为什么在老鼠身上研究自闭症注定要失败

作者 | JESSICA WRIGHT

编译 | RAY

经过十多年的努力，科学家们开始质疑，自闭症小鼠模型能否捕捉到自闭症患者的社交缺陷。

吉尔·西尔弗曼(Jill Silverman)刚从研究啮齿动物大脑性别差异的研究生项目毕业，就加入了马里兰州贝塞斯达(Bethesda)国家心理健康研究所(National Institute of Mental Health)的一个顶级老鼠行为实验室。她对研究自闭症特别感兴趣。那是2007年，研究人员刚刚开始发现这种疾病的强候选基因。他们大量生产这些基因突变的老鼠，并求助于老鼠行为学家，以证明这些老鼠可以作为自闭症患者毛茸茸的代理。西尔弗曼在实验室里测试了几十只老鼠。

研究人员当时认为，理想的“自闭症小鼠”应该具备人类自闭症的所有特征:语言和社会问题，以及限制性和重复性行为。与对照组相比，一些突变小鼠发出的超声波更少，许多行为学家认为这与语言问题类似。其他的模型过度地整理、跳跃或掩埋弹珠——研究人员将这些行为解释为让人联想到自闭症的重复性行为。但研究人员最关注的是社会缺陷，这是自闭症的一个显著特征。他们的想法是，如果他们能找到这种特质的老鼠模型，或许他们能设计出药物来解决这个问题——或者至少能更好地理解相关的大脑通路。

2011年，一种特殊的动物因为勾选了最后一个选项而登上了《自然》杂志的头条。这些老鼠缺少SHANK3基因的一部分，大约1%的自闭症患者的 SHANK3基因发生了突变。在首次实验中，老鼠成功地宣布它们“表现出自闭症样的行为”，证据似乎很简单:在由西尔弗曼的导师杰奎琳·克劳利(Jacqueline Crawley)开发的具有里程碑意义的三室实验中，这些老鼠没有表现出寻找另一只老鼠的倾向。

在这个测试中,研究人员把一只老鼠放在一个树脂玻璃框包含连续三个房间布局,和啮齿动物面临着一种简单的选择：它可以花时间在第一个房间里,在另一个鼠标位于囚禁在一个小铁丝笼子,也可以混在后面的房间,拥有一个相同但空笼子。大多数老鼠被玩伴吸引。但是SHANK3的游客走得很慢，经常停下来梳洗。(事实上，它们梳理毛发的时候很有强迫性，以至于在舔掉毛发的地方出现了秃斑。)它们时而嗅着空笼子，时而嗅着另一只老鼠，没有表现出真实的样子。

至少2011年的研究是这样发现的。去年，西尔弗曼和她的同事发表了一项研究，在三室实验中观察了相同老鼠的两组雄性和两组雌性，发现了一些不同的东西。这一次，小鼠表现出了“大部分正常”的行为，研究小组写道，在三室实验中，只有一组雄性小鼠表现出社会缺陷。大约在同一时间，另一个团队也宣布无法复制最初的结果。结果是:SHANK3小鼠的任何社交缺陷，充其量都比之前报道的要温和得多。

这一消息证实了许多科学家开始怀疑的事情。“我觉得自己很天真，”西尔弗曼说，她现在在加州大学戴维斯分校经营自己的实验室。西尔弗曼说:“模型出来后，我们说，‘哦，我们现在有模型了，我们已经开发了这些测试，现在我们真的要开始理清思路，找到答案了。’然后我们意识到，这当然不是那么简单。”

从那以后，人们对鼠标模型的热情逐渐消退。许多关于小鼠社交缺陷的原始报告，在独立实验室(包括西尔弗曼实验室)或不同品系的小鼠身上进行测试时，都没有得到证实。不一致的发现不仅困扰着SHANK3小鼠的研究，也困扰着那些风险基因CHD8、NLGN3、NLGN4和CNTNAP2等发生突变的小鼠。这让许多科学家怀疑，老鼠是否能够再现像自闭症这样复杂的人类症状。

“我认为定义一只自闭症小鼠是愚蠢的，”瓦莱丽·玻利瓦尔(Valerie Bolivar)说，她是纽约奥尔巴尼沃兹沃斯中心(Wadsworth Center)小鼠行为表型分析中心的主任。“要把所有这些东西都用一个漂亮、整洁的包和一个蝴蝶结打包——我们就是不可能做到这一点。”

更有效的方法可能是只关注小鼠可重复的行为，比如对动物学习方式的定量测量。如果研究人员确实想要了解社会缺陷，他们可能需要回到基本问题，并有条不紊地对老鼠的行为进行分类。

玩伴或玩具

自闭症小鼠社会行为报告中的许多不一致可能源于对三室实验的基本误解。克劳利在2003年开发了这项测试，几年前，美国国家心理健康研究所(National Institute of Mental Health)召开了一次会议，召集了老鼠和人类行为方面的专家，为老鼠的自闭症特征设计了屏幕。

克劳利说，三室实验的目的是提供一个二进制读数:老鼠是否更喜欢另一种动物而不是一个物体(就像孩子可能会选择玩伴而不是玩具一样)?该测试不够灵敏，无法量化一个突变体与另一只老鼠相处的时间，并将其与另一只老鼠进行比较。尽管如此，许多研究小组还是错误地使用了这个指标，并报告说他们的老鼠有类似自闭症的社会行为——这与后来其他实验室的观察结果相矛盾。

西尔弗曼说，她对这项测试最大的担忧是，许多自闭症模型中常见的不相关特征可能使这项测试实际上无法正确解释。例如，SHANK3突变体的速度比对照组慢，因此可能很少在房间之间移动，因此对每一边花费的时间进行任何比较都是没有意义的。同样地，嗅觉受损的突变小鼠也无法识别同伴，而过于活跃的小鼠可能在不同的房间间移动得太快，无法与另一只小鼠互动。

西尔弗曼说，有些混淆还会干扰其他行为测试。例如，研究人员可以通过超声波发声来了解老鼠的社会兴趣水平:发情期雄性老鼠在雌性老鼠附近发出的、听不清的吱吱声，或者幼鼠与母亲分开时发出的吱吱声。她说，在这些情况下，运动障碍——自闭症患者和这些老鼠的共同特征——可能会损害老鼠的发声能力。

老鼠的背景压力也会影响它的行为。随着时间的推移，2011年发表的SHANK3菌株的遗传背景发生了很大的变化，这可能有助于解释最初的报告和后来发表的报告之间的差异。与之相矛盾的结果也来自缺失SHANK3其他部分的小鼠。老鼠是出了名的挑剔：他们的行为会有所不同，而取决于：他们是否与其他突变体或对照组一起生活,是否有来自前的测试的焦虑，是否是雄性还是雌性,是否他们的操作者是雄性还是雌性,科学家观察他们是否呆在房间或建立一个相机然后偷偷溜走。

也许用老鼠来研究社交技巧最大的问题是，老鼠一开始并不是特别擅长社交。哺乳动物大脑中控制大多数社交行为的区域——前额皮质——在老鼠身上比在人身上要小得多。哥伦比亚大学(Columbia University)老鼠行为研究中心主任穆阳(Mu Yang)说，在野外，雄性老鼠高度独居，可能只与配偶及其幼崽接触。“‘让我坐在你旁边;下一步做什么?这并不一定是老鼠所做的。”

卡罗琳·布兰查德(Caroline Blanchard)是巴西圣保罗大学(University of Sao Paulo)的啮齿动物行为学家，她花了近40年的时间仔细观察老鼠，观察它们如何在与自然栖息地极为相似的大型围场中活动。布兰查德说:“它们并不是孤立的，因为如果靠得太近或其他什么东西，它们就会自相残杀。”但是，她说，“它们不像大多数老鼠那样喜欢社交。”

老鼠和猴子通常被誉为自闭症研究的较好模型，但尽管存在缺陷，对老鼠的支持仍然很强。克劳利说:“小鼠的大脑和行为特征是否足够复杂，能够充分监测自闭症及其主要症状——我认为，这是一个非常合乎逻辑的问题。”“我一直在想这个问题，但我没有答案。”

要么出版要么淘汰

许多行为学家正在重新思考老鼠是否能完全模仿社会缺陷，这一事实在文献中远非显而易见。顶级期刊继续发表研究，详细描述自闭症小鼠的社会缺陷，通常基于对三室实验（three-chambered assay）的非专家解释。西尔弗曼说:“当你在《自然》杂志五篇论文的标题中看到‘自闭症模型’这个词时，你会觉得很讨厌。”

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)脑与认知科学教授冯国平说，研究人员经常感到来自期刊审稿人的压力，要求他们证明自闭症小鼠有自闭症特征的社会交往缺陷。冯领导了2011年的一项研究，该研究首次显示了SHANK3小鼠的社会缺陷。他主要对研究 SHANK3基因突变对大脑的影响感兴趣。但为了让这些实验被认为有意义，他明白小鼠需要表现出类似自闭症的行为。

2014年，同样的压力促使至少其他5个研究小组对CHD8基因突变小鼠的社会行为进行了研究。到2016年，一个团队在《自然》杂志上宣布，他们有一个显示“自闭症样表型”的 CHD8模型，尽管在三室实验中，这些小鼠更喜欢玩伴而不是对象。

当时，西尔弗曼和她的合作者正在对一只CHD8基因发生另一种突变的老鼠进行表征。尽管两组的研究结果相似，西尔弗曼的研究小组将老鼠解释为没有任何社交问题。然而，研究小组所接触的期刊对于发表似乎与另一个小组的论文相矛盾的结果犹豫不决。为了说服评审人员，西尔弗曼的团队需要复制他们的行为实验——六个月的工作——然后才能发表。

克劳利说:“这是一个关于自闭症小鼠模型的文献中的例子。“第一篇发表的论文错误地解释了他们的发现，或者有时做了错误的实验，他们的发现在社区中得到了推广，有时在媒体上得到了报道——然后，下一篇发表的论文在混乱中迷失了方向。”克劳利说，为了打破这个循环，研究人员应该与老鼠行为学家合作，帮助解释他们的研究。

一些研究人员说，一个更有效的解决办法可能是完全摆脱显示自闭症特征的压力。“我们需要放松使用(诊断手册)鼠标版本构建鼠标模型的标准。当这种情况发生时，人们可以停止过于努力地将数据塑造成自闭症的主要症状，”杨说。

老鼠是怎么想的

研究人员也在考虑更好地捕捉自闭症细微差别的测试方法，比如借鉴奖励研究的社会行为测试。例如，爱荷华大学(University of Iowa)爱荷华神经科学研究所(Iowa Neuroscience Institute)主任泰德•阿贝尔(Ted Abel)表示，自闭症小鼠可能不愿意重新回到笼子的某个角落，在那里，它曾与同伴进行过有益的互动。但是他警告说，不要对老鼠的想法做过多的推断。他说，研究人员应该毫无偏见地记录动物的所有行为，而不是寻找具有某种特定特征的老鼠。“我们应该研究老鼠，看看它们告诉我们什么——试着发现一些我们不知道的东西，而不是假设我们知道，”他说。

一些团队正在遵循这个最佳实践指南，包括去年重新评估SHANK3模型的两个团队。一组研究人员，临床前自闭症治疗联盟(PACT)，正致力于寻找最佳的小鼠模型来筛选治疗。该组织表示，尚克3型仍是实现这一目标的最佳选择。另一个团队正在仔细评估一系列小鼠的特征，包括那些CNTNAP2基因突变的小鼠。

第二个项目的研究人员、纽约非营利研究机构Cohen Veterans Bioscience的高级科学项目经理帕特里夏·卡比茨克(Patricia Kabitzke)说，动物研究应该模仿人类的临床试验。在临床试验中，研究人员需要提前陈述实验的参数，然后公布他们的发现，无论是正面的还是负面的，而不是解释他们得到的结果。她说，如果对老鼠的研究不遵循这种做法，一些团队可能会用多种方法重复他们的实验，进行多次测试，直到得到最符合他们范式的结果。

到目前为止，Kabitzke的团队还没有观察到任何自闭症小鼠表现出可靠的社会缺陷，包括两个SHANK3突变体。但这并不意味着老鼠没用，她说，因为他们有其他可能被证明是一致的特征。她说:“说到底，我不确定在动物身上重现和在人类身上看到的症状到底有多必要。”“认为我们有一个老鼠模型，或者啮齿动物模型，或者任何模型都是荒谬的。我们甚至没有人类的疾病模型，因为这些差异表现出来的方式有太多的差异。”

真正理解行为的关键可能是放慢速度并手动绘制图表。玻利瓦尔与一位从动物学家罗伯特·欣德那里学习动物行为的科学家一起受训，欣德曾指导过传奇灵长类动物学家简·古道尔和迪安·福西。她说，这使得玻利瓦尔成为了一种“恐龙”，但同时也为研究一种不同于人类的物种的行为做好了准备。

即便如此，当科学家们决定，例如，嗅鼻子是一种社会行为时，他们仍在推断意图。“我可能比地球上任何一个在社交互动方面的行为得分都要高，”杨说。我用了给10年给鼻子-屁股嗅评分，但我真的理解吗?”

玻利瓦尔和其他人说，观察动物几十小时的行为是研究人员确保它们不会误解任何事情的唯一方法。例如，扭打的老鼠可能是在玩耍或打架，而梳理毛发可能是一种表示喜爱或支配的行为，这取决于所涉及的压力程度。在玻利瓦尔的实验室里，学生们坐在那里观看视频，视频中成对的老鼠嗅嗅嗅嗅，匆匆匆匆，在有机玻璃做成的小笼子里翻滚嬉戏。每次老鼠做11件事中的一件时，学生们都要记录下来，比如触摸鼻子、嗅鼻子后部或梳理自己的毛发。这是一项缓慢而艰苦的工作。

在一段视频中，一只老鼠看着戴着手套的研究人员的手下降，握住另一只老鼠。第一只老鼠立刻跑过去，两只老鼠碰了几下鼻子，然后互相闻对方的头和后背。一分钟后，第一只老鼠跟着第二只老鼠迅速穿过笼子。三分钟后，它们在模糊的皮毛和胡须中滚过笼子。这到底意味着什么，目前只有老鼠知道。

但西尔弗曼希望找到答案。她也在仔细观察一对一的互动，将其作为观察老鼠社交缺陷的一种方法，尽管她还没有发现一种符合这一要求的动物。“我还没有完全放弃，”她说。