【Science】信息枢纽！前额叶皮层调控安全饮食的神经环路机制

“螳螂捕蝉，黄雀在后。”

《庄子 山木》

图片来源：搜狗百科

新鲜美味的食物会让我们直流口水，大快朵颐。但如果发现食物变质、变馊、变味后，我们也会立刻停止进食。和我们人类一样，很多动物会因为多种因素而放弃到手的美食。如上文中的螳螂，它如果发现身后虎视眈眈的黄雀，便会果断放弃身前优哉游哉、无忧无虑的鸣蝉。

图片来源：Union of Concerned Scientists

除了直接获取信息之外，动物们还能通过伙伴获取相关信息，从而判断一种食物是否安全。与以视觉为主的灵长类动物不同，小鼠等啮齿类动物更依赖于它们的嗅觉。当小鼠A与吃过气味C食物的小鼠B相遇并交流后，小鼠A也会偏向于选择气味C的食物，我们称此现象为食物偏好的社交传递（Social transmission of food preference, STFP）[1]，其示意图如下[2]。

图片来源：Nature review neuroscience[2]

过去的研究表明，小鼠获取STFP的嗅觉信息经由嗅球传递至梨状皮层（Piriform cortex, PiC）[3],其进食行为受伏隔核（Nucleus accumbens, NAc）调控[4]。然而，对于上述嗅觉信息如何整合以调控进食行为，我们尚未可知。

嗅觉系统中梨状皮层的位置

图片来源：ResearchGate

2019年6月7日，《Science》杂志在线刊登了瑞士日内瓦大学Christian Lüscher教授的最新重要工作[5]，他们发现内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex，mPFC）接受PiC脑区投射以实现嗅觉信息的传递，并通过投射到NAc的神经元编码进食行为的决策。该研究首次揭示了编码嗅觉信息决策进食行为的神经环路机制，极大提高了我们在进食行为与决策行为领域的认知。

Christian Lüscher教授

图片来源：FENS

结果

1.投射到NAc的mPFC神经元参与STFP

首先，简单介绍一下背景。解剖学方面，近期研究显示mPFC被奖赏性信息激活，并可投射到进食行为相关的NAc脑区[6, 7]。行为学方面，通常情况下小鼠可区分食物中孜然和百里香这两种气味，并偏向于百里香[8]，作者将小鼠与食用过孜然味食物的小鼠社交，以这只小鼠对孜然味食物的偏好性作为STFP的评判指标。

为研究投射到NAc的mPFC神经元是否参与STFP，作者在小鼠NAc注射逆行示踪染料CTB-555，并使之与食用过孜然味食物的小鼠社交，24小时后使其在两种味道的食物中做出决策（图1A-B）。他们发现小鼠倾向于孜然味食物且mPFC中被激活的CTB阳性神经元数量显著增加，而社交行为与社交行为激活的CTB阳性神经元数量无差异（图1C-E）。

然后，为研究mPFC-NAc环路在STFP过程中的功能性变化，作者在Fos-CreERT2小鼠的mPFC中注射AAV-DIO-ChR2，以4-OHT诱导Cre重组酶表达，从而使被激活的mPFC表达ChR2（图1F-H）。他们电生理记录NAc中型多棘神经元（MSN），发现产生STFP后，光激活mPFC投射到NAc脑区的纤维末梢引起的兴奋性突触后电流幅度显著增大，连接率也显著增加（图1I）。

再然后，为证实投射到NAc的mPFC神经元在STFP过程中的必要性，作者在小鼠NAc注射逆行表达病毒AAV2rg-Cre，在mPFC注射AAV-DIO-hM4D，腹腔注射CNO化学抑制投射到NAc的mPFC神经元，发现小鼠社交行为后不再倾向于孜然味食物（图1J-L）。

综上所述，投射到NAc的mPFC神经元参与STFP并对此现象的产生具有必要性。

图1 投射到NAc的mPFC神经元参与STFP

2

2.PiC对投射到NAc的mPFC神经元产生兴奋性直接投射

上文已知，投射到NAc的mPFC神经元参与STFP，那么此类神经元是否接受嗅觉相关脑区PiC的投射以实现嗅觉信息传递呢？作者就此展开研究。他们使用狂犬病毒逆行示踪方法，在小鼠NAc注射AAV2rg-Cre，在mPFC注射辅助病毒与狂犬病毒（图2A），发现投射到NAc的mPFC神经元的上游脑区主要为丘脑、杏仁核与PiC（图2B-D）。

为进一步探究PiC与投射到NAc的mPFC神经元之间的功能性投射，作者再次使用光遗传结合电生理方法，在小鼠NAc注射CTB-555，在PiC注射AAV-ChR2，电生理记录mPFC中CTB阳性神经元，发现光激活PiC神经纤维既可引起投射到NAc的mPFC神经元产生兴奋性突触后电流（EPSC）也可引起抑制性突触后电流（IPSC），其中IPSC延迟较长且可被AMPA受体拮抗剂NBQX阻断（图2E-O），表明此抑制性投射为间接投射。以上结果表明PiC对投射到NAc的mPFC神经元产生兴奋性直接投射，也可通过抑制性中间神经元产生抑制性间接投射。

图2 PiC对投射到NAc的mPFC神经元产生兴奋性直接投射

3

3.STFP增加PiC对投射到NAc的mPFC神经元的兴奋性输入

了解PiC-mPFC的投射性质后，作者就其功能展开研究。他们在小鼠NAc注射CTB-555，在PiC注射AAV-ChR2（图3A），发现小鼠产生STFP后，光激活PiC引起mPFC中CTB阳性神经元产生的EPSC幅度显著增加，而IPSC无变化（图3B-D）。此外，小鼠产生STFP后，光激活PiC引起mPFC中CTB阳性神经元产生的EPSC中，AMPA受体介导的电流与NMDA受体介导的电流比值显著增加，而整流系数不变（图3E-F）。

以上结果表明，小鼠产生STFP后，PiC到投射到NAc的mPFC神经元的兴奋性投射增强，且产生长时程增强（LTP）的可塑性变化。

图3 STFP增加PiC对投射到NAc的mPFC神经元的兴奋性输入

4 4.社交过程中抑制PiC-mPFC环路阻碍STFP形成

上文结果显示，产生STFP后，小鼠PiC对投射到NAc的mPFC神经元的投射产生LTP，但我们不知其因果关系。一种可能的情况为，STFP由投射LTP产生；另一种情况为，投射LTP由STFP产生。

因果倒置是科研的常见错误之一，举个例子：事故现场总会出现警车，我们显然不能认为事故由警车引起。如何避免因果倒置呢，我们可以做消除实验。消除因，便无果。上例中，我们去掉警车，发现事故依然发生，便知警车并非事故的起因。

若想证实STFP由投射LTP产生，则需抑制PiC对投射到NAc的mPFC神经元的投射。于是作者在小鼠NAc注射CTB-555，在PiC注射AAV-ChR2与AAV-DIO-hM4D，在mPFC注射AAV2rg-Cre，电生理记录mPFC中CTB阳性神经元，发现化学抑制投射到mPFC的PiC神经元后，光激活PiC引起mPFC中CTB阳性神经元产生的EPSC幅度不变，AMPA受体介导的电流与NMDA受体介导的电流比值也不变（图4A-E）。

然后，作者在小鼠的mPFC注射AAV2rg-Cre，在PiC注射AAV-DIO-hM4D，在小鼠社交行为过程中化学抑制投射到mPFC的PiC神经元，发现小鼠并不产生STFP（图4F-G）。

最后，作者在小鼠PiC注射AAV-ChR2，在mPFC埋植光纤，在小鼠社交行为过程中通过1Hz光激活引起长时程抑制（LTD），发现小鼠同样不产生STFP（图4H-I）。

综上，STFP的形成需要PiC-mPFC兴奋性环路的LTP。

图4 社交过程中抑制PiC-mPFC环路阻碍STFP形成

总结

安全饮食是人类与动物生存的必要条件，人类与灵长类动物主要通过视觉与味觉判断食物的可食用性，啮齿类动物则更依赖于嗅觉。过去研究发现PiC介导嗅觉信息，NAc编码进食行为，但嗅觉信息如何整合并编码进食行为，我们知之甚少。本篇文章结合神经元示踪、光遗传学、化学遗传学、电生理、行为学等方法，发现投射到NAc的mPFC神经元参与STFP形成且具有必要性。此外，PiC对投射到NAc的mPFC神经元产生兴奋性投射，且此投射的LTP对STFP的形成至关重要。这项研究阐释了进食决策的神经环路机制，为我们的安全饮食提供有力保障！

OBi和元生物 一直致力为神经科学研究提供整体研究方案，从标记、示踪、基因操作、生理操作到观察，提供病毒包装、动物模型构建、病理研究等一站式服务。用实际行动助力中国脑科学的发展！

本内容版权归和元生物 所有

如需转载请在文章留言区申请转载

未经授权不得以转载或其他任何形式使用

参考文献

1.Bessieres, B., O. Nicole, and B. Bontempi, Assessing recent and remote associative olfactory memory in rats using the social transmission of food preference paradigm. Nat Protoc, 2017. 12(7): p. 1415-1436.

2.Eichenbaum, H., A cortical-hippocampal system for declarative memory. Nat Rev Neurosci, 2000. 1(1): p. 41-50.

3.Al Koborssy, D., et al., Modulation of olfactory-driven behavior by metabolic signals: role of the piriform cortex. Brain Struct Funct, 2019. 224(1): p. 315-336.

4.O'Connor, E.C., et al., Accumbal D1R Neurons Projecting to Lateral Hypothalamus Authorize Feeding. Neuron, 2015. 88(3): p. 553-64.

5.Loureiro, M., et al., Social transmission of food safety depends on synaptic plasticity in the prefrontal cortex. Science, 2019. 364(6444): p. 991-995.

6.Otis, J.M., et al., Prefrontal cortex output circuits guide reward seeking through divergent cue encoding. Nature, 2017. 543(7643): p. 103-107.

7.Euston, D.R., A.J. Gruber, and B.L. McNaughton, The role of medial prefrontal cortex in memory and decision making. Neuron, 2012. 76(6): p. 1057-70.

8.Lesburgueres, E., et al., Early tagging of cortical networks is required for the formation of enduring associative memory. Science, 2011. 331(6019): p. 924-8.