直接的皮层记录显示：广泛的神经元活动差异导致了孤独症行为与典型行为的差异；在新环境，孤独症的神经元活动变化少和死板

越来越多的人意识到了解神经活动差异和行为差异的关系对于开发神经精神和神经发育障碍的治疗方法是至关重要的。无论是在典型的还是非典型的群体中，行为总是因人而异的。一种假设是，个体间的行为差异反映了信息如何流经大脑的动力学的个体间的差异。支持这一假设的是，大脑区域之间神经活动的相关物(称为“功能连接”)因人而异，并因孤独症、精神分裂症和抑郁症而受到干扰。

行为和功能连接的因人而异的潜在机制又是什么呢？

一项几天前刚刚发表的研究揭示：非典型(比如孤独症)和典型的小鼠的大脑功能连接和行为的差异是由遍及皮层的神经活动的时空基序的差异所导致的。

这项研究给我们提供了对非典型(比如孤独症)和典型的大脑神经元活动差异的直观的视觉体验。因此，我们很容易就能想明白：为什么许多治疗孤独症的技术和方法其实没有啥用。因为这些技术和方法根本无法扰动并修改已经存在的非典型的神经元活动，都是在瞎忙。

所以，目前全球针对孤独症的干预技术和方法也就这样了；比较务实的是，提供针对性的支持服务。举国家之力后，美国孤独症个体及其家庭可及的各色医疗保险、干预/支持服务

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来自美国普林斯顿大学普林斯顿神经科学研究所的一组研究人员使用介观宽视场钙成像记录了行为上“典型”和“非典型”小鼠的背侧皮层的神经活动。介观宽视场钙成像是一种技术，可以对清醒行为小鼠整个背侧皮层的神经元活动进行成像。非典型的小鼠是子宫内暴露于丙戊酸(VPA)的小鼠(下图A的上)，通常作为包括孤独症在内的认知功能障碍的模型。典型的小鼠是子宫内暴露于盐水(SAL)的小鼠(下图A的下)。

图1：小鼠行为表型的皮质功能连通性相关物。(A) 用于研究行为表型多样性的子宫内丙戊酸 (VPA) 模型示意图。(B) 行为测定示例示意图。从左到右：断奶体重和发育里程碑、幼仔响应母体分离的超声波发声(USV)、三室社交接近和社交新奇性、自我梳理行为以及大理石掩埋试验中的挖掘行为。(C) VPA和盐暴露(SAL)对照小鼠行为比较的示例结果。从左至右依次为：断奶时小鼠体重、母鼠分离后幼仔USV数、社交新奇性实验小鼠社交性得分、自我梳理次数、大理石掩埋试验中掩埋的大理石的百分比。数据点为单个小鼠，误差条为平均值±SEM。用Mann-Whitney U检验估计p值。(D) 个体行为度量对定义最大限度地分离VPA和SAL小鼠的超平面的贡献，量化为线性支持向量机(SVM)中的β权值。(E) 小鼠沿“表型轴”的位置定义为垂直于超平面的向量，最大程度地分离了组，由 SVM 拟合定义。(F) 小鼠休息时皮层神经活动的介观成像示意图。(G) 上部：网格包裹，用于计算跨感兴趣皮层区域(ROI)的功能连接。下部：按距离分类的ROI之间的成对连接数。(H) 功能连接强度作为组间距离的函数。平均Fisher z转变的Pearson's rho(ρz): 对于3–4.5mm: SAL=0.91，CI: 0.87–0.95;  VPA=0.82，CI：0.77–0.88；p=0.033; 对于 4.5–6 mm：SAL=0.81，CI：0.78–0.85；VPA=0.70, CI: 0.65–0.75; p=0.003; 两个排列检验。(I) 作为行为表型函数的长程功能连接强度(如D所示)。实线和虚线分别显示最小二乘拟合和95%置信界限。通过排列检验估计的p值。

通过9次测试来评估小鼠的行为

通过针对一般发育、感觉记忆和运动行为领域的12项指标的9次测试来评估小鼠的行为。与一系列个体行为表型一致，个体之间、群体之间和群体内部都存在相当大的差异。为了量化这个范围，研究人员将多变量行为数据投影到单个“表型轴”上。表型轴被定义为与线性超平面正交，该超平面最大限度地分离了VPA和SAL小鼠的行为(上图D和E)。将每只小鼠的行为投射到该轴上，捕获该个体在行为范围上的位置。例如，一些VPA小鼠表现出比其他小鼠更典型的行为，而一些SAL小鼠则表现出更非典型的行为特征。在每个行为领域内观察到相似程度的行为多样性。

为了研究皮层广泛的神经动力学，研究人员使用了介观宽视场钙成像来记录VPA(n=11) 和SAL(n=9) 小鼠子集的背侧皮层兴奋性神经元的活动(上图F，所有都是Thy1-GCaMP6f16小鼠，清醒且头部固定)。这些小鼠涵盖了较大的群体行为范围(上图E，空心点)。

功能连通性的测量是背侧皮层网格之间神经活动的零滞后的成对相关物(上图G）。在所有小鼠中，距离较远的皮质部位的功能连接性较弱。然而，这种效应在VPA小鼠中更为明显：各组之间局部皮质区域(<3 mm) 之间的功能连通性相似，但相对于SAL对照组，VPA小鼠的长程(>3 mm) 连接显著下降(上图H)。反映其与行为的关系，长程连接的差异与小鼠的表型有显著的负相关性(上图I; r =-0.46, p=0.033，排列检验，n=20只小鼠)。这些结果与人类功能连接相关的行为范围的观察结果一致，强调了VPA模型的表面效度。

功能连接的这些差异被认为反映了皮质区域之间时空相互作用的变化

为了测试这一点，研究人员通过使用卷积分解和无监督聚类将皮层广泛的神经活动分解为一组16个“基序”来量化皮层活动的时空动力学(下图A)。每个基序捕获了持续约1秒的独特的皮层范围神经活动时空模式，并被认为反映了特定的认知过程。例如，基序12是起源于躯体感觉和运动区域的皮层范围的神经活动波，向后行进至压后皮层和视觉皮层，这些皮层被认为可以协调跨区域的神经活动(下图C的上)。相比之下，基序5是视觉皮层中空间静态的双侧活动爆发，与视觉刺激的处理有关(下图C的下)。通过随时间推移平铺 16 个独特的基序，我们可以准确地重建所有小鼠的皮质活动(下图B)。

图2：所有小鼠的皮层神经活动具有相同的时空基序。(A)皮层活动时空基元量化示意图。左图：卷积非负矩阵分解(CNMF)将神经活动分解为重复出现的基序(右，上)和它们的时间权重(右，下)。(B)由所有小鼠共有的16个时空基序解释的皮质神经活动百分比变异(PEV)：平均SAL：79.59% CI: 70.88%–83.80%; VPA: 77.12%, CI: 72.80%~80.38%; 组间无差异, p=0.20; Mann-Whitney U检验与行为表型没有相关性; r=0.031, p=0.54，排列检验。(C) 示例基序。绿线勾勒出解剖学包块，如图1F所示。红点表示前囟。(D) 每只小鼠的每个基序解释的神经活动的相对百分比方差。该条形码捕获了每只小鼠的基序表达模式。数据点反映的是单个小鼠。所有误差条显示平均值±SEM。

所有小鼠都具有相同的反复出现的皮层广泛的神经活动时空基序，这些基序解释了绝大多数的皮层活动的差异(>75%)。然而，个体在表达不同基序的频率上存在差异。这些基序表达的差异解释了典型和非典型小鼠的功能连接和行为的差异，具有更多非典型基序表达的小鼠也有更多非典型行为。

与具有非典型行为的小鼠相比，招募具有更强的长程连接的神经活动模式的基序在具有更典型行为的小鼠中相对更活跃。相反，具有较弱的长程连接的基序在非典型小鼠中相对更活跃，这解释了观察到的功能连接的变化。

研究进一步发现，小鼠的基序活动在不同情境之间的变化程度与它们在涉及新情境和/或社交刺激的行为测试中的表现密切相关。首先，更多的非典型小鼠在新的、富含刺激的配对环境中表现出较少的基序活动变化。这表明具有非典型行为的小鼠调整基序表达以匹配新环境的能力受到破坏。其次，在行为非典型的小鼠中，随着时间的推移，基序序列更加规则，这表明它们在基序表达的顺序上更加死板[rigid]。第三，与SAL小鼠相比，VPA小鼠的基序分布更为均匀。

总之，这些结果支持这样的假设：行为的个体间的差异至少部分是由于基序表达的控制或选择的变异性所造成的。