2023年12月5日，美國(guó)德克薩斯大學(xué)休斯頓健康科學(xué)中心麥戈文醫(yī)學(xué)院Qingchun Tong和德克薩斯兒童醫(yī)院Jan和Dan Duncan神經(jīng)學(xué)研究所的Benjamin R. Arenkiel研究團(tuán)隊(duì)合作在Neuron雜志上發(fā)表名為“An excitatory projection from the basal forebrain to the ventral tegmental area that underlies anorexia-like phenotypes”揭示基底前腦向腹側(cè)被蓋區(qū)的興奮性投射是厭食癥樣表型的基礎(chǔ)。
平衡內(nèi)部能量需求和外部威脅線索的適應(yīng)不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致厭食或暴飲暴食，從而導(dǎo)致虛弱的營(yíng)養(yǎng)不當(dāng)或肥胖。被診斷為神經(jīng)性厭食癥（一種自我饑餓的飲食失調(diào)癥，在精神障礙中死亡率高）的患者中，廣泛性焦慮癥的患病率表明應(yīng)激反應(yīng)加劇對(duì)進(jìn)食行為產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而，涉及感知外部壓力線索以適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)食行為的大腦回路仍然難以捉摸。據(jù)報(bào)道，基底前腦 (BF)可以感知環(huán)境線索并處理感覺輸入，且BF 作為感知環(huán)境線索的功能中心，能夠深刻影響進(jìn)食行為。此外，腹側(cè)被蓋區(qū) (VTA) 是一個(gè)經(jīng)過(guò)充分研究的富含多巴胺 (DA) 的中腦結(jié)構(gòu)，被證明可以調(diào)節(jié)進(jìn)食，特別是在享樂行為方面。然而，VTA 神經(jīng)元如何整合環(huán)境線索來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)食行為尚不清楚。
在Vglut2-Cre小鼠上，研究人員首先注射AAV5-Ef1a-DIO-ChR2-EYFP病毒來(lái)確定BFVglut2 神經(jīng)元的下游靶標(biāo)，在 VTA 中發(fā)現(xiàn)了豐富的 EYFP 陽(yáng)性纖維。為進(jìn)一步驗(yàn)證該投射，又分別在BF和VTA注射AAV-DJ8-hSyn-Con/Fon-EYFP和AAVrg-Ef1a-mCherry病毒。AAV-DJ8-hSyn-Con/Fon-EYFP以 Cre 和 Flp 共同依賴的方式表達(dá) EYFP，這里EYFP選擇性標(biāo)記投射到 VTA 的 BFVglut2 神經(jīng)元。Z后鑒于 VTA 神經(jīng)元的異質(zhì)性，接下來(lái)使用跨突觸示蹤劑小麥胚芽凝集素 (WGA) 來(lái)識(shí)別 VTA 中接受 BFVglut2 神經(jīng)元投射的神經(jīng)元亞型。在BF注射AAV-DJ8-CAG-DIO-WGA-EGFP病毒，EGFP 信號(hào)從 BFVglut2 神經(jīng)元追蹤到 VTA，并通過(guò)在 VTA 共同遞送 AAV1-Ef1a-DOG-Flp和AAV-DJ8-Ef1a-fDIO-EYFP 進(jìn)一步放大。Z終結(jié)果顯示豐富的WGA-EGFP 標(biāo)記神經(jīng)元與 mCherry 陽(yáng)性谷氨酸能神經(jīng)元共定位，這表明BF 向 VTAVglut2 神經(jīng)元發(fā)送谷氨酸能投射。
接下來(lái)為研究 BFVglut2和 VTAVglut2神經(jīng)元響應(yīng)環(huán)境壓力源的功能關(guān)系，對(duì)自由活動(dòng)小鼠的這兩組神經(jīng)元進(jìn)行鈣信號(hào)光度測(cè)量記錄。結(jié)果顯示BFVglut2 神經(jīng)元表現(xiàn)出對(duì)吹氣、噴水和物體掉落的活動(dòng)增加。VTAVglut2神經(jīng)元也表現(xiàn)出與 BFVglut2神經(jīng)元類似的活動(dòng)增加，且BFVglut2神經(jīng)元和 VTAVglut2神經(jīng)元在應(yīng)激條件下存在很強(qiáng)的相關(guān)性。
隨后作者進(jìn)一步推斷 VTAVglut2神經(jīng)元可能介導(dǎo)對(duì)進(jìn)食的影響，這里采用光遺傳的方法激活VTA 內(nèi)的 BFVglut2神經(jīng)元纖維。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在禁食的小鼠中，BFVglut2/VTA 回路的體內(nèi)光刺激減少了食物消耗和進(jìn)食時(shí)間。通過(guò)將谷氨酸受體拮抗劑 AP5和DNQX 注射到 VTA 中，可以部分挽救這種效應(yīng)，這表明進(jìn)食減少是通過(guò)激活VTA 中的谷氨酸受體。然而，光遺傳激活小鼠表現(xiàn)出體力活動(dòng)水平增加，為了測(cè)試該效應(yīng)與攝食抑制相關(guān)的效價(jià)，進(jìn)行了實(shí)時(shí)位置回避（RTPA）測(cè)試。結(jié)果表達(dá) ChR2 的小鼠在非刺激一半中花費(fèi)更多的時(shí)間，而表達(dá) EYFP 的對(duì)照組對(duì)任何一側(cè)都沒有表現(xiàn)出偏好，這表明 BFVglut2/VTA 回路的激活引起了回避行為，這與增加的速度，曠場(chǎng)測(cè)試（OFT）中觀察到的運(yùn)動(dòng)增加一致。由于 VTA 投射 BFVglut2 神經(jīng)元也向 LHb 和其他大腦區(qū)域發(fā)送附帶投射，因此觀察到的行為效應(yīng)可能部分是由這些額外的投射位點(diǎn)通過(guò)并行激活介導(dǎo)的。為了測(cè)試這種可能性，在光遺傳激活VTA中BFVglut2 神經(jīng)元末梢的同時(shí)化學(xué)遺傳抑制 BFVglut2 神經(jīng)元胞體，這將在很大程度上消除附帶激活。在行為上，在化學(xué)抑制存在的情況下，VTA 中 BFVglut2 纖維的光刺激仍然能夠誘發(fā)厭惡、增加體力活動(dòng)并減少禁食再進(jìn)食，這表明攝食抑制是由VTA內(nèi)的 BFVglut2 投射介導(dǎo)的。
鑒于 VTAVglut2神經(jīng)元是 BFVglut2神經(jīng)元的主要下游靶標(biāo)之一，接下來(lái)采用化學(xué)遺傳的方法檢查 VTAVglut2神經(jīng)元在攝食調(diào)節(jié)中的作用，結(jié)果顯示激活VTAVglut2神經(jīng)元大大減少了禁食引起的再進(jìn)食。另外鑒于 VTAVglut2 神經(jīng)元在獎(jiǎng)勵(lì)處理中的作用，進(jìn)一步探討這些神經(jīng)元在食物動(dòng)機(jī)中的影響。首先測(cè)試高脂肪飲食（HFD）的動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了HFD偏好測(cè)試，其中禁食 6 小時(shí)的小鼠能夠自由地?cái)z入HFD 和制式飲食 (chow diet, CD)。在對(duì)照組中，觀察到對(duì) HFD的高度偏好，而這種偏好在化學(xué)遺傳抑制組中減弱。這些結(jié)果表明 VTAVglut2神經(jīng)元激活對(duì)抑制動(dòng)機(jī)性進(jìn)食行為具有深遠(yuǎn)的影響。接著使用明暗盒測(cè)試 (LDT) 進(jìn)一步評(píng)估了VTAVglut2 神經(jīng)元激活小鼠的焦慮水平。與對(duì)照組，相比化學(xué)遺傳激活組小鼠在盒子有光側(cè)的時(shí)間減少，這表明 VTAVglut2 神經(jīng)元激活引發(fā)了焦慮樣行為。總之，VTAVglut2 神經(jīng)元的激活導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)增加、焦慮樣行為增加以及吞咽不足和食物動(dòng)機(jī)降低。
由于厭食癥狀可能是由神經(jīng)元活動(dòng)的慢性變化引起的，因此接下來(lái)利用來(lái)自bacteria的突變鈉通道 (NaChBac) 探索了 VTAVglut2 神經(jīng)元慢性激活的影響，該通道可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期激活。與注射 EYFP 的對(duì)照組相比，表達(dá) NaChBac 的小鼠體重較低，并且對(duì)飲食誘導(dǎo)的肥胖有抵抗力。與較低的體重一致，NaChBac 組與對(duì)照組相比顯示出較低的食物攝入量。當(dāng)在代謝籠中進(jìn)行測(cè)量以收集實(shí)時(shí)生理數(shù)據(jù)時(shí)，與對(duì)照組相比，NaChBac 組表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)增加，這表明體重較低是由于嚴(yán)重的能量不足。這些結(jié)果表明 VTAVglut2 神經(jīng)元的慢性激活會(huì)導(dǎo)致吞咽功能減退、體重增加減少和運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)。
DA 信號(hào)的變化與較低的體重有關(guān)，因此進(jìn)一步研究該投射在調(diào)節(jié) DA 釋放中的潛在影響。伏隔核(NAc) 是 VTA DA 神經(jīng)元的主要下游區(qū)域之一，負(fù)責(zé)獎(jiǎng)勵(lì)和顯著性處理；作者在自由活動(dòng)的小鼠中使用基于 gGRAB-DA3m (gDA3m) 的光纖光度記錄記錄了 NAc 中的動(dòng)態(tài) DA 釋放。與之前蔗糖消耗的結(jié)果一致，當(dāng)小鼠消耗 HFD 顆粒時(shí)，檢測(cè)到 NAcSh 中 DA 釋放增加。此外，還觀察到當(dāng)小鼠受到噴水等厭惡刺激時(shí)，DA 釋放減少。接著為檢查 BFVglut2/VTAVglut2 預(yù)測(cè)對(duì) DA 釋放的影響，記錄 DA通過(guò)定向光刺激激活 VTA 中的 BFVglut2 纖維時(shí)釋放，使用 20 Hz-20 ms 激光對(duì) BF/VTA 環(huán)路進(jìn)行光刺激 10 秒和 20 秒，均以持續(xù)時(shí)間依賴性方式減少 DA 釋放。Z后為探索 BFVglut2/VTAVglut2 預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)的 DA 釋放與進(jìn)食行為之間的關(guān)系，監(jiān)測(cè)小鼠開始 HFD 進(jìn)食時(shí)對(duì)光刺激的 DA 釋放響應(yīng)。當(dāng)小鼠消耗HFD顆粒時(shí)，DA 釋放的信號(hào)增加，而在光刺激時(shí)減少，這也與進(jìn)食的立即暫停和遠(yuǎn)離食物行為有關(guān)。這些結(jié)果共同表明 BFVglut2/VTAVglut2 投射的激活減少了進(jìn)食并減少了 NAc 中 DA 的釋放。
綜上，通過(guò)組合環(huán)路追蹤、體內(nèi)光纖光度記錄以及小鼠遺傳學(xué)和行為研究，本篇文章確定了從基底前腦到 VTA 谷氨酸神經(jīng)元的谷氨酸能環(huán)路，該環(huán)路激活導(dǎo)致厭食癥樣表型，且吞咽不足表型伴隨著多巴胺釋放減少。
參考文獻(xiàn)：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00845-0
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