解析脆性 X 综合征小鼠模型中嗅觉功能障碍与皮质兴奋性改变的关联

脆性 X 综合征（FXS）是常见的遗传性智力障碍及自闭症单基因病因。研究人员围绕 FXS 小鼠嗅觉系统展开研究。结果发现 Fmr1KO小鼠复杂气味辨别和长期记忆受损，梨状皮质（PC）神经元兴奋性改变。这为理解 FXS 发病机制提供依据。

　　在神经科学领域，脆性 X 综合征（Fragile X Syndrome，FXS）就像一个神秘又棘手的谜题，深深困扰着科研人员。它作为最常见的遗传性智力障碍和自闭症单基因病因，给无数患者及其家庭带来了沉重的负担。FXS 是由位于 X 染色体上的 FMR1 基因启动子区域的 CGG 三核苷酸重复扩增引起的，这会导致基因高甲基化和转录沉默，使得脆性 X 信使核糖核蛋白（FMRP）无法正常表达。FMRP 在调节突触前和突触后蛋白翻译以及多种电压门控离子通道的合成与活性方面起着关键作用，它的缺失会引发一系列复杂的神经系统症状，其中嗅觉功能异常就是重要的表现之一。

尽管已有研究表明 FXS 患者存在嗅觉高反应性，但对于其嗅觉处理缺陷的神经元基础却知之甚少。在以往的研究中，使用基因敲除小鼠（Fmr1^KO）进行的探索虽然揭示了一些现象，如更高的气味检测阈值和嗅觉辨别缺陷，但对于 KO 动物的嗅觉皮层如何分离神经元活动模式以实现气味编码和辨别，仍然是个未解之谜。而且，使用更接近小鼠自然环境的复杂气味混合物进行的研究也十分匮乏。因此，为了深入了解 FXS 患者嗅觉功能障碍的潜在机制，来自智利大学等机构的研究人员展开了一项极具意义的研究，该研究成果发表在《Biological Research》上。

研究人员主要运用了行为学实验和切片生理学技术这两种关键方法。在行为学实验方面，他们选用 2 - 4 个月大的雄性 C56BL/6 和 Fmr1^KO小鼠，通过水剥夺和标准操作条件反射协议，训练小鼠在嗅觉计中完成 “go - no go” 行为任务，以此来评估小鼠的嗅觉辨别能力和长期记忆。在切片生理学实验中，研究人员对出生后 30 - 41 天的小鼠进行麻醉、断头，迅速取出大脑制作脑片，利用全细胞膜片钳技术记录 PC 层 II 神经元的电生理活动，从而研究神经元的兴奋性和突触传递特性。

1. 辨别二元和复杂气味混合物

研究人员首先通过 “go - no go” 行为任务来评估 Fmr1^KO小鼠辨别嗅觉刺激的能力。在二元辨别任务中，以矿物油（CS - ）和稀释在矿物油中的异戊酸乙酯（CS + ）作为刺激物，这对小鼠来说是一个 “简单” 任务。实验结果令人惊讶地发现，Fmr1^KO小鼠能够快速区分这两种气味，与野生型（WT）小鼠的表现相似，这表明它们在简单嗅觉辨别任务中的学习能力并未受损。同样，在辨别 2 - 丁酮（CS - ）和苯乙酸（CS + ）时，Fmr1^KO小鼠和 WT 小鼠也都能迅速掌握辨别技巧。

然而，当面对更具挑战性的复杂气味混合物辨别任务时，情况发生了变化。研究人员使用由 10 种不同单分子气味组成的混合物（10 C，CS + ）和缺少一种成分（壬烷）的类似混合物（10 C - 1，CS - ）进行实验，这个任务被认为是 “困难” 的，因为两种刺激会诱导重叠的神经元激活模式。结果显示，WT 小鼠平均需要两个训练 sessions 才能达到辨别标准，而 Fmr1^KO小鼠即使经过两个训练 sessions 也无法达到标准，这表明 Fmr1^KO小鼠在处理复杂气味混合物时存在明显的缺陷。

此外，研究人员还对小鼠的长期记忆进行了测试。在小鼠熟练掌握异戊酸乙酯和矿物油的辨别任务五周后，再次进行测试。结果发现，WT 小鼠能够迅速回忆起任务并达到标准，而 Fmr1^KO小鼠则表现出类似初次训练时的缓慢学习过程，这表明 Fmr1^KO小鼠的长期记忆存在缺陷。这些结果表明，Fmr1^KO小鼠在涉及更高认知功能的嗅觉处理过程中存在不足，暗示 PC 的生理改变可能是这些缺陷的潜在原因。

2. 梨状皮质 II 层主神经元兴奋性增强

鉴于已有报道称 Fmr1^KO小鼠模型的多个皮质区域表现出兴奋性增高的表型，研究人员推测 Fmr1^KO小鼠的嗅觉行为改变可能与 PC 细胞兴奋性的差异有关。为此，他们对 PC 层 II 主神经元进行了全细胞膜片钳记录，评估这些神经元的主动和被动膜特性。

实验结果显示，Fmr1^KO小鼠的 PC 层 II 主神经元对类似电流注入的放电频率更高，F - I 曲线斜率更陡峭，且达到动作电位（AP）所需的最小电流（rheobase）更低，这些都表明 Fmr1^KO小鼠的主神经元兴奋性增加。进一步分析 AP 的特性发现，Fmr1^KO小鼠的 AP 阈值更超极化，AP 超射值更低，但 AP 幅度和半宽度在两组之间没有差异。此外，研究人员还检测了神经元的被动膜特性，包括静息电位、膜电容、输入电阻和时间常数，结果发现这些参数在 Fmr1^KO小鼠和 WT 小鼠之间均无显著差异，这表明被动膜特性并非 Fmr1^KO小鼠 PC 层 II 主神经元兴奋性增高表型的基础。

3. Fmr1^KO小鼠梨状皮质的突触兴奋 - 抑制平衡改变

在网络层面，兴奋性 - 抑制失衡可能导致神经元回路的兴奋性改变，这在其他神经发育障碍中已有报道。因此，研究人员利用全细胞电压钳技术记录 Fmr1^KO小鼠 PC 中的兴奋性（sEPSC）和抑制性（sIPSC）自发突触电流，以探究其突触兴奋 - 抑制平衡是否存在改变。

研究发现，虽然 sEPSC 和 sIPSC 的平均幅度、频率和动力学在 Fmr1^KO小鼠和 WT 小鼠之间没有显著差异，但当分析这些特性的分布时，却发现了明显的变化。在 sEPSC 方面，Fmr1^KO小鼠的 sEPSC 幅度分布向更高值偏移，事件间隔分布向更短时间偏移，上升和衰减时间的分布也向更快的动力学偏移。对于 sIPSC，Fmr1^KO小鼠的 sIPSC 幅度分布向更低值偏移，事件间隔分布向更短时间偏移，上升时间分布向更慢的动力学偏移，衰减时间分布向更快的动力学偏移。这些结果表明，Fmr1^KO小鼠 PC 中维持兴奋 - 抑制平衡的突触群体发生了变化，这可能有利于提高其兴奋性。

综合以上研究结果，研究人员得出结论：Fmr1^KO小鼠在复杂气味辨别和长期记忆方面存在缺陷，这与 PC 神经元的生理改变密切相关。PC 层 II 主神经元的兴奋性增高表型主要由电压依赖性过程异常引起，而非被动膜特性改变。同时，Fmr1^KO小鼠 PC 中的突触兴奋 - 抑制平衡发生改变，这可能是其嗅觉功能障碍的重要机制之一。

这项研究的意义重大，它为深入理解脆性 X 综合征患者嗅觉功能障碍的神经生物学机制提供了重要线索，有助于开发针对该疾病的更有效的治疗策略。通过揭示 Fmr1^KO小鼠嗅觉系统的异常，研究人员为进一步研究脆性 X 综合征的发病机制和潜在治疗靶点奠定了基础，有望为改善患者的生活质量带来新的希望。