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高脂饮食之后,中脑的进食信号怎样改变?

Science advances · 2023-11-01

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Science Advances · 研究前沿

高脂饮食之后,中脑的进食信号怎样改变?

高脂饮食影响的不只是脂肪。小鼠中脑的一群抑制性细胞,在进食时出现更深的活动下降;改变其活动或相关基因表达,又牵动了体重与能量收支。

原论文图3A局部:腹外侧导水管周围灰质的红蓝荧光细胞视野

吃得多、消耗少,会让体重逐渐上升。但在高脂饮食的过程中,大脑会不会也发生改变,让这笔能量账更难平衡?2023年11月1日发表于 Science Advances 的研究,追踪了小鼠腹外侧导水管周围灰质中的GABA能细胞。这个名字很长的中脑区域,在研究中呈现出一个清晰现象:小鼠开始进食时,相关细胞的群体钙信号下降;高脂饮食后,下降变得更明显。研究进一步把这一变化与突触抑制、细胞兴奋性和基因表达联系起来,并观察到体脂与进食量随干预而改变。

关键发现

高脂饮食相关肥胖伴随vlPAG GABA能细胞的功能适应。增强相关细胞活动或提高CACNA2D1表达,可减轻模型小鼠的体脂与体重增加,并改善部分异常神经信号。

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体重下降,伴随着少吃和更多夜间消耗

研究先看改变细胞活动后的身体反应。在已经出现高脂饮食相关肥胖的小鼠中,持续增强vlPAG GABA能细胞活动,体重、脂肪量和体脂比例逐步下降;瘦体重没有显著变化。对照组没有出现相同的下降轨迹,提示变化并非来自整个身体成分一起减少。

能量收支的两端都发生了变化:摄入的高脂食物减少,夜间能量消耗增加,白天的消耗则没有显著增加。腹股沟白色脂肪细胞变小,伴随产热相关UCP1增加和棕色化特征;其他脂肪部位没有出现相同的UCP1变化。作用带有时间与组织差别。

原论文图 1细胞活动与体脂、进食和代谢变化
细胞活动与体脂、进食和代谢变化
图1比较体重、身体成分、能量消耗与脂肪组织。夜间和白天、脂肪与瘦体重的结果各有差别。
来源:Wang X et al. · Science advances · CC BY
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信号下降更深,并不限于高脂食物入口时

正常饲料和初次接触高脂食物时,群体钙信号都会在进食开始后降低,停止进食后接近原来水平。长期高脂饮食后,再次进食引起的下降更加明显;一直吃正常饲料的对照小鼠,面对同样的高脂食物没有出现同等幅度的变化。

肥胖小鼠重新吃正常饲料时,也能看到较深的信号下降。因此,这一现象与长期饮食及身体状态相联系,不能只归因于当下食物的脂肪含量。行走、梳理和站立没有带来同样的钙信号变化;记录期间的进食次数等指标也未全部改变。

原论文图 2不同饮食经历后的进食相关钙信号
不同饮食经历后的进食相关钙信号
图2将进食起止与钙信号对齐,比较正常饲料、初次高脂接触及长期饮食之后的响应。
来源:Wang X et al. · Science advances · CC BY
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抑制输入更频繁,细胞也更不容易兴奋

脑片记录提供了另一层线索:肥胖小鼠相关细胞接收到的微小抑制性突触电流更频繁,单次电流的幅度却没有显著增加。细胞的自发放电降低,部分内在电学性质也改变,表明群体钙信号背后还有突触和细胞层面的适应。

较早的饮食阶段,某些突触变化已先于明显体重增加出现,而内在兴奋性的变化并非同时齐备。这让“肥胖以后大脑才被动改变”的解释变得不够完整,也留下一个问题:饮食、代谢信号和细胞适应,究竟怎样逐步影响彼此?

原论文图 3突触抑制与内在兴奋性的比较
突触抑制与内在兴奋性的比较
图3展示抑制性电流频率、自发放电及多项细胞性质;电流幅度与部分电学指标没有显著改变。
来源:Wang X et al. · Science advances · CC BY
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CACNA2D1的变化,集中在一个细胞亚群

单核转录组把相关GABA能细胞进一步分成七个亚群。研究关注的Cacna2d1编码钙通道辅助亚基,在其中占比较大的一个亚群内表达降低,其他六群的相应比较没有显著差异。组织中的RNA检测也支持相关表达减少,细胞群内部的差异由此浮现。

提高相关细胞中的CACNA2D1表达后,肥胖小鼠的体重、脂肪量和体脂比例下降,瘦体重仍没有显著改变。这里的表达干预覆盖相关GABA能群体,并未只限于转录组找到的那个亚群,因此还不能把全部效应都分配给某一个细胞类型。

原论文图 4细胞亚群中的表达线索与体重变化
细胞亚群中的表达线索与体重变化
图4连接转录组、组织表达检测与身体成分结果;表达差异和干预覆盖范围并不完全相同。
来源:Wang X et al. · Science advances · CC BY
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改善的是过强的下降,进食相关响应仍在

CACNA2D1表达提高后,异常增加的抑制性电流频率下降,电流幅度没有显著差异。进食仍然伴随钙信号降低,只是原本过深的下降有所减弱,更接近正常饮食对照的水平。相关细胞保留了对进食的响应,而非变成始终保持高活动的状态。同步记录中,总进食时间缩短,但进食次数与单次进食时长没有显著差异,行为变化也有其具体范围。

原论文图 5突触与进食相关钙信号的改变
突触与进食相关钙信号的改变
图5比较表达干预后的抑制性电流与进食相关钙信号。正常饮食组的钙信号对照沿用图2数据。
来源:Wang X et al. · Science advances · CC BY
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能量平衡的故事,延伸到中脑的适应

这项成年雄性小鼠研究把高脂饮食、局部神经适应和身体能量收支放进同一个故事。它提示,进食调节不能只看食物入口时的反应,也需要看长期饮食如何重新塑造这些反应。至于相关细胞通过哪些下游连接影响进食与脂肪,现有解剖线索尚不足以给出完整答案。

CACNA2D1因此成为值得继续研究的分子线索。不过,增加表达带来的模型改善,距离适合人的减重治疗还有许多环节;长期效果、细胞亚群分工,以及钙通道辅助亚基如何改变局部突触,仍有待进一步说明。

论文信息

Wang X, Wu X, Wu H, Xiao H, Hao S, Wang B, Li C, Bleymehl K, Kauschke SG, Mack V, Ferger B, Klein H, Zheng R, Duan S, Wang H.
Neural adaption in midbrain GABAergic cells contributes to high-fat diet-induced obesity
Science advances · 2023-11-01
DOI: 10.1126/sciadv.adh2884