《NeuroImage》：Electroencephalography signals in a female Fragile X Syndrome mouse model
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本研究旨在探索脑电图(EEG)作为脆性X综合征(FXS)转化生物标记物的潜力。针对目前FXS缺乏有效疗法及临床前研究向临床转化困难的问题，研究人员以雌性Fmr1敲除(fmr1 KO)小鼠为模型，比较其在幼年(P40)和成年(P70)阶段与野生型(WT)对照的静息态EEG信号。研究发现，KO小鼠绝对Alpha、Beta、Gamma和总EEG功率显著增高，相对Theta功率降低，Theta-Beta比率减小，峰值Alpha频率增高，并且Theta-Gamma和Alpha-Gamma的振幅-振幅耦合以及相位-振幅耦合发生改变，而EEG信号复杂性（多尺度熵）无显著变化。该结果不仅揭示了雌性FXS模型小鼠中特定可复现的EEG表型，如Gamma功率增高，支持了其作为跨物种稳健生物标记物的潜力，同时也凸显了在利用EEG作为FXS生物标记物时，性别和发育阶段是需要考虑的关键因素。
脆性X综合征(Fragile X Syndrome, FXS)是导致自闭症和智力障碍最常见的单基因病因。然而，针对FXS的治疗探索之路却充满坎坷，许多在动物模型中展现出前景的药物，在进入临床试验后屡屡失败。这种从实验室到临床的“转化鸿沟”，很大程度上归因于缺乏能够可靠预测治疗效果的生物标记物。近年来，脑电图(Electroencephalography, EEG)因其能够无创、跨物种地记录大脑神经电活动，被视为一种极具潜力的转化研究工具。尤其是在FXS中，已有研究发现患者和雄性动物模型的静息态EEG普遍存在Gamma频段功率的异常增高，这被认为是反映大脑皮层兴奋/抑制失衡的一个关键特征。
然而，现有的研究存在明显的“性别偏见”和“发育盲区”。FXS作为一种X连锁疾病，虽然男性患者更为多见，但女性患者同样存在，且表现出不同的临床症状。令人遗憾的是，绝大多数关于FXS的EEG研究都集中在男性/雄性模型上，对雌性患者或模型的研究非常匮乏。此外，大脑功能在发育过程中不断变化，比较幼年和成年阶段的EEG特征，对于理解FXS如何影响大脑发育至关重要。为了填补这些知识空白，来自加拿大卡尔加里大学的研究团队开展了一项针对性研究。他们利用经典的Fmr1基因敲除(Knockout, KO)小鼠模型，系统探究了雌性KO小鼠在幼年期（出生后40天，P40）和成年期（出生后70天，P70）的EEG特征，并与同窝野生型(Wildtype, WT)对照进行比较。这项研究近期发表在神经科学领域的知名期刊《NeuroImage》上。
为了开展这项研究，研究人员采用了几个关键的技术方法。首先，他们使用了一个开源的啮齿类动物电生理记录系统(OSERR)进行额-顶叶差分EEG记录。实验在三种环境下进行：小鼠的自家笼、明暗箱测试场和旷场测试场，以评估EEG信号的稳定性。研究使用的动物是雌性的Fmr1 KO小鼠及其WT对照，样本队列来源于实验室内部繁殖。EEG数据分析涵盖了一系列特征：包括计算绝对和相对功率谱密度（重点关注Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma等频段），以及一系列探索性的高级EEG指标，如峰值Alpha频率(Peak Alpha Frequency, PAF)、Theta-Beta比率(Theta-Beta Ratio, TBR)、相位-振幅耦合(Phase-Amplitude Coupling, PAC)和振幅-振幅耦合(Amplitude-Amplitude Coupling, AAC)，并利用多尺度熵(Multi-Scale Entropy, MSE)评估了EEG信号的复杂性。统计上，对Gamma功率的分析被预设为验证性分析，其他指标则作为探索性分析。
研究结果揭示了雌性FXS模型小鼠一系列特异的EEG异常：
3.1. 绝对Alpha、Beta、Gamma和总EEG功率在KO小鼠中增高
研究结果表明，在三种记录环境下，与WT对照相比，雌性Fmr1 KO小鼠的绝对Alpha、Beta、Gamma（包括低Gamma和高Gamma）功率以及总EEG功率均显著增加，并且这种差异在成年期更为明显。同时，Gamma功率在WT和KO小鼠中均表现出从幼年到成年的发育性增长。这些差异并非由电极阻抗或颅骨厚度的不同所导致。
3.2. 绝对EEG功率在不同记录条件下保持稳定
除了在幼年KO小鼠从家笼转移到明暗箱时观察到Theta功率的短暂下降外，绝大多数频段的绝对EEG功率在三种记录条件（家笼、明暗箱、旷场）下保持稳定，表明记录到的神经活动特征具有可靠性。
3.3. 峰值Alpha频率在KO小鼠中增高
峰值Alpha频率是反映大脑成熟度的指标。研究发现，在明暗箱和旷场测试中（而非家笼中），KO小鼠的峰值Alpha频率高于WT对照，且在两个年龄段均如此。这与在FXS患者中观察到的峰值Alpha频率降低或向Theta频段偏移的现象相反。
3.4. Theta-Beta比率在KO小鼠中降低
Theta-Beta比率是注意缺陷多动障碍(ADHD)的常用EEG生物标记物。本研究中，除了在明暗箱的成年期外，KO小鼠的Theta-Beta比率在多数条件下均低于WT对照，这主要归因于其Beta功率的显著增高。
3.5. 相对Theta EEG功率在KO小鼠中降低
在开野测试中，KO小鼠的相对Theta功率在两个年龄段均降低。在家笼中，这种降低仅在成年期出现。同时，相对Gamma功率在WT和KO小鼠中均随年龄增长而增加。
3.6. KO小鼠的相位-振幅交叉频率耦合增强
相位-振幅耦合分析了高频（Gamma）振荡的振幅受低频（4-12 Hz）振荡相位调制的程度。研究发现，在家笼和明暗箱记录中，KO小鼠的PAC强度高于WT对照，并且PAC强度在两组小鼠中均从幼年期增长到成年期。
3.7. KO小鼠的振幅-振幅交叉频率耦合发生改变
振幅-振幅耦合评估了低频（Theta, Alpha）和高频（Gamma）振荡的功率随时间变化的关联。研究发现了具有一致性的改变：与WT相比，KO小鼠表现出更强的负性Theta-高Gamma耦合以及更强的正性高Alpha-高Gamma耦合，这种模式在家笼和明暗箱记录中均有体现。
3.8. 多尺度熵在KO和WT小鼠间无变化
多尺度熵用于量化EEG信号的复杂性，通常随正常大脑发育而增加。然而，本研究中，无论是复杂度指数还是不同时间尺度下的熵值，在KO和WT小鼠之间均未发现显著差异。
结论与讨论 本研究系统地描绘了雌性Fmr1 KO小鼠在幼年和成年阶段的EEG图谱。最重要的发现是，该模型成功复现了FXS中最稳健的EEG生物标记物之一——静息态Gamma功率的增高，这强化了Gamma功率异常作为跨物种FXS核心表型的地位。此外，在雌性模型中观察到的Theta-Gamma振幅-振幅耦合的逆相关模式，与FXS患者的报道相似，支持了其作为潜在转化生物标记物的可能性。这些发现表明，某些EEG参数（如Gamma功率、AAC）在啮齿类模型和患者之间具有较好的可转化性。
然而，研究也揭示了显著的差异。例如，峰值Alpha频率、Theta-Beta比率和脑信号复杂性等指标在小鼠模型和人类数据之间表现出不一致，提示这些生物标记物的物种通用性可能有限。更重要的是，本研究强调了性别和发育阶段的关键影响。当与已报道的雄性FXS小鼠模型的EEG变化相比较时，本研究结果突显了在Fmr1 KO小鼠模型的幼年和成年阶段，EEG表型可能存在基于性别的差异。例如，先前一项在成年雌性Fmr1 KO小鼠（B6背景）中的研究报告称Gamma功率无变化，而本研究发现Gamma功率显著增高，这种差异可能与小鼠品系、记录方法或数据分析有关，但也警示我们需要谨慎解读不同研究间的结果。
总之，这项研究不仅填补了雌性FXS动物模型EEG研究的空白，还为我们理解FXS的神经机制提供了更细致的视角。它指出，在将EEG用作FXS研究的生物标记物时，必须将性别和发育阶段作为关键变量纳入考量。未来，结合性别特异的临床前和临床EEG研究，将有助于识别出更具预测力和转化价值的神经振荡生物标记物，从而加速针对FXS等神经发育障碍的有效疗法的开发。
