2025年11月25日，普渡大学(Purdue University)黄方（Fang Huang）团队在nature communications发表了一篇名为“Disrupted theta synchronization and synaptic connectivity in the visual cortex of Fmr1 KO mice”的文章，其内容指出脆性 X 综合征（FX）是导致自闭症谱系障碍的主要遗传性疾病，患者存在感觉超敏和视觉学习受损等症状。此前研究已发现野生型（WT）小鼠视觉经验可诱导初级视觉皮层（V1）和外侧内侧区（LM）同步 θ 振荡以支持区域间感觉整合，而 Fmr1 基因敲除（KO）的 FX 小鼠存在 V1 区视觉熟悉性诱发 θ 振荡减弱的问题，但关于 FX 小鼠 V1 与 LM 之间的区域间同步性、突触连接可塑性及树突棘重塑的机制尚不明确。

一、研究目的
本研究的核心目的在于：探究视觉经验驱动的 V1-LM 区域间 θ 振荡同步性、突触连接可塑性及树突棘结构重塑在 FX 小鼠中的异常表现，揭示 FX 小鼠视觉学习和感知缺陷的神经环路机制，为理解 FX 及自闭症谱系障碍的感官处理障碍提供新的神经环路层面证据。

二、研究方法
本研究整合多种前沿技术，从整体脑区活动、在体电生理记录、突触环路映射到亚细胞结构分析，构建了多维度研究体系，具体方法如下：
1、iDISCO 全脑透明化与 c-Fos 免疫标记
对 WT 和 FX 小鼠进行视觉熟悉性训练，训练前后取脑进行 iDISCO 全脑透明化处理，通过 c-Fos 免疫荧光标记结合光片显微镜成像，量化 V1 和 LM 区神经元活动水平。
 

图1：V1和LM中的C-Fos+表达水平

2、在体多通道胞外电生理记录
采用 64 通道硅探针同步记录清醒头部固定小鼠 V1 和 LM 区的局部场电位和单位放电活动，分析视觉经验前后 θ 频段振荡功率、相位同步性及单位集群放电特征。
 

图2：V1和LM同时记录的LFPs在FX小鼠中视觉体验诱发的振荡活动中显示衰减

3、通道视紫红质辅助环路映射
向 V1 或 LM 区注射 AAV1-ChR2-Venus 病毒，3 周后进行视觉训练，取急性脑片开展亚细胞通道视紫红质辅助环路映射记录，结合 TTX 和 4-AP 阻断动作电位，量化 V1→LM 前馈和 LM→V1 反馈通路的突触强度；同时通过配对脉冲刺激评估突触前短时程可塑性。
 

图3：视觉感知体验诱导的FF V1至LM通路的回路连接性变化和突触前可塑性

4、4Pi 单分子定位显微镜
利用 Fmr1 KO 与 Thy1-ChR2-EYFP 双转基因小鼠，经视觉训练后对 V1 和 LM 区 5 层锥体神经元的树突棘进行超分辨成像，精准量化树突棘密度、长度、体积及头 / 颈面积等形态学指标。

视觉辨别行为学实验：通过水限制训练小鼠完成视觉辨别任务，测试 WT 和 FX 小鼠对熟悉刺激、非目标刺激及新异刺激的区分能力，验证神经环路异常的行为学表型。

图4：V1和LM L5 PC树突的脊柱形态

三、研究内容
1、视觉经验下 FX 小鼠 V1 和 LM 区 c-Fos 活性的异常变化
通过 iDISCO 全脑透明化结合 c-Fos 免疫标记，研究发现：基线状态下，FX 小鼠 V1、LM 等视觉相关脑区的 c-Fos 阳性神经元数量显著高于 WT 小鼠，提示 FX 小鼠视觉皮层存在基线过度激活，与 FX 的感觉超敏症状一致。视觉经验后，WT 小鼠 LM 区 c-Fos 阳性神经元密度显著升高，而 FX 小鼠 V1、LM 等区域 c-Fos 水平反而下降，表明 FX 小鼠缺乏视觉经验依赖的神经元活性可塑性，无法正常响应视觉刺激的长期暴露。（见图1）

2、FX 小鼠 V1-LM 区 θ 振荡同步性与单位放电活动的衰减
利用在体同步电生理记录，分析局部场电位和单位放电特征
局部场电位层面：视觉经验后，WT 小鼠 V1 和 LM 区出现强且持久的刺激锁定 θ 振荡，振荡功率显著升高，且 V1 与 LM 区 θ 振荡相位差向 0 偏移、分布变窄，表明区域间同步性增强；而 FX 小鼠 V1 和 LM 区 θ 振荡功率增幅不足，区域间相位同步性无显著变化，振荡持续时间缩短。

单位集群放电层面：视觉经验前，WT 和 FX 小鼠 V1、LM 区单位放电仅呈现与刺激锁定的单峰；经验后 WT 小鼠出现 4 个持续的振荡周期，而 FX 小鼠振荡周期数减少、峰值持续时间显著缩短，且 V1 区第 2-4 振荡周期的单位最大放电率显著低于 WT 小鼠，提示 FX 小鼠神经元集群同步放电能力受损。
 

图5：单位群体活动显示FX小鼠V1和LM中视觉体验诱发振荡的衰减

3、FX 小鼠 V1-LM 区功能与突触连接可塑性的缺陷
功能连接分析：通过定向信息分析发现，视觉经验后 WT 小鼠 V1→LM 前馈通路功能连接强度显著增强，LM→V1 反馈通路也呈增强趋势；而 FX 小鼠 V1-LM 双向通路功能连接无显著变化，且经验后 WT 小鼠的 V1→LM 和 LM→V1 通路连接强度均显著高于 FX 小鼠，证实 FX 小鼠区域间功能连接可塑性缺失。

突触连接强度检测：V1→LM 前馈通路：亚细胞通道视紫红质辅助环路映射结果显示，视觉经验后 WT 小鼠 LM 区锥体神经元的兴奋性突触后电流振幅显著升高，突触连接强度增强；FX 小鼠仅部分区域兴奋性突触后电流有小幅升高，另一区域无显著变化，且经验后 WT 小鼠该区域兴奋性突触后电流振幅显著高于 FX 小鼠，提示 FX 小鼠前馈通路突触可塑性存在层特异性缺陷。LM→V1 反馈通路：视觉经验对 WT 和 FX 小鼠该通路突触强度影响均不显著，仅 WT 小鼠特定区域兴奋性突触后电流有微弱升高趋势，FX 小鼠则无明显变化，表明反馈通路可塑性本身较弱且 FX 小鼠无额外损伤。

兴奋 - 抑制平衡与突触前可塑性：在 V1→LM 通路中，视觉经验后 WT 小鼠特定区域兴奋性突触后电流和抑制性突触后电流均升高，兴奋 - 抑制平衡稳定；FX 小鼠仅兴奋性突触后电流升高，兴奋 - 抑制平衡向兴奋偏移；配对脉冲比率分析显示，WT 小鼠视觉经验后配对脉冲比率在多间隔时间点升高，而 FX 小鼠仅单一间隔配对脉冲比率有变化，突触前短时程可塑性调控异常。
 

图6：视觉感知体验未诱导FB LM至V1通路的回路连接性变化和突触前可塑性

4、FX 小鼠 V1 和 LM 区树突棘结构重塑的异常
通过 4Pi 单分子定位显微镜对 V1 和 LM 区锥体神经元树突棘进行超分辨成像，量化形态学指标

基线状态：FX 小鼠 V1 和 LM 区树突棘密度显著高于 WT 小鼠，V1 区棘突长度更长、棘颈最小面积更小，提示 FX 小鼠存在树突棘结构发育异常。 

视觉经验后可塑性：WT 小鼠 V1 区树突棘头部最大面积显著增大，LM 区棘突密度、体积及头 / 颈面积均显著升高；而 FX 小鼠 V1 和 LM 区树突棘各形态指标无显著变化，完全缺失视觉经验依赖的结构重塑，且 LM 区棘突体积无增幅，与前馈通路突触可塑性缺陷对应。

5、行为学验证
视觉辨别任务中，WT 和 FX 小鼠均可学会区分熟悉刺激和非目标刺激，但加入新异刺激后，FX 小鼠对新异刺激与熟悉刺激的辨别能力显著受损，证实其视觉熟悉性编码和区分能力的行为学缺陷，与神经环路层面的同步性和可塑性异常一致。

四、创新点
整合全脑活动、在体电生理、环路映射与行为学的多维度验证体系：从整体脑区 c-Fos 活性（宏观）、区域间电活动同步性（介观）、突触连接强度（微观）到树突棘形态（亚微观），再到行为学表型，形成了完整的 “结构 - 功能 - 行为” 验证闭环，为神经精神疾病的环路机制研究提供了范式参考。

五、启发与未来展望
疾病机制层面：FX 及自闭症的感官处理障碍并非单一脑区功能异常，而是跨脑区信息整合通路的同步性和可塑性缺陷，θ 振荡的区域间同步性可作为评估感官整合功能的核心指标，为理解自闭症谱系障碍的多脑区协同缺陷提供了新视角。

治疗策略层面：研究发现 FX 小鼠 L5 锥体神经元的突触和树突棘可塑性缺陷最显著，提示靶向 V1-LM 通路 L5 前馈突触的可塑性修复可能成为改善 FX 视觉感知缺陷的潜在干预靶点；同时 θ 振荡同步性的增强策略（如光遗传调控 V1θ 振荡）或可恢复区域间信息整合，为临床干预提供新方向。

整体而言，该研究不仅阐明了 FX 小鼠视觉感知缺陷的神经环路机制，更搭建了多尺度、多技术融合的神经疾病研究范式，为自闭症谱系障碍等神经发育性疾病的机制解析和治疗开发提供了关键启示。

在这篇研究中，光遗传与电生理技术成为解锁 V1-LM 脑区 θ 振荡失衡、突触连接缺陷的核心工具。我司同款技术可定制化搭建疾病动物模型的神经功能评估体系，既能通过在体电生理捕获疾病相关脑区的电活动异常，又能利用光遗传技术验证靶点环路的功能关联性，为药物研发提供从 “机制解析” 到 “靶点验证” 的全链条技术服务，加速神经疾病创新疗法的转化进程。

参考文献：Cheng X, Nareddula S, Gao HC, Chen Y, Xiao T, Nadew YY, Xu F, Edens PA, Saldarriaga V, Hu X, Quinn CJ, Kimbrough A, Huang F, Chubykin AA. Disrupted theta synchronization and synaptic connectivity in the visual cortex of Fmr1 KO mice. Nat Commun. 2025 Nov 26;16(1):10583. doi: 10.1038/s41467-025-65665-4IF: 15.7 Q1 . PMID: 41298434; PMCID: PMC12657955.

创作声明：本文是在原英文文献基础上进行解读，存在观点偏向性，仅作分享，请参考原文深入学习。
 

想了解更多内容，获取相关咨询请联系 
电 话：+86-0731-84428665
伍经理：+86-180 7516 6076
工程师：+86-180 7311 8029
邮 箱：consentcs@163.com