Neuron：大腦權(quán)衡“利弊”的重要神經(jīng)機(jī)制——下丘腦響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)
“螳螂捕蟬，黃雀在后”，告訴我們?cè)谔幚硎虑闀r(shí)，要深思熟慮，考慮后果，不要只顧眼前利益，而不顧后患。而在自然界中，動(dòng)物捕食時(shí)，最具生物學(xué)相關(guān)性的兩個(gè)方面是獲取食物和逃避捕食的危機(jī)。大腦網(wǎng)絡(luò)能夠快速評(píng)估內(nèi)部狀態(tài)、外部環(huán)境和習(xí)得的經(jīng)驗(yàn)，以進(jìn)行最好的選擇。捕食風(fēng)險(xiǎn)分配假說(shuō)認(rèn)為，動(dòng)物會(huì)根據(jù)捕食暴露的時(shí)間變化來(lái)權(quán)衡覓食努力和警惕性，從而滿足它們的能量需求，同時(shí)最大限度地減少被傷害或殺害的可能。然而，而這種權(quán)衡背后的神經(jīng)機(jī)制仍然難以捉摸。
近日，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院Michael J. Krashes團(tuán)隊(duì)在Neuron發(fā)表論文，作者研究了在捕食威脅存在下，動(dòng)物覓食的靈活生存決策。結(jié)果表明，自我保護(hù)和食物尋求之間存在振蕩相互作用以促進(jìn)最合適的行為。
1.捕食者的刺激引起小鼠的生理、行為和神經(jīng)元變化
研究人員將小鼠暴露于一只自由活動(dòng)的饑餓大鼠的另一側(cè)（毛絨玩具鼠作為對(duì)照）。捕食者的刺激導(dǎo)致小鼠糞便排出量增加和靜止時(shí)間增加，以及具有更高水平的應(yīng)激激素皮質(zhì)酮。皮質(zhì)酮釋放的一個(gè)主要來(lái)源是下丘腦室旁核（PVH）的促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素（CRH）神經(jīng)元。
鈣成像發(fā)現(xiàn)，暴露于大鼠捕食者導(dǎo)致PVHCRH網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)的持久增加。此外，捕食者存在的刺激顯著提高了小鼠的平均動(dòng)脈血壓、心率和核心體溫。這均說(shuō)明，捕食者的暴露會(huì)引發(fā)壓力刺激所預(yù)期的生理、行為和神經(jīng)元變化。
Figure 1 大鼠捕食者刺激引起小鼠的生理、行為和神經(jīng)元變化
接下來(lái)，對(duì)過(guò)夜禁食的小鼠進(jìn)行評(píng)估。作者設(shè)計(jì)4種條件：相鄰的籠子（1）是空的，（2）毛絨大鼠玩具，（3）TMT（模擬捕食者氣味）或（4）大鼠捕食者。平均而言，空籠子條件下，小鼠的進(jìn)食速度更快，而在大鼠玩具、TMT和大鼠捕食者條件下，進(jìn)食速度逐漸延遲[Fig.2E,F]。
Figure 2 暴露于大鼠捕食者會(huì)減少饑餓小鼠的覓食和進(jìn)食
2.在大鼠捕食者暴露期間AgRP活性迅速減弱
由于AgRP神經(jīng)元在介導(dǎo)覓食和食物攝入中的作用，作者發(fā)現(xiàn)暴露于大鼠捕食者的饑餓動(dòng)物AgRP活性顯著降低[Fig.3]。而從籠子中移除威脅后，捕食者誘發(fā)的對(duì)AgRP神經(jīng)元的抑制是可逆的。這表明，AgRP抑制可能是在大鼠捕食者存在的情況下觀察到的進(jìn)食行為減少的潛在機(jī)制。
Figure 3 AgRP活性在大鼠捕食者出現(xiàn)期間迅速減弱
3.PMDCCK神經(jīng)元通過(guò)抑制AgRP神經(jīng)元響應(yīng)捕食者威脅和介導(dǎo)進(jìn)食行為
PMD腦區(qū)在大鼠捕食者出現(xiàn)后中Fos誘導(dǎo)的tdTomato信號(hào)顯著增加，并通過(guò)光遺傳學(xué)在行為學(xué)上表明，PMdCCK激活能夠通過(guò)模仿捕食者威脅引起的反應(yīng)來(lái)抑制饑餓小鼠的覓食和進(jìn)食。順行示蹤發(fā)現(xiàn)，PMdCCK并沒(méi)有直接投射到ARC末端。
進(jìn)一步采用化學(xué)遺傳學(xué)調(diào)控PMdCCK和GCaMP轉(zhuǎn)導(dǎo)AgRP/NPY細(xì)胞的策略，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PMDCCK的激活持久地抑制了AgRP/NPY群體動(dòng)力學(xué)。與激活實(shí)驗(yàn)不同，PMDCCK神經(jīng)元的急性沉默對(duì)AgRP/NPY群體動(dòng)力學(xué)沒(méi)有影響[Fig.4]。
此外，PMDCCK抑制未能改變大鼠捕食者引起的對(duì)AgRP/NPY活性的抑制，這表明有替代途徑可以優(yōu)先考慮自我保護(hù)而不是覓食。
Figure 4 PMDCCK神經(jīng)元通過(guò)AgRP/Npy抑制介導(dǎo)進(jìn)食行為
4.威脅下的進(jìn)食行為可通過(guò)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)并由AgRP神經(jīng)元介導(dǎo)
最后，通過(guò)48小時(shí)禁食與禁食過(guò)夜小鼠相比，長(zhǎng)時(shí)間禁食后顯著增加了食物攝入。值得注意的是，大鼠捕食者的刺激抑制了所有禁食狀態(tài)下的進(jìn)食[Fig.5A,B]。這些實(shí)驗(yàn)證明了自我保護(hù)和覓食之間的振蕩關(guān)系是靈活的，并受到內(nèi)部環(huán)境的影響。在空籠子條件下，禁食小鼠的進(jìn)食量明顯高于飽腹?fàn)顟B(tài)。而在大鼠暴露下，顯著抑制了食物攝入，無(wú)論狀態(tài)如何[Fig.5]。
此外，通過(guò)進(jìn)一步探究在威脅下進(jìn)行進(jìn)食行為的AgRP神經(jīng)元的下游靶點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在大鼠捕食者暴露期間，只有BNST和LH中的AgRP末端激活才可驅(qū)動(dòng)更高程度的進(jìn)食行為[Fig.5M,N]。
Figure 5 威脅情況下的進(jìn)食行為可通過(guò)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行縮放，并由AgRP神經(jīng)元介導(dǎo)
結(jié)論
基于動(dòng)物生存的環(huán)路通常被孤立地研究，給人一種感覺(jué)即，神經(jīng)元活性似乎是以直接和看似簡(jiǎn)單的方式驅(qū)動(dòng)行為。事實(shí)上，多個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跨區(qū)域通信，不斷改變約束條件，并通過(guò)一組龐大的緊密連接系統(tǒng)以共同優(yōu)化行為。本文中，研究人員采用了競(jìng)爭(zhēng)分析法來(lái)探索饑餓和自我保護(hù)的相互影響和中心機(jī)制，以促進(jìn)適當(dāng)?shù)男袨椤?/strong>
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.06.006
參考文獻(xiàn)
de Araujo Salgado, Isabel et al. “Toggling between food-seeking and self-preservation behaviors via hypothalamic response networks.” Neuron, S0896-6273(23)00466-X. 4 Jul. 2023, doi:10.1016/j.neuron.2023.06.006
編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）
校審：Simon（brainnews編輯部）
