大脑发育由一系列协调的步骤组成，这些步骤主要由我们的基因指导。在这些步骤中，大脑中神经细胞(神经元)的正确定位和功能至关重要——无功能或错误定位的神经元会导致严重的神经病理学后果。协调该程序的基因突变通常与神经发育障碍有关;然而，营养缺乏或营养不良等环境压力因素也会影响大脑的发育。尽管如此，人们对特定营养素的重要性以及新陈代谢在大脑发育过程中的作用知之甚少。
Gaia Novarino教授和她在 ISTA 的团队现在已经阐明了这个大脑之谜。科学家们与几所维也纳大学合作，对老鼠大脑的营养计划进行了分析。他们发现一组氨基酸——蛋白质的组成部分——在大脑发育的某些阶段发挥着关键作用。这些氨基酸的饥饿神经细胞会导致出生后的严重影响。小鼠出现小头畸形(大脑体积缩小)并持续到成年期，最终导致类似于自闭症谱系障碍 (ASD) 中观察到的长期行为变化。该研究结果今天发表在Cell上。
追踪营养素
代谢物是我们分解食物时产生或使用的物质，从而为我们的身体提供能量。其中一组代谢物——大型中性氨基酸 (LNAAs)——引起了科学家们的注意。LNAA 是人体无法自行合成的必需氨基酸，必须通过食物摄取。“通过检查整个大脑发育过程中代谢物的水平，它们似乎对出生后的神经发育期尤为重要，”第一作者和博士生 Lisa Knaus 解释说。此前，Novarino 小组发现了一种新型自闭症，由于标记为 SLC7A5 的基因存在遗传缺陷，患者无法将 LNAA 转移到大脑中。这种可能的联系激发了这位年轻科学家的调查天性。“我们对氨基酸在大脑发育中的作用非常感兴趣。”
饥饿导致大脑变小
研究人员继续进行条件敲除实验——一种在某些小鼠细胞中删除特定基因，从而产生突变小鼠品系的方法。然后将这些菌株与健康小鼠进行比较，使科学家能够评估耗尽是否会导致特征性特征发生变化。
在这种情况下，该小组删除了Slc7a5基因，该基因携带构建将 LNAA 带入神经细胞的转运蛋白的指令。换句话说：神经元缺乏必需氨基酸。在胚胎阶段，大脑形成似乎很好。然而，在出生后不久，神经细胞就开始受到低水平 LNAA 的影响。在此期间，与健康小鼠相比，突变小鼠由于皮质(大脑的外层)厚度减少而出现小头畸形。
神经元死亡
为了了解更多，科学家们采用了一种方法来标记和操纵单个神经元。他们发现大脑皮层上层的大部分神经元在出生后的头几天就消失了。细胞正在死亡——但为什么呢?事实证明，缺乏 LNAA 的神经元不太活跃。“不能正常发射的神经元在出生后不久就会被淘汰。这就像自然选择，只有最适合的细胞才能生存，”Knaus 解释道。
行为的长期变化
神经元死亡和活动率在关键期后正常化。然而，较小的大脑尺寸一直持续到成年。突变小鼠开始表现出多种行为异常，包括运动缺陷、社交缺陷和多动症。尽管不是完整的代表，但这些行为模式与 SLC7A5 基因突变患者的行为模式非常相似，这些患者也表现出小头畸形、自闭症和运动缺陷。
Knaus 总结道：“我们的工作详细介绍了新陈代谢和营养供应的微小变化如何对大脑发育和功能产生严重影响。”
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