研究者發現了小鼠大腦位于腦干區域的一個全新腦區periLC中的神經元編碼了食物或飲料可口性的信息,通過雙向抑制性反饋調節,將小鼠行為維持在進食或攝水階段,從而決定了動物每次進食或攝水量的多少。
根據這類神經元在體內的鈣信號活動,配合小鼠的進食或攝水行為抑制該類神經元,能夠模擬改變食物可口性(palatability shifting), 即使小鼠不處于饑餓或者饑的狀態,也能夠在不改變小鼠進食或攝水次數的情況下,有效增加每次的攝取時間。很好解釋了為什么即使酒足飯飽之后,對于一些好吃的甜點或是可口的奶茶我們只要嘗了一口,依然難以抵制。
通過對小鼠全腦的饑餓環路以及饑環路進行環路結構和功能追蹤,研究者發現了一系列被兩類環路共同使用的腦區,其中就包括鮮有報到過的peri-locus coeruleus (periLC)。這個位于后腦腦干、臨近第四腦室的核團僅在大鼠的大腦解剖研究中偶有提起,在Allen Institute公布的小鼠大腦結構圖譜中還沒有精確定位,其功能更加撲所迷離。鑒于periLC屬于饑餓環路和饑環路的共同下游腦區,研究者大膽猜測這個腦區于進食行為和攝水行為有密切相關性。
通過大量反復的嘗試,研究者開發出了一種在自由運動小鼠身上穩定記錄后腦腦干深部腦區的鈣成像實驗方法 (圖一)。腦干位于大腦的末端,與脊柱神經直接相連。動物處于清醒自由運動的狀態下,腦干隨著運動中脖子肌肉的扭動會有大幅度的位移。如何在這種情況下在腦干位置植入內窺鏡設備進行實時鈣成像檢測成為了領域內共同的難題。通過對植入鏡片的具體改造,龔蓉博士成功記錄了periLC的神經元在小鼠自由運動過程中的各種動態變化。
相關性研究表明,periLC中的一部分神經元與小鼠的進食行為和攝水行為中的consummatory phase有密切相關性。部分神經元在這個過程中會被激活,另一部分會被抑制。咋一看,神經元反應雜亂而無章。但通過細致的比較和研究,就會發現不盡其然。讓小鼠攝取不同口味的溶液,觀察這類神經元的活動,然后進行圖像處理和無監管的分組分析(unsupervised clustering)比對就會發現:對于類似性質的溶液,譬如小鼠饑時喜歡的糖水和水、小鼠討厭的酸水和含鹽的水、苦水和高含鹽的水,興奮性反應的細胞以及抑制性反應的細胞都是來自于同一種亞群體;對于性質截然相反的溶液,譬如甜味的水和苦味的水,抑制性反應的細胞還是來自同一亞群,但是對甜水和苦水興奮性反應的細胞卻屬于兩個不同的細胞亞群。
也就是說,對類似性質的飲用物,無論興奮性反應還是抑制性反應都具有同質性;但是對于異質性的飲用物,興奮性反應的細胞分屬不同亞群,能夠簡單粗暴地代表飲用物的‘好壞’性質。而抑制性反應的細胞則與食用或飲用物的性質沒有關系。但非常有趣的是,這類抑制性反應的神經元在進食或飲食時的反應大小與食物或飲用物的可口性密切相關: 相同飲用體積情況下,對甜味水的抑制性反應比對水的大,而苦味水的反應是所有一系列測試溶液中抑制反應小的。似乎細胞抑制性反應的大小代表了食用或飲用物‘好壞’的程度,亦即可口度。
在通過一系列相關性實驗的研究,研究者排除了小鼠進食或攝水行為中舌頭或面部肌肉運動可能造成的假象,證明了抑制性反應的存在與食物或飲用物本身的相關性。更重要的是,讓小鼠在自主狀態下進食,從饑餓到溫飽的狀態跟蹤監測,會發現這類抑制性神經元的反應比興奮性神經元的反應能夠更好的追蹤每次進食的時間。由于在這個實驗體系中,進食時間與進食量密切相關,所以也就是說抑制性反應能夠更好地追蹤我們常說的每頓飯的飯量。很有可能,這類抑制性反應的神經元接收了食物或飲用物的可口性的信息,而且根據此信息編碼了小鼠目前進食時間長度。
“鈣成像等相關性實驗提供了我們很多重要的一手性資料,給了我們一個大膽猜測的基礎。但更重要的是通過建模和perturbation 實驗去驗證這樣的一個可能性” ,論文作者龔蓉強調。
根據periLC抑制性神經元在體活動的特性,研究者人為將小鼠自由進食過程分割成兩分鐘的時間塊,包括兩種互相交替的特性:一種兩分鐘的時間塊不包括任何干擾,另一種時間塊內一旦小鼠進食,就會用光遺傳的辦法抑制periLC內神經元的活動,的結果做組內兩種時間塊內的對比。研究者預測增加這類細胞的這種抑制性反應會讓小鼠錯誤認為普通的食物或是純凈水變得更可口,從而增加每次進食或是攝水的時間長度。
確實,研究者發現,當periLC 神經元被抑制時,小鼠的進食或是攝水量都顯著增加。更重要的是,這種增加不是來自于進食或是攝水的次數增多,而是來自于每次進食或喝水的時間變長,也就是說不是吃、喝更多次,而是每次吃或是喝得更多。這種反應非常特異,如果將這種光遺傳學的抑制效果隨機分布,也就是不與小鼠的進食或攝水行為相關聯,則均看不到進食或攝水行為的明顯變化 (圖二)。
進一步的數學建模表明,小鼠每次自主進食或是攝水時間的長度分布符合指數分布特征,而抑制periLC神經元的效果則改變了指數函數中的系數β。類似于在Markov 模型中改變了狀態改變的系數。1/β 是離開進食或是攝水行為的概率,1-1/β則是停留在目前進食或是攝水行為的概率 (Pstay) 。光遺傳學所介導periLC神經元的抑制成功地把停留在目前進食或是攝水行為的概率增加了5%左右,顯著增加了每次進食或是攝水時間 (圖三)。
另外,當同時給予小鼠兩瓶相同濃度或不同濃度的三氯蔗糖溶液時,倘若配對小鼠舔食一側溶液時抑制periLC神經元,會改變原來對兩瓶溶液的喜好:都會增加匹配抑制那一側的溶液喜好度,即使這一側原來是相對不太喜歡的三氯蔗糖溶液濃度低的一側。因為三氯蔗糖溶液不含任何營養成分,因此對它的喜好直接代表了消耗食物或飲料的享樂值(hedonic value), 這是可口性的一個重要指標。實驗證實,改變periLC神經元的抑制程度,能夠模擬改變溶液的可口性,進一步證實了這類神經元編碼了所攝取食物或水的可口性信息