自闭症谱系障碍小鼠模型中幼鼠超声波发声的发育轨迹存在差异且变异性未增加

《Behavioural Brain Research》：Distinct developmental trajectories of pup ultrasonic vocalizations across ASD mouse models without increased variability

　　

摘要

自闭症谱系障碍（ASD）以社会交流障碍为特征。幼鼠的超声发声（USVs）是测量小鼠模型早期社会交流的一种广泛使用的方法，但不同研究之间的结果不一致，阻碍了跨模型比较。在这里，我们系统地比较了三种病因不同的ASD小鼠模型中孤立诱导的幼鼠USVs：丙戊酸（VPA）处理组、Caps2^?/?小鼠和Chd8^+/?小鼠。发声率的变化在出生后第9天最为显著，这对应于USV产生的发育高峰期，但这些变化的方向和幅度在不同模型之间存在差异。VPA处理组和Caps2^?/?小鼠表现出缩短的发声持续时间和简化的频率结构，而Chd8^+/?小鼠几乎没有声学变化。值得注意的是，尽管平均USV特征存在明显差异，但在所有模型中（包括对照组），组内发声率和声学特性的变异性相当。这些发现表明，ASD相关的幼鼠USV变化反映了模型特异性的发育轨迹变化，而非个体间变异性的增加。

引言

社会互动和沟通障碍是自闭症谱系障碍（ASD）的核心特征[1]。确定新生儿期早期行为标志物至关重要，因为这一阶段的脑发育对环境调节高度敏感，早期干预可能减轻后期症状严重程度。ASD小鼠模型被广泛用于研究这些早期标志物，幼鼠在出生后前两周发出的超声发声（USVs）被广泛研究作为早期社会交流和情感状态的替代测量指标[2]，[3]，[4]。

然而，ASD模型间的幼鼠USV表型高度可变。在遗传和环境模型中既有报告发声数量增加也有减少。在Shank[5]，[6]，[7]、Fmr1[8]和Nlgn2突变体[9]中观察到USVs减少，而在父系15q11–q13重复[10]、Chd8[11]，[12]和Tsc1突变体[13]等模型中则报告了发声增加。非典型的声学特征，包括音节持续时间缩短和复杂度降低，也已被描述[14]，[15]。值得注意的是，即使在同一模型中，根据发育阶段和实验条件不同，也报告了相互矛盾的结果[16]，[17]，[18]。人类自闭症是一种谱系状况，表现从最小支持需求到需要24小时护理的个体不等。这种临床异质性可能源于表型表达的个体间变异性增加。ASD模型间的不一致性提出了一个根本性问题：幼鼠USV的变化是反映了每个模型内部个体间变异性的增加，还是结构化的、模型特异性的发育轨迹变化？

为了应对这一问题，我们使用统一的实验范式系统地比较了多个ASD小鼠模型中的幼鼠USVs。我们选择了两个遗传上不同的模型，Chd8^+/?和Caps2^?/?小鼠，分别代表转录和突触功能障碍。CHD8是一种染色质重塑因子，在神经发育过程中调节基因表达[19]，[20]，而CAPS2是一种突触前蛋白，参与活动依赖性的神经肽和神经营养因子的释放[21]。我们还纳入了一个基于产前暴露于丙戊酸（VPA）的环境诱导型ASD模型，该模型破坏了染色质依赖性转录调控[22]，[23]。

通过整合多个病理生理学水平的遗传和环境模型，这一设计使我们能够检验早期发声交流缺陷是代表ASD病因的收敛表型还是模型特异性的变化。使用从出生后第3天（P3）到P15的相同录音条件，我们分析了跨模型的幼鼠USV发育轨迹，并量化了组内变异性，以确定ASD相关变化是源于个体间变异性增加还是发声模式的结构化变化。这种方法提供了一种统一的框架，用于解释幼鼠USV作为ASD的早期行为标志物。

章节摘要

受试者

所有实验均按照同志社大学动物实验指南进行（许可证号：A25067）。使用四组：野生型小鼠（WT；n = 30）、产前暴露于丙戊酸的小鼠（VPA；n = 20）、Caps2纯合子小鼠（Caps2^?/?；n = 31）和Chd8杂合子小鼠（Chd8^+/?；n = 20）。每组至少包含来自四个独立窝的动物。雄性和雌性幼鼠都包含在分析中。所有小鼠均饲养于...

结果

首先，我们检查了所有组别中出生后体重和USV特征发育轨迹的性别差异。体重的三因素方差分析显示，组别×年龄（F(5.32, 59.44) = 2.78, p < 0.05, η?2 = 0.082）和性别×年龄（F(2.34, 59.44) = 3.44, p < 0.05, η?2 = 0.038）存在显著交互作用。性别的简单主效应仅在P12时显著（F(1, 93) = 2.78, p < 0.05, η?2 = 0.044）。WT组的体重显著低于Chd8^+/?组（ps < 0.05 at ...）

讨论

使用标准化的实验范式，我们比较了三种ASD小鼠模型中的幼鼠USVs，发现ASD相关的变化主要反映中心趋势的变化，而非个体间变异性的增加。尽管在相同的录音条件下进行检查，这些ASD模型展示了不同的发声发育模式。观察到的USV特征与以前的报告基本一致[11]，[15]，[27]，但更好地被解释为...

伦理声明

本研究按照以下动物福利和/或报告指南进行：同志社大学动物实验及相关活动管理条例。本研究已获同志社大学批准。

CRediT作者贡献声明

Keiichi I. Nakayama：资源。Teiichi Furuichi：资源。Motoki Akiyama：资源、调查研究。Raymond Maejima：资源、调查研究。Jun Motoyama：写作 – 审阅与编辑、监督、项目管理、概念构思。Yuki Ito：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查研究、资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究由JSPS KAKENHI（23K12938给YI）支持。

Yuki Ito|Motoki Akiyama|Raymond Maejima|Keiichi I. Nakayama|Teiichi Furuichi|Jun Motoyama