文獻解讀：Fmr1 KO小鼠視覺皮層中θ蛋白同步和突觸連接性受擾

2025年11月25日，普渡大學(xué)(Purdue University)黃方（Fang Huang）團隊在nature communications發(fā)表了一篇名為“Disrupted theta synchronization and synaptic connectivity in the visual cortex of Fmr1 KO mice”的文章，其內(nèi)容指出脆性 X 綜合征（FX）是導(dǎo)致自閉癥譜系障礙的主要遺傳性疾病，患者存在感覺超敏和視覺學(xué)習(xí)受損等癥狀。此前研究已發(fā)現(xiàn)野生型（WT）小鼠視覺經(jīng)驗可誘導(dǎo)初級視覺皮層（V1）和外側(cè)內(nèi)側(cè)區(qū)（LM）同步 θ 振蕩以支持區(qū)域間感覺整合，而 Fmr1 基因敲除（KO）的 FX 小鼠存在 V1 區(qū)視覺熟悉性誘發(fā) θ 振蕩減弱的問題，但關(guān)于 FX 小鼠 V1 與 LM 之間的區(qū)域間同步性、突觸連接可塑性及樹突棘重塑的機制尚不明確。

一、研究目的
本研究的核心目的在于：探究視覺經(jīng)驗驅(qū)動的 V1-LM 區(qū)域間 θ 振蕩同步性、突觸連接可塑性及樹突棘結(jié)構(gòu)重塑在 FX 小鼠中的異常表現(xiàn)，揭示 FX 小鼠視覺學(xué)習(xí)和感知缺陷的神經(jīng)環(huán)路機制，為理解 FX 及自閉癥譜系障礙的感官處理障礙提供新的神經(jīng)環(huán)路層面證據(jù)。

二、研究方法
本研究整合多種前沿技術(shù)，從整體腦區(qū)活動、在體電生理記錄、突觸環(huán)路映射到亞細胞結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建了多維度研究體系，具體方法如下：
1、iDISCO 全腦透明化與 c-Fos 免疫標記
對 WT 和 FX 小鼠進行視覺熟悉性訓(xùn)練，訓(xùn)練前后取腦進行 iDISCO 全腦透明化處理，通過 c-Fos 免疫熒光標記結(jié)合光片顯微鏡成像，量化 V1 和 LM 區(qū)神經(jīng)元活動水平。
 

圖1：V1和LM中的C-Fos+表達水平

2、在體多通道胞外電生理記錄
采用 64 通道硅探針同步記錄清醒頭部固定小鼠 V1 和 LM 區(qū)的局部場電位和單位放電活動，分析視覺經(jīng)驗前后 θ 頻段振蕩功率、相位同步性及單位集群放電特征。
 

圖2：V1和LM同時記錄的LFPs在FX小鼠中視覺體驗誘發(fā)的振蕩活動中顯示衰減

3、通道視紫紅質(zhì)輔助環(huán)路映射
向 V1 或 LM 區(qū)注射 AAV1-ChR2-Venus 病毒，3 周后進行視覺訓(xùn)練，取急性腦片開展亞細胞通道視紫紅質(zhì)輔助環(huán)路映射記錄，結(jié)合 TTX 和 4-AP 阻斷動作電位，量化 V1→LM 前饋和 LM→V1 反饋通路的突觸強度；同時通過配對脈沖刺激評估突觸前短時程可塑性。
 

圖3：視覺感知體驗誘導(dǎo)的FF V1至LM通路的回路連接性變化和突觸前可塑性

4、4Pi 單分子定位顯微鏡
利用 Fmr1 KO 與 Thy1-ChR2-EYFP 雙轉(zhuǎn)基因小鼠，經(jīng)視覺訓(xùn)練后對 V1 和 LM 區(qū) 5 層錐體神經(jīng)元的樹突棘進行超分辨成像，精準量化樹突棘密度、長度、體積及頭 / 頸面積等形態(tài)學(xué)指標。

視覺辨別行為學(xué)實驗：通過水限制訓(xùn)練小鼠完成視覺辨別任務(wù)，測試 WT 和 FX 小鼠對熟悉刺激、非目標刺激及新異刺激的區(qū)分能力，驗證神經(jīng)環(huán)路異常的行為學(xué)表型。

圖4：V1和LM L5 PC樹突的脊柱形態(tài)

三、研究內(nèi)容
1、視覺經(jīng)驗下 FX 小鼠 V1 和 LM 區(qū) c-Fos 活性的異常變化
通過 iDISCO 全腦透明化結(jié)合 c-Fos 免疫標記，研究發(fā)現(xiàn)：基線狀態(tài)下，F(xiàn)X 小鼠 V1、LM 等視覺相關(guān)腦區(qū)的 c-Fos 陽性神經(jīng)元數(shù)量顯著高于 WT 小鼠，提示 FX 小鼠視覺皮層存在基線過度激活，與 FX 的感覺超敏癥狀一致。視覺經(jīng)驗后，WT 小鼠 LM 區(qū) c-Fos 陽性神經(jīng)元密度顯著升高，而 FX 小鼠 V1、LM 等區(qū)域 c-Fos 水平反而下降，表明 FX 小鼠缺乏視覺經(jīng)驗依賴的神經(jīng)元活性可塑性，無法正常響應(yīng)視覺刺激的長期暴露。（見圖1）

2、FX 小鼠 V1-LM 區(qū) θ 振蕩同步性與單位放電活動的衰減
利用在體同步電生理記錄，分析局部場電位和單位放電特征
局部場電位層面：視覺經(jīng)驗后，WT 小鼠 V1 和 LM 區(qū)出現(xiàn)強且持久的刺激鎖定 θ 振蕩，振蕩功率顯著升高，且 V1 與 LM 區(qū) θ 振蕩相位差向 0 偏移、分布變窄，表明區(qū)域間同步性增強；而 FX 小鼠 V1 和 LM 區(qū) θ 振蕩功率增幅不足，區(qū)域間相位同步性無顯著變化，振蕩持續(xù)時間縮短。

單位集群放電層面：視覺經(jīng)驗前，WT 和 FX 小鼠 V1、LM 區(qū)單位放電僅呈現(xiàn)與刺激鎖定的單峰；經(jīng)驗后 WT 小鼠出現(xiàn) 4 個持續(xù)的振蕩周期，而 FX 小鼠振蕩周期數(shù)減少、峰值持續(xù)時間顯著縮短，且 V1 區(qū)第 2-4 振蕩周期的單位最大放電率顯著低于 WT 小鼠，提示 FX 小鼠神經(jīng)元集群同步放電能力受損。
 

圖5：單位群體活動顯示FX小鼠V1和LM中視覺體驗誘發(fā)振蕩的衰減

3、FX 小鼠 V1-LM 區(qū)功能與突觸連接可塑性的缺陷
功能連接分析：通過定向信息分析發(fā)現(xiàn)，視覺經(jīng)驗后 WT 小鼠 V1→LM 前饋通路功能連接強度顯著增強，LM→V1 反饋通路也呈增強趨勢；而 FX 小鼠 V1-LM 雙向通路功能連接無顯著變化，且經(jīng)驗后 WT 小鼠的 V1→LM 和 LM→V1 通路連接強度均顯著高于 FX 小鼠，證實 FX 小鼠區(qū)域間功能連接可塑性缺失。

突觸連接強度檢測：V1→LM 前饋通路：亞細胞通道視紫紅質(zhì)輔助環(huán)路映射結(jié)果顯示，視覺經(jīng)驗后 WT 小鼠 LM 區(qū)錐體神經(jīng)元的興奮性突觸后電流振幅顯著升高，突觸連接強度增強；FX 小鼠僅部分區(qū)域興奮性突觸后電流有小幅升高，另一區(qū)域無顯著變化，且經(jīng)驗后 WT 小鼠該區(qū)域興奮性突觸后電流振幅顯著高于 FX 小鼠，提示 FX 小鼠前饋通路突觸可塑性存在層特異性缺陷。LM→V1 反饋通路：視覺經(jīng)驗對 WT 和 FX 小鼠該通路突觸強度影響均不顯著，僅 WT 小鼠特定區(qū)域興奮性突觸后電流有微弱升高趨勢，F(xiàn)X 小鼠則無明顯變化，表明反饋通路可塑性本身較弱且 FX 小鼠無額外損傷。

興奮 - 抑制平衡與突觸前可塑性：在 V1→LM 通路中，視覺經(jīng)驗后 WT 小鼠特定區(qū)域興奮性突觸后電流和抑制性突觸后電流均升高，興奮 - 抑制平衡穩(wěn)定；FX 小鼠僅興奮性突觸后電流升高，興奮 - 抑制平衡向興奮偏移；配對脈沖比率分析顯示，WT 小鼠視覺經(jīng)驗后配對脈沖比率在多間隔時間點升高，而 FX 小鼠僅單一間隔配對脈沖比率有變化，突觸前短時程可塑性調(diào)控異常。
 

圖6：視覺感知體驗未誘導(dǎo)FB LM至V1通路的回路連接性變化和突觸前可塑性

4、FX 小鼠 V1 和 LM 區(qū)樹突棘結(jié)構(gòu)重塑的異常
通過 4Pi 單分子定位顯微鏡對 V1 和 LM 區(qū)錐體神經(jīng)元樹突棘進行超分辨成像，量化形態(tài)學(xué)指標

基線狀態(tài)：FX 小鼠 V1 和 LM 區(qū)樹突棘密度顯著高于 WT 小鼠，V1 區(qū)棘突長度更長、棘頸最小面積更小，提示 FX 小鼠存在樹突棘結(jié)構(gòu)發(fā)育異常。 

視覺經(jīng)驗后可塑性：WT 小鼠 V1 區(qū)樹突棘頭部最大面積顯著增大，LM 區(qū)棘突密度、體積及頭 / 頸面積均顯著升高；而 FX 小鼠 V1 和 LM 區(qū)樹突棘各形態(tài)指標無顯著變化，完全缺失視覺經(jīng)驗依賴的結(jié)構(gòu)重塑，且 LM 區(qū)棘突體積無增幅，與前饋通路突觸可塑性缺陷對應(yīng)。

5、行為學(xué)驗證
視覺辨別任務(wù)中，WT 和 FX 小鼠均可學(xué)會區(qū)分熟悉刺激和非目標刺激，但加入新異刺激后，F(xiàn)X 小鼠對新異刺激與熟悉刺激的辨別能力顯著受損，證實其視覺熟悉性編碼和區(qū)分能力的行為學(xué)缺陷，與神經(jīng)環(huán)路層面的同步性和可塑性異常一致。

四、創(chuàng)新點
整合全腦活動、在體電生理、環(huán)路映射與行為學(xué)的多維度驗證體系：從整體腦區(qū) c-Fos 活性（宏觀）、區(qū)域間電活動同步性（介觀）、突觸連接強度（微觀）到樹突棘形態(tài)（亞微觀），再到行為學(xué)表型，形成了完整的 “結(jié)構(gòu) - 功能 - 行為” 驗證閉環(huán)，為神經(jīng)精神疾病的環(huán)路機制研究提供了范式參考。

五、啟發(fā)與未來展望
疾病機制層面：FX 及自閉癥的感官處理障礙并非單一腦區(qū)功能異常，而是跨腦區(qū)信息整合通路的同步性和可塑性缺陷，θ 振蕩的區(qū)域間同步性可作為評估感官整合功能的核心指標，為理解自閉癥譜系障礙的多腦區(qū)協(xié)同缺陷提供了新視角。

治療策略層面：研究發(fā)現(xiàn) FX 小鼠 L5 錐體神經(jīng)元的突觸和樹突棘可塑性缺陷最顯著，提示靶向 V1-LM 通路 L5 前饋突觸的可塑性修復(fù)可能成為改善 FX 視覺感知缺陷的潛在干預(yù)靶點；同時 θ 振蕩同步性的增強策略（如光遺傳調(diào)控 V1θ 振蕩）或可恢復(fù)區(qū)域間信息整合，為臨床干預(yù)提供新方向。

整體而言，該研究不僅闡明了 FX 小鼠視覺感知缺陷的神經(jīng)環(huán)路機制，更搭建了多尺度、多技術(shù)融合的神經(jīng)疾病研究范式，為自閉癥譜系障礙等神經(jīng)發(fā)育性疾病的機制解析和治療開發(fā)提供了關(guān)鍵啟示。

在這篇研究中，光遺傳與電生理技術(shù)成為解鎖 V1-LM 腦區(qū) θ 振蕩失衡、突觸連接缺陷的核心工具。我司同款技術(shù)可定制化搭建疾病動物模型的神經(jīng)功能評估體系，既能通過在體電生理捕獲疾病相關(guān)腦區(qū)的電活動異常，又能利用光遺傳技術(shù)驗證靶點環(huán)路的功能關(guān)聯(lián)性，為藥物研發(fā)提供從 “機制解析” 到 “靶點驗證” 的全鏈條技術(shù)服務(wù)，加速神經(jīng)疾病創(chuàng)新療法的轉(zhuǎn)化進程。

參考文獻：Cheng X, Nareddula S, Gao HC, Chen Y, Xiao T, Nadew YY, Xu F, Edens PA, Saldarriaga V, Hu X, Quinn CJ, Kimbrough A, Huang F, Chubykin AA. Disrupted theta synchronization and synaptic connectivity in the visual cortex of Fmr1 KO mice. Nat Commun. 2025 Nov 26;16(1):10583. doi: 10.1038/s41467-025-65665-4IF: 15.7 Q1 . PMID: 41298434; PMCID: PMC12657955.

創(chuàng)作聲明：本文是在原英文文獻基礎(chǔ)上進行解讀，存在觀點偏向性，僅作分享，請參考原文深入學(xué)習(xí)。
 

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