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转载 孤独症(自闭症)的神经生物学研究进展

张月恒 主治医师 北京市大兴区心康医院 孤独症康复中心
2017-10-16 925人已读
张月恒 主治医师
北京市大兴区心康医院

孤独症(autism)是一种常见的神经发育障碍疾病,表现为重复刻板的动作、狭隘的兴趣以及社交障碍,这些症状在儿童早期出现,并且严重影响日常生活。同时孤独症具有多样性、异质性并常伴有其他症状,如癫痫以及智力障碍等。经过对大量孤独症患者的遗传筛选,研究者们已经基本确认孤独症与遗传因素关系最为密切,一系列重要基因在孤独症患者中发生了突变,这些基因大多与突触、神经系统功能密切相关。研究者通过影像学研究发现,孤独症患者的脑区体积、结构以及连接异常的证据,揭示了孤独症患者神经系统发育与功能的异常。

北京市大兴区心康医院孤独症康复中心张月恒


一、突触相关分子

目前在孤独症患者中发现的突变基因,如neuroliginneurexinshank等均与突触功能密切相关,这些分子既相互依赖又各自发挥不同的功能。它们在突触形成(synapse formation)、突触消除(synapse elimination)、突触成熟(synapse maturation)、突触可塑性(synaptic plasticity)以及外界环境影响下的突触调制(synaptic modulation)中具有重要的作用,最终影响突触、神经环路的功能。


1. neurexinneuroligin:它们在很多物种中相对保守,属于单次跨膜Ⅰ型膜蛋白,在突触形成、发育、成熟以及传递中发挥重要的功能。neuroligin-3蛋白R451C的突变可影响其转运以及与其他蛋白质的相互作用;内源性R451C突变的小鼠抑制性突触传递升高,同时表现出类似孤独症的表型。neurexin-1基因敲除小鼠在微小兴奋性突触后电流(excitatory postsynaptic current, EPSC)的频率以及唤起的突触后电压上有缺陷,但是海马区的抑制性突触传递却正常。这些研究提示,neurexinneuroligin孤独症相关的不同类型的突变以特有的方式破坏了大脑中特定的兴奋性或抑制性突触传递。


2. shankshank蛋白在树突脊的形成和稳定中发挥重要的作用。在突触后,shank3起支架蛋白的作用,其能够连接谷氨酸受体和actin细胞骨架,同时也能够与neuroligns分子相互结合。降低shank3的表达水平可损害树突脊的形成,降低shank1的表达水平可以消减树突脊的大小。shank还能与cortactin分子相互作用,调控actin的动态组装,从而控制树突脊和突触的灵活性。shank3突变小鼠表现为纹状体功能障碍以及孤独症样的表型。shank3孤独症相关的第21个外显子插入突变小鼠表现为突触传递受损以及异常的行为学表型。


3.突触后致密蛋白95postsynaptic density protein 95PSD-95):PSD-95是膜相关鸟苷酸激酶家族中的一种突触分子,在neurexin-neuroligin-shank信号通路中起衔接作用。PSD-95敲除小鼠表现出明显增加的重复刻板动作、社交行为异常、运动协调受损、压力反应以及焦虑相关反应增加。PSD-95敲除后α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异 唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionicAMPA)受体功能降低,同时AMPA受体介导的微小EPSC频率减少,提示PSD-95可能通过突触后AMPA型谷氨酸受体调节突触发育。


4. gephyringephyrin是抑制性突触后膜上的一种关键支架分子,能够与甘氨酸受体以及γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acidGABA)受体的α/β亚基相互作用,介导突触的抑制性信号。目前研究者已经发现gephyrin基因外显子的微小删除与多种神经发育疾病包括孤独症相关。研究者在孤独症患者中发现了gephyrin基因不同程度的大片段的删除,同时表现出发育迟缓、社交障碍、重复刻板动作以及运动功能障碍等。


5. GABA受体:GABA是人类大脑中主要的异质性神经递质,由兴奋性神经递质谷氨酸通过谷氨酸脱羧酶转变而来。GABA受体分为离子型GABAA受体和代谢型GABAB受体2种。GABAB受体以二聚体的形式定位于突触前、突触后或者突触外,而GABAA受体则是哺乳类大脑中快速异质性神经递质的介质。GABAA受体有3个基因 (GABRB3GABRA5以及GABRG3)均定位于人类染色体15q11-q13。利用人类神经细胞的体外试验研究显示,15q区域的重复突变是由于染色体同源配对的原因,降低了GABRB3的表达,提示15q11-q13区域内基因同时受到染色体内或染色体之间的表观遗传调控,该区域的染色体异常扰乱了这些基因的表观遗传。临床试验研究显示,GABAB受体的选择性激动剂STX209孤独症患者普遍具有很好的疗效。fmr1基因敲除小鼠的基础蛋白质合成水平表现出异常升高,在体外给予STX209能够纠正该缺陷。而在体内紧急给予STX209能够降低fmr1敲除小鼠大脑皮质mRNA翻译的速度。fmr1基因敲除的幼年小鼠树突脊密度异常升高,慢性给予STX209药物能够改善该缺陷。


6.谷氨酸受体:谷氨酸是人类大脑中主要的兴奋性神经递质。谷氨酸受体由代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptorsmGluR)和离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptoriGluR)组成。根据结构、药物学以及生理学特性,离子型谷氨酸受体又分为N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor, NMDAR)、AMPA受体以及红藻氨酸盐受体(kainate receptor)。位于兴奋性突触的NMDA受体以及AMPA受体功能的异常与孤独症相关。临床研究中研究者发现了较多与孤独症相关的NMDAR亚基基因的突变,如NMDA受体2B亚基(N-methyl D-aspartate receptor subtype 2B, GRIN2B)基因 。除此之外,研究者通过单核苷酸多态性分析也发现了GRIN2AGRIN2B孤独症之间的关系。由于NMDAR包含了4个亚基,且每一个都具有不同的特性,因此孤独症相关的GRIN2A/GRIN2B变异很可能改变了NMDAR的功能特性和(或)NMDAR依赖的突触可塑性。此外,neuroligins的突变会影响突触后AMPA受体的转运。




二、兴奋性/抑制性突触失衡(E/I imbalance)

大脑中主要有两类神经递质,分别为谷氨酸和GABA,它们介导了兴奋性与抑制性神经传递。神经元兴奋性与抑制性之间的平衡是大脑正常发挥功能的基础。


1.孤独症患者GABA信号减少:孤独症可能是因为兴奋性/抑制性比例增加,从而引起皮质层神经环路过度兴奋造成的。孤独症患者大脑中突触后膜GABAA受体的表达水平降低,同时GABA能神经信号也降低。在发育关键的后期,兴奋性神经环路必须受到抑制性GABA能中间神经元的平衡才能逐渐形成功能性的连接,此过程在神经环路的建立中尤其重要。


2. neuroligin突变造成兴奋性/抑制性突触失衡:neuroligin-1定位于谷氨酸能兴奋性突触,而neuroligin-2定位于GABA能或甘氨酸能抑制性突触,neuroligin-3neuroligin-4则在兴奋性以及抑制性突触中均有定位。体外试验研究显示,在培养的大鼠海马神经元中抑制单个或多个neuroligin会造成兴奋性以及抑制性突触数量下降。但电生理数据显示,抑制性突触功能下降尤其明显,同时海马神经元表现出兴奋性/抑制性突触失衡。在前额皮质中条件性敲除neuroligin-2会导致抑制性突触传递异常neuroligin-1neuroligin-2neuroligin-3三个基因同时敲除会急剧改变脑干神经元中谷氨酸能以及GABA/甘氨酸能自发突触后电流的平衡,然而突触的总数目却不改变。因此,neuroligin蛋白水平可能是维持兴奋性/抑制性突触平衡的重要因素,neuroligin表达水平的降低可能主要影响抑制性突触传递。


3.小胶质细胞的功能失常:小胶质细胞是神经胶质细胞的一种,为大脑中的免疫细胞,能够吞噬不恰当的以及缺少活性的突触。小胶质细胞的功能失常,可能会导致突触修剪的异常,从而引起兴奋性/抑制性突触失衡。然而,这些突变导致兴奋性/抑制性突触平衡异常之间的相互作用网络关系十分复杂




三、神经活性与突触可塑性

人类大脑发育最为重要的一个特征是外界的感觉、认知以及情感经验能够改变突触以及神经环路的发育。神经活动引起突触局部的变化,进而改变突触的组分、形态以及强度。


1. 神经活性受外界环境影响:突触后黏附分子以及致密区的成分能够组装以及调节树突脊上的兴奋性突触的形成,同时也能够激活该突触后神经元活性依赖的信号网络。神经环路能够动态的应对外界环境的改变,其中神经活性发挥重要的作用。这些神经活性依赖的信号通路对学习记忆以及外界环境适应性的行为表现至关重要。


2. 神经活性调节基因表达:孤独症患者中异常的神经活性反映了突触信号整合上的混乱,甚至突触形态上的改变。这些改变都可能是由于突触黏附分子以及支架分子表达水平的改变而引起的。发育以及孤独症相关的一些基因的表达及功能受神经细胞膜去极化的调控。研究者已经发现很多参与活性依赖的信号网络、调控基因转录的蛋白质与孤独症相关联,如神经活性能够促进neuroligin-3的分泌,从而激活磷脂酰肌醇-3-羟激酶/雷帕霉素靶蛋白(phosphatidyl inositol 3-kinase-mammalian target of rapamycin, PI3K-mTOR)信号通路,调控下游基因的表达。


3. 神经活性调节突触分子功能:在神经活性的调控下,neuroligin能够诱导谷氨酸能以及GABA能突触的形成。neuroligin-1受活性依赖的蛋白酶切割,从而负向调节兴奋性突触树突脊的重塑,以及突触后actin骨架的组装。neuroligin-1的剪切可引起突触前neurexin-1的不稳定,改变它们之间的相互作用,从而抑制突触前的传递。在培养的神经元中过表达neuroligin-1能够显著增强兴奋性突触的功能,这一过程依赖于NMDA受体以及活性调节的钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin dependent protein kinase , CaMKⅡ)。神经活性还能够调控neurexin mRNA的可变剪切,影响跨突触的信号传递以及突触前的分化。




四、脑区结构与功能异常

近年来功能影像学技术的发展在探讨孤独症的脑神经基础中发挥了重要的作用,研究者们在孤独症患者大脑中发现了体积、结构以及连接的异常。但影像学结果往往也存在较大差异,同时很难发现孤独症患者突触、神经在微结构水平上的改变情况等局限性。


1. 脑区体积与功能异常:MRI影像学研究显示,2~4岁的孤独症儿童大脑体积比健康儿童大很多。但6~8岁时这些增加的大脑体积会逐渐消失,之后大脑总体积则不会再增加。这些大脑神经发育轨迹在不同的脑区有着不同的改变,如额叶和颞叶所受影响比顶叶和枕叶大。孤独症患者表现出颞中回、颞上回、中央后回以及海马旁回灰质体积增加,然而前扣带皮质和小脑灰质体积则减少。此外,李雪等发现孤独症患儿在静息状态下多个脑区功能存在异常,如右侧颞上回、额下回、岛叶、前扣带回、小脑后叶、左侧楔前叶以及双侧颞中回局部一致性减弱;左侧额上回及右侧中央旁小叶、扣带回和楔叶,双侧额中回和中央后回局部一致性增强。


2. 小脑发育异常:MRI研究显示,孤独症患者小脑蚓体以及小脑半球发育不全,同时尸检研究也显示小脑浦肯野细胞数量减少。小脑能够指导远程非运动神经环路(remote nonmotor neural circuitry)的成熟以及认知发育,该功能的异常与孤独症的发生有关。neuroligin-3敲除小鼠在平行纤维和浦肯野细胞之间的突触上表现出异常的mGluR依赖的长时程抑制,同时伴随着运动协调障碍。在幼年时期的小鼠脑浦肯野细胞中特异性表达neuroligin-3能够改变neuroligin-3基因敲除产生的突触以及行为学的异常,提示改变的神经环路在发育完成之后也有可能被纠正。


3. 大脑皮质发育异常:孤独症患者较多脑区存在发育异常,包括大脑皮质等。MRI研究显示,孤独症患儿大脑皮质异常增大或发育不全。杏仁核以及海马是大脑皮质下区域,有研究报道孤独症患者杏仁核表现出早期发育增大,同时也有研究显示孤独症患者神经元数量以及杏仁核容积减少。目前的脑影像学研究结果差异较大,Lin等研究显示这些差异可能是由于研究样本年龄的不同而引起的。因此今后的研究中,年龄是不可忽视的因素之一。在孤独症小鼠模型中,大脑两半球间的功能连接以及皮质区域的形成受到影响,这可能是产生行为学异常的原因之一。


4. 脑白质连接异常:大脑可分为覆盖在脑外侧的大脑皮质即灰质,以及由髓鞘包裹的轴突白质。轴突白质又被称为白质纤维,起连接不同大脑皮质区域以及促进各种信息相互交流的作用。柯晓燕等研究发现,高功能孤独症患儿多个部位的脑白质纤维完整性受损。与对照组相比,病例组右侧额下回、左侧额中回及右侧颞下回邻近白质的部分各向异性值低,左顶上小叶邻近白质的部分各向异性值高。孤独症患者的顶叶和额叶之间的连接受损和减少。另有研究者认为孤独症患者脑神经存在过度连接。孤独症患者局部脑区可能存在过度连接的神经;同时各个脑区的远距离功能连接出现缺陷,如孤独症儿童胼胝体神经纤维连接存在异常。




五、展望

孤独症是一种与神经突触相关的疾病,与神经元发育、神经网络建立和神经系统功能密切相关。因此,对于孤独症的神经生物学研究应当从异常编码的突触相关基因着手,研究其对突触生长发育、功能传递、神经活动以及神经网络环路造成的影响,分析孤独症患者脑区结构连接以及功能变化,最终揭示导致其行为学异常的机制。同时遗传因素在孤独症的发生发展中起着重要作用,遗传学研究将有助于揭示该病的发病机制。然而孤独症患者其他组织系统的异常也不容忽视,如消化系统功能紊乱。影像学研究主要针对孤独症患者展开,而关于神经、发育、遗传等分子、神经元水平的研究主要针对实验动物模型展开;虽然这两方面缺少直接、统一的证据指明同一致病机制,但影像学方面的异常很可能隐藏着分子的突变与神经发育的异常。


孤独症的致病机制具有多样性和复杂性,而不应狭窄的被认为是大脑中某一种异常所引起的。孤独症的多种多样的表型可能与不同的突变相关,但同时不同患者的遗传背景又决定了对该突变的表现程度,最终影响了突触的功能和稳态。因此,只有更好地了解孤独症的分子基础,才能找到更好的治疗方法,让患者得到更好的照顾以融入社会。



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