综述：雪貂作为研究化学物质对大脑皮层沟回形成影响的模型

《Frontiers in Neurology》：Ferrets as a model for investigating the impact of chemical agents on cerebral cortical sulcogyrogenesis

　　摘要：许多哺乳动物的大脑皮层都具有回状结构特征，这些特征表现出与物种相关的独特模式，并且在患有神经发育障碍和/或精神疾病的个体中会受到影响，包括自闭症谱系障碍。这篇简短的综述文章概述了一系列研究，这些研究利用回状结构的动物——雪貂，探讨了两种可能导致自闭症谱系障碍的化学物质（丙戊酸（VPA）和脂多糖（LPS）对大脑沟回发育的影响。在出生后第6天和第7天，雪貂幼崽被注射了VPA（200 μg/体重）或LPS（500 μg/体重）。VPA作用于室管膜下区前体细胞（包括基底放射胶质细胞），促进其分化，导致前腹内侧皮层和内侧皮层的沟回变浅，同时增强背外侧皮层的沟回形成。相比之下，新生儿时期暴露于LPS的雪貂中，由室管膜下区前体细胞衍生的皮质神经元发生凋亡，这可能导致位于内侧和背外侧皮层的主要沟回向前移动。这两种物质对室管膜下区前体细胞的影响不同，从而导致了不同的回状结构异常模式。这些发现表明，雪貂是一种有利的动物模型，有助于阐明化学物质引起的神经发育障碍和/或精神疾病的发病机制。

1. 引言：许多哺乳动物的大脑皮层具有折叠的表面形态，形成了与物种相关的独特沟回和回纹模式（1），这些模式与功能不同的皮质区域相对应（2）。在灵长类动物的妊娠中期，大脑沟回和回纹以规律的顺序出现（3, 4），并在妊娠后期随着皮层的局部扩展以及性别、左右侧和个体间差异的形成而改变其形态（5–7）。在患有神经发育障碍和精神疾病（如自闭症谱系障碍（ASD）、注意力缺陷多动障碍（ADHD）和精神分裂症（9）的人类中，已经记录了回状结构异常（也称为畸形沟回和回纹）。

雪貂是一种食肉性实验动物，其大脑皮层具有回状结构。这种动物在出生后的前两周内经历神经发育事件，如沟回形成和皮质神经元形成，这些过程在灵长类动物中发生在子宫内（10–12）。这一特性使得可以在皮质神经元形成期间直接对雪貂幼崽进行实验操作，例如给药。这篇简短的综述描述了我们对新生儿时期暴露于两种可能导致ASD的化学物质（丙戊酸（VPA）和脂多糖（LPS）所引起的沟回形成改变的研究（13, 14）。

2. 沟回和回纹的发育：通过大体解剖（12）和离体磁共振成像（MRI）（11）研究，已经报道了雪貂皮层的沟回和回纹发育情况。这两种方法得出的沟回和回纹出现的先后顺序是一致的，并在左侧大脑半球的外表面示意图中简要标注（见补充图S1）。雪貂皮层的沟回形成始于出生后第4天，当时前额上沟（rsss）、关键沟（crs）和鼻裂（rf）作为浅沟出现。前腹内侧皮层区域（对应于运动皮层、体感皮层和扣带皮层）在出生后第4天形成脾状沟（ss），前额下沟（prs）和冠状沟（cns），而伪上沟（pss）则在出生后第10天形成。这些沟回划定了前弯曲回（ASG）、后弯曲回（PSG）、冠状回（CNG）和前外侧沟（AEG）。对应于后顶叶皮层、听觉皮层和视觉皮层的背侧皮层区域发生折叠，形成了外侧沟（ls），而尾上沟（csss）在出生后第10天和第21天出现。这些沟回划定了外侧回（LG）、上沟（SSG）、后外侧回（PEG）和视觉皮层区域（VCA）。

3. 新生儿时期暴露于VPA的影响：VPA是一种抗癫痫/抗惊厥药物，同时通过抑制组蛋白去乙酰化酶1和2起到表观遗传调节作用（15, 16）。妊娠期和新生儿时期暴露于VPA会改变大脑发育，导致类似ASD的行为，包括啮齿类动物（17）和雪貂（18）的社会互动能力受损。本研究简要描述了新生儿时期暴露于VPA对雪貂沟回形成的影响（13）。在出生后第6天和第7天，雪貂新生儿被注射了200 μg/体重的VPA，此时正处于皮质神经元形成的晚期。出生后第20天，当主要沟回形成完成时，VPA暴露的雪貂中ss和rsss的沟回折叠减少（由于沟底变厚），而ls的沟回折叠增加（由于沟底变薄）（图1A）。这些变化归因于在内层皮质层和ls外层皮质层中短暂表达小清蛋白的神经元密度增加（图1B,C），这两层均参与了VPA促进的室管膜下区（SVZ）前体细胞（包括基底放射胶质细胞（bRG）的增殖及其在P7雪貂新生儿中的分化（图19）。

图1：新生儿时期暴露于VPA的雪貂大脑的三维解剖MRI图像及基于机械假说的沟回折叠变化。(A) 使用RARE序列和短TR及最小TE设置生成的离体大脑MRI图像。从左至右依次显示冠状平面图像：胼胝体膝部前端的额叶区域（gcc）、前连合处的额叶区域（ac）、鼻裂尾部处的顶颞区域（rf）以及后连合处的顶枕区域（pc）。(B) 新生儿时期暴露于VPA增加了小清蛋白（PV）阳性神经元的密度，并使前额上沟（rsss）和脾状沟（ss）的内层（IS）变厚，这可能减少了沟回的垂直扩展，从而增加了沟回折叠。(C) 新生儿时期暴露于VPA增加了外侧沟（ls）外层（OS）的神经元密度，这可能减少了沟回的垂直扩展，从而增加了沟回折叠。刻度=1厘米。注释：as=ancinate沟；cns=冠状沟；crs=十字沟；csss=尾上沟；ls=外侧沟；prs=前额下沟；rs=鼻裂沟；rsss=前额上沟；ss=脾状沟。改编自Sawada等人的图2C、8B和8C。

4. 新生儿时期暴露于LPS的影响：LPS是革兰氏阴性细菌的内毒素，可激活先天免疫系统，肽聚糖、β-糖胺聚糖和多聚胞苷酸（Poly I:C）也有类似作用。LPS常被用于建立母体免疫激活（MIA）的动物模型，这种模型会刺激小胶质细胞分泌促炎性和抗炎性细胞因子，增加后代患神经发育障碍（包括ASD）的风险（20, 21）。此外，LPS通过Toll样受体4（TLR4）直接作用于神经干细胞/前体细胞，调节其增殖和分化（22）。我们使用雪貂研究了新生儿时期暴露于LPS对沟回形成的影响（14），并简要描述了研究结果：在出生后第6天和第7天，雪貂新生儿被注射了500 μg/体重的LPS，以研究LPS对SVZ前体细胞的直接影响。出生后第20天，当主要沟回形成完成时，LPS暴露的雪貂中位于内侧和背外侧皮层的主要沟回（如ss、cns、rsss和ls）的沟回折叠向前移动（图2A,B）。这些变化可能与LPS暴露后源自SVZ前体细胞的皮质神经元凋亡的区域相关调节有关：在前额叶和顶叶关联皮层的prs和ls层中，凋亡增加；而在主要运动皮层的cns层和CNG冠部，凋亡减少（图2A,B）。尽管LPS促进了SVZ前体细胞（主要是中间前体细胞（IPs）的分化（23），但这可能不是LPS暴露的雪貂中沟回改变的关键因素。

图2：新生儿时期暴露于LPS的雪貂大脑的三维解剖MRI图像及基于MRI的形态测量和定量免疫组化结果总结。(A) 使用RARE序列和短TR及最小TE设置生成的离体大脑MRI图像。从左至右依次显示冠状平面图像：胼胝体膝部前端的额叶区域（gcc）、前连合处的额叶区域（ac）、鼻裂尾部处的顶颞区域（rf）以及后连合处的顶枕区域（pc）。(B) 新生儿时期暴露于LPS对沟回折叠和皮质神经元凋亡的影响示意图。刻度=5毫米。注释：as=ancinate沟；cns=冠状沟；crs=十字沟；csss=尾上沟；ls=外侧沟；prs=前额下沟；rs=鼻裂沟；rsss=前额上沟；ss=脾状沟。改编自Sawada等人的图3C和12。

5. 结论：回状结构形成是大脑皮层形态发生过程中形成沟回和回纹的过程，受遗传和环境因素的影响（3）。通过操纵调节SVZ前体细胞（包括IPs和bRG）的基因，可以导致雪貂的回状结构异常（24）。我们在本简短综述中定量研究了两种不同化学物质（VPA和LPS）引起的回状结构异常，这两种物质都可能通过影响皮质神经发生的晚期阶段而导致ASD。VPA主要作用于bRG（19），而LPS主要作用于IPs（23）。此外，这两种物质引起的回状结构异常类型也有所不同。因此，可以在雪貂中识别出特定化学物质引起的回状结构异常类型。这些发现表明，雪貂是阐明化学物质引起的神经发育障碍和/或精神疾病发病机制的有利动物模型。此外，雪貂的早期出生后阶段对应于人类大脑发育的妊娠后期。许多研究在妊娠中期（相当于人类第二孕期）给予化学物质（包括VPA和LPS），以建立无回状结构的啮齿类动物的ASD和其他神经发育障碍模型（18, 25–30）。因此，在具有回状结构异常的雪貂模型中观察到的行为缺陷应谨慎与包括MIA模型在内的啮齿类动物的研究结果进行比较。在利用雪貂模型研究神经发育障碍时，这一限制至关重要。