突触输入正常

作者在P15阶段的WT和Shank3B−/−小鼠中记录了ACC第2/3层PV中间神经元的AMPA受体介导的mEPSC。作者在P7阶段向ACC注射了一种腺相关病毒（AAV9-S5E2-tdTom）特异性地标记PV中间神经元。在P21阶段，第2/3层中约有83%的tdTomato阳性神经元与PV共标记，成年后这一比例上升至94%。在P15阶段，S5E2-Tom+细胞与SST中间神经元之间的重叠极少，后者也是第2/3层锥体神经元的重要抑制性输入来源。在P15阶段的ACC第2/3层PV中间神经元中未观察到mEPSC幅度或频率的差异。此外，mEPSC的上升时间、衰减时间以及膜电容也无显著差异，表明Shank3缺失并未影响AMPA受体介导的电流在早期阶段的成熟。为了进一步研究PV中间神经元的兴奋性特征，对P15阶段野生型和Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层的S5E2+神经元进行了电流钳记录。在第2/3层PV中间神经元中，动作电位阈值和膜电阻未见显著差异。在这一早期出生后阶段，Shank3缺失导致了第2/3层PV中间神经元兴奋性的显著降低。综上所述，这些结果揭示了在Shank3B−/−小鼠中，ACC第2/3层PV中间神经元的兴奋性出现选择性降低。

图三 Shank3缺失在P15阶段减弱了PV中间神经元对ACC第2/3层锥体神经元的抑制作用

PV中间神经元是调节大脑皮层环路活动的关键细胞，它们为邻近的锥体神经元提供GABA能抑制作用。为了评估Shank3缺失是否会影响出生后发育过程中ACC第2/3层环路中PV中间神经元介导的抑制作用，作者比较了P15阶段WT和Shank3B−/−小鼠中第2/3层锥体神经元的oIPSC。在P15时，使用含ACC的急性脑片进行全细胞记录。通过在膜电位钳制在0 mV，并使用RS-CPP和NBQX分别阻断NMDA受体和AMPA受体的条件下进行电压钳记录。与野生型相比，Shank3B−/−小鼠的锥体神经元中oIPSC幅度显著降低，表明Shank3缺失损害了PV中间神经元介导的抑制作用。然而，oIPSC峰值的潜伏期没有差异，提示突触后GABA能信号传导正常。同时证明了在Shank3B−/−小鼠的锥体神经元中记录到的oIPSC幅度降低并非由PV中间神经元中光敏蛋白功能异常所致。在P15阶段记录了野生型和Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层锥体神经元中由MD驱动的oEPSC和前馈抑制。有趣的是，观察到由MD驱动的GABAA受体介导的oIPSC幅度显著降低，而AMPA受体介导的oEPSC幅度保持不变，导致Shank3B−/−小鼠第2/3层锥体神经元的兴奋/抑制比（E/I）显著升高。PV中间神经元的放电活动部分受NMDA受体介导的电流调控，已有研究表明成年Shank3B−/−小鼠皮层神经元中NMDA/AMPA（N/A）比值下降。为了探究Shank3B−/−小鼠ACC中MD驱动的前馈抑制受损是否由PV中间神经元NMDA受体电流异常引起，作者测量了在−70 mV和+40 mV下记录的MD驱动oEPSC的N/A比值。未发现两种基因型在两种细胞类型中存在显著差异，表明在这一发育阶段，Shank3B−/−小鼠ACC第2/3层MD丘脑皮质突触的N/A比值正常。综上所述，Shank3缺失早在P15阶段就显著削弱了ACC第2/3层锥体神经元中由PV中间神经元介导的抑制作用。

图四 P15-P17阶段Shank3B−/−小鼠ACC PV中间神经元中钙离子瞬变频率降低

为了检验在P15阶段观察到的ACC PV中间神经元兴奋性和连接缺陷是否与皮层活动模式异常有关，作者在P15至P17阶段，使用在体双光子钙成像技术检测了清醒状态下WT和Shank3B−/−小鼠ACC的自发神经元活动。作者发现P16阶段ACC第2/3层锥体神经元的活动模式正常，未见显著基因型差异。然而，PV中间神经元的钙事件频率显著降低，但幅度无显著变化。进一步分析皮层层深的影响，结果显示无论浅层还是深层，PV中间神经元的钙活动变化趋势一致，表明Shank3缺失对ACC各层PV中间神经元均有相似影响。此外，不同细胞类型之间的钙活动相关性并未因Shank3缺失而显著改变。综上所述，Shank3缺失主要影响ACC PV中间神经元的活动频率，而不改变锥体神经元的活动模式或不同细胞群体间的活动相关性。

综上所述，本研究揭示了Shank3缺失小鼠在出生后早期即出现ACC PV中间神经元功能异常，为理解自闭症相关基因在神经发育中的作用机制提供了新视角，也为早期干预和靶向治疗提供了潜在方向。需要注意的是，研究无法判断该功能异常是否具有脑区特异性或是否在发育后期恢复或加剧，限制了对Shank3缺失整体神经表型的理解。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41380-025-03114-w