2023年12月5日，美国德克萨斯大学休斯顿健康科学中心麦戈文医学院Qingchun Tong和德克萨斯儿童医院Jan和Dan Duncan神经学研究所的Benjamin R. Arenkiel研究团队合作在Neuron杂志上发表名为“An excitatory projection from the basal forebrain to the ventral tegmental area that underlies anorexia-like phenotypes”揭示基底前脑向腹侧被盖区的兴奋性投射是厌食症样表型的基础。
平衡内部能量需求和外部威胁线索的适应不当可能会导致厌食或暴饮暴食，从而导致虚弱的营养不当或肥胖。被诊断为神经性厌食症（一种自我饥饿的饮食失调症，在精神障碍中死亡率高）的患者中，广泛性焦虑症的患病率表明应激反应加剧对进食行为产生深远影响。然而，涉及感知外部压力线索以适当调节进食行为的大脑回路仍然难以捉摸。据报道，基底前脑 (BF)可以感知环境线索并处理感觉输入，且BF 作为感知环境线索的功能中心，能够深刻影响进食行为。此外，腹侧被盖区 (VTA) 是一个经过充分研究的富含多巴胺 (DA) 的中脑结构，被证明可以调节进食，特别是在享乐行为方面。然而，VTA 神经元如何整合环境线索来调节进食行为尚不清楚。
在Vglut2-Cre小鼠上，研究人员首先注射AAV5-Ef1a-DIO-ChR2-EYFP病毒来确定BFVglut2 神经元的下游靶标，在 VTA 中发现了丰富的 EYFP 阳性纤维。为进一步验证该投射，又分别在BF和VTA注射AAV-DJ8-hSyn-Con/Fon-EYFP和AAVrg-Ef1a-mCherry病毒。AAV-DJ8-hSyn-Con/Fon-EYFP以 Cre 和 Flp 共同依赖的方式表达 EYFP，这里EYFP选择性标记投射到 VTA 的 BFVglut2 神经元。Z后鉴于 VTA 神经元的异质性，接下来使用跨突触示踪剂小麦胚芽凝集素 (WGA) 来识别 VTA 中接受 BFVglut2 神经元投射的神经元亚型。在BF注射AAV-DJ8-CAG-DIO-WGA-EGFP病毒，EGFP 信号从 BFVglut2 神经元追踪到 VTA，并通过在 VTA 共同递送 AAV1-Ef1a-DOG-Flp和AAV-DJ8-Ef1a-fDIO-EYFP 进一步放大。Z终结果显示丰富的WGA-EGFP 标记神经元与 mCherry 阳性谷氨酸能神经元共定位，这表明BF 向 VTAVglut2 神经元发送谷氨酸能投射。
接下来为研究 BFVglut2和 VTAVglut2神经元响应环境压力源的功能关系，对自由活动小鼠的这两组神经元进行钙信号光度测量记录。结果显示BFVglut2 神经元表现出对吹气、喷水和物体掉落的活动增加。VTAVglut2神经元也表现出与 BFVglut2神经元类似的活动增加，且BFVglut2神经元和 VTAVglut2神经元在应激条件下存在很强的相关性。
随后作者进一步推断 VTAVglut2神经元可能介导对进食的影响，这里采用光遗传的方法激活VTA 内的 BFVglut2神经元纤维。结果发现在禁食的小鼠中，BFVglut2/VTA 回路的体内光刺激减少了食物消耗和进食时间。通过将谷氨酸受体拮抗剂 AP5和DNQX 注射到 VTA 中，可以部分挽救这种效应，这表明进食减少是通过激活VTA 中的谷氨酸受体。然而，光遗传激活小鼠表现出体力活动水平增加，为了测试该效应与摄食抑制相关的效价，进行了实时位置回避（RTPA）测试。结果表达 ChR2 的小鼠在非刺激一半中花费更多的时间，而表达 EYFP 的对照组对任何一侧都没有表现出偏好，这表明 BFVglut2/VTA 回路的激活引起了回避行为，这与增加的速度，旷场测试（OFT）中观察到的运动增加一致。由于 VTA 投射 BFVglut2 神经元也向 LHb 和其他大脑区域发送附带投射，因此观察到的行为效应可能部分是由这些额外的投射位点通过并行激活介导的。为了测试这种可能性，在光遗传激活VTA中BFVglut2 神经元末梢的同时化学遗传抑制 BFVglut2 神经元胞体，这将在很大程度上消除附带激活。在行为上，在化学抑制存在的情况下，VTA 中 BFVglut2 纤维的光刺激仍然能够诱发厌恶、增加体力活动并减少禁食再进食，这表明摄食抑制是由VTA内的 BFVglut2 投射介导的。
鉴于 VTAVglut2神经元是 BFVglut2神经元的主要下游靶标之一，接下来采用化学遗传的方法检查 VTAVglut2神经元在摄食调节中的作用，结果显示激活VTAVglut2神经元大大减少了禁食引起的再进食。另外鉴于 VTAVglut2 神经元在奖励处理中的作用，进一步探讨这些神经元在食物动机中的影响。首先测试高脂肪饮食（HFD）的动机，进行了HFD偏好测试，其中禁食 6 小时的小鼠能够自由地摄入HFD 和制式饮食 (chow diet, CD)。在对照组中，观察到对 HFD的高度偏好，而这种偏好在化学遗传抑制组中减弱。这些结果表明 VTAVglut2神经元激活对抑制动机性进食行为具有深远的影响。接着使用明暗盒测试 (LDT) 进一步评估了VTAVglut2 神经元激活小鼠的焦虑水平。与对照组，相比化学遗传激活组小鼠在盒子有光侧的时间减少，这表明 VTAVglut2 神经元激活引发了焦虑样行为。总之，VTAVglut2 神经元的激活导致运动增加、焦虑样行为增加以及吞咽不足和食物动机降低。
由于厌食症状可能是由神经元活动的慢性变化引起的，因此接下来利用来自bacteria的突变钠通道 (NaChBac) 探索了 VTAVglut2 神经元慢性激活的影响，该通道可以实现长期激活。与注射 EYFP 的对照组相比，表达 NaChBac 的小鼠体重较低，并且对饮食诱导的肥胖有抵抗力。与较低的体重一致，NaChBac 组与对照组相比显示出较低的食物摄入量。当在代谢笼中进行测量以收集实时生理数据时，与对照组相比，NaChBac 组表现出运动增加，这表明体重较低是由于严重的能量不足。这些结果表明 VTAVglut2 神经元的慢性激活会导致吞咽功能减退、体重增加减少和运动能力增强。
DA 信号的变化与较低的体重有关，因此进一步研究该投射在调节 DA 释放中的潜在影响。伏隔核(NAc) 是 VTA DA 神经元的主要下游区域之一，负责奖励和显着性处理；作者在自由活动的小鼠中使用基于 gGRAB-DA3m (gDA3m) 的光纤光度记录记录了 NAc 中的动态 DA 释放。与之前蔗糖消耗的结果一致，当小鼠消耗 HFD 颗粒时，检测到 NAcSh 中 DA 释放增加。此外，还观察到当小鼠受到喷水等厌恶刺激时，DA 释放减少。接着为检查 BFVglut2/VTAVglut2 预测对 DA 释放的影响，记录 DA通过定向光刺激激活 VTA 中的 BFVglut2 纤维时释放，使用 20 Hz-20 ms 激光对 BF/VTA 环路进行光刺激 10 秒和 20 秒，均以持续时间依赖性方式减少 DA 释放。Z后为探索 BFVglut2/VTAVglut2 预测调节的 DA 释放与进食行为之间的关系，监测小鼠开始 HFD 进食时对光刺激的 DA 释放响应。当小鼠消耗HFD颗粒时，DA 释放的信号增加，而在光刺激时减少，这也与进食的立即暂停和远离食物行为有关。这些结果共同表明 BFVglut2/VTAVglut2 投射的激活减少了进食并减少了 NAc 中 DA 的释放。
综上，通过组合环路追踪、体内光纤光度记录以及小鼠遗传学和行为研究，本篇文章确定了从基底前脑到 VTA 谷氨酸神经元的谷氨酸能环路，该环路激活导致厌食症样表型，且吞咽不足表型伴随着多巴胺释放减少。
参考文献：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00845-0
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