小鼠实验：遗传和微生物能不能改变多动症行为？

传统研究认为，许多神经系统疾病的核心症状是由影响大脑发育和功能的基因突变引起的。然而作为另一个重要变量，肠道微生物群也会影响特定行为的发生。因此，了解宿主基因突变、肠道微生物群及其相互作用在个体复杂行为中的作用非常重要。

一、在神经发育存在遗传缺陷的小鼠中，不同的饲养方式影响其行为和肠道菌群

通过三箱社会自由探索实验，测试了从孤立饲养系统获得的Cntnap2 -/-(KO-I)和Cntnap2+/+(WT-I)小鼠的社会能力和社会新奇偏好。

结果表明，KO-I小鼠表现出明显的社会能力缺陷，社会新奇偏好降低。KO-I老鼠不愿意和陌生老鼠交流，对新老鼠也不好奇。此外，KO-I小鼠在自发活动中表现出多动症样行为，证明孤立饲养体系产生的Cntnap2 -/-小鼠具有明显的社会技能缺陷和多动症行为。

对该组小鼠肠道菌群的16S rRNA测序分析表明，两组小鼠肠道菌群的β多样性存在显著差异，KO-I小鼠的肠道菌群丰度高于WT-I小鼠。此外，预测的微生物代谢途径在两组之间显著不同。

二、在神经发育有遗传缺陷的小鼠中，肠道菌群选择性地改变社会行为，而不是自发活动

为了减少同窝饲养可能引起的菌群变化，从而掩盖菌群对行为的影响，研究人员进行了以下实验:

1)同笼共同饲养KO-I小鼠和WT-I小鼠，通过Cntnap2 -/+杂交小鼠的繁育在同窝出生

2)同笼分别饲养WT-L和KO-L小鼠；

3)通过粪便细菌移植(FMT)将上述四组小鼠(KO-I、KO-L、WT-I、WT-L)的肠道微生物移植到无菌小鼠(GF)中。

结果表明:

1)对于同笼饲养的KO-I小鼠和WT-I小鼠，其肠道菌群可以相互作用，最终趋于一致。菌群结构与笼养KO-I小鼠和WT-I小鼠相似，但菌群代谢途径无明显差异。组间α多样性和β多样性的差异小于分离的KO-I小鼠和WT-I小鼠之间的差异。此外，同笼饲养的KO-I小鼠社会行为恢复正常，但仍有多动症行为。

2)将在同一笼中饲养的WT-L和KO-L小鼠的下一代(WT-T和KO-T)分开饲养。结果发现，虽然KO-T小鼠具有正常的社交能力，但其社交新鲜感偏好明显降低，这与ASDs症状密切相关，因此可以认为KO-T小鼠存在社交缺陷。

此外KO-T小鼠的多动行为比WT-T小鼠更明显。KO-T小鼠和WT-T小鼠的肠道菌群存在显著差异。所以这个实验证明笼养负调节了KO小鼠的社会行为，改变了其菌群结构，但对多动症行为无显著影响。

3)粪便细菌移植实验(FMT)表明，移植WT小鼠粪便(GF: WT-I，GF: WT-L)后，GF小鼠的社会能力缺陷得到改善。对于移植了KO小鼠粪便的GF，只有KO-L组移植了粪便细菌的GF小鼠(GF: KO-L)的社交障碍有所改善，而移植了KO-I组粪便细菌的GF小鼠(GF: KO-I)的社交障碍依然存在。

因此，这些数据证实，KO-I小鼠可能缺乏一种或几种对社会行为至关重要的肠道细菌。因为FMT没有改变移植GF小鼠的多动症行为，所以此次的研究结果证明Cntnap2 -/-小鼠的社会性缺陷是由微生物组的改变引起的。

三、选择性微生物干预可以提高神经发育遗传缺陷小鼠的社交能力，但对多动症无效

罗伊氏乳杆菌(L. reuteri)的干预可以提高血浆和PVN催产素水平，逆转部分ASDs模型小鼠的社交障碍。然而，同样的操作在缺乏催产素受体的小鼠中无效。此外，罗伊氏乳杆菌的治疗逆转了KO-I组年轻和成年小鼠的社交缺陷，但同样的微生物干预并不影响KO-I组小鼠的ADHD表现。因此，在KO-I小鼠中早期或晚期精确的微生物干预可以选择性地逆转社交障碍，而不是多动症的表现。

四、选择性微生物干预可以通过影响中脑腹侧被盖区的社交相关突触传递

提高神经发育遗传缺陷小鼠的社交能力，腹侧被盖区(VTA)的脑区是大脑中的奖赏刺激反应区，在社会行为的调节中也起着重要的作用。通过测量α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(AMPRA)与N-甲基-d-天冬氨酸受体(NMDRA)的比值，发现社交活动激活了鸟类和小鼠VTA中的DA神经元，这与社交活动是一种特殊的奖赏机制的观点相一致。

与对照组小鼠相比，社交活动未能诱导KO-I小鼠VTA神经元的AMPAR/NMDAR比值增加。相反，可卡因给药导致VTA DA神经元的AMPAR/NMDAR比值增加，表明DA神经元功能正常，对奖赏刺激有反应，但对社会奖赏刺激无反应。罗伊氏乳杆菌治疗改善了由社会相互作用引起的CNTNAP 2-/(KO-I)小鼠VTA DA神经元突触可塑性缺陷，但罗伊氏乳杆菌治疗未能逆转KO-I小鼠mEPSCs的变化。

所以罗伊氏乳杆菌的干预可以挽救KO-I小鼠的社会行为和与社会行为相关的可塑性缺陷，但不能挽救多动症表型。

五、微生物产生的特定代谢产物可以逆转神经发育遗传缺陷小鼠的社会能力和突触缺陷

但不能逆转多动症行为，肠道微生物产生或诱导的代谢产物可以向胃肠道外传递信号，通过脑-肠轴调节大脑功能。为了研究罗伊氏乳杆菌改善KO-I小鼠社会缺陷的机制，研究人员进行了非特异性肠道代谢组学分析。

结果表明，KO-I小鼠的代谢谱与WT-I小鼠有显著差异，经罗伊氏乳杆菌处理后，KO-I小鼠的整个代谢谱不能移回到WT-I状态。研究人员继续探索特定代谢产物的变化是否有助于区分社交正常(WT-I，KO-I+罗伊氏乳杆菌和社交缺陷小鼠(KO-I)。随机分析显示，社交正常和社交缺陷小鼠差异最大的两种代谢产物是生物蝶呤和二氢生物蝶呤(BH2)，它们是四氢生物蝶呤(BH4)代谢途径中的两种代谢产物。与WT-I相比，这些代谢产物在KO-I小鼠中的水平显著下降，并通过罗伊氏乳杆菌的治疗得到完全改善。

BH4是一种具有生物活性的生物蝶呤分子，是许多重要酶的辅酶，这些酶产生多巴胺、血清素和一氧化氮等神经活性分子。结果表明，罗伊氏乳杆菌通过调节宿主肠道内源性四氢生物蝶呤水平，部分逆转了社会能力和突触可塑性的缺陷，但不能改善其多动症表型。

神经发育障碍模型小鼠(Cntnap2 -/-小鼠)的基因突变和肠道菌群调节了不同的社会适应不良行为。CNT 2-/-小鼠的多动症表型是由宿主的基因突变引起的，而社会行为表型是由肠道微生物群介导的。

此外，特定的微生物干预可以通过上调四氢生物蝶呤合成途径中的代谢产物，选择性改善Cntnap2 -/-小鼠的社交缺陷，但不能改变其多动症行为。