研究人员发现了一种新的胚胎脑回路

研究人员使用一种以单细胞分辨率研究活小鼠胚胎大脑的新方法，发现了一个活跃的多层电路，该电路在意想不到的早期发育阶段在大脑皮层中形成。从基因上扰乱回路会导致类似于自闭症患者大脑中看到的变化。位于巴塞尔分子与临床眼科研究所的一个团队今天在 Cell 上报告了这些发现。

“了解皮层中细胞类型和回路的详细发育可以为自闭症和其他神经发育疾病提供重要的见解，”IOB 主任和该论文的通讯作者 Botond Roska 说。“这是我们的发现所证实的。”

长期以来，自闭症与大脑皮层中的故障回路有关，大脑皮层是控制感官知觉、认知和其他高级功能的大脑部分。大部分皮质由称为锥体神经元的兴奋细胞组成。IOB 团队想要研究这些神经元何时以及如何组装成皮层中的第一个活跃电路，但这带来了艰巨的挑战。锥体神经元的宽度仅为人类头发宽度的十分之一，实验过程中的任何运动都可能导致活动记录不准确。为了保持神经元稳定以供研究，该团队设计了一种手术解决方案：将胚胎固定在母亲腹腔内充满琼脂的 3D 固定装置内，以便维持正常的胚胎血流和温度。

普遍的观点是大脑皮层以“由内而外的方式”发育，最深的六层首先出现。从这个角度看，锥体神经元被认为在迁移到皮层中的最终位置并相互形成连接时会慢慢变得活跃。但在研究过程中，“我们实际上检测到了一种非常不同的活动模式，”IOB 中央视觉电路小组的系统神经科学家、该论文的两位主要作者之一 Arjun Bharioke 说。他特别关注发育到第 5 层的锥体神经元在大脑皮层中，研究小组发现了一个非常早期的瞬态电路，该电路甚至在六层大脑皮层形成之前就已经高度活跃并相互关联。这表明神经元在迁移形成第 5 层之前已经连接。瞬态电路最初有 2 层：深层和表层。后来，表层变得沉默并消失，而经典的逐层皮层发育恢复，第三个中间层形成第 5 层。

“我们还想了解这个电路在自闭症模型中是如何变化的，”中央视觉电路小组的 IOB 发育生物学家和该论文的另一位主要作者 Martin Munz 说。通过使用基因敲除小鼠品系缺失两个自闭症相关基因(Chd8 和 Grin2b)的一个或两个等位基因，该团队取得了一项重要发现。众所周知，这些基因的缺失会导致儿童出现严重的自闭症。在纯合子和杂合子敲除小鼠中，表层作为发育残余物保持活跃。“在整个胚胎发育过程中，它从未消失，”Munz 说。此外，基因敲除小鼠的大脑包含与自闭症患者相似的皮层结构紊乱的斑块区域。

研究结果表明，锥体神经元的空间组织是由新发现的回路调节的，“胚胎回路的变化在与神经发育障碍相关的功能障碍中发挥作用，包括自闭症谱系障碍，”Bharioke 说。

在未来的研究中，IOB 研究人员将“仔细观察这种早期电路的表层和深层，并独立地操纵它们，”Roska 说。“这对于了解神经发育疾病的病因学具有指导意义。”