作者:王立平等 来源:《神经元》 发布时间:2023/3/16 10:56:20
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科学家首次阐明进食行为全过程的精细神经调控

 

为什么小孩子总是不好好专注吃饭,而是边吃边玩?这种行为特征是否受到大脑的精准调控?一些看似简单的行为,背后往往有复杂的神经调控机制,深刻理解不同行为背后的神经学原理,有助于我们理解大脑的生物学基础。

北京时间3月15日晚11时,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所、深港脑科学创新研究院王立平团队在神经科学顶级期刊《神经元》发表的关于大脑精细调控进食行为全过程的最新研究成果,对这些问题进行了解答。

研究团队首次详细描述了动物进食与非进食行为循环出现的“片段化进食”行为特征,并阐明了下丘脑与脑干的三群神经元依次调控每次进食的“准备-发起-维持”行为序列的过程。

该研究有望为厌食症、肥胖症等疾病的研究和干预提供新的思路,为深入理解本能行为过程中的精细神经调控机制提供新的研究方法和理论框架。

深圳先进院研究员王立平为论文通讯作者,助理研究员刘清晴、高级工程师杨星、深圳先进院与香港城市大学联合培养博士生罗墨轩为论文共同第一作者。深圳先进院为第一单位。

“吃饭”行为不简单

对于人和动物而言,进食都是关乎生存的头等大事。物种在复杂多变的自然环境中,既要敏锐地发现食物线索,也要时刻提高警惕关注环境的变化。经过亿万年的进化,自然选择塑造出物种精妙的进食行为策略,并固化到了大脑保守的“古老”结构中。

由于研究手段的限制,过去,研究者们大多只用“吃了多少”(即进食量)这一指标作为研究进食行为的“秤”。如今,人类已发现大脑中数十个脑区的多种神经元都可以控制动物“吃得更多或更少”,但大脑各个脑区多类神经元之间是如何协同工作,确保进食行为全过程顺利进行,至今未可知。

王立平团队在实验中发现,小鼠的进食行为并不是简单地“吃饭吃到饱”。一整天没吃东西的小鼠,即使很饿,也无法持续专注地“好好吃饭”。与人类幼儿相似,它们在进食过程中也表现出了“边吃边玩”的特点。因此,对进食行为的科学描述,应该更加倾向于是一个“循环的行为序列”,而不仅仅是“进食量”这个单一变量。

刘清晴、杨星、罗墨轩等研究者首先建立了深度学习算法辅助的行为记录与分析系统,在此基础上对小鼠的进食行为进行了精准的描述,即小鼠的进食行为是片段化的,“靠近食物、进食、离开食物、探索环境”等一系列行为会循环出现。

“人类在固定的时间吃饭进食,是社会化训练的结果。家长常常希望孩子,专注地‘好好吃饭’,但幼儿在学习独立进食过程中,大多表现为‘边吃边玩’。事实上,出于社交或其他动机,成人在进食过程中也同样会不断关注周围环境,而不会一直专注在食物本身。”论文第一作者刘清晴解释道。

解析大脑对“吃饭”过程的精细调控

下丘脑弓状核中的刺鼠相关蛋白神经元(ARCAgRP神经元)、外侧下丘脑的γ-氨基丁酸神经元(LHGABA神经元)和背侧中缝核中的γ-氨基丁酸神经元(DRGABA神经元)是三类已知的可以促进进食的神经元。

为了理清这些神经元在进食过程中的分工,研究团队通过分析这些神经元在进食过程中的神经(钙信号检测)反应模式发现,这三群神经元是依次激活,循环反应的。

三群神经元精细调控进食不同阶段的动机和行为 来源:研究团队供图

具体表现为:在小鼠饥饿,环境中有食物,但小鼠在探索环境而没有去吃的情况下,ARCAgRP神经元被激活;在小鼠靠近食物和进食过程中,ARCAgRP神经元被抑制,LHGABA神经元和DRGABA神经元被激活。其中,LHGABA神经元仅在进食行为发起的时候被激活,而DRGABA神经元会在进食过程中持续激活。当小鼠离开食物并探索环境时,DRGABA神经元被抑制。

研究团队进一步用光遗传的方法验证了这些神经元的功能,发现ARCAgRP神经元会在饥饿情况下对正在进行的与进食无关的行为进行限制,由此可以使进食相关动机占据主导地位,从而帮助发起进食行为;LHGABA神经元介导了进食行为的发起;DRGABA神经元则与进食行为的维持有关。

这表明,在片段化的进食行为中,三群神经元依次发挥功能,一方面保证了动物摄取食物的效率,另一方面使动物保持了对环境的警觉。

为摄食障碍疾病研究带来新思路

摄食障碍疾病(Eating disorder, ED)是一类精神疾病,最直接的表现是进食行为的异常。一方面包括暴食症等,会导致肥胖并引发其他代谢疾病,另一方面包括神经性厌食症,会导致严重的营养不良甚至死亡。

世界卫生组织(WHO)的统计数据显示,2022年中国成年人的肥胖比例达到了16%,欧美一些发达国家的肥胖比例更是超过了30%,为社会经济带来了很大的挑战。神经性厌食症多发于青少年女性,发病率在0.3至1%。此外,焦虑、抑郁等情绪障碍性疾病也常伴有进食行为的异常。

由于人们对摄食障碍类疾病发病机理的认识还不够清楚,目前对这类疾病的治疗在很大程度上是“头痛医头,脚痛医脚”,许多患者会出现病程的反复,难以达到有效的治疗。因此,对进食行为及其神经调控机制的详细解析,对研究摄食障碍疾病的发病机理、发展有效的治疗方法非常重要。

中国科学院院士、精神病学与临床心理学家陆林院士认为,该研究把对进食行为本身的描述及其背后神经生物学机制的解析提上了一个新的高度,有望为针对神经性厌食症暴食症等摄食障碍疾病的研究提供新的科学思路和潜在的干预靶点。

中国科学院院士、神经生物学家段树民院士表示,王立平课题组借助深度学习的方法对动物进食过程中的各种自发行为做了客观精准的描述,并在此基础上发现了调控进食行为的准备、发起和维持的神经反应序列。这项研究为精准解析特定复杂行为背后的神经学原理提供了全新的研究思路。

论文通讯作者王立平表示,本研究为解析多种本能行为各阶段的序列性神经调控机制提供了新的方法,为深入理解动物在自然选择中形成的本能行为策略的神经计算机制提供了可能的新知识框架。这项研究阐述了一系列连续的自发行为及对应的神经调控序列。对连续行为神经调控序列的精细解码,将有助于建立新的类脑计算模型,应用于实验动物和人类的行为监测,为人工智能辅助的行为预判提供新的理论指导。(来源:中国科学报 刁雯蕙)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.02.025

 

 
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