“貼秋膘”這個(gè)俗語起源于古代，它的起源是因?yàn)楣湃擞^察到在秋季氣溫逐漸降低，人們?nèi)菀滓蚴秤鰪?qiáng)而多吃美食，從而導(dǎo)致體重增加。這個(gè)成語在古代文學(xué)作品、詩詞中時(shí)常出現(xiàn)，可以說是古人對(duì)自然環(huán)境和人體生理的深刻認(rèn)識(shí)的體現(xiàn)。近期斯克里普斯研究所Li Ye團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Nature上題為Xiphoid nucleus of the midline thalamus controls cold-induced food seeking的文章則從現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)的角度，對(duì)古人發(fā)現(xiàn)的“貼秋膘”這一現(xiàn)象背后神秘的神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行了解釋[1]。
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已有研究表明將小鼠飼養(yǎng)在4°C環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)熱、能量消耗和食物攝入增加[2-3]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將環(huán)境溫度從23°C降至4°C會(huì)立即增加小鼠能量消耗（圖1a、b）。然而，在溫度下降和食物攝入增加之間存在顯著的延遲（圖1b），這個(gè)結(jié)果表明迅速的寒冷感覺可能不是寒冷誘導(dǎo)性進(jìn)食（cold-induced energy compensation，CIEC）的直接原因。有趣的是，盡管在寒冷條件下總體上食物攝入量增加，但小鼠大多數(shù)時(shí)候保持不動(dòng)，而不是積極地進(jìn)行覓食（圖1d）。這一觀察表明，與其說是食欲單方面增加，不如說小鼠面臨著在保持不動(dòng)以保留能量用于產(chǎn)熱與尋找食物以補(bǔ)充能量供應(yīng)之間的選擇（圖1d）。為了識(shí)別寒冷誘導(dǎo)的進(jìn)食的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制，研究者們首先對(duì)那些在4°C或30°C（小鼠熱中性狀態(tài)，以最大化整個(gè)大腦活動(dòng)差異）保持6小時(shí)的小鼠進(jìn)行了全腦c-Fos篩選（圖1h），發(fā)現(xiàn)在腹側(cè)丘腦中線區(qū)(vMT)表現(xiàn)出激活現(xiàn)象（圖1i）。其中Xi區(qū)域在雌雄鼠腦內(nèi)都觀察到了明顯的cFos激活（圖2）。
圖1. 探索寒冷誘導(dǎo)進(jìn)食行為的行為和神經(jīng)回路基礎(chǔ)
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圖2. Xi在寒冷環(huán)境下cFos顯著激活
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為了確定Xi活動(dòng)如何實(shí)時(shí)代表在寒冷條件下誘導(dǎo)的不同行為成分，研究者們使用了光纖記錄的方式記錄了Xi的鈣活動(dòng)（通過向Xi注射AAV9-Syn-GCaMP6m-WPRE-SV40）（圖3d，e）。接下來，研究者們分析了在與CIEC相關(guān)的覓食過程中的Xi鈣動(dòng)力學(xué)。在給予食物和水的條件下，自由活動(dòng)的小鼠在寒冷條件下放置了5小時(shí)，然后進(jìn)行光纖記錄。在寒冷條件下，每次進(jìn)食前Xi活動(dòng)明顯增加，但在相同個(gè)體中的熱中性溫度下的進(jìn)食過程中未觀察到這種現(xiàn)象（圖3f-i），表明Xi活動(dòng)選擇性地與CIEC誘導(dǎo)的進(jìn)食相關(guān)。
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圖3. Xi的激活與CIEC誘導(dǎo)的進(jìn)食行為相關(guān)
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這種Xi神經(jīng)元的活動(dòng)與CIEC誘導(dǎo)的覓食之間的時(shí)間關(guān)系使研究者們產(chǎn)生了一個(gè)問題，即Xi神經(jīng)元是否能因果調(diào)節(jié)這種行為。因此研究者們采取了化學(xué)遺傳學(xué)的方式來操縱Xi神經(jīng)元的活動(dòng)。利用先前驗(yàn)證過的基于活動(dòng)依賴性的ESARE-ER-Cre-ER的vCAPTURE策略[4]，研究者們以hM3Dq（注射AAV8-hSyn-DIO-Gq–mCherry）或紅色熒光蛋白（RFP）（注射AAV8-hSyn-mCherry）為靶向，定位了被寒冷活化的Xi神經(jīng)元（圖4a–c）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在4攝氏度下能明顯捕獲到Xi區(qū)與CIEC相關(guān)的神經(jīng)元（圖4d-f）。而化學(xué)遺傳學(xué)激活Xi區(qū)CIEC神經(jīng)元也可明顯引起寒冷條件下小鼠食物攝入增多（圖4g）。相反，化學(xué)遺傳學(xué)抑制Xi區(qū)CIEC神經(jīng)元也可明顯引起寒冷條件下小鼠食物攝入減少（圖4h、j）。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明Xi神經(jīng)元的作用特定于寒冷誘導(dǎo)的攝食行為。
圖4. Xi神經(jīng)元調(diào)節(jié)CIEC誘導(dǎo)的進(jìn)食行為
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為了了解Xi區(qū)CIEC神經(jīng)元如何以更高的時(shí)間分辨率促進(jìn)進(jìn)食，研究者們將目光轉(zhuǎn)向了光遺傳學(xué)操縱。首先，研究者們?cè)俅?strong>通過vCAPTURE系統(tǒng)，在XiCIEC神經(jīng)元中注射AAV8-Ef1a-DIO hChR2(H134R)-p2Ascarlett從而選擇性地表達(dá)ChR2（圖5a,b）。數(shù)據(jù)顯示，光遺傳激活Xi CIEC神經(jīng)元進(jìn)行會(huì)導(dǎo)致小鼠食物攝入量顯著增加（圖5c–f），向覓食狀態(tài)轉(zhuǎn)變的更多（圖5g-h），而總體運(yùn)動(dòng)沒有發(fā)生變化。這些結(jié)果表明Xi CIEC的活動(dòng)特異性地促進(jìn)了CIEC誘導(dǎo)的攝食，而不影響其他一般的與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的動(dòng)作。
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圖5. Xi神經(jīng)元調(diào)節(jié)CIEC誘導(dǎo)的進(jìn)食行為而不影響運(yùn)動(dòng)行為
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最后，研究者們?cè)噲D弄清楚Xi的神經(jīng)投射。首先，他們向Xi注射了表達(dá)mCherry的腺相關(guān)病毒（AAV）以映射Xi的投射靶標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Xi投射到了伏隔核（NAc）、基底核擴(kuò)散系統(tǒng)（BLA）和前扣帶回皮質(zhì)（ACC）（圖6a,b）。為了進(jìn)一步確認(rèn)并確定這些投射中的一個(gè)或多個(gè)是否特異性與Xi CIEC神經(jīng)元相連接，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)雙標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，將順行傳導(dǎo)的CTB染料分別注入NAc、BLA和ACC中。結(jié)果顯示，在寒冷激活的c-Fos和CTB之間的最高重疊出現(xiàn)在Xi-NAc投射神經(jīng)元中（圖6d–g），這個(gè)結(jié)果使得研究者們進(jìn)一步探索了Xi-NAc投射在寒冷誘導(dǎo)的攝食中的作用。他們將表達(dá)ChR2的AAV注射到Xi中（圖6i,j）。對(duì)Xi-NAc投射進(jìn)行光激活，而不是對(duì)ACC或BLA的投射，導(dǎo)致食物攝入顯著增加（圖6i,j）。這些結(jié)果表明，Xi到NAc投射主要介導(dǎo)了寒冷誘導(dǎo)的尋食行為。
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圖6. Xi—NAc的神經(jīng)投射介導(dǎo)了CIEC相關(guān)的覓食行為
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總之，這項(xiàng)工作通過利用全腦篩查、體內(nèi)鈣成像以及化學(xué)和光遺傳學(xué)手段證明了Xi核在促進(jìn)寒冷誘導(dǎo)的攝食行為中起到關(guān)鍵作用。雖然寒冷誘導(dǎo)的攝食行為在包括人類在內(nèi)的許多動(dòng)物種中都有廣泛報(bào)道，但我們的研究表明，這種攝食增加既不是對(duì)寒冷感覺的直接反應(yīng)，也不是對(duì)食物尋找行為的單側(cè)增加，而是對(duì)寒冷條件下升高的卡路里債務(wù)的能量保守和補(bǔ)充之間過渡優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)結(jié)果。
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[1] Lal, N.K., Le, P., Aggarwal, S. et al. Xiphoid nucleus of the midline thalamus controls cold-induced food seeking. Nature 621, 138–145 (2023).
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[3] Deem, J. D. et al. Cold-induced hyperphagia requires AgRP neuron activation in mice.eLife 9, e58764 (2020).
[4] Kawashima, T. et al. Functional labeling of neurons and their projections using