Definicja

Obwody zaangażowane w poznawczą kontrolę emocji

Regulacja emocji odnosi się szeroko do wdrażania automatycznych lub celowych strategii modulowania trajektorii emocji lub stanu emocjonalnego w celu promowania adaptacyjnego, ukierunkowanego na cel zachowania. Ponadto, wykorzystanie funkcjonalnego MRI (fMRI) dostarczyło wglądu w układy neuronowe kontroli poznawczej, które wspierają strategie regulacyjne i modulację reaktywności emocjonalnej. Przykłady strategii opartych na poznaniu, które są podatne na paradygmaty obrazowania funkcjonalnego kontroli poznawczej, obejmują rozmieszczenie uwagi, które obejmuje kontrolowanie bramkowania bodźców emocjonalnych (np. selektywna uwaga, rozproszenie); modulację odpowiedzi, która obejmuje strategie modulowania ekspresji negatywnych emocji (np. tłumienie); i zmianę poznawczą, która obejmuje zmianę interpretacji lub znaczenia bodźca (np. ponowna ocena). W regulacji emocji bierze udział kilka procesów poznawczych i układów neuronowych. W szczególności obszary regulacyjne płata czołowego, w tym brzuszno-przyśrodkowa i brzuszno-boczna kora przedczołowa (PFC), brzuszno-przednia kora obręczy, grzbietowo-boczna kora przedczołowa i ciemieniowa, są przede wszystkim zaangażowane w modulację reaktywności emocjonalnej obszarów takich jak ciało migdałowate, wyspa, brzuszne prążkowie i szara okołowodociągowa. Na przykład brzuszno-przyśrodkowa płata czołowa, kluczowy obszar zaangażowany w regulację emocji, obniża reaktywność ciała migdałowatego w odpowiedzi na zagrożenie i inne negatywne bodźce. Tak więc nienaruszona regulacja emocji (np. poznawcza ponowna ocena) może być scharakteryzowana przez aktywację regionów zaangażowanych w reaktywność emocjonalną w odpowiedzi na bodźce awersyjne lub negatywne, takie jak zagrożenie i strach, a ta odpowiedź jest następnie tłumiona przez brzuszne regiony przedczołowe zaangażowane w poznawczą kontrolę emocji. Podstawy neuronalne dysregulacji emocji w ASD Deficyty w regulacji emocji są postulowane jako mechanizm leżący u podstaw kilku zaburzeń psychicznych, w tym zaburzeń internalizacyjnych (Jazaieri i in. 2015), zaburzeń zachowania destrukcyjnego i zaburzeń ze spektrum autyzmu (ASD). Na poziomie układów nerwowych modele dysregulacji emocji implikują zaburzenia w łączności funkcjonalnej, miarę synchronizacji aktywności między dwoma obszarami mózgu, między ciałem migdałowatym a brzuszną korą przedczołową (vPFC) jako możliwy wspólny mechanizm leżący u podstaw kilku zaburzeń psychicznych charakteryzujących się upośledzeniem kontroli poznawczej. Na przykład, nadaktywne obwody reaktywności emocjonalnej, takie jak ciało migdałowate, w połączeniu ze zmniejszoną reakcją vPFC na bodźce emocjonalne, są powiązane z zaburzeniami lękowymi, zaburzeniami zachowania destrukcyjnego i ASD, szczególnie w obecności współwystępujących zaburzeń, w tym lęku i zachowań destrukcyjnych (Ibrahim i in. 2019). Dysregulacja emocji w ASD może charakteryzować się zmniejszoną łącznością funkcjonalną między ciałem migdałowatym a vPFC podczas zadań związanych z percepcją emocjonalną i kontrolą poznawczą. Na przykład zmniejszona łączność między ciałem migdałowatym a brzuszno-boczną korą przedczołową została wykazana podczas ponownej oceny poznawczej w odpowiedzi na obrazy wywołujące obrzydzenie u dzieci z ASD .Podobnie, zmniejszona odpowiedź przedczołowa podczas ponownej oceny poznawczej została również wykazana u dorosłych z ASD, co sugeruje wspólny mechanizm dysregulacji emocji u dzieci, jak i dorosłych z ASD . Ostatnie prace wskazują również na zróżnicowane wzorce zmniejszonej łączności między ciałem migdałowatym a brzuszno-boczną korą przedczołową u dzieci z ASD i współwystępujące zachowania destrukcyjne w porównaniu z dziećmi z ASD bez zachowań destrukcyjnych (Ibrahim i in. 2019). Podobnie jak w przypadku ustaleń z badań fMRI u młodzieży bez ASD z problemami z zachowaniem , wyraźne powiązania między cechami bezduszności i braku emocji a nasileniem zachowań destrukcyjnych z reaktywnością ciała migdałowatego zostały wykazane u dzieci z ASD. W szczególności stwierdzono, że wyższe poziomy cech bezduszności i braku emocji są związane ze zmniejszoną reaktywnością ciała migdałowatego, podczas gdy odwrotny wzorzec wyższych poziomów zachowań destrukcyjnych jest związany ze zwiększoną reaktywnością ciała migdałowatego na twarze emocjonalne (np. strach) u dzieci z ASD po uwzględnieniu wariancji drugiej zmiennej. Tak więc możliwe jest, że dysregulacja emocji w ASD, szczególnie w przypadku współwystępujących zaburzeń, może być związana ze wzorcami łączności, które są wspólne dla dzieci bez ASD w układach neuronalnych. Biorąc pod uwagę, że zaburzenia przetwarzania twarzy są powszechne w ASD, ważne jest również zauważenie, że zaburzone reakcje w obwodach kontroli poznawczej, szczególnie w ciele migdałowatym i obwodzie vPFC, zostały wykazane podczas percepcji społecznej, w tym zadań przetwarzania emocji, takich jak oglądanie twarzy wyrażających emocje i zadań społeczno-poznawczych, takich jak oglądanie ruchu biologicznego (Di Martino i in. 2009). Dlatego możliwe jest, że aberracyjna rekrutacja reaktywności emocjonalnej i obwodów kontroli podczas percepcji społecznej może wskazywać na błędną interpretację lub zmniejszoną wyrazistość sygnałów społecznych u osób z ASD. Odwrotnie, hiperreaktywność ciała migdałowatego, a także hiperłączność ciała migdałowatego z vPFC wykazano również u osób z ASD podczas zadań percepcji twarzy, co może wskazywać na zwiększoną wrażliwość na zagrożenie lub brak rozróżnienia zagrożenia od bezpiecznych wskazówek społecznych. Jeśli chodzi o przyszłe prace, nie jest jasne, które komponenty neuronalne leżące u podstaw regulacji emocji są najbardziej dotknięte w ASD w obecności współwystępujących zaburzeń, gdy zaangażowane są różne procesy kontroli poznawczej (np. ponowna ocena kontra tłumienie kontra selektywna uwaga). Podobnie, potrzeba więcej pracy, aby wyjaśnić, czy upośledzenia regulacji emocji w ASD wynikają z braku aktywacji określonych obszarów kontroli poznawczej lub nieprawidłowości w synchronizacji lub łączności między sieciami na dużą skalę. Niewiele badań zbadało również odpowiedź neuronalną na wiele bodźców sensorycznych w ASD w oparciu o ramy regulacji emocji (Green i in. 2015). Biorąc pod uwagę, że nadreaktywność sensoryczna, w tym poważne negatywne reakcje na bodźce (np. dźwięki, hałaśliwe otoczenie, tekstury) jest powszechna wśród młodzieży z ASD, potrzebne są przyszłe badania w celu zrozumienia możliwych dysfunkcji w obwodach regulacji emocji podczas ekspozycji na bodźce sensoryczne. Ponadto, zastosowanie podejścia wymiarowego do modelowania kontroli poznawczej wzdłuż kontinuum w ASD, a także w porównaniu z innymi klinicznymi grupami porównawczymi, może ujawnić nowe spostrzeżenia na temat związku między obwodami regulacji emocji a nasileniem towarzyszących objawów, wspierając identyfikację możliwych neuroendofenotypów, które mogłyby służyć jako cele oparte na mechanizmach dla spersonalizowanych metod leczenia w ASD.

Definicja

Minikolumny to elementarne moduły anatomiczne i funkcjonalne neokorteksu, które służą jako cytoarchitektoniczne szablony do rozmieszczenia komórek i ich połączeń. Łańcuch neuronów pobudzających wraz z ich wiązkami aksonowymi i dendrytycznymi stanowi jego rdzeń. Te neurony pobudzające rozciągają się promieniowo, tj. prostopadle do neokorteksu, przez warstwy II do VI. Wśród innych elementów anatomicznych obecnych na obwodzie minikolumny znajdują się (a) elementy synaptyczne, które integrują połączenia translaminarne i (b) interneurony, które zapewniają pionową osłonę otaczającego hamowania informacji przetwarzanej przez rdzeń. Minikolumna wykazuje zmienność między różnymi obszarami mózgu, między półkulami w obrębie danego mózgu, a także między osobnikami w obrębie gatunku i między gatunkami. Niemniej jednak podstawowa organizacja mikroobwodów jest zachowana w całej korze mózgowej wszystkich ssaków.

Tło historyczne

Neokorteks pokrywa masywną sieć włókien mielinowych w istocie białej, jak skorupa na camembercie, jednak zdecydowana większość połączeń w mózgu nie jest zapewniana przez projekcje korowo-korowe w istocie białej. Większość połączeń korowych ma miejsce między sąsiadującymi komórkami w skali wymiarowej obejmującej zaledwie kilka mikronów. Połączenia te są zazwyczaj zawarte w stereotypowych mikroobwodach, które są rozmieszczone iteracyjnie w całej korze mózgowej. Wcześni neuroanatomowie, tacy jak Cajal i Meynert, byli jednymi z pierwszych, którzy opisali szkielet anatomiczny tych obwodów, gdy zauważyli rozmieszczenie komórek piramidalnych w powtarzających się układach prostopadłych do powierzchni opony miękkiej (DeFelipe 2005). von Economo i Koskinas nazwali je "promieniami", ponieważ odpowiadały promieniowemu układowi wiązek istoty białej w korze (von Economo i Koskinas 1925). Inni wybitni neurobiolodzy zdefiniowali anatomię tych modułów jako składającą się z rdzenia kolumny komórek piramidalnych z elementami synaptycznymi i hamującymi interneuronami na jego obwodzie . Obecnie wiadomo, że te układy obwodów, określane przez pionierskiego neurofizjologa Vernona Mountcastle′a mianem "minikolumn", charakteryzują się biegunowością, w której informacje uporządkowane według ewolucji i rozwoju są reprezentowane w topograficznym wzorze minikolumnowych sygnałów wejściowych skierowanych pionowo w stronę sygnałów wejściowych z całej kory. Chociaż nie można kwestionować obecności tych pionowych układów, wczesni badacze nigdy nie zasugerowali ani nie opisali ich funkcjonalnej roli. Dopiero pod koniec lat 30. XX wieku te jednostki anatomiczne nabrały znaczenia fizjologicznego jako elementarne jednostki przetwarzania informacji. Opierając się na swoim doświadczeniu z techniką impregnacji srebrem aparatu Golgiego, Rafael Lorente de Nó (1938) zaproponował istnienie skupisk komórek ułożonych w pionowe moduły, które stosowały kanoniczne operacje na wejściach wzgórzowo-korowych i korowo-korowych. Pomysł ten otrzymuje pewne anatomiczne wsparcie z faktu, że neokorteks niezmiennie wykorzystuje warstwy II i III do asocjacji (np. integracji korowo-korowej), warstwę IV do odbioru, a warstwy V i VI do łączności eferentnej. Praca Lorente de Nó wyprzedziła nasze obecne rozumienie informatyki, w której pojedyncza bramka logiczna (tj. NOR lub minikolumna w naszym przypadku) w różnych konfiguracjach może zapewnić funkcje wyższego poziomu zdolne do implementacji dowolnego programu komputerowego (Casanova i in. 2003). W ciągu ostatnich kilku dekad wielu autorów ożywiło i rozszerzyło ideę de Nó kanonicznego obwodu neokorowego .

Aktualna wiedza

Zaletą krótkich, stereotypowych mikroukładów zawartych w minikolumnach jest to, że wzorce informacji można przedstawić za pomocą synchronicznych wyjść skoordynowanych między jednostkami. Połączenia istoty białej łączące odległe obszary korowe są rzadkie, co zapewnia architekturę "małego świata", która minimalizuje okablowanie. Końcowym rezultatem jest równowaga między klastrami neuronowymi a okablowaniem, która minimalizuje kroki połączeń między lokalnymi obwodami w całej neokorze. W rzeczywistości większość neuronów utrzymuje krótkie długości połączeń w obrębie klastrów, które same są połączone projekcjami o dłuższym zasięgu. Preferowaną konfiguracją klastrowania dla neuronów w obrębie neokorteksu jest minikolumna (Casanova 2010).

Ontogeneza

Macierze komórek piramidalnych pochodzą z pierwotnego neuroepithelium, tj. komórek progenitorowych, które przyczepiają się zarówno do powierzchni wyściółki (komorowej), jak i opony miękkiej. Ich nabłonkowe pochodzenie zdradza obecność ścisłych połączeń w ich końcowych stopach, które razem tworzą zewnętrzną błonę graniczną pia externa glia. Dzielący się neuroepithelium zapewnia migrację neuroblastów, które klinują się między pierwszą (pierwotną) blaszką a płytką podrzędną. Uważa się, że neurony przeznaczone do warstw podziarnistych dziedziczą podczas asymetrycznego podziału włókno opony miękkiej od promienistych komórek glejowych, co następnie umożliwia neuroblastom translokację do dolnych warstw płytki korowej. W przeciwieństwie do tego, potomstwo nerwowe przeznaczone do powierzchownych warstw korowych przyczepia się i przemieszcza wzdłuż rusztowania glejowego promienistego, aż do momentu, gdy kierowane przez oponę miękką rozszerzenie neuroblastu osiągnie strefę brzeżną, w którym to momencie odłącza się od rusztowania glejowego promienistego i kończy swoją podróż poprzez translokację somalną. Gdy neuroblasty tracą przyczep glejowy, zaczynają dojrzewać w komórki piramidalne, których wspólną cechą jest przyczep za pomocą dendrytów wierzchołkowych do pierwszej blaszki. U ludzi płytka korowa zaczyna formować się około 7. tygodnia ciąży i jest prawie ukończona w 15. tygodniu ciąży (Marin-Padilla 2011). Interneurony są później sprzęgane z piramidalnymi tablicami komórek zgodnie ze wzorem od wewnątrz na zewnątrz zestawionym z towarzyszącą laminacją, waskularyzacją i wprowadzeniem protoplazmatycznych astrocytów (Marin-Padilla 2011). W literaturze opisano cztery pobudzająco-hamujące układy: piramidalne Martinottiego, piramidalne koszykowe, piramidalne żyrandole i piramidalne komórki podwójnego bukietu. Końcowym rezultatem tej złożonej radialnej migracji pośredniczonej przez gleje (komórki piramidalne) i sprzęgania z poziomymi poprzecznymi prekursorami neuronów (interneurony) jest płytka korowa, która jest unikalną innowacją ssaków (Gressens i Evrard 1993). Chociaż minikolumny są łatwo rozpoznawalne w materiale płodowym/zarodkowym, charakterystyczna konfiguracja radialna jest trudniejsza do ustalenia wraz ze starzeniem się. Może to być spowodowane translacją komórek piramidalnych wokół centralnej osi minikolumny, wzrostem lub zanikiem elementów anatomicznych i wprowadzeniem elementów glejowych. Przynajmniej dwa badania dotyczyły ciągłości między ontogenetyczną minikolumną a jej domniemanym odpowiednikiem postnatalnym. Krmpotic-Nemanic i inni (1984) wykorzystując ograniczoną serię materiału płodowego człowieka z kory słuchowej prześledzili rozwojową transformację kolumn komórek ontogenetycznych w dojrzałe minikolumny. Podobne wyniki zaobserwowano w większej serii (n = 67) ludzkich okazów pośmiertnych, które modelowały tempo zmian w przestrzeni neuropilu . W ostatnim badaniu wykorzystano przekroje barwione metodą Nissla i komputerową analizę obrazu do pomiaru wolnej ścieżki mediany przez neuropil w kierunku promieniowym i stycznym. Nie odnotowano żadnej istotnej zmiany w stosunku obu kierunków ani w populacji próby prenatalnej, ani postnatalnej. Utrzymywanie stałych stosunków promienistej do stycznej medianowej przestrzeni neuropilu w trakcie rozwoju sugeruje, że te relacje morfometrycznie odzwierciedlają wewnętrzną organizację obwodów obecnych od najwcześniejszych stadiów rozwoju kory mózgowej. Wyniki badania sugerują również, że całkowita liczba komórek w obrębie blaszki minikolumnowej i odpowiadające jej wymiary minikolumnowe są ograniczone przez limity upakowania narzucone przez ich powiązane procesy zorientowane pionowo . W efekcie kortykalizacja może być określona przez całkowitą liczbę jednostek radialnych (tj. hipoteza jednostek radialnych Rakica) tylko wtedy, gdy ostatecznie definiują one całkowitą liczbę minikolumn w neokorze (Rakic 2003). Ostatnie badania potwierdziły hipotezę jednostek radialnych Rakica (Rakic 1995). Obecnie powszechnie przyjmuje się, że zmiany w liczbie podziałów komórek germinalnych powodujących powstawanie minikolumn zapewniają kortykalizację i parcelację mózgu. Tak więc pojedyncza mikroiniekcja czynnika wzrostu fibroblastów (FGF) 2 do komór mózgowych zarodków szczurów podwaja liczbę komórek piramidalnych, podczas gdy w przypadku myszy z wyłączonym genem Fgf2 odnotowano odwrotne wyniki . Podobnie, wstępne prace nad mysim modelem zespołu velocardiofacial sugerują, że usunięcie genów regulacyjnych, które kontrolują cykl komórkowy komórek germinalnych, zapewnia zmiany zarówno w objętości mózgu, jak i specyfikacji komórek w różnych warstwach kory mózgowej .

Morfometria (lateralizacja i szerokość minikolumnowa)

Porównawcza neuroanatomia od dawna bada istnienie i znaczenie asymetrii w różnych częściach mózgu naczelnych ludzkich i innych niż ludzkie. W obszarach mózgu ludzkiego związanych z językiem, takich jak planum temporale, badania MRI wykazały zasadniczo identyczne asymetrie u ludzi i u afrykańskich małp człekokształtnych, ale nie u małp Starego i Nowego Świata . Jednak badanie minikolumn między dwiema półkulami wykazało, że minikolumny w homologicznych regionach kory mogą być zlateralizowane. Być może Seldon (1981) był pierwszym badaczem, który zgłosił przykład asymetrii minikolumnowej w swoich badaniach nad ludzką korą słuchową. Seldon (1981) odkrył, że kolumny komórek i przestrzeń neuropilowa były szersze w lewej półkuli w porównaniu z prawą. Buxhoeveden i inni (2001) zbadali kolumny komórek w obu półkulach mózgu ludzi, szympansów (Pan troglodytes) i małp (Macaca mulatta). Zgłosili, że minikolumny były zlateralizowane u ludzi, ale nie w mózgu szympansa lub małpy. Asymetria składała się z szerszych kolumn komórek w lewej półkuli. Asymetryczna morfologia kolumn komórek w mózgu silnie sugeruje różnice organizacyjne między półkulami (Seldon 1981). Mimo tych różnic między półkulami, ogólna zmienność szerokości minikolumn wydaje się być ograniczona w obrębie mózgu i w obrębie poszczególnych gatunków. W próbie populacji próbek pobranych podczas sekcji zwłok od 67 pacjentów , pięć obszarów mózgu (obszary 4, 17, 21, 22 i 40) wybrano do oceny szerokości minikolumn. Szerokość minikolumn wynosiła średnio od 40 do 50 mm. Średnia szerokość minikolumn dla kory asocjacyjnej (obszar 40) wynosiła 46,8 mm, a dla pierwotnej kory wzrokowej (obszar 17) 31,6 mm. Można by wnioskować, że średni rozmiar minikolumn w mózgu człowieka mieści się w określonym zakresie, który jest ogólnie większy niż u innych naczelnych, ale pozornie równy lub mniejszy niż ten podawany u wielu innych ssaków o małym mózgu, takich jak kot, królik lub szczur. Porównania niezależnych badań w korze mózgowej człowieka potwierdzają te liczby. Badanie minikolumn u ludzi przeprowadzono, tworząc analizę profilu GLI, w której liniowa kombinacja parametrów dostarczyła wskaźnik pionowości (miara kolumnaryzacji). Obszary kory obręczy zbadano u zdrowych ludzi, wykorzystując zdigitalizowane obrazy materiału barwionego metodą Nissla. Autorzy podali średni odstęp minikolumn wynoszący 41,7 mm. Spośród pięciu badanych obszarów, obszar 7 (perycingulat) wykazywał najmniejszą szerokość kolumny wynoszącą 39,9 mm, a obszar 31 był największy i miał 46,6 mm.

Biologia molekularna

Genetyka leżąca u podstaw rozwoju neokortykalnego w autyzmie jest złożona, odzwierciedla zawiłości proliferacji komórek macierzystych, różnicowania, migracji, wzrostu wypustek nerwowych i rozwoju synaptycznego. Szczególną cechą znacznej liczby przypadków autyzmu jest wzrost całkowitej liczby minikolumnowej w neokorze, wskazujący na wzrost populacji komórek macierzystych neuronów. Podlegającym wpływom genetycznym i epigenetycznym są liczne ścieżki zaangażowane w regulację cyklu komórkowego, proliferację komórkową i przeżycie komórek. Aktywacja lub hamowanie kluczowych cząsteczek sygnałowych wzdłuż tych ścieżek ma potencjał do regulacji w górę proliferacji populacji komórek germinalnych neuronów, zwiększając w ten sposób całkowitą liczbę minikolumnową. Celowanie nawet w jedną lub kilka cząsteczek może wpływać na aktywację powiązanych ścieżek ze względu na wzajemne oddziaływanie między nimi. Ponadto, wzmożona aktywność tych szlaków może również zmieniać migrację, neurytogenezę i synaptogenezę, ponieważ szlaki te zostały wyekspediowane dla różnych form wzrostu i rozwoju w komórce, łącząc aberrację w proliferacji komórkowej i późniejszej minikolumnowej morfometrii z nieprawidłowościami w łączności międzykomórkowej . Genetyczne i epigenetyczne modele zwierzęce autyzmu mogą zilustrować, w jaki sposób różne genotypy prowadzą do wspólnego fenotypu neuroanatomicznego. Na przykład w podtypie zaburzeń ze spektrum autyzmu znanym jako zespół Retta, około 80% przypadków wykazuje mutację linii zarodkowej genu białka wiążącego metylo-CpG 2 (MECP2) na chromosomie X. Ze względu na wpływ rodzica pochodzenia paternalnego, zespół Retta dotyczy głównie kobiet. Myszki knockout heterozygotyczne pod względem ekspresji Mecp2 są obecnie wykorzystywane do badania tego stanu na poziomie molekularnym, neuroanatomicznym, neurofizjologicznym i behawioralnym. MECP2 to cząsteczka regulacyjna ściśle związana z metylacją i deacetylacją DNA w ośrodkowym układzie nerwowym, tworząca kompleksy, które często hamują aktywację promotora. Naukowcy odkryli, że DNA, które nie jest ani metylowane, ani deacetylowane, pozostaje dostępne do transkrypcji, co wskazuje na istotną pozycję regulacyjną, jaką zajmuje ten kompleks. Mimo że MECP2 jest powszechnie transkrybowany, wykazuje on czasową heterogeniczną ekspresję w korze czołowej, ponieważ poziomy MECP2hi rosną wraz z wiekiem postnatalnym, a poziomy MECP2lo jednocześnie maleją wraz z wiekiem. Ten wzrost poziomów MECP2hi może pomóc wyjaśnić czas występowania zdarzeń regresywnych obserwowanych w zespole Retta i może również dać pewien wgląd w regresję w idiopatycznym autyzmie. Podczas gdy idiopatyczny autyzm rzadko objawia się mutacjami MECP2, stany te często wykazują nieprawidłową aktywację MECP2, co wskazuje na aberracyjną regulację powyżej tego kompleksu molekularnego . Inna wewnątrzkomórkowa cząsteczka sygnałowa, homolog fosfatazy i tensyny (PTEN), jest kodowana na chromosomie 10q23 i reguluje wzrost komórkowy częściowo poprzez hamowanie aktywacji szlaku PI3K/Akt. Podczas gdy autyzm jest wysoce heterogeniczną grupą stanów z szeroką gamą powiązanych mutacji, około 7% populacji autystycznej ma mutacje linii zarodkowej PTEN. W obrębie tej subpopulacji autyzm jest prawie zawsze związany ze współwystępującą makrocefalią, a u heterozygotycznych myszy z wyłączonym genem Pten ta makrocefalia jest szczególnie widoczna. Dlatego też, biorąc pod uwagę wysokie wskaźniki mutacji PTEN w populacji autystycznej, myszy te zostały zaproponowane jako realny model zwierzęcy autyzmu. Stwardnienie guzowate jest chorobą pojedynczego genu, w której 25-50% osób dotkniętych chorobą wykazuje również objawy podobne do autystycznych. Mutacje, które powodują tę chorobę, są skierowane na produkty genów, kompleks stwardnienia guzowatego (TSC) 1 lub 2, chociaż mutacje w TSC2 są częściej związane z współwystępującym autyzmem (Jones i in. 1999). Mutacja w obrębie TSC 1 lub 2 może znacząco zmienić jego funkcjonalność, zmniejszając hamowanie szlaku mTOR, który jest czułym detektorem czynników wzrostu, insuliny i stresu oksydacyjnego, a także utrzymuje pierwszorzędną pozycję do regulacji w górę lub w dół wzrostu w oparciu o te przychodzące informacje. Wynikowy fenotyp schorzenia objawia się globalnymi lub zlokalizowanymi formami megalencephalii, guzkami, guzkami podwyściółkowymi i innymi malformacjami proliferacyjnymi i migrującymi. Co ciekawe, podobne malformacje odnotowano również w autyzmie idiopatycznym, co ilustruje, w jaki sposób heterogeniczność genetyczna może nadal prowadzić do wspólnego fenotypu. Niedawno Autism Genome Project Consortium opublikowało pracę porównującą 996 autystów z 1287 dopasowanymi kontrolami i odkryło znaczące różnice w liczbie kopii w trzech domenach funkcjonalnych: (1) proliferacja komórkowa, (2) projekcja i ruchliwość komórkowa oraz (3) sygnalizacja GTPazy/Ras . Podczas gdy sygnalizacja GTPazy/Ras może być podporządkowana dwóm poprzednim funkcjom, neurobiolodzy mieli tendencję do postrzegania proliferacji i projekcji/ruchliwości jako odrębnych procesów komórkowych, a ich badania następnie "rozdzieliły" je według ich różnic, a nie "zgrupowały" według ich wrodzonych podobieństw. Jednak molekularna oszczędność, która istnieje między proliferacją komórkową, wzroste m wypustek nerwowych, rozwojem synaptycznym i ruchem komórek, jest znaczna. Molekularna oszczędność, inaczej znana jako "mały zestaw narzędzi" biologii molekularnej, sugeruje, że ewolucja konsekwentnie eksponuje te same typy cząsteczek i szlaków sygnałowych do wykonywania nowych i powiązanych funkcji, tak że konserwowane "rodziny" genów pojawiają się w obrębie gatunku i między gatunkami. Dlatego podział komórki na dwie, strąkowaty rzut ramienia neurytycznego, pączkowanie nowej synapsy lub skradający się ruch komórki wzdłuż jej ścieżki zostały udoskonalone z podstawowego procesu, tak że teraz służą różnym celom. A podstawowym procesem, z którego te funkcje zostały zapożyczone, jest ogólny proces wzrostu i podziału: wspólny wątek łączący wiele, jeśli nie wszystkie, formy autyzmu. Spojrzenie na te stany w szerszym, molekularnym świetle może pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób osoby o tak pozornie odmiennym podłożu genetycznym i wynikające ze złożonych ekologii, mogą być narażone na rozwój autyzmu.

Sieci minikolumnowe: elektrofizjologia i obwody

Minikolumna jest definiowana przez cytoarchitektoniczne układy elementów komórkowych wyrównane z rdzeniem komórek piramidalnych oraz wierzchołkowym dendrytem i mielinowanymi wiązkami aksonów wychodzącymi z nich. Wierzchołkowe wiązki dendrytów i mielinowane wiązki aksonów różnią się liczbą i warstwowym pochodzeniem oraz typem komórek ich składników, w zależności od gatunku i obszaru. Są one rozmieszczone w rejestrze z kolumnami komórek piramidalnych i interneuronami; rozkład i struktura tych składników zapewniają uzupełniające parametry do analizy morfometrycznej. Podstawą obliczeniowej elastyczności funkcji mikroukładów w minikolumnie jest regulacja właściwości elektrotonicznych rdzeniowych komórek piramidalnych przez sieci specyficzne dla klas interneuronów i ich rozkład synaptyczny w różnych przedziałach błonowych komórek piramidalnych. Skoordynowane hamowanie proksymalnych segmentów dendrytycznych powoduje funkcjonalną segregację somy i dystalnych przedziałów dendrytycznych. Hamowanie toniczne stosowane do dendrytów bazalnych lub proksymalnie do wierzchołkowego pęczka dendrytów w warstwach I i II zakłóca pobudzające potencjały postsynaptyczne (EPSP) powstające z komórek w sąsiadujących minikolumnach i ogranicza ich wejście. Ponadto, rozmieszczenie połączeń interneuronów moduluje aktywność w obwodach komórek piramidalnych nawrotnych, których dodatnie właściwości sprzężenia zwrotnego czynią je niestabilnymi. Regulacja interneuronów właściwości pogłosowych i wzmocnienie tych obwodów umożliwiają utrzymanie informacji w każdym obwodzie minikolumnowym w stanie metastabilnym. W ten sposób sygnał wejściowy może umożliwić wzajemną relaksację podzbiorów minikolumn do stanu stabilnego, zapewniając podstawę do uzupełniania lub dopasowywania wzorca. Tak więc każda podklasa interneuronów odgrywa krytyczną rolę funkcjonalną w kontroli obwodów translaminarnych. W kanonicznym mikroobwodzie korowym zaproponowanym przez Douglasa i Martina (2004) przepływ pobudzających informacji z obszarów górnego biegu lub wejść wzgórzowo-korowych jest kierowany w stronę warstw środkowych. Jak zauważono wcześniej, większość obwodów w korze mózgowej jest nawracająca i lokalna. W korze wzrokowej kota synapsy wzgórzowo-korowe stanowią mniej niż 7% całkowitej liczby wejść do komórek gwiaździstych kolczastych warstwy IVc . Chociaż są rzadkie, te wejścia są wysoce rozbieżne i zbieżne zarówno na innych gwiazdach gwiaździstych kolczastych, jak i na docelowych neuronach piramidowych w warstwie II/III . Wejścia wzgórzowo-korowe zapewniają również bezpośrednie wejście do neuronów GABA, głównie komórek koszyczkowych ekspresujących parwalbuminę (PV+) lub komórek dwubiegunowych peptydu jelitowego wazoaktywnego (VIP+). Podpopulacje neuronów piramidalnych kolczastych i gwiaździstych w warstwie IV tworzą precyzyjne wzorce retinotopowe w pierwotnej korze wzrokowej (VI) kotów i gryzoni. Co jest godne uwagi, te precyzyjne wzorce sygnałów wejściowych zasilają uporządkowane układy mikroobwodów o małej skali. Podwójne wewnątrzkomórkowe zapisy par komórek piramidalnych w warstwie II/III wykazały, że pary komórek piramidalnych, które otrzymywały wspólne aferentne sygnały, były znacznie bardziej prawdopodobne, że będą wzajemnie połączone. Tę specyficzność ustalono również dla połączeń między szybko generującymi impulsy interneuronami a neuronami piramidalnymi, przy czym szybko generujące impulsy interneuronami preferencyjnie tworzą wzajemne, a nie jednokierunkowe połączenia z komórkami piramidalnymi, zapewniając dedykowany obwód sprzężenia zwrotnego (Yoshimura i Callaway 2005). Ponadto te interneurony otrzymywały dane wejściowe tylko z neuronów piramidalnych, które były już połączone lub z silnych aferentów warstwy 4. Szybko impulsujące interneurony były przeznaczone dla obwodów komórek piramidalnych o małej skali, zapewniając w ten sposób silne źródło hamowania wyprzedzającego dostrojonego do cech dla tych obwodów (Yoshimura i Callaway). Ograniczone dalekosiężne okablowanie mózgu nie może bezpośrednio podtrzymywać skoordynowanej aktywności w dowolnych lokalizacjach korowych, ale może przekazywać wzorce synchronicznej aktywności jako oscylacyjne przepływy neuronalne, reprezentowane przez lokalne potencjały pola mierzone za pomocą elektroencefalografii (EEG). Koordynacja oscylacji przy różnych częstotliwościach interakcji umożliwia stosunkowo wydajną i nieskrępowaną segregację lub integrację reprezentacji poznawczych w różnych formach i na różnych poziomach hierarchicznych. Zaburzone wzorce skoordynowanego wyjścia oscylacyjnego w rozproszonych sieciach minikolumnowych mogą być związane z odłączeniem korowym w autyzmie. Podobnie, zaburzona aktywność oscylacyjna w rozwijających się obwodach korowych może przyczyniać się do zaburzeń rozwoju połączeń wewnątrzobszarowych i transkorowych.

Sieci minikolumnowe: neurochemia

Oscylacje komórek piramidalnych w minikolumnach i w zespołach minikolumn są utrzymywane przez sieci różnych gatunków hamujących interneuronów ekspresujących GABA. Neurony GABA są klasyfikowane według charakterystycznych kombinacji fenotypów morfologicznych, fizjologicznych lub molekularnych (Ascoli 2008). Morfologie komórek są konwencjonalnie klasyfikowane jako komórki koszyczkowe (interneurony mające dużą część zakończeń na somie lub proksymalnych dendrytach), komórki żyrandolowe (zdefiniowane przez pionowe układy zakończeń wkładów wyrównanych na początkowych segmentach komórek piramidalnych) i komórki podwójnego bukietu (interneurony mające przeważnie promieniowo wyrównane aksondendrytyczne altany). Większość interneuronów ekspresuje tylko jedno z białek wiążących wapń parwalbuminę lub kalretyninę lub neuropeptyd somatostatynę, ale nie inne. Interneurony zorientowane promieniowo zawierające kalretyninę powszechnie współekspresują peptyd naczyniowo-jelitowy (VIP). Komórki koszyczkowe i komórki żyrandolowe zawierające parwalbuminę mają szybko-wysoko-wysoko-pręgową dynamikę synaptyczną o wysokiej amplitudzie. Inne komórki koszyczkowe zawierające neuropeptyd cholecystokininę, a nigdy parwalbuminę, mają nieregularne profile wystrzeliwania. Komórki zorientowane promieniowo mają zazwyczaj dostosowany szerszy profil synaptyczny, który zmienia się w zależności od typu komórki i połączeń. Podczas gdy komórki koszyczkowe ułożone stycznie działają częściowo w celu koordynacji aktywności między odległymi zespołami neuronów, przeciwnie, zorientowane promieniowo hamujące interneurony, które są wyraźnie zlokalizowane w obwodowej przestrzeni neuropilu otaczającej kolumny komórek piramidalnych, prawdopodobnie działają w celu oddzielenia kolumn od zakłóceń, zarówno z innych minikolumn w obrębie macierzy, jak i z pól aktywności lub hamowania w sąsiednich minikolumnowych macierzach. Wejścia cholinergiczne do komórek podklas cholecystokininy (CCK+) lub komórek koszyczkowych PV+ są komplementarne i nie nakładają się na siebie. Aktywacja cholinergiczna receptora nikotynowego zawierającego podjednostkę alfa-7 wyrażonego w komórkach koszyczkowych CCK+ powoduje depolaryzację i zwiększony efekt GABAergiczny. W hipokampie gryzoni profile depolaryzacji komórek CCK+ różnią się w zależności od rozmiaru interneuronów lub cech molekularnych (Kawaguchi 1997). Natomiast interneurony PV+ wyrażają presynaptyczne receptory muskarynowe M2 , które służą do hamowania uwalniania GABA z komórek koszyczkowych PV+ i napędu GABAergicznego na neurony piramidowe. Biorąc pod uwagę dobrze ugruntowaną rolę acetylocholiny w rafinowaniu obwodów neuronalnych i zwiększaniu uwagi oraz selektywności cech percepcyjnych , ten uzupełniający wzór ekspresji sugeruje mechanizm, w którym zwiększona presynaptyczna aktywacja interneuronów CCK + i modulacja ich aktywności w paśmie gamma ułatwia dynamiczną restrukturyzację połączeń między ustalonymi sieciami w odpowiedzi na bodźce cholinergiczne zależne od środowiska lub stanu; "zegarowy" (Freund 2003) napęd oscylacyjny neuronów PV + jest zawieszony, a długoterminowa plastyczność tych sieci interneuronów będzie zależeć od przebudowy obwodów napędzanej przez komórki CCK +. Zaburzenia dynamicznej równowagi GAB Aergicznej, synergicznie regulowanej przez szlaki cholinergiczne, endokannabinoidy, monoaminy i inne neuroaktywne cząsteczki, wpłynęłyby zatem na integrację lokalnych mikroobwodów w szersze sieci, co jest trajektorią patogenetyczną zgodną z naszym obecnym rozumieniem patologii behawioralnej autyzmu jako "zespołu odłączenia". Komórki koszyczkowe CCK + wyróżniają się ograniczonym polem aksodendrytycznego drzewa do wymiarów minikolumnowych, wraz z radialnymi interneuronami wyrażającymi różne kombinacje kalretyniny (CR), kalbindyny (CB), VIP lub somatostatyny (SOM). Jak niedawno wykazano w korze przedczołowej małpy, niektóre radialne interneurony CR + rozciągające się przez większość warstw korowych lub do istoty białej dają początek koszykom perysomatycznym w warstwach powierzchniowych, które otaczają małe profile komórek przypominające interneurony. Co więcej, ekspresja mRNA i białka CBR1 jest rozłożona wzdłuż pionowego gradientu translaminarnego, przy czym ekspresja mRNA jest najbardziej intensywna w warstwie powierzchniowej II, a immunoreaktywność CBR1 wzrasta do maksimum w głębokiej warstwie III . Jedną z implikacji tego odkrycia jest to, że zakończenia komórek koszyczkowych CBR1/CCK + mogą mieć pionowy rozkład rozciągający się od ciała komórki. Radialnie zorientowane interneurony mogą zatem służyć do koordynowania aktywności komórek koszyczkowych CCK + przez warstwy minikolumny, regulując w ten sposób rozwój jej obwodów rekurencyjnych w trakcie rozwoju. Obwody interneuronów CCK + są bardziej podatne na zakłócenia niż interneurony PV +, a zakłócenia te mają większy wpływ patologiczny (Freund 2003). Może to wskazywać, że one, wraz z interneuronami radialnymi CR + lub VIP +, pełnią funkcję "kluczy" w sieciach interneuronalnych, napędzając synchroniczną aktywność interneuronów w warstwach nad- i podziarnistych minikolumny.

Minikolumnopatia autyzmu

Niedawne badania post mortem wykazały specyficzne dla danego obszaru zmiany w minikolumnowości. Wszystkie te badania przeprowadzono na matrycach komórek piramidalnych w barwieniu Nissla, ponieważ markery immunocytochemiczne mogą okazać się zawodne ze względu na długie odstępy między sekcją zwłok a zmiennością warunków agonalnych między pacjentami a osobami normatywnymi. Pierwsze badanie przeprowadzili Casanova i inni (2002a) wykorzystując materiał Nissla zatopiony w celloidynie od dziewięciu pacjentów autystycznych i takiej samej liczby osób kontrolnych. Badano trzy obszary mózgu (9, 21 i 22). W tym badaniu stwierdzono, że mózgi osób autystycznych mają mniejsze minikolumny (p = 0,034), przy czym większość spadku można przypisać zmniejszeniu przestrzeni neuropilu obwodowego. Wyniki zostały później zweryfikowane, gdy tę samą serię przeanalizowano zgodnie ze wskaźnikiem poziomu szarości (GLI) (Casanova i in. 2002b). W nowszym badaniu wykorzystano niezależną próbkę do analizy minikolumnowości w obrębie reprezentatywnych pierwotnych kor czuciowych, ruchowych i przedczołowych (obszary 17, S1, 4 i 9). Różnice w przygotowaniu tkanek i grubości przekroju uniemożliwiły bezpośrednie porównania z wcześniejszymi badaniami. Jednak szerokość minikolumn była znacząco zmniejszona u osób autystycznych w porównaniu z grupą kontrolną (p = 0,023) . Odkrycie to zostało również potwierdzone przy użyciu miar GLI odległości między szczytami amplitudy. Obszar jąderkowy został wyznaczony progowo na podstawie tła i okazał się mniejszy u osób autystycznych. Model Boole′a wykazał większą gęstość elementów barwionych metodą Nissla (neuronów). Metoda triangulacji Delaunaya sugerowała zmniejszenie odległości między minikolumnami, ale poza tym normalny zestaw neuronów w minikolumnach. Autorzy doszli do wniosku, że zmniejszenie rozmiaru neuronów i jąderek obserwowane u osób autystycznych może ograniczać długość projekcji korowo-korowych, tym samym przechylając ich obwody w stronę krótszych połączeń (włókna łukowate) kosztem dłuższych (tj. projekcji komisuralnych) . Badanie nieprawidłowości minikolumnowych w próbkach pośmiertnych mózgów osób autystycznych i osób kontrolnych zostało rozszerzone o wcześniejsze ustalenia poprzez zbadanie dziewięciu obszarów korowych, które obejmowały obszary paralimbiczne, heteromodalne, unimodalne i pierwotne lub idiotypowe . Komputerowa analiza obrazu skupiła neurony w minikolumnowe fragmenty. Autorzy stwierdzili interakcję diagnozy i regionu dla przestrzeni neuropilu (p = 0,041). Analiza post hoc wykazała istotne różnice dla obszaru czołowo-biegunowego (obszar 10) i przedniego zakrętu obręczy (obszar 24). Mniejsze minikolumny w autyzmie oznaczają ich więcej na jednostkę długości. Założenie wzrostu całkowitej liczby minikolumn zostało zmodelowane do prawdziwych parametrów kolumnowych (trzy wymiary) z silną korelacją. Oszacowania korowej współzależności sugerują, że każdy moduł (minikolumna) jest połączony ze 103 innymi modułami (Casanova 2004). Jeśli łączność jest stała wraz ze wzrostem rozmiaru mózgu, liczba połączeń będzie skalowana wraz z kwadratem liczby jednostek modułowych. Większość dodatków w istocie białej przyjmuje formę krótkich włókien korowo-korowych, ponieważ dłuższe połączenia wiążą się z karą zwiększonego czasu przewodzenia i zapotrzebowania metabolicznego. Nic dziwnego, że badania MRI dzielące istotę białą na parcelacje wykazały nieproporcjonalny wzrost w zewnętrznym przedziale istoty białej (krótkie włókna mielinizujące późne) w przeciwieństwie do wewnętrznego przedziału zawierającego dłuższe połączenia mostkowe .

Przyszłe kierunki

Badania sprzężeń genomowych obaliły koncepcję autyzmu jako dziedziczenia mendlowskiego i raczej podtrzymują ten stan jako zaburzenie wieloczynnikowe. Autor zaproponował "hipotezę potrójnego uderzenia", zgodnie z którą objawy pojawiają się, gdy u konkretnego niemowlęcia zbiegają się trzy czynniki: (a) krytyczny okres rozwoju mózgu, (b) podstawowa podatność genetyczna i (c) stresor(y) zewnętrzny(e) . Chociaż ważne jest zbadanie genetyki autyzmu, ważne jest również, aby pozostawać świadomym, że fenotyp jest połączeniem wpływów genetycznych i epigenetycznych. Dlatego też czynniki środowiskowe, które są ukierunkowane na ścieżki wspólne dla autyzmu, mogą prowadzić do porównywalnego fenotypu, ale nie znajdować odzwierciedlenia w genotypie. Z tymi schorzeniami powiązano już wiele czynników teratogennych, a więcej wpływów epigenetycznych prawdopodobnie zostanie ujawnionych wraz z dalszymi badaniami (Williams i Casanova 2011). Nadrzędnym tematem autyzmu jest to, że nadmierna aktywacja kluczowych ścieżek związanych ze wzrostem w newralgicznych okresach rozwoju może prowadzić do tych stanów. Wartość zrozumienia domniemanej minikolumnopatii autyzmu leży w jej mocy wyjaśniającej i możliwościach translacyjnych. Wczesne wyniki przewidywały zmiany w objętości mózgu, zmiany w stosunku istoty szarej do białej, stronniczość w parcelacji istoty białej (wewnętrzna vs. zewnętrzna istota biała) i nieprawidłowości w częstotliwościach wiązania gamma. Niedawno idea, że osoby autystyczne mają defekty w swojej minikolumnowej przestrzeni neuropilu obwodowego, zapewniła możliwą interwencję kliniczną z wykorzystaniem rTMS w celu wzmocnienia hamującego otoczenia tych modułów. Inne próby terapii oparte na minikolumnopatii autyzmu obejmują przesunięcie końcowych pól bodźców sensorycznych jako sposób kompensacji odchyleń w krótkich połączeniach obserwowanych w tym stanie.

Definicja

Stworzyłem maszynę do przytulania, zwaną również maszyną do ściskania, aby uspokoić swój niepokój, gdy byłem nastolatkiem. Jestem osobą z autyzmem i gdy wszedłem w okres dojrzewania, byłem w ciągłym stanie niepokoju i ataków paniki. Gdy w wieku 15 lat odwiedziłem ranczo mojej ciotki, obserwowałem, jak bydło jest obsługiwane w śluzie do szczepień. Śluza do przytulania to wąskie metalowe stanowisko, w którym bydło jest ciasno trzymane między dwoma metalowymi panelami bocznymi. Część bydła wydawała się rozluźniać, gdy nacisk był wywierany przez boki do przytulania. Po zobaczeniu tego wypróbowałem śluzę do przytulania, a głęboki nacisk uspokoił mój niepokój. Następnie zbudowałem urządzenie w rodzaju śluzy do przytulania, do którego mogłem się dostać .Ma wyściełane boki, które wywierają nacisk na obie strony ciała. Wszedłem do maszyny do przytulania na rękach i kolanach, a boki wywierały nacisk na boki mojego ciała. Efektem było równomierne, głębokie naciskanie na dużą powierzchnię mojego ciała. Inną cechą maszyny do ściskania było to, że mogłem kontrolować ilość wywieranego nacisku. To naprawdę ważna cecha. Mimo że nacisk był uspokajający, czasami stawał się przytłaczający. Kiedy stawał się zbyt intensywny, mogłem go uwolnić. W każdej chwili mogłem zatrzymać nacisk.

Różnica sensoryczna

Różnice sensoryczne w autyzmie są bardzo zmienne. Zarówno doświadczenie praktyczne, jak i dowody anegdotyczne pokazują, że niektórzy ludzie poszukują głębokiego nacisku, a inni nie . Ja byłem osobą poszukującą głębokiego nacisku. Kiedy byłem dzieckiem, lubiłem, gdy moje kołdry były bardzo ciasno podwinięte, i wchodziłem pod poduszki sofy i prosiłem siostrę, żeby usiadła na górze. Maszyna do przytulania i inne metody wywierania głębokiego nacisku mogą mieć pozytywny wpływ na niektóre osoby, a nie mieć wpływu na inne. Zdecydowanie potrzebne są dalsze badania. Osoby biorące udział w badaniach powinny być wybierane w zależności od tego, czy poszukują głębokiego nacisku. Maszyna do przytulania i inne metody głębokiego nacisku mają najprawdopodobniej pozytywny wpływ na osoby, które "poszukują głębokiego nacisku".

Badania nad głębokim naciskiem

Nasze pierwsze badania nad efektami głębokiego nacisku dotykowego oceniały reakcję studentów college′u na maszynę do przytulania (Grandin 1992). Wielu studentów było uspokojonych i zrelaksowanych, ale niektórzy odczuwali klaustrofobię. Było jasne, że niektórzy ludzie reagowali pozytywnie, a inni nie. Edelson i inni (1999) podali, że 20 minut w maszynie do przytulania zmniejszyło reakcję galwaniczną skóry u niektórych osób z autyzmem. Inne badania z użyciem kamizelek obciążeniowych i koców obciążeniowych wykazały pozytywne wyniki u niektórych osób. Terapeuci zajęciowi odkryli na podstawie doświadczeń klinicznych, że głęboki nacisk jest najskuteczniejszy, jeśli jest stosowany przez 20 minut, a następnie znika. Kiedy używałem maszyny do ściskania, zauważyłem, że efekt uspokajający osiągnął szczyt po 20 minutach. Osoby pracujące z agresywnymi psami odkryły również, że głęboki nacisk na rozległe obszary ciała ma działanie uspokajające (Williams i Borchelt 2003). Dalsze badania z udziałem psów wykazały, że odzież uciskowa zmniejszała tętno u psów oddzielonych od innych psów . Badania nad interwencjami sensorycznymi były utrudnione przez ogromną heterogeniczność osób z autyzmem. Reakcje sensoryczne i nadwrażliwość sensoryczna są bardzo zmienne. Podsumowując, maszyna do przytulania lub inne metody stosowania głębokiego nacisku mogą być przydatne dla niektórych osób, a nie dla innych. Gdy analizuje się dużą liczbę badań, skuteczność głębokiego nacisku nie jest potwierdzona. Problem polega na tym, że głęboki nacisk jest skuteczny tylko dla podgrupy osób z autyzmem. Gdy wszystkie osoby z etykietą autyzmu zostaną wymieszane, osoby reagujące na nacisk zostaną wymieszane z osobami niereagującymi na nacisk. Głęboki nacisk może być najskuteczniejszy dla osób, które aktywnie go poszukują. Potrzebne są badania, które oddzielą podtypy problemów sensorycznych w autyzmie. Wadą maszyny do przytulania jest to, że jest droga. Opracowano mniejszy projekt siedzenia (Lo i Huang, 2018). Terapeuci zajęciowi opracowali wiele prostszych metod, które są łatwe i ekonomiczne w użyciu u małych dzieci, takich jak kamizelki obciążeniowe, zwijanie się w maty gimnastyczne lub układanie w związanych dętkach (Ayres 1979). Maszyna do przytulania byłaby najbardziej przydatna u nastolatków i dorosłych, ponieważ inne metody nie wywierają wystarczającego nacisku.

Definicja

Modele zwierzęce są przydatne do testowania hipotez dotyczących mechanizmów biologicznych leżących u podstaw przyczyn i objawów zaburzeń psychicznych u ludzi oraz do systematycznej oceny skutków potencjalnych metod leczenia. Chociaż modele zwierzęce nie są w stanie w pełni ująć wszystkich aspektów autyzmu, zidentyfikowano zachowania myszy wykazujące silne koncepcyjne analogie do diagnostycznych objawów autyzmu. Obecnie stosowane testy obejmują testy podejścia społecznego, wzajemnych interakcji społecznych, komunikacji społecznej, powtarzalnych zachowań i ograniczonych zainteresowań. Zadania te wykorzystano do sprawdzenia hipotez dotyczących genetycznych i środowiskowych przyczyn autyzmu. Wykrycie modeli gryzoni o endofenotypach wysoce istotnych dla objawów autyzmu prawdopodobnie umożliwi odkrycie skutecznych interwencji terapeutycznych.

Tło historyczne

Zwierzęce modele ludzkich zaburzeń neuropsychiatrycznych są szeroko stosowane w badaniach biomedycznych. Zbadano wiele zadań behawioralnych gryzoni związanych z objawami tych zaburzeń opracowane, a psychofarmakologiczne metody leczenia wielu poważnych chorób psychicznych i chorób neurologicznych zostały ocenione w translacyjnych modelach gryzoni (Covington i in. 2010; Crawley 2007b; Higgins i Jacobsen 2003; Moore 2010). Opracowywanie modeli zwierzęcych istotnych dla objawów zaburzeń ze spektrum autyzmu (ASD) stanowi wyjątkowe wyzwanie dla społeczności badaczy biomedycznych. Autyzm jest złożonym zaburzeniem neurorozwojowym charakteryzującym się znaczną różnorodnością kliniczną. Kryteria diagnostyczne autyzmu są definiowane behawioralnie na podstawie trzech kryteriów: (1) nieprawidłowe wzajemne interakcje społeczne, (2) upośledzona komunikacja i (3) stereotypowe, powtarzalne zachowania z ograniczonymi, wąskimi zainteresowaniami. Należy zauważyć, że żaden z obecnie dostępnych modeli nie podsumowuje w pełni wszystkich aspektów ASD. Jednakże podstawowe objawy autyzmu można przybliżyć na modelach zwierzęcych w celu sprawdzenia hipotez dotyczących mechanizmów leżących u podstaw etiologii i przyczyn zaburzenia oraz oceny potencjalnych metod leczenia farmakologicznego, behawioralnego i innych, które mogą złagodzić objawy związane z ASD.

Obecna wiedza

Strategie projektowania modeli autyzmu u gryzoni

Badania bliźniaków i rodzin wskazują na niezwykle wysoki stopień odziedziczalności ASD. Zgodność między bliźniętami jednojajowymi sięga 90% w przypadku ASD w porównaniu z 10% lub mniej u bliźniąt dwuzygotycznych i około 0,6-1,0% w populacji ogólnej . Do wygenerowania genetycznych mysich modeli autyzmu i oceny udziału określonych genów w objawach ASD wykorzystano kilka podejść. Geny powiązane z autyzmem obejmują te kodujące białka zaangażowane w rozwój synaps, sygnalizację neuronalną, neurotransmisję, przeżycie neuronów, transkrypcję RNA i metylację DNA. Ukierunkowane mutacje w genach homologicznych lub ortologicznych z ludzkimi genami kandydującymi na autyzm wygenerowały dużą liczbę genetycznych modeli mysich. Mus musculus, gatunek myszy domowej wykorzystywany w badaniach genetyki molekularnej, to gatunek społeczny, który angażuje się w wysoki poziom wzajemnych interakcji społecznych i komunikacji społecznej, wspólnego gniazdowania, zachowań seksualnych i rodzicielskich, terytorialne oznaczanie zapachowe i zachowania agresywne. Drugie podejście, również wykorzystujące modele mysie, dotyczy jednogenowych zaburzeń neurorozwojowych oraz tych wynikających z delecji i duplikacji chromosomów (zmiany liczby kopii, CNV), w przypadku których duża liczba dotkniętych osób wykazuje objawy autystyczne. Wygenerowano linie myszy z ukierunkowanymi mutacjami genów odpowiadającymi za zaburzenia, takie jak zespół Angelmana, zespół łamliwego chromosomu X, zespół Retta, zespół Timothy&prie;ego i stwardnienie guzowate . Niedawno wygenerowano także zmutowaną linię myszy ze zduplikowanym chromosomem ortologicznym do ludzkiego chromosomu 15q11-13 . Trzecie podejście polega na wygenerowaniu defektów u szczurów lub myszy, które modelują raporty o autyzmie po ekspozycji na leki teratogenne, toksyny środowiskowe lub urazy prenatalne. Na przykład zwiększone ryzyko autyzmu powiązano z prenatalną ekspozycją na lek przeciwdrgawkowy - kwas walproinowy, lek przeciwwymiotny - talidomid i prenatalne infekcje wirusowe. Modele uwzględniające hipotezy dotyczące środowiskowych przyczyn autyzmu obejmują potomstwo ciężarnych szczurów i myszy leczonych kwasem walproinowym lub związkami immunostymulującymi symulującymi infekcję wirusową. Ostateczne podejście polega na wykorzystaniu naturalnie występujących różnic wśród zróżnicowanych genetycznie wsobnych szczepów myszy w celu identyfikacji fenotypów behawioralnych z silną trafnością rozpoznawania objawów ASD. Badanie szczepów wsobnych wykazujących cechy istotne dla autyzmu określa się jako podejście "genetyki przyszłości" i jest analogiczne do badań powiązań międzyludzkich mających na celu odkrycie genów powiązanych z autyzmem . Ponieważ nie zidentyfikowano żadnych spójnych biologicznych markerów autyzmu, diagnoza autyzmu opiera się obecnie na standardowych instrumentach oceny, takich jak ADOS i ADI, które oceniają dobrze zdefiniowane objawy behawioralne. W porozumieniu z ekspertami klinicznymi zajmującymi się autyzmem neurobiolodzy behawioralni udoskonalają standardowe testy behawioralne dostępne w literaturze i opracowują nowe testy behawioralne, które maksymalizują trafność twarzy w diagnostyce objawów autyzmu. W tym miejscu omówiono testy, które okazały się najbardziej przydatne, wraz z niezbędnymi środkami kontrolnymi, do modelowania diagnostycznych i powiązanych objawów autyzmu u zwierząt.

Definicja

Ślepota zmianowa jest zjawiskiem percepcyjnym, które pojawia się, gdy wprowadzana jest zmiana bodźca wzrokowego, a obserwator jej nie zauważa . Klasycznie stosowany paradygmat przedstawia bodźce migoczące, składające się z powtarzających się sekwencji obrazu, po których następuje bodziec "maskujący" (np. pusty ekran), po którym następuje obraz początkowy ze zmianą. Nasz system sensoryczny jest w stanie automatycznie wykryć zmianę między obrazami, gdy są one bezpośrednio sąsiadujące, ale wykrywanie staje się trudniejsze, gdy są oddzielone maską na okres przekraczający czasowe granice widzialnej trwałości. Przedziały dłuższe niż 100 ms sprawia, że wykrywanie jest trudne, nawet jeśli zmiany są duże. Ze względu na maskę, która utrudnia automatyczne procesy wykrywania zmian wzrokowych, orientacją uwagi wzrokowej kierują kontrolowane mechanizmy, które ujawniają, w jaki sposób ustalamy priorytety informacji docierających do pamięci roboczej . Rzeczywiście w takich okolicznościach musimy selektywnie zwracać uwagę na najważniejsze elementy naszego otoczenia. Wykrycie zmiany zależy od stopnia zainteresowania obiektem, który się zmienia. Wykrycie zmiany jest bardziej prawdopodobne w przypadku części sceny, które są przedmiotem zainteresowania centralnego, a nie marginalnego. Zatem ślepota na zmiany jest wskaźnikiem tego, gdzie i na jakie elementy i cechy preferencyjnie skierowana jest uwaga podczas prezentacji bodźca wzrokowego. Ślepota na zmiany oceniana jest poprzez pomiar czasu potrzebnego do zauważenia zmiany oraz błędów w identyfikacji zmiany i jest szeroko stosowana do badania wykrywania zmian w naturalnych scenach wizualnych, istotnych dla doświadczeń w świecie rzeczywistym. Chociaż nie jest to cecha diagnostyczna, u osób z zaburzeniami ze spektrum autyzmu (ASD) często stwierdza się odchylenia w zakresie uwagi. Literatura jest mieszana i prezentuje w niektórych przypadkach lepsze umiejętności, podczas gdy w innych są one niższe. Badania wykazały, że osoby z ASD radzą sobie szybciej lub lepiej niż osoby z grupy kontrolnej typowo rozwijającej się (TD) w wykonywaniu różnych zadań wzrokowo-uważnych . Ogólny konsensus jest taki, że niezależnie od rozwoju i nasilenia objawów z ASD przewyższają kontrole w wyszukiwaniu wizualnym. Ślepota na zmiany opiera się na procesach ściśle powiązanych z procesami związanymi z wyszukiwaniem wizualnym. Jest zatem bardzo istotne w badaniu uwagi wzrokowej w ASD. Do badania zdolności wzrokowo-uważnych u osób z ASD stosowano paradygmaty zmiany ślepoty z mieszanymi wynikami. W wielu badaniach osoby z autyzmem wykazały wzmocniony efekt ślepoty na zmiany, podczas gdy w innych był on osłabiony. Te sprzeczne ustalenia mogą wynikać z wpływu upośledzenia szybkości przetwarzania podczas wykonywania zadań, które w innym przypadku ujawniałyby lepsze umiejętności wizualizacji u osób z ASD . Ponadto przemiany rozwojowe mogą prawdopodobnie modulować równowagę między zdolnościami wykonawczymi i percepcyjnymi, przy czym najnowsze badania sugerują, że upośledzenie szybkości przetwarzania wpływa na wyniki w przypadku ślepoty na zmiany nawet u nastolatków .

Definicja

W ostatnich latach szeroko zakrojone badania genetyczne człowieka doprowadziły do znacznego postępu w naszej wiedzy na temat biologii zaburzeń ze spektrum autyzmu (ASD). W szczególności badania te doprowadziły do zidentyfikowania rosnącej listy genów ryzyka ASD, które zaczynają zbiegać się w ramach wspólnych mechanizmów biologicznych. Jednocześnie naukowcy stoją teraz przed wyzwaniem wykorzystania tych odkryć genetycznych do wyjaśnienia mechanizmów obwodów neuronalnych leżących u podstaw ASD i zidentyfikowania nowych farmakoterapii, które selektywnie ukierunkowują te mechanizmy. W tym przypadku naukowcy wykorzystali systemy modelowe, aby przejść od odkrycia genu ryzyka do wyjaśnienia podstawowych mechanizmów neurobiologicznych. Te systemy obejmują mysie modele "knockout", w których funkcja określonego genu ryzyka jest zaburzona, a także ludzkie indukowane pluripotentne komórki macierzyste (iPSC), które są generowane z komórek dotkniętej chorobą osoby noszącej mutację w określonym genie ryzyka. Ostatnio rośnie zainteresowanie wykorzystaniem danio pręgowanego jako systemu do analizy funkcjonalnej genów ryzyka w ASD. Istnieje kilka unikalnych cech danio pręgowanego, które czynią go optymalnym systemem do tego celu. Po pierwsze, zarodki danio pręgowanego przechodzą szybki rozwój zewnętrzny i są optycznie przezroczyste, co pozwala na bezpośrednią wizualizację podstawowych procesów rozwoju mózgu kręgowców na wczesnych etapach. Po drugie, danio pręgowany ma duże potomstwo, a ich larwy są małe i bardzo podatne na obróbkę w laboratorium. Cechy te ułatwiają ich wykorzystanie w przesiewach farmakologicznych o wysokiej przepustowości, co nie jest możliwe u gryzoni ze względu na ich większe rozmiary i złożoność. Po trzecie, danio pręgowany zapewnia system in vivo do badania wpływu zakłócenia genu ryzyka na obwody neuronalne leżące u podstaw prostych, mierzalnych zachowań, co jest znaczącym ograniczeniem metod in vitro, w tym ludzkich iPSC. Wreszcie, ostatnie postępy w technologiach, które pozwalają naukowcom na ukierunkowanie genów będących przedmiotem zainteresowania u danio pręgowanego, wraz z wrodzoną łatwością manipulacji genetycznej w tym systemie, przyczyniły się do jego rosnącej popularności jako narzędzia do analizy funkcjonalnej genów ryzyka ASD. W miarę jak lista genów, które są silnie związane z ASD, nadal rośnie, danio pręgowany prawdopodobnie wyłoni się jako kluczowy gracz w identyfikacji konwergentnych ścieżek biologicznych obejmujących wiele genów i odkrywaniu nowych kandydatów farmakologicznych do dalszych badań w ASD.

Tło historyczne

Do niedawna głównym ograniczeniem wykorzystania danio pręgowanego do analizy funkcjonalnej genów ryzyka w ASD i innych zaburzeniach neurorozwojowych był brak skutecznych metod selektywnego zakłócania genu będącego przedmiotem zainteresowania. Podczas gdy "knockouty" myszy generowano poprzez izolowanie komórek macierzystych, takie podejście nie było wykonalne u danio pręgowanego ze względu na ich szybki rozwój embrionalny. Rzeczywiście, dopiero w ciągu ostatnich 10 lat technologia generowania danio pręgowanego pozbawionego funkcji określonego genu ryzyka stała się szeroko dostępna. Z tego powodu wczesne badania danio pręgowanego opierały się głównie na podejściach genetyki postępowej , w których naukowcy poszukują niezidentyfikowanego genu, który po zakłóceniu prowadzi do obserwowanego fenotypu strukturalnego lub behawioralnego. W szczególności, szeroko zakrojone badanie przesiewowe w połowie lat 90. było siłą napędową, która ustanowiła danio pręgowanego jako cenny system do badania podstawowych mechanizmów w genetyce i biologii rozwojowej. Ta seria badań, w których danio pręgowane noszące losowo indukowane mutacje były oceniane pod kątem szeregu fenotypów morfologicznych i behawioralnych, doprowadziła do odkrycia setek genów zaangażowanych w podstawowe procesy rozwoju kręgowców, w tym w odnajdywanie ścieżek aksonów i lokomocję . Jednak możliwość ukierunkowania genu związanego z ludzkim zaburzeniem u danio pręgowanego pozostała ograniczona. Na przykład wczesne podejścia do genetyki odwrotnej u danio pręgowanego, takie jak TILLING (Targeted Induced Local Lesions in Genomes), wymagały przesiewania tysięcy danio pręgowanych noszących chemicznie indukowane mutacje w celu zidentyfikowania szkodliwej mutacji w genie będącym przedmiotem zainteresowania. Innym podejściem do badania funkcji genu u danio pręgowanego, które jest stosunkowo proste do wykonania w laboratorium, jest wykorzystanie morfolin, czyli sekwencji nukleotydów wprowadzanych do zarodków danio pręgowanego, które przejściowo zmniejszają ekspresję genu będącego przedmiotem zainteresowania na wczesnych etapach rozwoju. Podczas gdy to podejście "knockdown" przyczyniło się do wglądu w rolę genów w podstawowych procesach rozwojowych, wady obejmują jego potencjał do wywoływania efektów poza celem i niespecyficznych fenotypów (Kok i in. 2015). Z tego powodu naukowcy argumentowali, że ważne jest zbadanie skutków rozwojowych zakłócenia genu u danio pręgowanego niosącego szkodliwe, dziedziczne mutacje w genie będącym przedmiotem zainteresowania w powiązaniu z fenotypami wynikającymi z "knockdown" genu indukowanego przez morfolino . Pod koniec lat 2000. wprowadzenie technologii ukierunkowanych nukleaz przekształciło badania genetyki odwrotnej u danio pręgowanego, umożliwiając badaczom selektywne wywoływanie dziedzicznych mutacji w genie będącym przedmiotem zainteresowania .Technologia ta rozszerzyła zakres możliwości eksperymentalnych u danio pręgowanego, umożliwiając badaczom pełne wykorzystanie zalet tego systemu do analizy funkcjonalnej genów związanych z zaburzeniami u ludzi, w tym ASD i innymi zaburzeniami neurorozwojowymi. Pierwszymi dostępnymi narzędziami były nukleazy cynkowo-palczaste, które są chimerycznymi białkami fuzyjnymi zaprojektowanymi do wiązania się z genem będącym przedmiotem zainteresowania i zakłócania genu w miejscu docelowym. Jednak podejście to było kosztowne i w niektórych przypadkach charakteryzowało się niską wydajnością. Niedawno pojawienie się technologii CRISPR (clustered systematic interspaced short palindromic repeats)/Cas9, która przejmuje adaptacyjny mechanizm odpornościowy używany przez bakterie do ochrony przed wirusami, aby umożliwić naukowcom ukierunkowanie na interesujące geny , zrewolucjonizowało edycję genów u danio pręgowanego, a także w innych systemach modelowych. W porównaniu z wcześniejszymi metodami ukierunkowania genów u danio pręgowanego, CRISPR/Cas9 oferuje wyższą elastyczność i wydajność . Biorąc pod uwagę te zalety, wraz z ich rozsądnymi kosztami, ta metoda pozwoliła naukowcom wykorzystać pełny potencjał danio pręgowanego do analizy funkcjonalnej genów ryzyka ASD, co ma potencjał, aby w ciągu najbliższych kilku lat doprowadzić do ważnych spostrzeżeń na temat biologii ASD.

Obecna wiedza

Pomimo oczywistej odległości ewolucyjnej między danio pręgowanym a ludźmi, ważne jest, aby zauważyć, że istnieje rozsądny stopień konserwacji między tymi dwoma systemami na poziomie genetycznym, molekularnym i farmakologicznym. Po pierwsze, danio pręgowane są kręgowcami i dzielą te same główne podziały mózgu co ludzie, w tym mózgowie przednie, śródmózgowie, mózgowie tylne i rdzeń kręgowy . Systemy neuroprzekaźników i typy komórek nerwowych są również w dużej mierze konserwowane. Po drugie, istnieją dowody na konserwację szlaków farmakologicznych u danio pręgowanego i innych kręgowców, w oparciu o podobieństwa w ich reakcjach behawioralnych na środki psychoaktywne . Po trzecie, istnieje konserwacja na poziomie genomicznym, tak że ponad 80% genów związanych z zaburzeniami u ludzi ma ortologiczny gen u danio pręgowanego (McCammon i Sive 2015). Biorąc pod uwagę zalety systemu danio pręgowanego, jak omówiono powyżej, danio pręgowany stanowi rozsądny "balans" między eksperymentalną manipulacją z jednej strony a konserwacją z drugiej. Łącznie względna konserwacja danio pręgowanego na poziomie struktury ośrodkowego układu nerwowego, genetyki i szlaków farmakologicznych stanowi poparcie dla jego wykorzystania jako narzędzia translacyjnego do badania funkcji genów, które są silnie związane z ASD w podstawowych procesach neurorozwojowych. Jednocześnie istnieją ograniczenia w przekładaniu ustaleń z danio pręgowanego lub dowolnego układu zwierzęcego na zaburzenia u ludzi. Po pierwsze, istnieją znaczące różnice anatomiczne między mózgiem danio pręgowanego a mózgiem człowieka, w tym brak nowej kory mózgowej, która występuje u myszy i wyraźnie ogranicza przenoszenie ustaleń z danio pręgowanego na ludzi . Po drugie, u danio pręgowanego występuje mniejsza konserwacja między genami w porównaniu z systemami ssaków, co może komplikować zdolność do identyfikacji ortologów ludzkich genów u danio pręgowanego. Po trzecie, żaden system zwierzęcy nie jest w stanie odtworzyć złożonego zakresu cech klinicznych w ASD lub jakimkolwiek zaburzeniu neuropsychiatrycznym. Z tego powodu ważne jest podkreślenie, że celem badania danio pręgowanego jest wykorzystanie unikalnych zalet tego stosunkowo prostego systemu do analizowania funkcji genów ryzyka ASD w podstawowych procesach neurorozwojowych. Wiele badań wykorzystało zalety danio pręgowanego do zbadania roli genów ryzyka ASD w rozwoju układu nerwowego, przy czym wiele z tych badań wykorzystuje podejście oparte na morfolinie, jak opisano powyżej, w celu zmniejszenia ekspresji interesujących genów. Na przykład Kozol i inni wyłączyli dwa geny związane z ASD, SYNGAP1 (Synaptic RasGTPase Activating Protein 1) i SHANK3 (SH3 i Multiple Ankyrin Repeat Domains 3) u danio pręgowanego i odkryli, że zmniejszona ekspresja była związana z nieprawidłowymi zachowaniami pływania i ucieczki, a także opóźnieniem rozwojowym i małogłowiem. Ponadto Blaker-Lee i inni badali wpływ zmniejszenia ekspresji 22 genów znajdujących się w regionie ludzkiego 16p11.2 na zarodki danio pręgowanego. Warianty liczby kopii w tym regionie są silnie związane z ASD i innymi zaburzeniami neuropsychiatrycznymi, w tym schizofrenią i niepełnosprawnością intelektualną, jednak wkład poszczególnych genów w regionie w ASD jest słabo poznany. Przeprowadzając serię badań morfologicznych i behawioralnych, autorzy odkryli, że zmniejszona ekspresja wielu z tych genów doprowadziła do nieprawidłowości mózgu i zachowania, takich jak zmniejszenie wielkości komór mózgowych, nieprawidłowa struktura śródmózgowia lub zmiany w spontanicznym ruchu i reakcji na dotyk (Blaker-Lee i in. 2012). Inne badanie na danio pręgowanym wykazało, że zmniejszona ekspresja i nadmierna ekspresja jednego z genów w tym regionie doprowadziła odpowiednio do makrocefalii i mikrocefalii, co sugeruje zależne od dawki efekty . Jednocześnie ważne jest, aby zauważyć, że morfoliny są ograniczone przez ich potencjał do wywoływania efektów poza celem, tak że coraz większy nacisk kładzie się na potwierdzenie fenotypów wynikających z wyciszenia genu u mutantów, gdzie funkcja genu jest trwale zaburzona . Wraz z pojawieniem się technologii CRISPR/Cas9 cel ten staje się coraz bardziej wykonalny. Ostatnie badania wykorzystały również duże potomstwo danio pręgowanego i niewielkie rozmiary ich zarodków i larw do opracowania ilościowych prostych testów behawioralnych do przeprowadzania wysokoprzepustowych badań farmakologicznych. Na przykład Rihel i inni śledzili automatycznie aktywność lokomotoryczną larw danio pręgowanego w cyklu światło-ciemność w odpowiedzi na setki związków psychoaktywnych, aby przeanalizować wpływ tych leków na ich zachowania cyklu spoczynku-czuwania. Co intrygujące, badanie to wykazało, że związki psychoaktywne można prawidłowo klasyfikować według mechanizmu działania, opierając się wyłącznie na odczytach ich efektów behawioralnych u larw danio pręgowanego. Ponadto Kokel i inni przebadali tysiące związków pod kątem ich wpływu na reakcję fotomotoryczną, charakterystyczną reakcję motoryczną wykazywaną przez embriony danio pręgowanego po narażeniu na bodziec świetlny, i odkryli, że ich reakcje behawioralne można wykorzystać do prawidłowej kategoryzacji nowych związków psychotropowych. Badania te ujawniają potencjał badań przesiewowych na dużą skalę prostych reakcji behawioralnych u danio pręgowanego w celu odkrycia mechanizmów farmakologicznych. W niedawnym badaniu Hoffman i in. (2016) wykorzystali to zautomatyzowane podejście do profilowania behawioralnego, aby przeanalizować aktywność lokomotoryczną danio pręgowanego z szkodliwymi mutacjami w genie ryzyka ASD, CNTNAP2 (Contactin Associated Protein-like 2). Badanie to wykazało, że te mutanty danio pręgowanego wykazywały niedobory w neuronach hamujących, miały zwiększoną wrażliwość na drgawki wywołane lekami i były nadpobudliwe w nocy. Porównując nieprawidłowy profil behawioralny mutantów ze znanymi efektami ponad 500 związków u ryb kontrolnych (Rihel i in. 2010), badanie to wykazało, że związki estrogenowe, w tym estrogen pochodzenia roślinnego, biochanina A, były w stanie selektywnie ratować nieprawidłowy fenotyp behawioralny u mutantów, identyfikując nową ścieżkę farmakologiczną, która wcześniej nie była powiązana z CNTNAP2 . W innym badaniu Baraban i inni przeprowadzili szeroko zakrojone badanie leków w celu zidentyfikowania związków, które tłumią spontaniczne zachowania przypominające napady u danio pręgowanego z mutacją powodującą utratę funkcji w genie, który jest blisko spokrewniony z SCN1A (podjednostką alfa 1 kanału napięciowo-sodowego), która jest związana z rzadkim zespołem nieuleczalnej padaczki zwanym zespołem Draveta. Spośród 320 przetestowanych związków autorzy zidentyfikowali jeden związek, klemizol, który może odwrócić nieprawidłowe zachowania związane z napadami i nieprawidłowości elektrofizjologiczne u mutantów . Badania te podkreślają potencjał systemu danio pręgowanego jako podejścia do badań przesiewowych pierwszego przejścia w celu zidentyfikowania nowych kandydatów farmakologicznych mających znaczenie dla ASD i innych zaburzeń neurorozwojowych do dalszych badań w układach ssaków.

Przyszłe kierunki

Istnieje szereg nowych technologii, które prawdopodobnie w ciągu najbliższych kilku lat poszerzą repertuar pytań, na które naukowcy mogą odpowiedzieć, korzystając z systemu danio pręgowanego. Po pierwsze, genetycznie kodowane fluorescencyjne wskaźniki wapnia pozwalają naukowcom na obrazowanie aktywności poszczególnych komórek w mózgu żywej larwy danio pręgowanego w wysokiej rozdzielczości, co jest możliwe ze względu na ich przezroczyste głowy. Te testy obrazowania na żywo są coraz częściej wykorzystywane do badania obwodów neuronalnych leżących u podstaw prostych zadań behawioralnych, takich jak reakcja optomotoryczna i chwytanie zdobyczy. Poprzez wizualizację aktywności mózgu u danio pręgowanego pozbawionego funkcji genów ryzyka ASD, naukowcy mogą zacząć badać, w jaki sposób zaburzenie tych genów prowadzi do nieprawidłowości w określonych obwodach neuronalnych. Po drugie, pojawienie się technologii edycji genów CRISPR/Cas9 ułatwia ukierunkowanie wielu genów ryzyka ASD u danio pręgowanego, dając naukowcom możliwość wykorzystania tego podejścia do jednoczesnego zbadania wpływu wielu genów ryzyka ASD na rozwój mózgu. Po trzecie, wysokoprzepustowe, zautomatyzowane przesiewy farmakologiczne oparte na prostych zachowaniach larw, jak opisano powyżej, mają potencjał, aby służyć jako ważne narzędzie przesiewowe pierwszego przejścia w celu odkrycia ścieżek neurochemicznych, które są zakłócone z powodu utraty genów ryzyka ASD i nowych kandydatów farmakologicznych do dalszej oceny w układach ssaków. Dlatego układ danio pręgowanego ma znaczną obietnicę translacyjną, w połączeniu z modelami myszy i hodowli komórkowych, aby poszerzyć naszą wiedzę na temat mechanizmów neurobiologicznych w ASD. Łącznie, biorąc pod uwagę unikalne cechy tego układu, danio pręgowany ma potencjał, aby stać się kluczowym czynnikiem w analizie funkcjonalnej genów ryzyka ASD i wyjaśnieniu zbieżnych mechanizmów biologicznych i farmakologicznych w ASD.