在遇到不同的外界環(huán)境刺激時，大腦神經(jīng)網(wǎng)絡能夠迅速評估內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，從而果斷地選擇最佳選項，但是在食物誘惑和被捕食風險同時存在時，動物會被迫做出選擇[1-2]。為了準確地檢測、定位和識別即將到來的威脅，動物會依靠傳入的感覺信息做出一系列防御行為[3]。自我保護對于獵物來說至關重要，因為它們通常被迫離開安全的居所，尋找必要的卡路里以確保生存。在被捕食和獲取食物之間進行的這種交流需要大腦實時估計、計算和協(xié)調(diào)的行動來優(yōu)化行為[4]。基于此理論，科學家們提出一種捕食風險分配假設預測，動物會在與捕食暴露的時間變化相關的覓食努力和警惕性之間進行權衡，從而在滿足能量需求的同時最大程度地減少受傷或被殺的風險。但很少有研究證實了這一理論，支撐這種權衡背后的神經(jīng)機制仍然難以捉摸。
近日，美國國立衛(wèi)生研究院的Michael J. Krashes實驗室在Neuron發(fā)表了題為Toggling between food-seeking and self-preservation behaviors via hypothalamic response networks的工作，闡明了小鼠決策行為背后的神經(jīng)生物學機制[5]。
小鼠在面臨危險時，會由于危險信號引起許多外周和中樞防御反應。為了研究小鼠的反應，研究者們分別放置了一個大鼠玩偶和一只饑餓的大鼠（可視為捕食者）在小鼠的附近（圖1A）。研究結(jié)果顯示相較于對照組而言，捕食者的刺激會引起小鼠糞便排泄增多（圖1B）、靜止時間增多（圖1C），這些都是小鼠在應激/恐懼狀態(tài)下會顯示出的兩種本能行為反應。血液樣本的結(jié)果顯示面對捕食者的小鼠的應激激素皮質(zhì)酮水平比暴露于填充動物的同齡和性別匹配對照組更高（圖1D）。
由于下丘腦-垂體-腎上腺軸中皮質(zhì)酮是由下丘腦室旁核（PVH）中的皮質(zhì)釋放激素（CRH）神經(jīng)元分泌的，因此研究者們通過Cre依賴的方式向PVH注射了AAV-hSyn-FLEX-GcaMP6s的病毒（圖1E），實驗結(jié)果顯示捕食者使得小鼠PVHCRH持續(xù)性激活（圖1F）。
圖1: 捕食者會引起小鼠生理、行為及神經(jīng)變化
為了評估自我保護機制與熱量需求之間的交集，研究者們在經(jīng)過過夜禁食的小鼠中進行了飼養(yǎng)行為評估，分別在1)空籠子；2)大鼠玩具；3）TMT；4）大鼠捕食者；這四種情況下觀察小鼠對食物的攝取（圖2A）。研究結(jié)果顯示在高危險的情況下小鼠對食物的攝取明顯減少，但在危險消失后，小鼠會恢復進食（圖2B）。
圖2:捕食者環(huán)境會減少饑餓小鼠對食物的探索和消耗
為了進一步評估小鼠的選擇行為，研究者們通過改變動物的內(nèi)部狀態(tài)（飽腹Sated或者禁食Fasted）或移動FED的位置來最小化這些沖突（圖3A）。當在威脅區(qū)域（TZ）測試飽腹（Sated）的小鼠時，所攝取的顆粒數(shù)量進一步減少（圖3B），然而，當FED被重新放置在鼠籠的另一側(cè)安全區(qū)（SZ）的隱藏墻后面時，饑餓的小鼠的食物攝入量增加（圖3B）。減少卡路里需求或減弱潛在威脅明顯地改變了小鼠的進食模式。饑餓-S小鼠的進食速率比饑餓-TZ和飽腹-TZ條件下的小鼠更高，獲取第一個食物顆粒的潛伏期更短（圖3C–3E）。這說明小鼠的進食模式會隨著潛在危險的變化而改變。
圖3:小鼠攝食行為會因卡路里需求量和環(huán)境變化而改變
前期的這些實驗表明，老鼠捕食者的存在抑制了進食行為。考慮到AgRP神經(jīng)元在介導覓食和攝食方面的作用，研究者們假設暴露于威險可能會抑制這些細胞。為了證實這種可能性，研究者們在只在AgRP/神經(jīng)肽Y（NPY）標記的神經(jīng)元中表達綠色熒光蛋白（GFP）的饑餓小鼠中，對Fos蛋白進行了共染色。饑餓的動物在存在捕食者的環(huán)境下，AgRP/Fos細胞的共標記水平明顯低于暴露于玩具大鼠環(huán)境的動物，且后者的條件未能改變攝食行為（圖4A–4C）。這表明AgRP的抑制可能是導致在老鼠捕食者存在時觀察到的攝食行為減少的潛在機制。
為了在體內(nèi)測試這一點，研究者們通過AAV-FLEX-GcaMP6s病毒定向的將GCaMP表達在饑餓小鼠的ARC中，并記錄了AgRP神經(jīng)元的動態(tài)變化（圖4D和4E）。雖然在沒有食物的情況下加入玩具大鼠對神經(jīng)元活動沒有影響，但老鼠捕食者的存在降低了AgRP網(wǎng)絡反應（圖4E–4F）。這些實驗表明，老鼠捕食者的威脅能夠降低饑餓動物中AgRP的活動，可能有助于在危險情況下阻礙攝食行為。
圖4:?在大鼠捕食者出現(xiàn)時，AgRP活性減弱
接下來，研究者們試圖通過TRAP技術來確定大鼠捕食者引起改變的腦區(qū)，于是他們將重點放在下丘腦的防御網(wǎng)絡上。在PMd中，有一個表達Cck的神經(jīng)元亞群，最近已被證明對急性威脅做出反應（圖5A）。因此通過基于AAV-FLEX-hM4Di-mCherry的化學遺傳學技術抑制PMdCck活性后（圖5C），觀察到即使是在捕食者存在的情況下，小鼠對食物的攝取也會顯著增加（圖5D、E）。類似的，通過基于AAV-FLEX-ChR2-tdTomato的光遺傳學技術激活PMdCck活性后（圖5F），小鼠對食物的攝取顯著減少（圖5G-I）這些結(jié)果表明，PMdCck神經(jīng)元在威脅應答和調(diào)節(jié)攝食行為方面發(fā)揮了關鍵作用，這些神經(jīng)元在危險情況下會阻礙尋食。
圖5:?PMdCck神經(jīng)元調(diào)控危險存在時小鼠的進食行為
為了直接確認PMdCck信號對于威脅誘導的AgRP/NPY活動抑制的必要性，他們分別使用AAV-FLEX-hM4Di-mCherry和AAV-hSyn-fDIO-GcaMP6s同時靶向了PMdCck和AgRP/NPY細胞（圖6G）。與激活實驗的結(jié)果不同，抑制PMdCck神經(jīng)元對AgRP/NPY群體動態(tài)沒有影響（圖6H）。此外，PMdCck抑制未能改變老鼠捕食者引發(fā)的AgRP/NPY活動抑制（圖6H和6I），這表明存在其他途徑使得小鼠優(yōu)先考慮自我保護而不是尋找食物。
圖6:?PMdCck神經(jīng)元通過抑制AgRP/Npy調(diào)控攝食行為
最后研究人員接著研究了AgRP神經(jīng)元在尤其是在涉及實時決策成本和效益的情境下調(diào)節(jié)進食行為中的作用。他們使用化學遺傳學技術抑制AgRP神經(jīng)元，在有或沒有捕食者的條件下都減少了饑餓小鼠的食物攝入量，證實了之前的實驗結(jié)果（圖7C和7D）。此外，研究人員還探討了激活AgRP神經(jīng)元對食物攝入的影響。為了在捕食者存在的情境中探索這一現(xiàn)象，研究人員向ARC注射AAV-FLEX-ChR2-tdTomato的病毒，選擇性地激活AgRP神經(jīng)元（圖7E），結(jié)果顯示饑餓小鼠對食物攝取顯著增加，但飽食的小鼠中沒有觀察到明顯的攝食增多現(xiàn)象（圖7F），這可能是由于在存在食物的情況下持續(xù)激活AgRP神經(jīng)元對于正常生理的非自然干預性質(zhì)引起的。
圖7:?危險環(huán)境下的攝食行為受小鼠自身狀態(tài)的影響，并由AgRP神經(jīng)元介導
在自然界中，多個系統(tǒng)通過復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡相互競爭，以表達目標導向的行為。在這項研究中，de Araujo Salgado研究了了在面臨捕食威脅時尋求食物的動物所做出的靈活的生存決策。他們發(fā)現(xiàn)，捕食者的出現(xiàn)迅速引發(fā)了小鼠的生理、神經(jīng)和行為適應，表現(xiàn)為食物尋求和消耗的減少。他們發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整內(nèi)部狀態(tài)或外部環(huán)境干擾來減少沖突可以改變攝食策略，并證實了PMdCck神經(jīng)元和AgRP神經(jīng)元在該行為當中的重要作用。
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[5] de Araujo Salgado et al., Toggling between food-seeking and self-preservation behaviors via hypothalamic response networks, Neuron (2023), https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.06.006.(原文)