自闭症的神经生物学研究进展

自闭症(autism)是一种容易见到的神经发育障碍疾病，表现为重复刻板的动作、狭隘的兴趣与社交障碍，这些症状在儿童早期出现，并且严峻影响平时的生活。同时自闭症具备多样性、异质性并常伴有其他症状，如癫痫与智商障碍等。经过对很多自闭症患者的遗传筛选，研究者们已经基本确认自闭症与遗传原因关系最为密切，一系列要紧基因在自闭症患者中发生了突变，这些基因大多与突触、神经系统功能密切有关。研究者通过影像学研究发现，自闭症患者的脑区体积、结构与连接异常的证据，揭示了自闭症患者神经系统发育与功能的异常。

北京大兴区心康医院精神科张月恒

一、突触有关分子

现在在自闭症患者中发现的突变基因，如neuroligin、neurexin、shank等均与突触功能密切有关，这些分子既相互依靠又各自发挥不一样的功能。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）与外面环境影响下的突触调制（synaptic modulation）中具备要紧的用途，最后影响突触、神经环路的功能。

1. neurexin和neuroligin：它们在非常多物种中相对保守，是单次跨膜Ⅰ型膜蛋白，在突触形成、发育、成熟与传递中发挥要紧的功能。neuroligin-3蛋白R451C的突变可影响其转运与与其他蛋白质的相互用途；内源性R451C突变的小鼠抑制性突触传递升高，同时表现出类似自闭症的表型。neurexin-1基因敲除小鼠在微小兴奋性突触后电流（excitatory postsynaptic current, EPSC）的频率与唤起的突触后电压上有缺点，但是海马区的抑制性突触传递却正常。这些研究提醒，neurexin和neuroligin自闭症有关的不一样种类的突变以特有些方法破坏了大脑中特定的兴奋性或抑制性突触传递。

2. shank：shank蛋白在树突脊的形成和稳定中发挥要紧的用途。在突触后，shank3起支架蛋白的用途，其可以连接谷氨酸受体和actin细胞骨架，同时也可以与neuroligns分子相互结合。减少shank3的表达水平可损害树突脊的形成，减少shank1的表达水平可以消减树突脊的大小。shank还能与cortactin分子相互用途，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与自闭症样的表型。shank3自闭症有关的第21个外显子插入突变小鼠表现为突触传递受损与异常的行为学表型。

3.突触后致密蛋白95（postsynaptic density protein 95，PSD-95）：PSD-95是膜有关鸟苷酸激酶家族中的一种突触分子，在neurexin-neuroligin-shank信号通路中起衔接用途。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、重压反应与焦虑有关反应增加。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-propionic，AMPA)受体功能减少，同时AMPA受体介导的微小EPSC频率降低，提醒PSD-95可能通过突触后AMPA型谷氨酸受体调节突触发育。

4. gephyrin：gephyrin是抑制性突触后膜上的一种重要支架分子，可以与甘氨酸受体与γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)受体的α/β亚基相互用途，介导突触的抑制性信号。现在研究者已经发现gephyrin基因外显子的微小删除与多种神经发育疾病包括自闭症有关。研究者在自闭症患者中发现了gephyrin基因不一样程度的大片段的删除，同时表现出发育迟缓、社交障碍、重复刻板动作与运动功能障碍等。

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坐落于突触前、突触后或者突触外，而GABAA受体则是哺乳类大脑中迅速异质性神经递质的介质。GABAA受体有3个基因(GABRB3、GABR酷有拿货网与GABRG3)均定坐落于人类染色体15q11-q13。借助人类神经细胞的体外试验研究显示，15q地区的重复突变是因为染色体同源姻缘配对是什么原因，减少了GABRB3的表达，提醒15q11-q13地区内基因同时受到染色体内或染色体之间的表观遗传调控，该地区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对自闭症患者一般具备非常不错的疗效。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可以纠正该缺点。而在体内紧急给予STX209可以减少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药物可以改变该缺点。

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 receptors，mGluR)和离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptor，iGluR)组成。依据结构、药物学与生理学特质，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受体与红藻氨酸盐受体（kainate receptor）。坐落于兴奋性突触的NMDA受体与AMPA受体功能的异常与自闭症有关。临床研究中研究者发现了较多与自闭症有关的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。除此以外，研究者通过单核苷酸多态性解析也发现了GRIN2A和GRIN2B与自闭症之间的关系。因为NMDAR包含了4个亚基，且每个都具备不一样的特质，因此自闭症有关的GRIN2A/GRIN2B变异非常可能改变了NMDAR的功能特质和（或）NMDAR依靠的突触可塑性。此外，neuroligins的突变会干扰突触后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.自闭症患者GABA信号降低：自闭症可能是由于兴奋性/抑制性比率增加，从而引起皮质层神经环路过度兴奋导致的。自闭症患者大脑中突触后膜GABAA受体的表达水平减少，同时GABA能神经信号也减少。在发育重要的后期，兴奋性神经环路需要受到抑制性GABA能中间神经元的平衡才能渐渐形成功能性的连接，此过程在神经环路的打造中特别要紧。

2. neuroligin突变导致兴奋性/抑制性突触失衡：neuroligin-1定坐落于谷氨酸能兴奋性突触，而neuroligin-2定坐落于GABA能或甘氨酸能抑制性突触，neuroligin-3和neuroligin-4则在兴奋性与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会导致兴奋性与抑制性突触数目降低。但电生理数据显示，抑制性突触功能降低特别明显，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会造成抑制性突触传递异常。neuroligin-1、neuroligin-2和neuroligin-3三个基因同时敲除会急剧改变脑干神经元中谷氨酸能与GABA能/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蛋白水平可能是保持兴奋性/抑制性突触平衡的要紧原因，neuroligin表达水平的减少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，可以吞噬不恰当的与缺少活性的突触。小胶质细胞的功能失常，可能会造成突触修剪的异常，从而引起兴奋性/抑制性突触失衡。然而，这些突变造成兴奋性/抑制性突触平衡异常之间的相互用途互联网关系十分复杂。

三、神经活性与突触可塑性

人类大脑发育最为要紧的一个特点是外面的感觉、认知与情感经验可以改变突触与神经环路的发育。神经活动引起突触局部的变化，进而改变突触的组分、形态与强度。

1.神经活性受外面环境影响：突触后黏附分子与致密区的成分可以组装与调节树突脊上的兴奋性突触的形成，同时也可以激活该突触后神经元活性依靠的信号互联网。神经环路可以动态的应对外面环境的改变，其中神经活性发挥要紧的用途。这些神经活性依靠的信号通路对学习记忆与外面环境适应性的行为表现至关要紧。

2.神经活性调节基因表达：自闭症患者中异常的神经活性反映了突触信号整理上的混乱，甚至突触形态上的改变。这些改变都可能是因为突触黏附分子与支架分子表达水平的改变而引起的。发育与自闭症有关的一些基因的表达及功能受神经细胞膜去极化的调控。研究者已经发现非常多参与活性依靠的信号互联网、调控基因转录的蛋白质与自闭症有关联，如神经活性可以促进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可以诱导谷氨酸能与GABA能突触的形成。neuroligin-1受活性依靠的蛋白酶切割，从而负向调节兴奋性突触树突脊的重塑，与突触后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用途，从而抑制突触前的传递。在培养的神经元中过表达neuroligin-1可以显著增强兴奋性突触的功能，这一过程依靠于NMDA受体与活性调节的钙/钙调素依靠性蛋白激酶Ⅱ（Ca2+/calmodulin dependent protein kinaseⅡ, CaMKⅡ）。神经活性还可以调控neurexin mRNA的可变剪切，影响跨突触的信号传递与突触前的分化。

四、脑区结构与功能异常

近年来功能影像学技术的进步在探讨自闭症的脑神经基础中发挥了要紧的用途，研究者们在自闭症患者大脑中发现了体积、结构与连接的异常。但影像学结果往往也存在较大差异，同时非常难发现自闭症患者突触、神经在微结构水平上的改变状况等局限性。

1.脑区体积与功能异常：MRI影像学研究显示，2~4岁的自闭症儿童大脑体积比健康儿童大非常多。但6~8岁时这些增加的大脑体积会渐渐消失，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一样的脑区有着不一样的改变，如额叶和颞叶所受影响比顶叶和枕叶大。自闭症患者表现出颞中回、颞上回、中央后回与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降低。此外，李雪等发现自闭症患儿在静息状况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、左侧楔前叶与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，自闭症患者小脑蚓体与小脑半球发育不全，同时尸检研究也显示小脑浦肯野细胞数目降低。小脑可以教导远程非运动神经环路（remote nonmotor neural circuitry）的成熟与认知发育，该功能的异常与自闭症的发生有关。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依靠的长时程抑制，同时随着着运动协调障碍。在幼年时期的小鼠脑浦肯野细胞中特异性表达neuroligin-3可以改变neuroligin-3基因敲除产生的突触与行为学的异常，提醒改变的神经环路在发育完成之后也大概被纠正。

3.大脑皮质发育异常：自闭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，自闭症患儿大脑皮质异常增大或发育不全。杏仁核与海马是大脑皮质下地区，有研究报道自闭症患者杏仁核表现出早期发育增大，同时也有研究显示自闭症患者神经元数目与杏仁核容积降低。现在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因为研究样本年龄的不一样而引起的。因此今后的研究中，年龄是不可忽略的原因之一。在自闭症小鼠模型中，大脑两半球间的功能连接与皮质地区的形成受到影响，这可能是产生行为学异常是什么原因之一。

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，与由髓鞘包裹的轴突白质。轴突白质又被叫做白质纤维，起连接不一样大脑皮质地区与促进各种信息相互交流的用途。柯晓燕等研究发现，高功能自闭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。自闭症患者的顶叶和额叶之间的连同意损和降低。另有研究者觉得自闭症患者脑神经存在过度连接。自闭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点，如自闭症儿童胼胝体神经纤维连接存在异常。

五、展望

自闭症是一种与神经突触有关的疾病，与神经元发育、神经互联网打造和神经系统功能密切有关。因此，对于自闭症的神经生物学研究应当从异常编码的突触有关基因着手，研究其对突触成长发育、功能传递、神经活动与神经互联网环路导致的影响，解析自闭症患者脑区结构连接与功能变化，最后揭示造成其行为学异常的机制。同时遗传原因在自闭症的发生进步中起着要紧用途，遗传学研究或有助于揭示该病的发病机制。然而自闭症患者其他组织系统的异常也不容忽略，如消化系统功能紊乱。影像学研究主要针对自闭症患者展开，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非常可能隐藏着分子的突变与神经发育的异常。

自闭症的致病机制具备多样性和复杂性，而不应狭窄的被觉得是大脑中某一种异常所引起的。自闭症的多种多样的表型可能与不一样的突变有关，但同时不一样患者的遗传背景又决定了对该突变的表现程度，最后影响了突触的功能和稳态。因此，只有更好地了解自闭症的分子基础，才能找到更好的治疗办法，让患者得到更好的照顾以融入社会。