【原】美食可不只是填飽肚子，還能緩解壓力？探究神經(jīng)環(huán)路背后的秘密

腦聲常談 2023-06-14 發(fā)布于上海

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2023年6月9日悉尼加文醫(yī)學(xué)研究所Herbert Herzog團(tuán)隊(duì)在Neuron上發(fā)表“Critical role of lateral habenula circuits in the control of stress-induced palatable food consumption”，揭示外側(cè)韁核回路在控制應(yīng)激性可口食物消耗中的關(guān)鍵作用，即LHb腦區(qū)Npy1r陽性神經(jīng)元特異性通路可驅(qū)動(dòng)小鼠攝取可口的食物來克服慢性應(yīng)激帶來的壓力。

日常壓力水平的波動(dòng)以及不同的飲食選擇會(huì)影響能量穩(wěn)態(tài)。雖然急性壓力有利于應(yīng)對(duì)意外情況，但長(zhǎng)時(shí)間的壓力會(huì)破壞能量穩(wěn)態(tài)控制的平衡。當(dāng)大鼠或小鼠接受長(zhǎng)時(shí)間的壓力治療時(shí)，兩者都表現(xiàn)出食物攝入量減少并表現(xiàn)出類似焦慮的表型。慢性壓力會(huì)促進(jìn)可口食物的消耗，并會(huì)促進(jìn)肥胖的發(fā)展。雖然已經(jīng)確定了壓力和進(jìn)食控制途徑，但壓力誘導(dǎo)的進(jìn)食是如何協(xié)調(diào)的仍然未知。下丘腦弓形核（Arc）、下丘腦外側(cè)核（LH）和杏仁核中央核（CeA）在控制進(jìn)食行為和基礎(chǔ)能量代謝發(fā)揮關(guān)鍵作用。在這里，作者將表達(dá)外側(cè)韁核(LHb)Npy1r的神經(jīng)元確定為在壓力下促進(jìn)享樂喂食的關(guān)鍵，因?yàn)檫@些神經(jīng)元中缺乏Npy1r可減輕小鼠因應(yīng)激和高脂肪喂養(yǎng)(HFDS)聯(lián)合引起的肥胖效應(yīng)。從機(jī)制上講，這是由于源自中央杏仁核NPY神經(jīng)元的回路，HFDS 誘導(dǎo)的NPY上調(diào)通過Npy1r信號(hào)傳導(dǎo)到LHb和外側(cè)下丘腦神經(jīng)元，從而啟動(dòng)雙重抑制作用，從而通過對(duì)下游腹側(cè)的作用降低穩(wěn)態(tài)飽腹感?？傊@些結(jié)果將LHb-Npy1r神經(jīng)元確定為通過驅(qū)動(dòng)可口食物攝入以試圖克服壓力來適應(yīng)對(duì)慢性壓力的反應(yīng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖一響應(yīng)HFD或HFDS的小鼠大腦中的Fos激活

為了確定在不同飲食下對(duì)慢性壓力暴露有不同反應(yīng)的特定大腦區(qū)域，作者首先用食物或HFD喂養(yǎng)成年小鼠2周，并將它們暴露在慢性壓力范式中。飲食導(dǎo)致外側(cè)杏仁核(LA)和下丘腦室旁核(PVN)的Fos染色顯著增加。雖然食物攝入量略有減少，但未檢測(cè)到體重和脂肪量增加的顯著變化。在僅HFD條件下，可以在LH、室旁丘腦(PVT)、Arc和PVN中檢測(cè)到Fos活動(dòng)的變化。在LHb中觀察到響應(yīng) HFD最強(qiáng)的Fos激活。在較早的時(shí)間點(diǎn)（例如，HFD喂養(yǎng)后7天）未觀察到該現(xiàn)象，此時(shí)與穩(wěn)態(tài)誘導(dǎo)的正能量適應(yīng)一致，Fos已經(jīng)在Arc中上調(diào)。這表明 LHb活性的延遲增加可能代表對(duì)長(zhǎng)期過量熱量攝入的反調(diào)節(jié)反應(yīng)，這與LHb的反獎(jiǎng)賞特性一致，食物飲食條件下的慢性應(yīng)激不影響LHb中的Fos表達(dá)。由于脂肪量增加，14天的HFD結(jié)合HFDS導(dǎo)致體重增加最多。壓力完全阻斷了HFD誘導(dǎo)的LHb Fos活性，表明壓力控制LHb神經(jīng)元。在HFDS下，LH、PVT和Arc中Fos的上調(diào)減少，導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)(PAG)中的Fos在HFDS下也有所降低。相比之下，PVN中HFDS下的Fos進(jìn)一步增加，這與PVN在啟動(dòng)應(yīng)激反應(yīng)以及改變能量穩(wěn)態(tài)中所起的作用一致。

圖二 HFD和HFDS處理小鼠口具有味偏好和行為變化

作者通過免疫熒光實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高脂飲食可激活LHb、外側(cè)下丘腦、PVT、Arc等腦區(qū)神經(jīng)元，并能引起小鼠出現(xiàn)焦慮樣行為。在經(jīng)歷2周慢性應(yīng)激時(shí)可抑制高脂飲食引起的神經(jīng)元激活，并能緩解焦慮樣行為。由于LHb谷氨酸能神經(jīng)元的激活已被證明會(huì)引發(fā)急性焦慮和抑郁表型，作者在礦場(chǎng)測(cè)試(OFT)、大理石掩埋測(cè)試(MBT)和糖水偏好測(cè)試中測(cè)試HFDS小鼠行為。在糖水消耗實(shí)驗(yàn)中，高脂飲食小鼠更喜歡飲用純凈水，但經(jīng)歷慢性應(yīng)激下高脂飲食小鼠更喜歡飲用糖水溶液。此外，在連續(xù)5天蔗糖顆粒攝入實(shí)驗(yàn)中，普通飲食小鼠在第4天才開始攝取三氯蔗糖顆粒，高脂飲食小鼠在第一天就開始攝取顆粒，慢性應(yīng)激下高脂飲食小鼠攝入的蔗糖顆粒更多。總之，蔗糖顆粒試驗(yàn)表明，慢性應(yīng)激促進(jìn)高脂飲食小鼠攝入可口食物。與HFD和僅喂食食物的小鼠相比，HFD 小鼠對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)食物有更高的口味偏好。

圖三 HFD刺激的LHb中Fos陽性神經(jīng)元的分子特征

為了識(shí)別通過進(jìn)食而被特異性激活的LHb神經(jīng)元，作者使用病毒示蹤的方法將病毒注射到LHb中，然后喂食食物或補(bǔ)充強(qiáng)力霉素(Dox)的HFD以防止標(biāo)記。對(duì)小鼠進(jìn)行2周的治療然后從所有飲食中去除 Dox，在2天內(nèi)標(biāo)記Fos陽性神經(jīng)元，在HFD小鼠的LHb中觀察到大量標(biāo)記的神經(jīng)元，而在HFDS小鼠中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)。為了執(zhí)行翻譯核糖體親和純化(TRAP)并確定HFD在LHb中激活的神經(jīng)元類型，使用了NBL10小鼠，其表達(dá)核糖體亞基L10a蛋白與所有神經(jīng)元中的GFP蛋白納米抗體融合。處理對(duì)照和標(biāo)記小鼠的韁核組織用于免疫沉淀和隨后的RNA提取。與未感染的對(duì)照相比， TRAP陽性神經(jīng)元存在于LHb中，但不存在于MHb中。Npy1r mRNA在 HFD樣本中增加，但在HFDS樣本中減少?；钚苑g的胰島素受體(Insr)表達(dá)遵循與Npy1r相同的模式，而瘦素受體(Lepr)在HFD和HFDS處理后沒有顯示任何變化。同樣，與體重指數(shù)相關(guān)的孤兒G蛋白受體Gpr151未發(fā)生改變。表明Npy1r信號(hào)主要是這些神經(jīng)元活動(dòng)的介質(zhì)，該分析表明表達(dá)Npy1r的神經(jīng)元是最有可能介導(dǎo)HFD影響的LHb神經(jīng)元組，并且對(duì)慢性應(yīng)激治療也有反應(yīng)。

圖四抑制LHb腦區(qū)Npy1r信號(hào)改變可口食物的攝入

為了在功能上抑制由HFD激活的表達(dá)LHb Npy1r的神經(jīng)元，作者在十周鼠上的雙側(cè)LHb注射病毒，2 周的HFD喂養(yǎng)誘導(dǎo)了LHb中的Fos表達(dá)，這在純食物飲食條件下是看不到的。神經(jīng)肽Y可促進(jìn)攝食，同時(shí)降低基礎(chǔ)能量代謝，加劇肥胖的發(fā)生。在普通飲食下LHb腦區(qū)Npy1r mRNA水平降低，高脂飲食下Npy1r mRNA水平升高?；瘜W(xué)遺傳學(xué)技術(shù)慢性抑制高脂飲食小鼠LHb腦區(qū)Npy1r陽性神經(jīng)元后攝食行為增加，基礎(chǔ)能量消耗增加。通過注射病毒特異性敲除經(jīng)歷慢性應(yīng)激高脂飲食小鼠LHb腦區(qū)神經(jīng)元上的Npy1r后，可明顯減少食物攝入，降低小鼠體重，阻礙肥胖的發(fā)生。

圖五 LHb中Npy1r的敲低可減輕應(yīng)激誘導(dǎo)的肥胖

為了確定可口的食物攝入量是否直接取決于NPY1R信號(hào)，作者將病毒注射到Npy1rlox/lox小鼠的雙側(cè)LHb中敲低Npy1r表達(dá)。此外，RNAScope證實(shí)Npy1r表達(dá)的減少對(duì)LHb中的Slc17a6沒有影響。小鼠在4周的時(shí)間內(nèi)接受了監(jiān)測(cè)，在這期間它們接觸了標(biāo)準(zhǔn)HFDS范式。LHb特異性Npy1r缺失小鼠的體重和體重增加顯著減少此外，在HFDS范式開始后2周測(cè)定分析顯示全身脂肪量增加減少。LHb Npy1r缺失并沒有改變?nèi)硎蒹w重，而在暴露于HFDS模式4周后的組織分析顯示各種脂肪庫(kù)的重量顯著減少，但其他器官的重量與對(duì)照小鼠相當(dāng)。代謝分析表明，LHb特異性Npy1r缺失小鼠的食物攝入量減少。僅HFD喂養(yǎng)小鼠LHb神經(jīng)元中Npy1r的敲低也顯示喂養(yǎng)、體重、身體成分和活動(dòng)沒有變化，這可能是由于HFD誘導(dǎo)的Fos激活已達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖六 LHb-NPY1R神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)示蹤

為了識(shí)別控制LHb中Npy1r的神經(jīng)元輸入，作者運(yùn)用逆行追蹤將病毒注射到紋狀體、前額葉皮質(zhì)、LH或杏仁核中。注射后2周收集腦組織進(jìn)行免疫組化檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)具有最高連接度的陽性染色位點(diǎn)是CeA和LH。作者發(fā)現(xiàn)在Npy高表達(dá)的CeAM中觀察到熒光表達(dá)，但在不表達(dá)Npy的CeAL和LH中并不表達(dá)。此外，在支配LHb的末端發(fā)現(xiàn)了集中的熒光信號(hào)，在LH和PAG中也發(fā)現(xiàn)了熒光信號(hào)，表明CeAM NPY神經(jīng)元也直接支配這些區(qū)域。LHb神經(jīng)元接收來自LH神經(jīng)元的谷氨酸能輸入，接下來將順行示蹤病毒注射到 Slc17a6Cre/+小鼠的LH中。在LHb中發(fā)現(xiàn)了突觸末端的特異性染色。作者又將病毒注射到Slc17a6Cre/+小鼠的單側(cè)LHb中，并在注射的LH區(qū)域觀察到大量陽性細(xì)胞，證實(shí)了從LH到LHb直接的谷氨酸能神經(jīng)支配。這些追蹤研究表明，CeA-NPY神經(jīng)元對(duì)LHb神經(jīng)元具有三種不同的抑制輸入：直接投射到LHb中表達(dá)Npy1r的神經(jīng)元；通過減少LHb神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)的間接抑制來自共表達(dá)Npy1r的LHb投射LH神經(jīng)元的谷氨酸能輸入，以及通過LH谷氨酸能Npy1r表達(dá)神經(jīng)元中從Arc NPY神經(jīng)元對(duì)LHb NPY1R神經(jīng)元的穩(wěn)態(tài)控制輸入。

圖七激活LHb-Npy1r→VTA環(huán)路減少慢性壓力引起的可口食物攝入

為了識(shí)別 LHb Npy1r神經(jīng)元的下游目標(biāo)，作者通過向Npy1rCre/+小鼠注射順行示蹤病毒。示蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)LHb腦區(qū)Npy1r陽性神經(jīng)元接受來自于CeA、LH、蒼白球、腹內(nèi)側(cè)杏仁核等腦區(qū)的輸入，然而僅內(nèi)側(cè)CeA富集表達(dá)NPY?；瘜W(xué)遺傳學(xué)激活mCeA-NPY神經(jīng)元后可激活LHb腦區(qū)Npy1r信號(hào)，在孵育Npy1r拮抗劑后可顯著阻斷上述激活效應(yīng)。順行示蹤病毒揭示LHb腦區(qū)Npy1r陽性神經(jīng)元主要投射到VTA，這種投射是興奮性的。經(jīng)歷慢性應(yīng)激的高脂飲食小鼠在激活LHb-Npy1r→VTA環(huán)路后食物攝入明顯減少，并減少對(duì)可口食物的攝入。LHb-VTA環(huán)路對(duì)焦慮樣行為的激活結(jié)果顯示，在OFT中測(cè)試時(shí)動(dòng)物整體活動(dòng)顯著減少。在MBT中，與關(guān)燈對(duì)照組相比，開藍(lán)色激光刺激燈的小鼠埋珠的數(shù)量也明顯增加。

綜上所述，該研究揭示了表達(dá)LHb Npy1r的神經(jīng)元是一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，LHb腦區(qū)Npy1r陽性神經(jīng)元可驅(qū)動(dòng)慢性壓力下可口食物攝入增多，來自LH的穩(wěn)態(tài)控制通路與以VTA為目標(biāo)控制獎(jiǎng)勵(lì)的享樂控制回路相互作用。LHb-NPY1R神經(jīng)元也是相互作用節(jié)點(diǎn)，起源于CeAM的壓力控制通路在這里相交，以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)食和情緒行為的穩(wěn)態(tài)控制，當(dāng)持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致肥胖加速。