社交行为对人类的联系和归属感至关重要，但常常受到自闭症谱系障碍（ASD）等疾病的影响。中脑-伏隔核通路（从腹侧被盖区（VTA）到伏隔核（NAc））在社交行为中起着关键作用，并与ASD相关。然而，ASD相关突变对社交奖励处理的影响仍未得到充分研究。
基于此，2025年3月16日Hala Harony-Nicolas研究团队在Advanced Science杂志发表了“Altered Neural Activity in the Mesoaccumbens Pathway Underlies Impaired Social Reward Processing in Shank3-Deficient Rats”揭示了Shank3 缺陷导致的中脑奖赏路径神经活动改变，进而引起社交奖励处理障碍。
本研究聚焦于与一种罕见遗传疾病相关并和ASD有关的Shank3突变，利用Shank3缺陷大鼠模型，探讨其在行为过程中对中脑-伏隔核通路的影响。作者的研究结果表明，Shank3缺陷大鼠表现出异常的社交互动，这与其VTA多巴胺能神经元和GABA能神经元活动的改变以及NAc中多巴胺释放减少有关。此外，研究还表明，调控VTA神经元活动可以恢复正常行为，为Shank3突变对社交奖励处理的影响提供了见解，并确定了一个潜在的干预神经通路。
图一 Shank3缺失的大鼠在面对社交或物体刺激时表现出一种非典型行为
为了研究Shank3突变对社交行为及其与VTA相关神经活动的影响，作者首先使用“社交vs.空白”任务对Shank3缺失大鼠的行为进行了全面评估。在此任务中，实验大鼠被置于两个隔间之间：一个隔间包含社交刺激（幼年大鼠），另一个隔间保持空白。发现野生型（WT）大鼠及其Shank3杂合子（Het）和Shank3纯合子/敲除（KO）同窝大鼠在面对同性别的幼年大鼠刺激时，相比空白隔间，它们花费更多时间探索包含社交刺激的隔间。然而，与WT同窝大鼠相比，Shank3-KO大鼠表现出明显增加的社交刺激交互时间。此外，它们还表现出更长时段的社交探索行为，这种行为被认为与社交互动密切相关，并且对空白隔间的探索明显减少，无论探索时段的长度如何，而总探索次数没有变化。Shank3缺失大鼠表现出非典型的社交行为。WT大鼠在测试期间增加了在刺激物之间的转换频率，而Shank3-Het和KO大鼠在5分钟测试期间的转换率没有变化。这种非典型行为伴随着测试5分钟内的独特探索模式。具体而言，WT大鼠在测试的第2分钟对社交刺激的兴趣明显下降，以至于在第3分钟时，它们对社交隔间和空白隔间表现出无偏好。然而，Shank3-Het和Shank3-KO大鼠在整个5分钟测试期间持续与社交刺激互动，并且几乎对空白隔间毫无兴趣。在类似的实验范式中，作者将社交刺激替换为物体，无论是WT还是Shank3-KO大鼠都表现出对新奇物体的偏好，尽管其程度低于“社交vs.空白”任务中对社交刺激的偏好。然而，当分析5分钟测试期间的探索时间时，发现虽然所有三种基因型的大鼠在第1分钟均表现出对物体刺激的偏好，但WT和Shank3-Het大鼠在第1分钟之后迅速失去了对物体探索的兴趣，而Shank3-KO大鼠则继续花费更多时间在物体隔间。在“物体vs.空白”任务中未观察到累积探索时段长度、探索次数或转换模式的显著差异。综上所述，无论面对单一的社交还是非社交刺激选择，Shank3-KO大鼠均表现出非典型的交互增加。
图二 Shank3缺失大鼠在与社交刺激互动时表现出VTA-DA神经活动的受损
作者采用了光纤记录钙成像技术在行为过程中记录VTA神经元的活动。为了特异性靶向VTA的DA神经元，使用了双重病毒策略：一种病毒表达Cre依赖型GCaMP6（AAV9-CAG-FLEX-GCaMP6m），另一种病毒在酪氨酸羟化酶（TH）启动子的控制下表达Cre重组酶。在病毒表达三周后，在“社交vs.空白”任务中记录了GCaMP6的荧光信号。发现在社交互动期间，WT大鼠的钙信号显著增加，这反映了VTA-DA神经活动的增强，与之前在小鼠中的研究结果一致。相比之下，尽管Shank3杂合子（Het）和纯合子/敲除大鼠表现出看似活跃甚至更高的社交刺激交互行为，它们在社交互动期间并未表现出VTA-DA神经活动的增加，并且在“物体vs.空白”任务中接近物体时，其活动模式也类似。这些结果表明，Shank3缺失大鼠可能由于缺乏VTA-DA神经元活动，无法正确处理社交互动的奖赏价值，因此无法从中获得满足感。此外，这些结果还提示，在“物体vs.空白”任务中观察到的Shank3-KO大鼠对物体的增加交互行为，并非由VTA-DA神经元活动的改变引起，而是其他神经活动异常的结果。
图三 Shank3缺失大鼠在与社交刺激互动时表现出VTA-DA神经活动的受损，但在与物体或食物刺激互动时未表现出这种异常
在饱足状态下，使用GCaMP6信号记录大鼠在社交与食物任务以及物体与食物任务中的神经活动。WT大鼠在社交互动期间VTA-DA神经活动增加，而Shank3-Het或Shank3-KO大鼠无此增加；食物剥夺后的社交与食物任务中，各基因型在社交或食物互动期间无显著差异；结果表明Shank3缺陷大鼠虽花更多时间社交互动，但VTA-DA神经活动无增加，提示其对社交互动奖励方面处理无效，且缺乏VTA-DA活动增强在社交互动中尤其明显。作者接下来在另一组大鼠中研究社交互动期间NAc中多巴胺水平变化。向NAc注射AAV9-hSyn-DA2m（DA4.4）并植入光纤，记录饱足状态下社交与食物任务中荧光信号。结果显示WT大鼠社交互动伴随NAc中多巴胺释放增加，而Shank3缺陷大鼠无此效应，且所有基因型在探索食物隔间时多巴胺释放增加较少。Shank3缺陷大鼠VTA-DA神经元神经活动减少，与下游VTA区域（尤其是NAc）在社交互动期间多巴胺释放减少一致。
图四 对VTA的GABA能神经元进行光遗传抑制，可改善在Shank3基因缺陷大鼠中观察到的非典型行为
接下来，作者研究对VTA的GABA能神经元进行光遗传学抑制，是否也能使Shank3 KO大鼠的非典型行为表型恢复正常。发现对Shank3 KO大鼠的VTA-GABA能神经元进行抑制，减弱了它们与社交刺激物互动时间的非典型增加情况。在食物剥夺48小时后进行社交与食物任务测试时，Shank3 KO大鼠即使在食物剥夺的情况下，仍然对社交刺激物表现出强烈的偏好。作者发现，在社交互动过程中，对Shank3 KO大鼠的VTA-GABA能神经元进行抑制，改变了这种偏好，主要体现在测试的第一分钟和第二分钟。这些发现表明，VTA的GABA能神经元在社交互动过程中对行为的调节也起着至关重要的作用，而且Shank3基因突变也干扰了这一功能。因此，光遗传学操纵VTA中多巴胺能神经元或GABA能神经元的活动，能够使Shank3基因缺陷大鼠的社交行为恢复正常，使其行为类似于在WT动物中观察到的行为。总之，研究结果表明，Shank3基因缺陷大鼠在处理社交奖励以及从中获得满足感方面存在障碍，这归因于VTA中神经元活动的改变。
研究结果表明，Shank3在调节VTA神经元的活动以及VTA- NAc通路中发挥着关键作用，而该通路在社交刺激的奖励处理过程中起着核心作用。光遗传学干预实验为所观察到的神经活动缺陷与Shank3大鼠模型中的非典型社交互动之间的因果关系提供了证据。此外，发现在成年Shank3基因缺陷大鼠中，通过增强VTA-DA能神经元的活性或减轻VTA-GABA能神经元的过度活动，可以改善这种非典型互动。干预VTA通路有可能改善与Shank3缺陷相关的社交行为缺陷。
DOI:10.1002/advs.202414813