由巴塞尔分子和临床眼科研究所(IOB)的一个团队领导的研究人员使用一种新方法以单细胞分辨率研究活的胚胎小鼠大脑，确定了一种活跃的多层锥体到锥体神经元回路，它形成于处于意想不到的早期发育阶段的大脑皮层。该团队表明，从基因上扰乱这个回路会导致类似于自闭症患者大脑中看到的变化。
“了解皮层中细胞类型和回路的详细发育可以为自闭症和其他神经发育疾病提供重要见解，”IOB主任BotondRoska博士说，他也是该团队在Cell上发表的论文的通讯作者。“这是我们的发现所证实的。”
在他们的报告中，题为“锥体神经元形成活跃的、短暂的、多层的电路，在新皮质开始时受到自闭症相关突变的干扰，”Roska和他的同事总结道，“……锥体神经元形成活跃的、短暂的、多层的锥体到锥体大脑皮层开始时的环路，研究这些环路可以深入了解自闭症的病因。”
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长期以来，自闭症与大脑皮层中的故障回路有关，大脑皮层是控制感官知觉、认知和其他高级功能的大脑部分。大部分皮质由称为锥体神经元(PN)的兴奋性细胞组成。IOB团队想研究这些神经元何时以及如何组装成皮层中的第一个活跃电路，但这提出了一个艰巨的挑战。正如作者所解释的那样，虽然PN到PN电路中的活动和通信已经在成人体内进行了深入研究，但第一个有源PN电路何时以及如何在体内组装尚不清楚。”虽然这些问题的答案将是增加对皮质回路发育的理解的关键，但该团队继续说道，“......由于神经发育障碍与皮质回路内的缺陷有关，对锥体回路形成的深入了解也可能与理解自闭症谱系障碍等疾病的机制有关……在自闭症儿童的大脑以及该疾病的小鼠模型中都观察到了混乱的皮层组织斑块，大约在出生。”然而，自闭症相关基因的突变是否会扰乱胚胎发育过程中PN-to-PN回路的发育仍然未知。”
锥体神经元的宽度仅为人类头发宽度的十分之一，实验过程中的任何运动都可能导致活动记录不准确。对于他们的研究，该团队设计了一种手术解决方案来保持神经元稳定。胚胎被固定在母亲腹腔内充满琼脂的3D固定装置内，以便维持正常的胚胎血流和温度。“在这里，我们开发了一种具有足够机械稳定性的方法，可以在连接到大坝的健康活小鼠胚胎中进行来自单个神经突的双光子成像和双光子靶向膜片钳记录……”他们写道。
普遍的观点是大脑皮层以“由内而外的方式”发育，最深的六层首先出现。根据目前的观点，研究人员写道，“在皮质发育过程中，PN迁移到它们在新皮质中的最终位置，层以由内而外的方式形成……PN将填充第5层和第6层(L5-PN和L6-PN))先出生。在小鼠中，这些神经元出现在胚胎期(E)11.5和E14.5之间，并从E12.5开始迁移到发育中的皮层。”
通过这种方式，人们认为锥体神经元在迁移到皮层中的最终位置并相互形成连接时会慢慢变得活跃。然而，共同主要作者、IOB中央视觉电路小组的系统神经科学家ArjunBharioke博士评论道，“我们实际上检测到了一种非常不同的活动模式。”该团队的研究特别关注小鼠胚胎Rbp4-Cre锥体神经元，使用包括体内膜片钳记录和双光子钙成像在内的技术，发现了一个非常早期的瞬态电路，该电路甚至在六层皮质之前就已经高度活跃和相关已经形成。
这表明神经元在迁移形成第5层之前已经连接。瞬态电路最初有两层：深层和浅层。后来，表层变得沉默并消失，而经典的逐层皮层发育恢复，第三个中间层形成第5层。
“我们还想了解这个电路在自闭症模型中是如何变化的，”中央视觉电路组的IOB发育生物学家、共同主要作者MartinMunz博士指出。通过研究缺失两个自闭症相关基因Chd8和Grin2b的一个或两个等位基因的敲除小鼠品系，该团队取得了一项重要发现。众所周知，这些基因的缺失会导致儿童出现严重的自闭症。在纯合子和杂合子敲除小鼠中，表层作为发育残余物保持活跃。“在整个胚胎发育过程中，它从未消失，”Munz说。此外，基因敲除小鼠的大脑中含有与自闭症患者相似的皮层结构紊乱区域。
“......首先，我们发现这些基因操作干扰了胚胎发育过程中双相PN活动模式的过渡阶段，”该团队指出。“……其次，我们发现基因操作导致了多层瞬态回路的扰动……我们报告的小鼠皮层的斑片状解体让人想起在自闭症儿童中观察到的皮质组织的斑片状解体。”
研究结果表明，锥体神经元的空间组织由新发现的回路调节，“胚胎回路的变化在与神经发育障碍相关的功能障碍中发挥作用，包括自闭症谱系障碍，”Bharioke说。
注意到他们研究的局限性，作者总结道，“我们的工作确定了胚胎PN到PN有源电路基序，连同我们开发的体内成像和记录方法，提供了研究与神经发育障碍相关的基因的影响的机会，特别是自闭症谱系障碍，在活胚胎中识别出的回路上。”
在未来的研究中，IOB研究人员将“仔细观察这种早期电路的表层和深层，并独立地操纵它们，”Roska评论道。“这对于了解神经发育疾病的病因学具有指导意义。”
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