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冷暖改变食欲,视前区两群细胞分头响应

Nature communications · 2022-07-22

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Nature communications · 研究前沿

冷暖改变食欲,视前区两群细胞分头响应

小鼠视前区的两群谷氨酸能细胞,分别联系促食与抑食方向。它们对环境冷暖的钙响应不同,下游接收群体干预也揭示温度相关摄食的分工。

AI概念插画:靠近食物的小鼠、冷暖色环境光与两群抽象神经元,不是实验图像或真实回路图

天冷时多吃一点,炎热时食欲降低,身体的热量需求怎样进入进食决策?2022年7月22日发表于 Nature Communications 的研究,在小鼠内侧视前区前腹侧及室周部分(apMPOA)找到两群相邻细胞。它们都带有谷氨酸能标记,却通向不同目标:一路抵达弓状核(ARC),另一路抵达下丘脑室旁核(PVH)。从环境冷暖到细胞钙响应,再到摄食变化,研究呈现了温度信息与能量摄入之间的具体联系。

关键发现

激活apMPOA在ARC的末梢促进摄食,在PVH的末梢则抑制摄食。抑制或减少PVH中接收apMPOA输入的细胞,提高摄食并削弱受测温度间的摄食差异。

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饥饿之外,还有环境的冷暖

在受测环境中,热暴露使小鼠摄食减少,冷暴露使摄食增加,直肠温度却没有相应改变。进食调整可能参与维持热平衡,而不只是已经发生体温失控后的反应。

禁食后的apMPOA出现较多活动标记,再进食后降低,其中许多与谷氨酸能细胞重叠。群体钙记录也显示,这类细胞在开始进食后信号逐步下降,受测GAD2群没有同样变化。这一区域同时关联饮食状态与温度调节,成为研究交汇点。

原论文图 1饥饿之外,还有环境的冷暖
饥饿之外,还有环境的冷暖
原论文Figure 1:环境温度相关摄食、饮食状态活动标记及群体钙响应;谷氨酸能群进食后信号下降。
来源:Qian S et al. · Nature communications · CC BY
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整体激活,吃得少也伴随散热变化

激活较广的apMPOA谷氨酸能细胞,食物摄入大幅下降,同时尾部散热增强、棕色脂肪产热减少,体温降低。小鼠还出现筑巢行为。受测GAD2群激活没有同样的摄食和体温改变。

这不是一个只有食欲改变的场景:小鼠在调整热量收支,也改变了行为安排。为了分辨哪些输出更直接关联摄食,团队继续沿轴突寻找下游,把整个脑区的综合效应拆成不同方向。

原论文图 2整体激活,吃得少也伴随散热变化
整体激活,吃得少也伴随散热变化
原论文Figure 2:较广谷氨酸能群激活减少摄食,并伴随散热、产热和体温改变。
来源:Qian S et al. · Nature communications · CC BY
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同为兴奋性输出,摄食方向却相反

在ARC内激活apMPOA末梢,小鼠吃得更多;在PVH内激活末梢,摄食减少。两种效应在受测冷、热和中性环境中都能观察到,却没有相应的直肠温度改变或明显筑巢反应。

ARC与PVH都参与摄食调节,但内部包含多种细胞。输出送到哪里,比单看来源是否谷氨酸能更能解释行为方向。另一条DMH输出虽也伴随少吃,却明显引起筑巢,研究因此没有将其视为同样清晰的直接摄食效应。

原论文图 3同为兴奋性输出,摄食方向却相反
同为兴奋性输出,摄食方向却相反
原论文Figure 3:ARC末梢激活增加摄食,PVH末梢激活减少摄食;DMH结果伴随其他调温行为。
来源:Qian S et al. · Nature communications · CC BY
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从接收端看,PVH群体改变了温度相关差异

研究随后标记接收apMPOA输入的下游细胞。减少或抑制ARC接收群,摄食下降;对PVH接收群作相应干预,摄食升高。接收端的结果与末梢激活相呼应,但观察对象换成了这些细胞本身。

更特别的是,PVH接收群受干预后,冷、中性与热环境之间的摄食差异不再显著;ARC接收群受干预后,摄食虽降低,温度相关差别仍存在。两路都能改变食量,PVH这一端却更突出地关联了食量怎样随环境变化。

原论文图 5从接收端看,PVH群体改变了温度相关差异
从接收端看,PVH群体改变了温度相关差异
原论文Figure 5:两类输入接收细胞的抑制产生相反摄食结果,PVH接收群抑制后的受测温度内比较未显著。
来源:Qian S et al. · Nature communications · CC BY
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环境变冷与变热,招募不同输出群

记录投向ARC的apMPOA细胞,冷环境使钙信号升高,热环境没有相应响应。PVH投射群则在热环境中升高、冷环境中降低。两群对冷暖的不同活动,与各自促进或抑制摄食的方向联系起来。

局部接触冷热板的结果并不相同:ARC投射群没有显著响应,PVH投射群主要在局部冷刺激时下降。整片环境带来的热挑战,与身体局部的温度接触,调动细胞的方式有所区别。

原论文图 6环境变冷与变热,招募不同输出群
环境变冷与变热,招募不同输出群
原论文Figure 6:投射定义群体对环境冷暖的钙响应不同;局部热刺激多为无显著响应,PVH群局部冷刺激有下降。
来源:Qian S et al. · Nature communications · CC BY
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相邻细胞,接收的上游线索也有侧重

双重追踪显示,两类投射细胞相邻分布,却只有较少重叠。上游解剖追踪进一步发现,PVH投射群接收较多臂旁核背侧亚区相关输入,ARC投射群则更多联系外侧亚区;其他上游来源也有区别。

臂旁核早已与温度信息传递联系在一起,这次结果给出了更细的连接图。这里新增的是输入分布证据;这些上游分支如何实际调节摄食,仍需功能干预接续。

PVH投射群还较多接收后部终纹床核、孤束核及杏仁核相关输入。两类细胞的分工因而不只是一对冷暖标签,它们置身于更广的信息网络,可能把身体状态和环境线索一起带入摄食调节。

原论文图 7相邻细胞,接收的上游线索也有侧重
相邻细胞,接收的上游线索也有侧重
原论文Figure 7:两类投射群重叠较少,上游臂旁核及其他来源的解剖标记分布不同。
来源:Qian S et al. · Nature communications · CC BY
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分子身份,为两群细胞增添辨识线索

转录本比较与原位标记显示,ARC投射群较多表达甘丙肽受体GalR1,PVH投射群较多表达apelin受体Aplnr,但都不是覆盖全部成员的专属标签。局部相关药物也能改变摄食,提示这些分子值得继续研究。

研究使用成年雌雄小鼠,把环境、饮食状态与两路输出联系起来。它勾勒的不是一个统一的食欲开关,而是相邻群体的不同响应与协同;具体接收细胞类型、上游温度输入和受体作用怎样衔接,仍有待进一步厘清。

药物效应也随环境而变。NPY在中性温度下促进摄食,在热与冷环境中却没有显著效果,受测NPY1受体阻断同样未显著改变摄食。分子与行为的联系,仍要放回具体情境理解。

原论文图 8分子身份,为两群细胞增添辨识线索
分子身份,为两群细胞增添辨识线索
原论文Figure 8:投射相关转录本、局部药理与受体共标,为两群细胞提供部分分子区分。
来源:Qian S et al. · Nature communications · CC BY
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论文信息

Qian S, Yan S, Pang R, Zhang J, Liu K, Shi Z, Wang Z, Chen P, Zhang Y, Luo T, Hu X, Xiong Y, Zhou Y.
A temperature-regulated circuit for feeding behavior
Nature communications · 2022-07-22
DOI: 10.1038/s41467-022-31917-w