自闭症谱系障碍（ASD）作为一种典型的神经发育障碍，其核心症状主要包括社交障碍及重复刻板行为。认知灵活性损伤可造成孤独症患者内/外状态难以自由切换从而导致ASD患者核心临床症状的出现。认知灵活性异常与大脑功能连接动态性密切相关，因此，定量描述孤独症患者大脑功能连接动态性异常能够更好地揭示孤独症的神经机制。

近日，昆明理工大学灵长类转化医学研究院、省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室王骄健教授团队在国际知名期刊（中国科学院1区Top）Advanced Science上发表了题为“Disentangling the Switching Behavior in Functional Connectivity Dynamics in Autism Spectrum Disorder: Insights from Developmental Cohort Analysis and Molecular-Cellular Associations”的研究论文。研究团队提出了区域功能连接动态性切换指数（region-wise functional connectivity dynamic switching index: RFSI）来定量描述孤独症患者大脑不同状态下功能连接动态性切换异常，并结合转录组和神经递质数据揭示了异常切换的分子机制；此外，团队创新性地结合孤独症猴模型对RFSI异常模式进行了验证，并进一步整合单细胞测序来揭示异常切换的细胞机制。该研究为理解ASD异常的神经、细胞和分子机制提供了新的证据。

该研究基于1700例大规模的静息态fMRI数据，系统评估了ASD个体在不同发育阶段的功能连接动态性切换异常。研究发现皮层的切换行为异常主要分布在五个功能网络中：背侧注意力、显著性/腹侧注意力、边缘、额顶叶控制和默认模式网络。其中显著性/腹侧注意力网络在所有年龄组中表现出稳健且一致的组间差异，表明在整个ASD发展过程中注意突显性处理持续发生变化。对于默认模式网络，异常的切换仅限于儿童和青少年，表明成年期默认模式网络功能的正常化或代偿机制。额顶叶控制网络仅在青春期表现出显著的组差异，表明这一网络在认知控制过程中存在一种短暂但具有发育阶段特异性的紊乱（见下图1）。这些发现强调了ASD网络水平功能改变的时空异质性，并强调青春期是额顶网络功能障碍的关键窗口。

图1 MANOVA揭示了异常的RFSI

通过对疾病异常RFSI模型进行功能解码，揭示ASD的RFSI异常脑区主要与面孔情绪处理和社会认知等相关，表明RFSI能够有效揭示ASD异常的大脑表征（见下图2A）。鉴于神经递质在ASD病因中的重要作用，研究还衡量了神经递质受体/转运体表达和ASD中异常RFSI的关系。神经递质受体密度图-神经影像学空间相关性分析显示，ASD脑区异常的RFSI模式与谷氨酸、多巴胺和血清素有关。

图2 异常RFSI解析

为了进一步验证RFSI指标能够有效地揭示孤独症大脑功能动态性的异常切换模式，研究人员将RFSI方法运用到MECP2基因编辑的ASD猴模型，研究发现，在左侧眶外侧前额叶皮层、左侧后岛叶、右侧顶下皮层、双侧内侧前运动皮层、前扣带皮层、眶内侧前额叶皮层以及颞极皮层，人类与猕猴ASD个体均表现出一致的RFSI异常（见下图3）。这些脑区在社会认知、情绪调节以及感觉信息处理等方面发挥关键作用，而这些功能正是ASD患者主要的临床症状。

图3 猕猴和成人ASD脑RFSI差异的相似性分析

在ASD发育过程中，前额叶皮层（PFC）在不同发育时期展现了不同的切换模式，为了揭示ASD中PFC异常切换背后的细胞类型特异性分子机制，研究者分析了儿童、青少年和成人ASD的前额叶的单细胞测序数据集，研究发现儿童期时期的差异基因数量最多，这与ASD儿童PFC异常切换比青少年或成人更严重的发现一致（见下图4）。

图4 从大脑皮层异常动力学到细胞类型特异性基因表达

在ASD患者中，上调的差异表达基因（DEGs）主要集中于AST-PP、L2/3和L4细胞，而下调的DEGs则主要出现在IN-SST细胞中，这些细胞中基因的异常主要与突触功能异常有关（见下图5），提示这些细胞类型在ASD病理机制中的潜在作用。

图5 不同发育阶段差异基因主要富集的细胞类型及功能

综上所述，本研究系统揭示了孤独症（ASD）个体从儿童期至成年期的大脑异常切换行为，不仅为ASD功能连接动力学异常的起源、发育轨迹及其潜在影响因素提供了新的基础性认识，也为解析该类异常背后的细胞与分子机制开辟了全新视角。相关发现有望为ASD的精准诊断和个体化治疗策略的制定提供理论支持与实践依据。

24级博士生李魏和硕士生邱夏为本文的共同第一作者，昆明理工大学灵长类转化医院研究院、省部共建生物医学国家重点实验室王骄健教授、中国科学院自动化所脑网络组中心初从颖副研究员和昆明理工大学机电工程学院刘孝保教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了云南省基础研究项目、昆明理工大学和云南省第一人民医院医学研究联合专项的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202403801

（供稿：灵长类转化医院研究院）