近日，《表型组学（英文）》（Phenomics）在线发表了复旦大学人类表型组研究院安宇团队、王鹤团队题为“Alterations of sensory-related functional brain network connectivity in Nrsn2 homozygous knockout mice”的研究论文。

该研究通过使用11.7 T磁共振成像技术，揭示Nrsn2-/-小鼠在不同发育阶段的大脑功能网络连接的显著变化，尤其在感觉相关区域。该研究发现成年Nrsn2-/-小鼠在默认模式网络（Default Mode Network）相关脑区的网络间连接减弱，这可能与已报道的Nrsn2-/-小鼠表现出对慢性应激的抗性，从而不易被诱导出抑郁样行为有关。此发现揭示了应激反应与大脑功能网络之间的复杂关系，为进一步研究应激相关的神经精神疾病提供了新的视角。该研究借助先进的脑磁共振成像多种模式技术，研究影响神经功能复杂的线索，为理解神经发育和行为异常引起疾病的机制，提供一个研究的方法。

论文DOI链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-024-00181-x

Yi, Y., Dai, F., Zhang, Y. et al. Alterations of Sensory-related Functional Brain Network Connectivity in Nrsn2 Homozygous Knockout Mice. Phenomics (2024). https://doi.org/10.1007/s43657-024-00181-x

研究背景

NRSN2基因（又称Neurensin-2）编码神经细胞的囊泡膜蛋白，主要在大脑组织中高表达，包括丘脑/下丘脑、大脑皮层、海马和小脑浦肯野细胞等。研究发现该基因从小鼠胚胎期13.5天开始表达，出生后表达逐渐增加。在人类疾病中，NRSN2被认为是20p13染色体微缺失综合征的关键候选基因，与运动障碍、全面发育迟缓、智力障碍以及孤独症行为相关。遗传关联研究提示NRSN2与神经系统疾病存在相关性，如阿尔茨海默病、血管性痴呆和自闭症等。Nrsn2基因小鼠敲除模型发现Nrsn2能够对小鼠的情绪进行双向调节，Nrsn2上调将导致小鼠抑郁行为，而Nrsn2缺失则能使小鼠对压力和刺激不敏感，并发现Nrsn2敲除会影响突触后AMPA受体的转运以及AMPA受体介导的兴奋性突触后电流。前期研究已经描述了Nrsn2基因在小鼠行为和功能方面的作用，该研究期望进一步揭示Nrsn2基因对脑结构和功能的影响。

磁共振技术（MRI）是一种非侵入性的用于体内成像的方法，通过结构磁共振成像（sMRI）、扩散加权磁共振成像（dfMRI）和功能磁共振成像（fMRI）等多种模式，能够检测到与大脑结构、功能和功能连接相关的异常，现已广泛应用于抑郁症、阿尔茨海默病和孤独症等复杂神经精神疾病的研究。其中，结构磁共振成像（sMRI）用于获得大脑解剖结构的高分辨率图像，能够精确地显示大脑的灰质和白质结构。这对于检测大脑结构异常，如脑萎缩、皮层厚度变化和脑容积变化等，具有重要意义；扩散加权磁共振成像（dMRI）能够检测水分子在组织中的扩散过程，从而反映白质纤维束的微观结构和完整性。这种成像模式在研究神经通路和大脑连接性方面具有独特优势；功能磁共振成像（fMRI）检测脑区活动时的血氧水平变化，提供大脑功能活动的动态图像。它广泛应用于研究大脑在不同任务或静息状态下的功能连接性。在抑郁症研究中，fMRI用于观察情感调节相关脑区的功能活动。通过sMRI、dMRI和fMRI等多模态MRI技术，研究人员能够综合分析大脑结构和功能的异常，揭示复杂神经疾病的潜在机制，更好地理解这些疾病的临床表征。

在该项研究中，安宇团队和王鹤团队利用11.7 T磁共振成像技术，对发育期和成年期的Nrsn2-/-和野生型小鼠进行核磁成像研究。基于体素形态学测量分析（VBM）、功能磁共振成像（fMRI）和扩散张量成像（DTI）等多种分析方法，阐明了Nrsn2缺失对小鼠大脑结构、功能活动和网络连接等多个方面的影响。

研究结果

根据Nrsn2的两个跨膜区位置，该文研究者采用CRISPR-Cas9对跨膜区域进行了靶向敲除，导致Nrsn2蛋白完全截断，通过序列-结构蛋白-配体推断工具（SPLIT）分析证实Nrsn2的两个跨膜区被成功破坏，从而构建了Nrsn2功能缺陷的基因编辑小鼠。

前期的单细胞测序结果发现Nrsn2从小鼠胚胎E13.5到P90的成鼠中是持续表达的，且报道Nrsn2基因的情绪调节子作用是在成鼠中，而与神经发育障碍相关的表型是儿童期出现，该文研究者猜测在Nrsn2在发育不同时期的作用是不同，并设计了幼鼠和成鼠两个实验组，分别进行多种模式核共振成像分析（图1）。

图1 研究示意图

为研究Nrsn2敲除对脑结构的影响，对Nrsn2-/-小鼠和野生型小鼠进行了T2加权磁共振成像（T2WI），并对幼年组和成年组分别进行了VBM分析。在脑功能活动方面，进行静息态功能磁共振成像（Rs-fMRI）扫描，运用低频振荡振幅（ALFF）、低频振幅分数（fALFF）和区域同质性（Reho）三种分析方法，在FWE < 0.05的阈值下未发现显著差异。尽管研究者未观察到Nrsn2-/-小鼠大脑灰质或白质的结构变化，也未发现对大脑神经功能活动的影响，在大脑白质的微观结构和连接差异方面，对幼年组和成年组小鼠进行了DTI扫描，对比FA、AD、MD和RD参数，未观察到这些参数有显著差异（p > 0.05 FDR）。但是，研究者发现网络内和网络间功能连接方面，幼年组和成年组都有显著的差异。脑区内和脑区间功能连接方面是基于Rs-fMRI进一步进行脑网络分析，参照Allen Brain Explorer® beta网站对脑区进行划分，将小鼠大脑分为28个模块（图2）。

图2 小鼠大脑模块示意图

在幼年小鼠中，该文研究者观察到味觉系统（M4）和无颗粒岛系统（M10）脑区内的功能连接显著增强（图3a-b），而成年小鼠在听觉系统内（M6）脑区内的功能连接显著减少（图4a）。这些发现表明，幼年Nrsn2-/-小鼠在味觉信息整合和情绪处理方面可能存在功能异常，而成年Nrsn2-/-小鼠在听觉信息整合方面可能存在异常。无颗粒岛（又称岛皮层的前部）由背部和腹部组成。早期研究表明，在人类和灵长类动物进行认知任务期间，无颗粒岛背部部分显著激活。在人类fMRI研究中，无颗粒岛腹部在情绪意识期间表现出显著激活。另一项研究强调了无颗粒岛在恐惧记忆和焦虑调节中的重要作用。此外，在幼年组中，大多数脑区间的功能连接增强，而在成年Nrsn2-/-小鼠中，大多数脑区间的功能连接减弱。这表明Nrsn2在不同发育阶段对不同脑区发挥特定作用。

尽管功能性脑网络连接在幼年组和成年组之间的趋势有所不同，但也存在一些共性。在幼年和成年Nrsn2-/-小鼠中，体感系统（somatosensory system）及其他脑区之间的连接发生了明显变化。在幼年组中，涉及味觉系统、嗅觉系统和中脑感觉相关区域的节点的连接性发生了显著改变（图3d-i），这些节点与感觉密切相关，并且这些显著变化扩展到其他各种脑区。同样，在成年组中，显著连接节点包括体感系统（somatosensory system）、听觉系统、视觉系统、嗅觉系统和中脑感觉相关区域，这些节点均与感觉系统相关（图4c-h）。此外，在两个组中均发现额叶皮层与感觉相关系统之间的功能连接发生了变化。先前的研究发现Nrsn2作为情绪的双向调节因子，在海马中高表达的Nrsn2会诱导成年小鼠抑郁，而Nrsn2敲除小鼠则表现出抗应激能力，这表明感觉信息的传递与情绪调节之间存在显著关联。

通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉系统的感觉刺激可以调节抑郁和情绪已经被报道，例如味觉丧失的患者更容易患上抑郁症。此外，在重度抑郁症患者中，已观察到与默认模式网络（DMN）相关的脑区或DMN网络之间的连接增强；在啮齿动物中，DMN网络包括前额系统中的眶皮质和前边缘皮质、扣带皮质、听觉相关皮质、后顶叶皮质、反折皮质和海马。在该研究中，研究者在成年Nrsn2-/-小鼠中发现了听觉系统、前额系统、反折系统和扣带系统之间的功能连接减弱。该文研究者推测，DMN相关脑区中功能连接的减弱可能导致了成年Nrsn2-/-小鼠的抗应激能力。然而，在幼年Nrsn2-/-小鼠中未发现这个现象，研究者观察到涉及前额系统、后皮质系统和其他非DMN网络脑区的功能连接变化。

图3 幼年鼠大脑网络内和网络间功能连接

图4 成年小鼠大脑中网络内和网络间的功能连接

研究结论

该研究利用11.7 T多模态磁共振成像（MRI）技术，评估了Nrsn2基因敲除对不同发育阶段小鼠的大脑微结构、脑功能活动和网络连接的影响。该研究发现，Nrsn2基因的影响更明显地表现在大脑网络内外的功能连接上，特别是与感觉系统相关的网络如味觉系统和听觉系统，而不是直接改变大脑结构或区域功能。早期多项研究发现默认模式网络（DMN）的增强和抑郁症相关，而在该研究中，发现成年Nrsn2-/-小鼠中多个DMN相关区域间脑功能连接减弱，其中包括听觉系统、后皮质系统、扣带系统和前额系统。此外，也有研究发现Nrsn2基因敲除增强了压力耐受能力。结合该研究的发现，该文研究者猜测DMN相关区域间脑功能连接减弱可能与Nrsn2-/-小鼠压力耐受能力的增强有关。此外，感觉系统在环境感知中起关键作用，这意味着Nrsn2基因敲除导致的网络连接改变可能影响大脑对外部信息输入的处理和整合。Nrsn2在大脑中的分子功能及其与临床特征的关系仍需进一步探索。本研究将为这一领域提供了宝贵的见解。

复旦人类表型组研究院安宇副教授和王鹤教授为共同通讯作者，2019级硕士生易媛和戴飞（工程师）为共同第一作者。该项目由上海市科技重大专项国际人类表型组计划一期（项目编号2017SHZDZX01）和宁波市科技项目资助（项目编号2023Z178）。

Abstract

Neurensin-2 (Nrsn2) is a neuro-specific gene linked to neurodevelopmental disorders and has recently been reported to function as a bidirectional emotional regulator, highlighting its molecular roles in the nervous system. However, the connections between Nrsn2, brain architecture, and functionality remain to be fully elucidated. Our study utilized 11.7T multimodal magnetic resonance imaging (MRI) to assess the impact of Nrsn2 gene knockout on the brain’s microstructure, regional functional activity, and network connectivity during different developmental phases in mice. We observed significant changes in the functional brain network connectivity of Nrsn2-/- mice without marked differences in brain microstructure or regional activity. These changes were particularly pronounced in sensory-related areas, such as the gustatory and auditory systems, in both juvenile and adult specimens. Previous studies have correlated the enhanced Default Mode Network (DMN) with depression, and Nrsn2 knockout has been associated with stress resilience. Our findings further revealed reduced connectivity in various DMN regions in adult Nrsn2-/- mice, suggesting a potential link to increased stress tolerance. Moreover, the sensory system’s critical role in environmental perception implies that alterations in network connectivity due to Nrsn2 knockout could affect the processing and integration of external inputs, thereby influencing emotional experiences.

作者介绍

通讯作者

安宇

安宇，现任复旦大学人类表型组副研究员、硕士生导师。博士毕业于复旦大学遗传学专业，先入职复旦大学生物医学研究院分子病理中心和出生缺陷中心，曾为美国哈佛医学院麻省总院基因组医学中心访问学者，现在复旦大学人类表型组研究院和生命科学学院人类遗传与人类学系开展科研工作，复旦大学医学遗传研究院教育培训部主任，致力于遗传病的遗传机制和病因学研究，包括出生缺陷的遗传机制、神经发育障碍的分子致病机理、基因型和表型的关系、基因突变谱鉴定和遗传咨询研究。以共同第一/通讯作者在BMJ，Clinical Chemistry, NPJ Parkinsons Disorder, Movement Disorders，Human Genetics, Clinical Genetics 等刊物发表文章30余篇。参与医学遗传学，遗传咨询和临床遗传学的研究生教学工作，参与获得复旦大学研究生教学成果一等奖，上海市教育委员会优秀教学成果二等奖。主编研究生教材《遗传咨询》。担任中国遗传学会遗传诊断分会委员及秘书长，上海市遗传学会理事及临床遗传与遗传咨询专业委员会副主任委员。

王鹤

王鹤，研究员、博导。复旦大学张江国际脑影像中心主任，复旦大学类脑智能研究院研究员，复旦大学附属中山医院双聘教授，曾在美国Emory大学做博士后。也担任了上海康复医学会脑功能检测与调控康复专业委员会副主任委员、中国康复医学会脑功能检测与调控康复专业委员会常委、上海市非线性科学学会监事、上海生物医学工程学会放射学分会常委等职务。近五年主持了包括国家自然科学基金面上项目、上海市探索者计划、上海市自然科学基金面上项目、上海市科委重大专项子课题等。近五年来以通讯作者在IEEE Trans Med Imaging、Science Advances、Hypertension、Neuroimage、IEEE J Biomed Health Inform等国际学术期刊上发表论文50余篇，申请国家发明专利17项，已授权12项，转化3项，获江西省科技进步二等奖和上海中西医结合科技奖二等奖等。

第一作者

易媛

易媛，上海复旦大学生命科学学院、人类表型组研究院，硕士生。2019年本科毕业于南通大学，同年入复旦攻读研究生。在Phenomics以第一作者发表研究论文。

戴飞

戴飞，现任复旦大学张江脑影像中心工程师，计算机应用技术硕士学位。本科与硕士分别毕业于东北师范大学和杭州师范大学，其后在华东师范大学从事医学影像分析研究，并在美国哥伦比亚大学医学院进行为期两年的访学。自2017年初入职复旦大学类脑人工智能科学与技术研究院，专注于医疗影像数据后处理与分析及相关软件的研发，特别是在磁共振弥散成像和重建方面积累了丰富的技术经验。此外负责高性能服务器集群的运维和科研数据管理工作。