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边吃边怕时,大脑怎样让警报低一点?

Nature communications · 2024-09-04

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Nature Communications · 研究前沿

边吃边怕时,大脑怎样让警报低一点?

从下丘脑到脑干,再到外侧乳头体,一条小鼠回路参与摄食情境中的防御反应调节;减少僵直与恢复进食,也有各自的条件。

原论文图2g局部:下丘脑投射细胞的多色原位杂交标记

吃饭遇上危险提示,是先停下来,还是继续补充能量?对动物而言,躲避威胁和维持营养都关系着生存。2024年9月4日发表于 Nature Communications 的一项研究,在雄性小鼠中观察这两种需求相遇时的脑活动。曾经与电刺激配对的声音,会让小鼠停止进食并僵直不动;但饥饿小鼠有食物可吃时,后续声音引发的僵直逐渐减少。研究团队沿着下丘脑、脑干和乳头体的连接,寻找这种情境调节背后的线路。

关键发现

摄食情境中的威胁线索招募LH中GAD2标记的神经元及NI中RLN3细胞;相关连接和LM中的RLN3受体信号参与降低习得性僵直,但进食变化并不总与僵直同步。

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同一个提示音,吃饭时的反应会变

研究比较了吃饱且有食物、饥饿且有食物,以及饥饿却没有食物的条件。声音经过威胁配对后,最初仍会让动物停止进食;饥饿且有食物的小鼠在后续线索中表现出较少僵直,进食也有小幅恢复。身体需要、食物是否可得,与防御反应的变化相联系。

在下丘脑外侧区,GAD2标记细胞对“摄食情境中的威胁线索”出现活动增强。相应分析中,吃饱时听到线索、或饥饿时在线索出现前开始进食,都没有显著的群体平均增强。这群细胞的情境性响应,让研究继续沿输出连接追踪这份调节。

原论文图 1摄食条件与下丘脑响应
摄食条件与下丘脑响应
图1展示不同状态下的僵直变化,以及LH GAD2细胞对摄食情境中线索的响应。
来源:Wang Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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带着GAD2标记,输出仍能以兴奋为主

这些下丘脑细胞连接到脑干的不确定核NI,其中表达松弛素3(RLN3)的神经元是主要受体群。投向NI的下丘脑细胞包含不同分子组合,一部分同时表达与谷氨酸和GABA传递相关的标记。连接追踪与分子特征,由此揭示了群体内部的差异。

更有意思的是,刺激这组轴突时,同一个NI细胞可收到直接的兴奋和抑制输入,整体上能出现去极化甚至放电。饥饿小鼠在摄食时听到威胁线索,这些末梢的活动也升高。细胞标记之外,实际连接及净效应,决定了信息怎样向下游传递。

原论文图 2下丘脑至NI的连接与末梢活动
下丘脑至NI的连接与末梢活动
图2展示分子标记、直接兴奋与抑制输入,以及摄食情境中的末梢响应;群体净效应可表现为兴奋。
来源:Wang Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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调节这条连接,僵直和进食走向不同

抑制LH至NI连接后,摄食期间原本降低的僵直反应增强了,但线索造成的进食抑制没有显著改变。激活连接则让僵直减少,同时改善线索期间的进食。这说明该连接参与防御反应调节,促进进食的效果也会随着干预方向而不同。

进一步压低下丘脑胞体活动后,激活NI内的末梢仍能减少僵直,却没有恢复进食;没有食物的测试中,激活连接也能降低习得性僵直。回路能够影响防御反应,而进食恢复还涉及下丘脑更完整的功能。两种行为虽在同一场景发生,却有可分离的调节环节。

原论文图 3LH至NI干预对两种行为的影响
LH至NI干预对两种行为的影响
图3比较通路抑制与激活:抑制增加僵直,激活降低僵直并改善进食;两类行为的作用并不完全对称。
来源:Wang Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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NI细胞收到的是带着情境的警报

NI的RLN3细胞在饥饿小鼠摄食时,对威胁线索产生明显钙响应;吃饱状态下的对应增强不显著。单纯开始进食时,其活动还可能下降。同一群体,在进食开始与威胁线索出现时呈现不同的响应方向。

抑制来自下丘脑的输入后,RLN3细胞对这些线索的响应减弱,与进食起始相关的活动则没有显著改变。下丘脑输入因此与NI处理摄食情境中威胁线索的方式相联系,帮助将身体需求与事件响应接在一起。

原论文图 4RLN3响应及LH输入抑制
RLN3响应及LH输入抑制
图4展示RLN3细胞对线索的状态依赖响应,以及抑制LH输入后的响应减弱。
来源:Wang Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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让僵直减少,也要看细胞怎样被激活

抑制NI的RLN3细胞,会削弱摄食情境中僵直反应的降低。激活结果则与刺激方式有关:所测试的20 Hz刺激没有显著改变这一调节,而匹配簇状放电特点的激活方式能使僵直减少。不同活动模式带来了不同的行为结果。

簇状激活没有显著改变线索对进食的抑制,也没有显著改变正常食物摄入。RLN3细胞的作用由此更集中地指向所测的防御反应,而上游LH至NI连接还可能通过其他细胞或路径影响进食。

原论文图 5RLN3细胞干预与防御反应
RLN3细胞干预与防御反应
图5显示RLN3抑制增强僵直,簇状激活降低僵直;激活对相应进食指标未产生显著改变。
来源:Wang Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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外侧乳头体接住了这条调节线索

顺着RLN3细胞的输出,研究追到外侧乳头体LM。抑制NI至LM的末梢,会使摄食期间的僵直增强,却不显著改变线索对进食的抑制。在LM局部阻断RLN3受体RXFP3,也会部分削弱上游LH至NI激活降低僵直的效果;其进食改善作用则没有被显著削弱。

从身体需要到威胁反应,这项雄鼠研究描绘了一条可调节的LH—NI—LM联系。连接去向、细胞被招募的方式和局部肽受体信号,共同影响摄食情境里的习得性僵直;进食恢复则呈现不同的干预结果。两种需求相遇时,大脑对防御反应与摄食行为有着相互联系、又可以分离的调节。

原论文图 6NI至LM输出与局部RXFP3信号
NI至LM输出与局部RXFP3信号
图6连接末梢抑制与LM局部受体阻断;受体阻断部分削弱僵直调节,进食指标呈现不同结果。
来源:Wang Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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论文信息

Wang Q, Sun RY, Hu JX, Sun YH, Li CY, Huang H, Wang H, Li XM.
Hypothalamic-hindbrain circuit for consumption-induced fear regulation
Nature communications · 2024-09-04
DOI: 10.1038/s41467-024-51983-6