深刻理解不同行為背后的神經(jīng)學(xué)原理，有助于我們理解大腦的生物學(xué)基礎(chǔ)。一些看似簡單的行為，背后往往有復(fù)雜的神經(jīng)調(diào)控機制。攝食是關(guān)乎生存的頭等大事。物種在億萬年的進化過程中，身處復(fù)雜多變的自然環(huán)境，一方面需要敏銳地發(fā)現(xiàn)食物線索，另一方面也需要時刻提高警惕關(guān)注周圍環(huán)境的變化。自然選擇逐漸塑造出精妙的攝食行為策略，并將其固化到了大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中。然而，由于缺乏精細的行為分析手段，長期以來研究者們主要用攝食量這一指標(biāo)來評價攝食行為。目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)十個腦區(qū)的多種神經(jīng)元參與攝食量的調(diào)控[2-5]，但是，對于進食行為全過程的精準(zhǔn)描述，大腦各個腦區(qū)多類神經(jīng)元之間是如何協(xié)同工作的，至今沒有報道。

北京時間3月15日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦認知與腦疾病研究所王立平團隊在Neuron 雜志在線發(fā)表了題為“An iterative neural processing sequence orchestrates feeding”的研究論文[1]，首次詳細描述了小鼠攝食行為與非攝食行為循環(huán)出現(xiàn)的片段化攝食行為特征，并闡明了位于下丘腦和腦干的三群神經(jīng)元依次調(diào)控每次攝食的“準(zhǔn)備-發(fā)起-維持”這一行為序列的過程。該研究有望為厭食癥、肥胖癥等疾病的研究提供新的思路，為深入理解多種本能行為過程中的精細神經(jīng)調(diào)控機制提供新的研究方法和理論框架。

王立平團隊利用深度學(xué)習(xí)算法輔助的行為跟蹤與記錄系統(tǒng)，對小鼠攝入食物這一階段中的自發(fā)行為進行了細致研究。通過深度學(xué)習(xí)算法識別單幀錄像中小鼠的動作，總共識別出14種特征動作，并通過聚類算法將這些動作劃分為8種有意義的行為，進而將這些行為分為攝食、行走和探索環(huán)境等三類，并將小鼠在攝入食物這一階段的自發(fā)行為描述為“靠近食物、攝食、離開食物、探索環(huán)境”等一系列行為的循環(huán)（圖1）。

圖1.利用深度學(xué)習(xí)輔助的行為分析系統(tǒng)解析小鼠的片段化攝食行為

研究者們通過分析不同自發(fā)行為過程中的神經(jīng)元鈣反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，ARCAgRP神經(jīng)元在小鼠饑餓，環(huán)境中有食物，但小鼠在探索環(huán)境而沒有去吃的情況下被激活，在靠近食物和攝食過程中被抑制；LHGABA神經(jīng)元在小鼠發(fā)起攝食行為的時候被激活，激活時間與攝食行為持續(xù)時間無關(guān)；而DRGABA神經(jīng)元在攝食過程中持續(xù)激活，激活時間與攝食時間成強烈的正相關(guān)關(guān)系，同時這些神經(jīng)元在小鼠離開食物探索環(huán)境時被抑制。

進一步，研究者們利用光遺傳方法驗證了ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神經(jīng)元在小鼠片段化攝食行為中的功能。抑制ARCAgRP神經(jīng)元會使饑餓小鼠表現(xiàn)出更多的探索環(huán)境行為并減少攝食行為，而激活這些神經(jīng)元，在有食物的情況下會減少探索環(huán)境行為而增加攝食行為，但在只有塑料假食物存在的情況下并不影響探索環(huán)境行為。

先前的研究表明，ARCAgRP神經(jīng)元編碼負性價值。由此推測，ARCAgRP神經(jīng)元的功能是，在饑餓情況下對正在進行的與攝食無關(guān)的行為進行限制，由此可以使攝食相關(guān)動機占據(jù)主導(dǎo)地位，從而幫助發(fā)起攝食行為。激活LHGABA神經(jīng)元會使小鼠表現(xiàn)出強烈的啃咬行為，而抑制這些神經(jīng)元會導(dǎo)致饑餓的小鼠無法啃咬食物。由此推測，LHGABA神經(jīng)元介導(dǎo)了攝食行為的發(fā)起。激活DRGABA神經(jīng)元會顯著延長小鼠的攝食行為，而抑制這些神經(jīng)元會顯著縮短攝食行為，由此推測，DRGABA神經(jīng)元參與調(diào)控攝食行為的維持。

因此，ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神經(jīng)元依次發(fā)揮功能，分別調(diào)控片段化攝食行為的準(zhǔn)備、發(fā)起和維持（圖2）。這一方面保證了動物攝取食物的效率，另一方面使動物保持了對環(huán)境的警覺。

圖2. 攝食片段的準(zhǔn)備、發(fā)起與維持分別由ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神經(jīng)元調(diào)控

與小鼠類似，人類也存在片段化攝食的現(xiàn)象，在攝食過程中并不會一直關(guān)注食物，而是會不斷關(guān)注周圍環(huán)境。集中時間吃飯是社會化訓(xùn)練的結(jié)果，幼兒在學(xué)習(xí)獨立攝食的過程中大多表現(xiàn)為“邊吃邊玩”，而成人通常在吃飯的同時進行社交活動。這項研究加深了人們對攝食行為和攝食過程中神經(jīng)調(diào)控機制的認識，將為攝食障礙相關(guān)疾病的研究和干預(yù)提供新的思路。

本研究建立的行為精細分析方法也適用于各種其他本能行為的研究。動物的各種本能行為都包含多種動機相互競爭，行為發(fā)起、維持以及被其他動機所干擾而中斷等過程，在這個過程中也會涉及多群神經(jīng)元的分工合作。外界環(huán)境和動物的內(nèi)在狀態(tài)會對各群神經(jīng)元的反應(yīng)模式進行動態(tài)調(diào)控，從而實現(xiàn)對動物行為的調(diào)控，使得動物可以適應(yīng)環(huán)境，生存繁衍。本研究為解析多種本能行為各階段的精細神經(jīng)調(diào)控機制打下了基礎(chǔ)，為深入理解動物在自然選擇中形成的本能行為策略的神經(jīng)計算機制提供了理論框架，將為通用人工智能的發(fā)展提供更多的理論依據(jù)。

深圳先進院王立平研究員為該論文的通訊作者，助理研究員劉清晴、高級工程師楊星和先進院與港城大聯(lián)合培養(yǎng)博士生羅墨軒為論文的共同第一作者。港城大Rosa Chan副教授等人也參與了本項工作。深圳先進院為第一單位。論文還得到了傅玉教授等人的寶貴意見，并獲得國家自然科學(xué)基金委，廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃等項目的資助。

原文鏈接：

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00129-0#

參考文獻：

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