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Neuron︱基底前腦到腹側被蓋區谷氨酸能環路激活誘導厭食癥樣表型

2023125日,美國德克薩斯大學休斯頓健康科學中心麥戈文醫學院Qingchun Tong和德克薩斯兒童醫院JanDan Duncan神經學研究所的Benjamin R. Arenkiel研究團隊合作在Neuron雜志上發表名為“An excitatory projection from the basal forebrain to the ventral tegmental area that underlies anorexia-like phenotypes”揭示基底前腦向腹側被蓋區的興奮性投射是厭食癥樣表型的基礎。



平衡內部能量需求和外部威脅線索的適應不當可能會導致厭食或暴飲暴食,從而導致虛弱的營養不當或肥胖。被診斷為神經性厭食癥(一種自我饑餓的飲食失調癥,在精神障礙中死亡率高)的患者中,廣泛性焦慮癥的患病率表明應激反應加劇對進食行為產生深遠影響。然而,涉及感知外部壓力線索以適當調節進食行為的大腦回路仍然難以捉摸。據報道,基底前腦 (BF)可以感知環境線索并處理感覺輸入,且BF 作為感知環境線索的功能中心,能夠深刻影響進食行為。此外,腹側被蓋區 (VTA) 是一個經過充分研究的富含多巴胺 (DA) 的中腦結構,被證明可以調節進食,特別是在享樂行為方面。然而,VTA 神經元如何整合環境線索來調節進食行為尚不清楚。

Vglut2-Cre小鼠上,研究人員首先注射AAV5-Ef1a-DIO-ChR2-EYFP病毒來確定BFVglut2 神經元的下游靶標, VTA 中發現了豐富的 EYFP 陽性纖維。為進一步驗證該投射,又分別在BFVTA注射AAV-DJ8-hSyn-Con/Fon-EYFPAAVrg-Ef1a-mCherry病毒。AAV-DJ8-hSyn-Con/Fon-EYFP以 Cre 和 Flp 共同依賴的方式表達 EYFP,這里EYFP選擇性標記投射到 VTA 的 BFVglut2 神經元。Z后鑒于 VTA 神經元的異質性,接下來使用跨突觸示蹤劑小麥胚芽凝集素 (WGA) 來識別 VTA 中接受 BFVglut2 神經元投射的神經元亞型。在BF注射AAV-DJ8-CAG-DIO-WGA-EGFP病毒,EGFP 信號從 BFVglut2 神經元追蹤到 VTA,并通過在 VTA 共同遞送 AAV1-Ef1a-DOG-FlpAAV-DJ8-Ef1a-fDIO-EYFP 進一步放大。Z終結果顯示豐富的WGA-EGFP 標記神經元與 mCherry 陽性谷氨酸能神經元共定位,這表明BF 向 VTAVglut2 神經元發送谷氨酸能投射。



接下來為研究 BFVglut2 VTAVglut2神經元響應環境壓力源的功能關系,對自由活動小鼠的這兩組神經元進行鈣信號光度測量記錄。結果顯示BFVglut2 神經元表現出對吹氣、噴水和物體掉落的活動增加。VTAVglut2神經元也表現出與 BFVglut2神經元類似的活動增加,且BFVglut2神經元和 VTAVglut2神經元在應激條件下存在很強的相關性。



隨后作者進一步推斷 VTAVglut2神經元可能介導對進食的影響,這里采用光遺傳的方法激活VTA 內的 BFVglut2神經元纖維。結果發現在禁食的小鼠中,BFVglut2/VTA 回路的體內光刺激減少了食物消耗和進食時間。通過將谷氨酸受體拮抗劑 AP5DNQX 注射到 VTA 中,可以部分挽救這種效應,這表明進食減少是通過激活VTA 中的谷氨酸受體。然而,光遺傳激活小鼠表現出體力活動水平增加,為了測試該效應與攝食抑制相關的效價,進行了實時位置回避(RTPA)測試。結果表達 ChR2 的小鼠在非刺激一半中花費更多的時間,而表達 EYFP 的對照組對任何一側都沒有表現出偏好,這表明 BFVglut2/VTA 回路的激活引起了回避行為,這與增加的速度,曠場測試(OFT)中觀察到的運動增加一致。由于 VTA 投射 BFVglut2 神經元也向 LHb 和其他大腦區域發送附帶投射,因此觀察到的行為效應可能部分是由這些額外的投射位點通過并行激活介導的。為了測試這種可能性,在光遺傳激活VTABFVglut2 神經元末梢的同時化學遺傳抑制 BFVglut2 神經元胞體,這將在很大程度上消除附帶激活。在行為上,在化學抑制存在的情況下,VTA 中 BFVglut2 纖維的光刺激仍然能夠誘發厭惡、增加體力活動并減少禁食再進食,這表明攝食抑制是由VTA內的 BFVglut2 投射介導的。


鑒于 VTAVglut2神經元是 BFVglut2神經元的主要下游靶標之一,接下來采用化學遺傳的方法檢查 VTAVglut2神經元在攝食調節中的作用,結果顯示激活VTAVglut2神經元大大減少了禁食引起的再進食。另外鑒于 VTAVglut2 神經元在獎勵處理中的作用,進一步探討這些神經元在食物動機中的影響。首先測試高脂肪飲食(HFD)的動機,進行了HFD偏好測試,其中禁食 小時的小鼠能夠自由地攝入HFD 制式飲食 (chow diet, CD)。在對照組中,觀察到對 HFD的高度偏好,而這種偏好在化學遺傳抑制組中減弱。這些結果表明 VTAVglut2神經元激活對抑制動機性進食行為具有深遠的影響。接著使用明暗盒測試 (LDT) 進一步評估了VTAVglut2 神經元激活小鼠的焦慮水平。與對照組,相比化學遺傳激活組小鼠在盒子有光側的時間減少,這表明 VTAVglut2 神經元激活引發了焦慮樣行為??傊?,VTAVglut2 神經元的激活導致運動增加、焦慮樣行為增加以及吞咽不足和食物動機降低。


由于厭食癥狀可能是由神經元活動的慢性變化引起的,因此接下來利用來自bacteria突變鈉通道 (NaChBac) 探索了 VTAVglut2 神經元慢性激活的影響,該通道可以實現長期激活。與注射 EYFP 的對照組相比,表達 NaChBac 的小鼠體重較低,并且對飲食誘導的肥胖有抵抗力。與較低的體重一致,NaChBac 組與對照組相比顯示出較低的食物攝入量。當在代謝籠中進行測量以收集實時生理數據時,與對照組相比,NaChBac 組表現出運動增加,這表明體重較低是由于嚴重的能量不足。這些結果表明 VTAVglut2 神經元的慢性激活會導致吞咽功能減退、體重增加減少和運動能力增強。


DA 信號的變化與較低的體重有關,因此進一步研究該投射在調節 DA 釋放中的潛在影響。伏隔核(NAc)  VTA DA 神經元的主要下游區域之一,負責獎勵和顯著性處理;作者在自由活動的小鼠中使用基于 gGRAB-DA3m (gDA3m) 的光纖光度記錄記錄了 NAc 中的動態 DA 釋放。與之前蔗糖消耗的結果一致,當小鼠消耗 HFD 顆粒時,檢測到 NAcSh 中 DA 釋放增加。此外,還觀察到當小鼠受到噴水等厭惡刺激時,DA 釋放減少。接著為檢查 BFVglut2/VTAVglut2 預測對 DA 釋放的影響,記錄 DA通過定向光刺激激活 VTA 中的 BFVglut2 纖維時釋放,使用 20 Hz-20 ms 激光對 BF/VTA 環路進行光刺激 10 秒和 20 秒,均以持續時間依賴性方式減少 DA 釋放。Z后為探索 BFVglut2/VTAVglut2 預測調節的 DA 釋放與進食行為之間的關系,監測小鼠開始 HFD 進食時對光刺激的 DA 釋放響應。當小鼠消耗HFD顆粒時,DA 釋放的信號增加,而在光刺激時減少,這也與進食的立即暫停和遠離食物行為有關。這些結果共同表明 BFVglut2/VTAVglut2 投射的激活減少了進食并減少了 NAc 中 DA 的釋放。


綜上,通過組合環路追蹤、體內光纖光度記錄以及小鼠遺傳學和行為研究,本篇文章確定了從基底前腦到 VTA 谷氨酸神經元的谷氨酸能環路,該環路激活導致厭食癥樣表型,且吞咽不足表型伴隨著多巴胺釋放減少。


參考文獻:https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00845-0


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