作者:Scott Sternson 来源:《细胞》 发布时间:2020/8/27 15:52:59
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后脑双负反馈介导食感引导的食物和水的消耗

 

2020年8月24日,cell在线发表了美国霍华德休斯医学研究所Scott M. Sternson研究组的论文——Hindbrain Double-Negative Feedback Mediates Palatability-Guided Food and Water Consumption。研究者发现了小鼠大脑位于脑干区域的一个全新脑区periLC中的谷氨酸神经元编码了食物或饮料可口性的信息,通过双向抑制性反馈调节,将小鼠行为维持在进食或摄水阶段,从而决定了动物每次进食或摄水量的多少。

根据这类神经元在体内的钙信号活动,配合小鼠的进食或摄水行为抑制该类神经元,能够模拟改变食物可口性(palatability shifting), 即使小鼠不处于饥饿或者饥渴的状态,也能够在不改变小鼠进食或摄水次数的情况下,有效增加每次的摄取时间。很好解释了为什么即使酒足饭饱之后,对于一些好吃的甜点或是可口的奶茶我们只要尝了一口,依然难以抵制。

通过对小鼠全脑的饥饿环路以及饥渴环路进行环路结构和功能追踪,研究者发现了一系列被两类环路共同使用的脑区,其中就包括鲜有报到过的peri-locus coeruleus (periLC)。这个位于后脑脑干、临近第四脑室的核团仅在大鼠的大脑解剖研究中偶有提起,在Allen Institute公布的最新小鼠大脑结构图谱中还没有精确定位,其功能更加扑所迷离。鉴于periLC属于饥饿环路和饥渴环路的共同下游脑区,研究者大胆猜测这个脑区于进食行为和摄水行为有密切相关性。

通过大量反复的尝试,研究者开发出了一种在自由运动小鼠身上稳定记录后脑脑干深部脑区的钙成像实验方法 (图一)。脑干位于大脑的最末端,与脊柱神经直接相连。动物处于清醒自由运动的状态下,脑干随着运动中脖子肌肉的扭动会有大幅度的位移。如何在这种情况下在脑干位置植入内窥镜设备进行实时钙成像检测成为了领域内共同的难题。通过对植入镜片的具体改造,龚蓉博士成功记录了periLC的神经元在小鼠自由运动过程中的各种动态变化。

图一:(A-B)在GRIN植入镜片侧面装配上稳定用的钨丝后(B),在自由运动小鼠periLC区域的钙成像动态监测过程中看到的视野 (图中所示是10秒内1000帧图像z 轴上的投射)稳定性要远高于传统用于小鼠深部脑区钙成像(A),从而为在自由运动小鼠中稳定记录神经元活动提供了保障。(C)小鼠在自主舔食行为时,periLC的谷氨酸神经元呈现出抑制性反应或兴奋性反应。

相关性研究表明,periLC中的一部分谷氨酸神经元与小鼠的进食行为和摄水行为中的consummatory phase有密切相关性。部分谷氨酸神经元在这个过程中会被激活,另一部分会被抑制。咋一看,谷氨酸神经元反应杂乱而无章。但通过细致的比较和研究,就会发现不尽其然。让小鼠摄取不同口味的溶液,观察这类谷氨酸神经元的活动,然后进行图像处理和无监管的分组分析(unsupervised clustering)比对就会发现:对于类似性质的溶液,譬如小鼠饥渴时喜欢的糖水和水、小鼠讨厌的酸水和含盐的水、苦水和高含盐的水,兴奋性反应的谷氨酸细胞以及抑制性反应的谷氨酸细胞都是来自于同一种亚群体;对于性质截然相反的溶液,譬如甜味的水和苦味的水,抑制性反应的谷氨酸细胞还是来自同一亚群,但是对甜水和苦水兴奋性反应的谷氨酸细胞却属于两个不同的细胞亚群。

也就是说,对类似性质的饮用物,无论兴奋性反应还是抑制性反应都具有同质性;但是对于异质性的饮用物,兴奋性反应的谷氨酸细胞分属不同亚群,能够简单粗暴地代表饮用物的‘好坏’性质。而抑制性反应的谷氨酸细胞则与食用或饮用物的性质没有关系。但非常有趣的是,这类抑制性反应的谷氨酸神经元在进食或饮食时的反应大小与食物或饮用物的可口性密切相关: 相同饮用体积情况下,对甜味水的抑制性反应比对水的大,而苦味水的反应是所有一系列测试溶液中抑制反应最小的。似乎谷氨酸细胞抑制性反应的大小代表了食用或饮用物‘好坏’的程度,亦即可口度。

在通过一系列相关性实验的研究,研究者排除了小鼠进食或摄水行为中舌头或面部肌肉运动可能造成的假象,证明了抑制性反应的存在与食物或饮用物本身的相关性。更重要的是,让小鼠在自主状态下进食,从饥饿到温饱的状态跟踪监测,会发现这类抑制性谷氨酸神经元的反应比兴奋性谷氨酸神经元的反应能够更好的追踪每次进食的时间。由于在这个实验体系中,进食时间与进食量密切相关,所以也就是说抑制性反应能够更好地追踪我们常说的每顿饭的饭量。很有可能,这类抑制性反应的谷氨酸神经元接收了食物或饮用物的可口性的信息,而且根据此信息编码了小鼠目前进食时间长度。

“钙成像等相关性实验提供了我们很多重要的一手性资料,给了我们一个大胆猜测的基础。但更重要的是通过建模和perturbation 实验去验证这样的一个可能性” ,论文第一作者龚蓉强调。

根据periLC抑制性谷氨酸神经元在体活动的特性,研究者人为将小鼠自由进食过程分割成两分钟的时间块,包括两种互相交替的特性:一种两分钟的时间块不包括任何干扰,另一种时间块内一旦小鼠进食,就会用光遗传的办法抑制periLC内谷氨酸神经元的活动,最后的结果做组内两种时间块内的对比。研究者预测增加这类细胞的这种抑制性反应会让小鼠错误认为普通的食物或是纯净水变得更可口,从而增加每次进食或是摄水的时间长度。

确实,研究者最后发现,当periLC 谷氨酸神经元被抑制时,小鼠的进食或是摄水量都显著增加。更重要的是,这种增加不是来自于进食或是摄水的次数增多,而是来自于每次进食或喝水的时间变长,也就是说不是吃、喝更多次,而是每次吃或是喝得更多。这种反应非常特异,如果将这种光遗传学的抑制效果随机分布,也就是不与小鼠的进食或摄水行为相关联,则均看不到进食或摄水行为的明显变化 (图二)。

图二: (A)以两分钟的时间为单位让小鼠交替处于被激光特异性抑制和不被调节的状态。其中激光特异性抑制分为与舔食行为相匹配、与舔食行为无关和没有激光的空白对照三种情况。(B-C)仅有在与舔食行为相匹配的情况下显著增加了小鼠每次进食或摄水的时间长度,但是对进食或摄水次数没有影响。

进一步的数学建模表明,小鼠每次自主进食或是摄水时间的长度分布符合指数分布特征,而抑制periLC谷氨酸神经元的效果则改变了指数函数中的系数β。类似于在Markov 模型中改变了状态改变的系数。1/β 是离开进食或是摄水行为的概率,1-1/β则是停留在目前进食或是摄水行为的概率 (Pstay) 。光遗传学所介导periLC谷氨酸神经元的抑制成功地把停留在目前进食或是摄水行为的概率增加了5%左右,显著增加了每次进食或是摄水时间 (图三)。

另外,当同时给予小鼠两瓶相同浓度或不同浓度的三氯蔗糖溶液时,倘若配对小鼠舔食一侧溶液时抑制periLC谷氨酸神经元,会改变原来对两瓶溶液的喜好:都会增加匹配抑制那一侧的溶液喜好度,即使这一侧原来是相对不太喜欢的三氯蔗糖溶液浓度低的一侧。因为三氯蔗糖溶液不含任何营养成分,因此对它的喜好直接代表了消耗食物或饮料的享乐值(hedonic value), 这是可口性的一个重要指标。实验证实,改变periLC谷氨酸神经元的抑制程度,能够模拟改变溶液的可口性,进一步证实了这类神经元编码了所摄取食物或水的可口性信息。

图三:(A)与舔食行为配对抑制periLC谷氨酸神经元能显著增加小鼠停留在目前进食或摄水阶段的可能性。(B)periLC谷氨酸神经元通过双向抑制反馈维持小鼠处于进食或摄水阶段。PeriLC谷氨酸神经元的抑制性反应由食物或饮料的可口性决定,被饥饿或饥渴调节。(来源:科学网 龚蓉

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.031

 
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