自闭症谱系障碍中年龄相关的轴突修剪与髓鞘形成差异对神经信号传导的影响

《Molecular Autism》：Age-related differences in axon pruning and myelination may alter neural signaling in autism spectrum disorder

本研究针对自闭症谱系障碍(ASD)患者脑白质发育异常问题，通过电子显微镜分析27例2-44岁男性颞叶白质样本，发现ASD患者颞上回浅表白质小直径轴突密度显著增高，且大直径轴突髓鞘厚度随年龄增长异常变薄。这些超微结构改变揭示了ASD局部过度连接与长程连接效能降低的神经基础，为理解ASD神经发育轨迹提供了细胞水平证据。

　　

人类大脑的发育是一个精妙而复杂的过程，从基础的神经活动网络逐渐演化为高度协调的互联系统。这一过程涉及细胞数量、轴突密度和髓鞘形成的产后变化，其中脑白质的动态重组尤为关键。白质体积在生命早期快速增长，持续至青春期，随后在成年期逐渐下降。这些体积变化反映了由突触发生、轴突发生和活动依赖性修剪驱动的结构生长和重组，这些过程共同优化和强化神经连接。少突胶质细胞形成的髓鞘则提升了神经传导的速度和效率，这一过程持续至生命最初几十年。

在自闭症谱系障碍(ASD)这种神经发育性疾病中，患者表现出社交互动、沟通障碍以及限制性重复行为，这些症状在幼儿期出现并持续终生。尽管ASD的细胞机制多样且异质，但大量研究表明其神经连接成熟过程存在异常。神经影像学研究经常报告ASD患者功能连接减少，特别是在局部和长程连接之间存在权衡关系。扩散张量成像(DTI)研究一致显示ASD患者轴突束组织改变，分数各向异性(FA)降低表明白质纤维完整性受损，尤其在颞叶和胼胝体区域。髓鞘水分数(MWF)作为髓鞘完整性的MRI指标，在年轻ASD成人中也显示降低，表明轴突结构和髓鞘形成的变化在儿童晚期或青春期早期出现并持续至成年期。

然而，DTI指标缺乏特异性，可能受轴突直径、密度和髓鞘形成等多因素影响。直接对死后组织进行超微结构检查能更精确揭示ASD白质改变的细胞基础。前额叶皮层白质研究提示ASD髓鞘形成模式异常，短程和长程轴突组织改变，表明ASD与神经连接发育变化相关，以短程轴突局部过度连接和区域间长程轴突连接减少为特征。

颞叶 consistently 被牵涉于ASD的病理生理学及相关的语言和社会沟通缺陷中。DTI研究显示ASD颞叶社交和语言通路白质受损，白质超微结构改变与疾病社交障碍程度相关。为探究颞叶白质改变的细胞基础，研究人员利用电子显微镜(EM)对27例有/无ASD的男性死后大脑（2-44岁）进行了超微结构分析。这种高分辨率方法能够量化发育过程中的轴突密度和髓鞘形成，为解读神经影像学发现提供了细胞框架，并增进了对ASD神经连接发育轨迹的理解。

研究人员从NIH Neurobiobank和Autism Brain Net获取死后颞叶样本，共分析了27例全男性病例的54个样本，包括14例ASD个体（5-44岁，平均21.86岁）和13例神经典型(NT)个体（2-44岁，平均20.31岁）。组织处理上，从人死后大脑右半球颞叶块取样，在颞上回(STG)和梭状回(FG)下方分离浅表白质(SWM)和深部白质(DWM)进行分析。SWM定义为灰质/白质边界2毫米内，DWM定义为边界2-4毫米处。样品经过系列固定、脱水、树脂包埋后，超薄切片并染色。成像与量化方面，使用透射电子显微镜在7400倍放大下采集图像，利用NIH ImageJ软件测量每个识别的有髓鞘轴突的直径，并根据内径将轴突按大小分类：小(<0.35μm)、中(0.36-0.70μm)、大(0.71-1.4μm)和超大(>1.4μm)。髓鞘厚度通过直接测量轴突鞘内外径之差以及计算g-ratio（内径/外径）来评估。统计分析采用线性混合效应模型评估轴突密度和髓鞘厚度与诊断、区域、分区和轴突大小等级的关系，并分析其与年龄的关系。

ASD相关轴突密度按大小等级的差异

线性混合效应模型评估轴突密度与诊断、区域、分区和轴突大小等级的关系。ASD和NT病例间轴突密度按大小等级相似，但存在少数显著例外。在STG SWM中，ASD病例小口径轴突密度显著高于NT（ASD, 0.2253±0.09μM; NT, 0.1843±0.09μM）。FG中，ASD病例轴突密度普遍低于NT，小和中等轴突密度差异显著。在任何区域或分区中，大和超大轴突密度未观察到差异。

典型产后白质轴突密度发育

在NT个体中，从最早检查年龄到中年，STG和FG浅表分区总轴突密度显著下降，深部分区未观察到。按大小等级分析轴突密度与年龄的关系显示，NT病例在两个区域的SWM中小轴突密度与年龄呈显著关系，具体表现为STG SWM和FG SWM中小轴突密度随年龄增长下降。在任何区域或分区中，大和超大轴突未观察到年龄相关差异。

ASD大脑白质轴突密度产后轨迹改变

与NT相比，ASD SWM总轴突密度随年龄无显著改变。STG SWM中小轴突总体密度较高，且其随年龄增长密度下降的趋势与NT病例相似。与NT相反，FG SWM总轴突密度斜率在ASD中为正，且与NT相比差异显著。ASD中FG SWM中小和中等轴突的估计斜率也为正，中等轴突中显著为正。ASD中DWM小轴突密度与年龄无显著关系。与NT组比较轴突密度与年龄的关系揭示，在STG深部白质小轴突、FG SWM小和中等轴突中斜率存在显著差异。

ASD相关髓鞘厚度差异

共测量了9,397个轴突的髓鞘厚度。轴突内径尺寸范围从0.03μM到约5μM，而外径（包括髓鞘）范围在0.62μM至6.5μM之间。髓鞘厚度（外径与内径测量值之差）也观察到一个宽范围，介于0.004μM和1.2μM之间。平均髓鞘厚度在各区域和组间一致。小口径轴突显示最低的髓鞘厚度，较大的轴突具有更多髓鞘。线性混合效应模型评估髓鞘厚度与诊断、区域、分区和轴突大小等级的关系。就诊断而言，在任何检查区域或区域中，小和中等口径轴突的轴突髓鞘厚度未观察到差异。同样，在STG和FG的DWM中，ASD和NT之间髓鞘厚度无显著差异。然而，在FG和STG的SWM中，ASD病例大和超大口径轴突的平均髓鞘厚度显著降低。

为解释相对于轴突大小的髓鞘厚度，研究人员还计算了g-ratio（内轴突直径与总外径之比），这被认为是轴突传导效率的度量。然而，比较ASD和NT组的平均g-ratio未发现显著差异。

ASD髓鞘厚度产后轨迹改变

线性混合效应模型用于评估髓鞘厚度与年龄的关系，按诊断、区域和分区划分。比较估计斜率显示，在STG SWM中，NT髓鞘厚度随年龄增加的发展趋势与ASD髓鞘厚度减少的趋势相反。ASD和NT轨迹在STG SWM中存在显著差异，表明ASD中未观察到典型的髓鞘厚度发育性增加。

研究人员进一步探究改变的髓鞘厚度是否与特定轴突大小等级相关。值得注意的是，NT受试者的所有斜率估计值均为正，然而，在ASD中，STG SWM中的大和超大轴突以及FG两个分区中的大轴突观察到负斜率。在SWM中大轴突的髓鞘厚度斜率在NT和ASD之间存在显著差异。因此，STG SWM中较大的轴突并未表现出NT中所见的髓鞘厚度发育性增加。

研究结论与讨论部分指出，患有ASD的男性颞叶白质遵循一条不同于神经典型男性的发育轨迹，其普遍特征为产后发育过程中轴突密度增加和髓鞘厚度减少。在神经典型个体中，轴突修剪和渐进性髓鞘形成优化白质束以支持高效通信。而在ASD中，颞上回浅表白质中小直径轴突仍然丰富，并且梭状回轴突密度的年龄相关性修剪减弱。ASD中大直径轴突的髓鞘并未遵循随年龄增长而增厚的典型发育模式，导致髓鞘持续较薄。在神经典型发育中，浅表白质大轴突的髓鞘形成可能促进相邻联合皮层区域间的通信，而深部白质中的大直径轴突支持皮层和皮层下区域间的长程连接。STG DWM中髓鞘厚度或轴突密度无组间差异，表明ASD中长程通路可能相对保留，而SWM的结构差异提示局部连接性是更易受影响的目标。这些发现与功能成像研究一致，后者报告ASD局部网络动力学紊乱，尤其在颞叶联合区域内。局部信号传播的整合和时序紊乱可能促成ASD的核心行为特征，包括语言处理、社交互惠和感觉整合方面的挑战——这些功能在发育早期依赖于颞叶回路内的协调活动。这些早期改变可能为整个生命周期中网络组织和功能的持续差异奠定基础。

ASD颞叶白质的改变与先前在死后前额叶皮层(PFC)中用类似EM方法识别的模式高度相似。具体而言，在ACC中观察到小轴突密度显著增加，尤其在浅表分区，以及ASD中XL轴突密度减少。在OFC中，髓鞘厚度显著降低。评估白质微观结构的年龄相关变化进一步显示，在神经典型病例中，小和中等轴突密度随年龄相对稳定，而在ASD中则观察到增加，尤其在浅表白质。此外，ASD中ACC厚长程轴突密度随年龄减少，而对照组中则增加。这些发现支持以下假设：增强的短程连接性和减少的长程连接可能是ASD神经通信的一个关键特征。这些不同的发育轨迹可能促成皮层信号传导的失衡，尤其跨越额叶和颞叶皮层及其共享网络。

本研究是首个直接检测ASD颞叶白质超微结构中轴突改变的研究。结果表明，局部和全局连接性之间的权衡，与短程和长程轴突的模式一致，延伸超出了前额叶皮层。尽管前额叶回路在ASD中受到强烈影响，但观察到的颞叶改变强调白质结构紊乱并不局限于额叶区域。相反，这些改变增加了汇聚性证据，表明颞叶回路牵涉于ASD相关的社会认知和情感差异。在颞叶皮层内，颞上沟、梭状回和杏仁核在ASD神经病理学的功能、结构、细胞和分子水平上 consistently 被牵涉。例如，ASD幼儿的颞上回比典型发育增大约10%。此外，ASD儿童的杏仁核增大，神经元和树突棘数量相对于神经典型儿童增加，随后在成年期出现神经元和树突棘密度丢失。ASD个体还显示梭状回神经元密度和胞体大小减少。细胞数量、连接性和组织的改变将对从这些区域发出的轴突投射产生显著影响，促成我们在ASD颞叶白质中观察到的轴突密度和髓鞘形成的非典型模式。

与这些发现一致，神经影像学研究报告ASD整个生命周期中白质微观结构的持续改变，这可能与症状严重程度相关。DTI研究将ASD症状与连接性和白质结构的紊乱相关联，将这些改变与沟通和认知功能损伤联系起来。分数各向异性在年轻ASD受试者中倾向于升高，但在青春期和成年期降低，提示产后发育转变。这些轨迹指向涉及轴突直径、密度和/或髓鞘形成的改变的结构成熟过程——这些因素可能在ASD中被广泛失调。与神经典型同龄人相比，ASD成人中也注意到颞叶皮层加速变薄，并且与执行功能测量相关。

我们的发现表明，ASD个体中围绕STG邻近浅表白质大直径轴突的髓鞘并未遵循随年龄增长渐进增厚的规范模式，指向髓鞘结构和成熟的基本偏离。这种紊乱可能反映影响少突胶质细胞功能和髓鞘发育的更广泛机制。事实上，反映综合征形式ASD表型的动物模型显示髓鞘形成和少突胶质细胞功能的显著改变。来自人ASD病例的转录组数据显示与少突胶质细胞生物学和髓鞘相关通路相关的基因失调。此外，与年龄匹配的对照组相比，ASD成人杏仁核中少突胶质细胞显著更少，提示可能与髓鞘变薄相关的年龄相关性丢失。因此，髓鞘发育和少突胶质细胞功能紊乱可能是综合征和非综合征ASD的共同特征。多样化的遗传和分子病因可能导致白质完整性改变的共同结果，促成ASD特征性电路水平改变和行为表型。

轴突和髓鞘发育的改变并非自闭症独有。许多精神疾病涉及白质微观结构和髓鞘形成的改变，包括精神分裂症、双相情感障碍和重度抑郁症。白质完整性紊乱已被证明与精神分裂症症状严重程度增加的临床证据相关，并且这些改变可能先于精神病症状发作。髓鞘含量和指示轴突内完整性的指标改变，与信号转导受损相关，可能进一步促成精神分裂症中观察到的认知缺陷。跨精神疾病已注意到与少突胶质细胞和少突胶质前体细胞相关的基因广泛失调。早年生活和慢性心理社会压力可能促成白质发育的变异，可能突出儿童期和青春期的脆弱期。总体而言，白质和髓鞘发育涉及整个生命周期的动态过程，理解轴突微观结构变化的模式可能突出神经发育和精神疾病治疗干预的机会窗口。

本研究存在人类死后研究固有的局限性，包括小样本量、可变组织质量、最少人口统计信息和横断面设计，可能模糊发育轨迹并限制将症状学与潜在生物学过程相关联。尽管存在这些挑战，我们检测到了ASD中轴突密度和髓鞘厚度的显著且区域特异性改变。此外，髓鞘厚度和轴突密度在对照组和ASD受试者中分别检查。鉴于轴突密度和髓鞘厚度可能相关，未来设计可能包括多变量模型以进一步理解颞叶白质结构在神经典型个体以及患有神经发育和精神疾病个体中如何随年龄变化。此外，尽管我们的研究因女性组织可用性有限而专注于男性，但 ongoing 工作应继续调查整个生命周期白质成熟的性别差异。

我们的发现揭示了ASD轴突微观结构的结构性改变，与局部过度连接的发育模式一致——由小轴突密度增加驱动——以及整合性连接减少，反映在浅表白质大口径轴突上较薄的髓鞘。尽管对ASD中脑老化知之甚少，但我们的结果与 growing 证据一致，表明神经解剖学改变持续至成年期，包括区域体积丢失、皮层变薄和白质完整性改变。未来研究可能阐明神经炎症信号是否影响少突胶质细胞成熟或轴突-胶质细胞相互作用，促成ASD中观察到的白质改变。总之，这些发现强调了理解白质成熟紊乱如何影响神经通信和功能结果的重要性。持续研究塑造这些轨迹的遗传、分子和环境因素对于识别整个生命周期干预的关键窗口至关重要。