研究亮點
1、首次結(jié)合體內(nèi)外電生理研究
通過無線 EEG 發(fā)現(xiàn) Syngap1+/- 小鼠 delta 和 theta 功率升高、 spike trains 增多，首次利用 HD-MEA 證實其原代神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)放電活動增強、爆發(fā)頻率增加且爆發(fā)間隔縮短，橋接了體外神經(jīng)元電生理與體內(nèi)腦電活動。

2、發(fā)現(xiàn)新型轉(zhuǎn)化表型
明確睡眠結(jié)構(gòu)異常（慢波睡眠減少、主動覺醒增加）可作為 SRID 潛在生物標志物，為臨床診斷和治療評估提供新方向。

3、行為表型的系統(tǒng)驗證
通過多種行為測試（開放場、Y 迷宮、新物體識別等）全面證實 Syngap1+/- 小鼠存在多動、認知缺陷及焦慮樣行為減少，為 SRID 病理機制研究提供堅實行為學證據(jù)。

Maxwell HD-MEA
Maxwell HD-MEA的很多特點使得它受到神經(jīng)科學家們及人工智能科學家們的青睞：

⚫ 3265 electrods/mm²的高密度電極
Maxwell MEA芯片上有26400個電極。這樣的密度使其可以記錄2D培養(yǎng)物中幾乎每一個活細胞；而對于3D類器官更為關(guān)鍵，因為類器官與芯片接觸面積通常比較小，如此高的密度提供了足夠的記錄位點獲取大量神經(jīng)元信息。

Maxwell MEA 芯片

⚫可放在培養(yǎng)箱內(nèi)進行記錄
這使得在記錄過程中細胞能夠維持良好的生理狀態(tài)，支持反復(fù)長期的檢測。

⚫低本底噪音，高信噪比
僅為2.4微伏的本底噪音保證了高質(zhì)量的讀取信號，使得AI系統(tǒng)獲得足夠豐富的輸出信息。

⚫電極可作為刺激電極
在2萬多個電極中每一個電極都可作為刺激電極給出刺激，這在構(gòu)建的AI系統(tǒng)中成為重要的信息輸入的媒介。在此，高電極密度也為這種信息輸入提供了高空間分辨率的特性。

⚫可開放API，實現(xiàn)快速實時反饋系統(tǒng)
Maxwell HD-MEA可開放API，允許其它軟件的操控，靈活地設(shè)計輸入輸出模式，能夠在輸入與輸出間建立實時的反饋。

研究結(jié)果
突變小鼠中SynGAP1蛋白水平降低
研究人員對出生后第42天（PND42）的Syngap1+/−突變小鼠和同窩野生型（WT）對照小鼠的皮層裂解物進行了Western blot分析，使用已驗證的抗體檢測SynGAP1總蛋白表達水平（以GAPDH為內(nèi)參）。Western blot結(jié)果顯示兩條與已知SynGAP1亞型對應(yīng)的條帶，研究者對其中較大的主要亞型條帶進行了定量分析。結(jié)果顯示，雜合突變體Syngap1+/−的SynGAP1蛋白水平降至野生型標準化表達的41%。

圖1：Syngap1+/-小鼠SynGAP1蛋白表達顯著降低

A PND42的Syngap1+/+和Syngap1+/-小鼠的SynGAP1與Gapdh蛋白表達。Western Blot顯示Syngap1+/-小鼠SynGAP1（140kDa）表達降低。B 經(jīng)Gapdh標準化后的SynGAP1蛋白定量顯示，Syngap1+/-腦組織SynGAP1表達量僅為野生型同窩對照的41%。數(shù)據(jù)采用t檢驗，*P=0.0051（各組n=3）。

突變小鼠的運動增多和認知功能受損
通過行為學實驗系統(tǒng)評估了Syngap1+/−小鼠的運動和認知功能。

在曠場實驗中，突變小鼠表現(xiàn)出顯著的多動癥狀，其水平活動和總活動量在所有時間段均顯著高于野生型，且中心區(qū)域停留時間增加，結(jié)合高架十字迷宮實驗結(jié)果，提示其可能具有焦慮樣行為減少和多動共存的復(fù)雜表型。認知功能測試顯示，在新物體識別任務(wù)中，突變小鼠對新物體的探索偏好降低，表明長期記憶受損；而在Y迷宮測試中，雖然工作記憶的正確率無顯著差異，但其臂間轉(zhuǎn)換次數(shù)顯著增多，再次印證了多動特征。

這些結(jié)果共同表明，Syngap1單倍劑量不足會導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)明顯的多動行為和認知功能障礙，其中多動表型在不同行為范式測試中表現(xiàn)一致且顯著，而認知缺陷主要體現(xiàn)在長期記憶方面。
 

圖2：Syngap1+/-小鼠運動活性增強伴認知障礙

A水平活動、B總活動量和C中心區(qū)域停留時間均顯著增加（重復(fù)測量ANOVA）。D 30分鐘總活動量比較（t檢驗）。E新物體識別測試中突變鼠未表現(xiàn)偏好。F自發(fā)交替任務(wù)正確率無差異。G臂間轉(zhuǎn)換次數(shù)顯著增多（t檢驗）。P<0.05，***P<0.0001。

突變小鼠的體內(nèi)腦電圖改變
通過無線遙測技術(shù)對Syngap1+/-突變小鼠進行了系統(tǒng)的腦電活動和睡眠結(jié)構(gòu)分析。

研究結(jié)果顯示，與野生型小鼠相比，突變小鼠表現(xiàn)出顯著的腦電圖異常：72小時連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)其絕對功率譜密度（PSD）整體升高，特別是Delta波（0.5-4Hz）和Theta波（5-9Hz）功率顯著增強，同時棘波串數(shù)量和持續(xù)時間明顯增加，這些發(fā)現(xiàn)提示Syngap1單倍劑量不足導(dǎo)致神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)過度興奮。

在睡眠結(jié)構(gòu)方面，突變小鼠表現(xiàn)出明顯的睡眠-覺醒周期紊亂：主動覺醒時間顯著增加，安靜覺醒時間減少，慢波睡眠比例明顯降低，異相睡眠雖未達統(tǒng)計學顯著性但也有減少趨勢。

這些電生理和行為學改變與人類SYNGAP1相關(guān)神經(jīng)發(fā)育障礙患者的臨床特征高度吻合，為理解該基因缺陷導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)異常的內(nèi)在機制提供了重要實驗依據(jù)。
 

圖3：Syngap1+/-小鼠delta/theta波功率增強

無線遙測EEG顯示：A功率譜密度整體升高；B delta/theta頻段功率顯著增加；C 10分鐘功率分布示delta/theta波增強；D棘波串計數(shù)；E棘波串總時長增加；F代表性EEG波形（雙因素ANOVA與t檢驗）。P<0.05，P<0.01，P<0.001，****P<0.0001。
 

圖4：Syngap1+/-小鼠睡眠特征改變

A無線記錄系統(tǒng)示意圖及四期睡眠特征波形。B主動覺醒期比例增加；C安靜覺醒期減少；D慢波睡眠減少；E異相睡眠有降低趨勢（t檢驗）。*P<0.05，**P<0.01。

突變小鼠原代培養(yǎng)神經(jīng)元電生理活動增強
通過高密度微電極陣列技術(shù)（HD-MEA）系統(tǒng)比較了Syngap1+/-突變小鼠與野生型原代皮層神經(jīng)元的電生理特性。

研究發(fā)現(xiàn)Syngap1單倍劑量不足導(dǎo)致神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動顯著增強，表現(xiàn)為：動作電位形態(tài)改變、爆發(fā)式放電活動增多、爆發(fā)間隔縮短等特征性改變。具體而言，突變神經(jīng)元雖然每次爆發(fā)包含的放電次數(shù)減少，但爆發(fā)頻率在培養(yǎng)第21天（DIV21）后持續(xù)增加，爆發(fā)間隔時間從DIV21開始顯著縮短，至DIV29時爆發(fā)持續(xù)時間也明顯延長。

這些電生理異常表明Syngap1缺失導(dǎo)致神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)興奮性增高和同步化活動增強，可能反映了突觸可塑性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的紊亂。
 

圖5：Syngap1+/-原代神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)放電活動增強

A動作電位波形疊加；B全芯片放電頻率；C網(wǎng)絡(luò)活性掃描電極選擇；D野生型柵格圖；F野生型網(wǎng)絡(luò)活動；E突變型柵格圖；G突變型網(wǎng)絡(luò)活動增強（同步記錄1024個電極）。
 

圖6：Syngap1+/-神經(jīng)元爆發(fā)活動增加

A單次爆發(fā)放電次數(shù)減少；B爆發(fā)間隔（IBI）在DIV21/27/29縮短；C DIV21后爆發(fā)次數(shù)持續(xù)增加；D DIV29爆發(fā)時長延長（雙因素ANOVA）。P<0.05，P<0.01，P<0.001，****P<0.0001。

研究總結(jié)
本研究通過整合HD-MEA和無線腦電技術(shù)，首次在Syngap1+/-小鼠模型中系統(tǒng)揭示了突觸功能障礙與神經(jīng)發(fā)育障礙的關(guān)聯(lián)。

研究發(fā)現(xiàn)，Syngap1單倍劑量不足導(dǎo)致神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動增強、睡眠結(jié)構(gòu)紊亂及認知行為異常，并首次在體外和體內(nèi)水平建立了電生理與行為表型的橋梁。

這些發(fā)現(xiàn)為SRID的精準治療提供了關(guān)鍵生物標志物和潛在干預(yù)靶點，推動了從基礎(chǔ)研究到臨床轉(zhuǎn)化的突破。

參考文獻：
Fenton TA, Haouchine OY, Hallam EB, et al. Hyperexcitability and translational phenotypes in a preclinical mouse model of SYNGAP1-related intellectual disability. Transl Psychiatry. 2024 Oct 2;14(1):405. doi: 10.1038/s41398-024-03077-6.