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技術文章

Inscopix顯微成像技術驗證食物偏好的大腦裏處理機製

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度過物資匱乏的年代,享受生活成了的主流,人類創造出出了極其豐富璀璨的美食文化,並在當下得到了異常繁榮的發展。红杏视频免费观看区有分辨五味的能力,但同一種味道,兩個人分辨出來的感覺是一樣的嗎?答案是否定的。每個人因為各自特有的一些神經和生物感知上的細微差別,感知的味道是不完全相同的;並且红杏视频免费观看区對於食物的喜好的複雜度似乎是超越味覺的,同樣都是甜的或辣的東西,红杏成版人视频的味覺卻有完全不同、極為豐富的感知。

 

這些對食物選擇的偏好在红杏成版人视频的大腦裏有什麽樣的處理機製呢?

 

最近,裏斯本Champalimaud研究中心Fernandes等科學家在《neuron》雜誌上發表了一篇名為“Postingestive Modulation of Food Seeking Depends on Vagus-Mediated Dopamine Neuron Activity”的文章,科研人員使用了红杏视频免费观看区引進中國並始終為中國代理的inscopix nVoke2.0在體自由動物神經元成像設備對小鼠進行了大量實驗和分析,嚐試解密這個大腦處理機製。

 

科學家們通過實驗驗證小鼠食用蔗糖的攝食後反饋是否可以導致攝食行為,即是否可以誘導調控小鼠開啟蔗糖開關,饑餓的小鼠在經過訓練學會了通過按壓開關如何選擇獲得蔗糖和三氯蔗糖(一種無熱量的甜味劑)溶液(F1A)。科學家發現,最初小鼠對兩種溶液的取食次數相似,但隨著時間推移,對蔗糖的取食次數逐漸增加,說明蔗糖引起的攝食後反饋會促使小鼠更多的索取蔗糖。為了驗證蔗糖的攝食後反饋不靠口感也足以驅動取食行為,科學家將小鼠植入了胃導管以進行蔗糖和三氯蔗糖的長期刺激。利用經過訓練並隨時剝奪小鼠開啟開關以進行胃內注射食物,同時在口部攝取清水,觀察到開啟頻率增高很多。小鼠控製開關可以在嘴邊獲得清水,並同時會往胃裏注入蔗糖溶液,小鼠會加劇地開啟開關。與之相反,如果胃裏注入的是三氯蔗糖,則開啟頻率沒有升高。在另一組小鼠中,相似的訓練但同時控製2個開關,來選擇往胃裏注入蔗糖或三氯蔗糖,小鼠沒有通過味覺感知也自行適應出了往胃裏注入蔗糖溶液的偏好。說明小鼠能隨機感覺出攝食動作和他們的攝食後結果的差別。為了驗證這種偏好不是由甜味口感刺激驅動產生的,研究人員使用Trpm5 敲除小鼠,這種小鼠不能感受甜味。實驗結果依然是偏好蔗糖而不是三氯蔗糖,證明了這些行為是由於受營養物質的取食後反饋誘導而不是甜味感受器的介導。

F1,蔗糖的攝食後效應調控索食行為

 

接下來,研究人員對蔗糖攝食反饋增強索食行為的主要機製進行了研究。之前已經有研究證明飼喂誘導的紋狀體中多巴胺釋放可以不通過味覺感知而被攝食後反饋來驅動。但是,還沒有證明攝食後反饋對多巴胺能神經元活動有直接影響。

 

為了探討腹側被蓋區(VTA)多巴胺能神經元對攝食後增強索食行為的是否有潛在影響,研究人員在每日偽隨機順序進行蔗糖或三氯蔗糖胃內灌注,並在同時對自由活動小鼠的VTA多巴胺能神經元活性進行了監測。他們使用深部腦區鈣成像技術在4DATIRES: Cre小鼠中測量了VTA多巴胺神經元活性(圖2A2B)。

 

使用inscopix公司的nVista微型顯微成像設備,可以在小鼠進行攝食行為學實驗時及其自由活動期間對其大腦內的神經鈣活動信號進行實時觀察及記錄,整個顯微鏡埋植在小鼠頭骨上,由一根自聚焦透鏡深入腦內部,可以對深部腦區紋狀體甚至最下麵的乳頭體進行細致精確的觀察。透鏡有0.5mm0.6mm1mm直徑的選擇,整個透鏡重約2克,小鼠完全可以清醒狀態下進行取食及各種自由行為活動。根據調整內部液體透鏡的電子對焦,其焦平麵變化可變範圍達300微米,借助鈣指示病毒表達的綠色熒光蛋白可以清晰顯示神經元胞體、軸突的脈衝式鈣活動,反映神經環路中的具體實時活動。配套的軟件可以自動的對活動神經元進行識別統計,集成的算法可視化的對每次活動進行強度和持續時間的統計。

 

實驗中,平均每隻動物每天記錄19個神經元的活動。在活動神經元數量上,蔗糖組和三氯蔗糖組沒有顯著差異(圖2C)。但相對於三氯蔗糖,胃內輸注蔗糖後,活動上調的神經元比例顯著增加(圖2D),而且這些被蔗糖上調的神經元持續活動時間相對於基線水平更長(圖S2B),那些活動下調的神經元未發現活動持續的差異(圖S2C)。

在對最後一個蔗糖攝入階段和隨後的三氯蔗糖攝入階段記錄的40個神經元進行分析時,結果得到了證實,相對於三氯蔗糖,神經元對蔗糖的反應明顯更大,與三氯蔗糖相比,蔗糖正調的神經元更多。對最後一個蔗糖攝入階段和前期的三氯蔗糖攝入階段記錄的神經元進行分析時,結果是一致的。在整個實驗過程中,在蔗糖和三氯蔗糖攝入時進行的運動測量顯示沒有差異,表明運動不是兩者VTA多巴胺神經活動出現差異的原因。

這些數據表明,蔗糖的攝食後效應足以在VTA多巴胺能神經元中誘導出現持續的活性。

F2,胃內蔗糖遞送可以激活VTA多巴胺能神經元

 

為了測試VTA多巴胺能神經元活動對於攝食後索食是否必要,研究人員製作了NMDA依賴的條件性控製多巴胺能神經元burst活動的小鼠,可誘導其對預期獎勵刺激和學習的活動響應降低及神經可塑性的改變。

並製作了Th-Cre小鼠來實現標記細胞類型和分布的特異性,該小鼠主要在VTA的表達酪氨酸羥化酶基因的神經元中表達Cre重組酶。

 

酪氨酸羥化酶和GFP的雙重免疫染色證實Cre重組主要在VTA的多巴胺能神經元中,部分發生在黑質中,在LC中僅是很少量表達。

 

科學家們正是利用Inscopix nVistanVoke係例設備,可以滿足任何形式的大腦神經元,神經環路研究,對自由狀態下的小鼠大腦內如煙花般的神經脈衝電流進行真實準確的記錄!

 

然後將Th-Cre小鼠與攜帶可剪切NMDA受體NR1亞基的小鼠Grin1-Flox雜交,子代小鼠的TH神經元中具有NR1 缺失(KO),红杏视频下载版將其稱為Th-CreNR1KO小鼠。為了驗證這些小鼠中特定類型細胞的NMDAR缺失,红杏视频色版免费在新鮮腦切片中進行了whole-cell記錄,測量電刺激誘發的NMDAR介導興奮性突觸後電流。在Th-CreNR1KO小鼠中,僅在記錄的22VTA多巴胺能細胞中的1個細胞裏檢測到INMDA,而在對照小鼠中,在所有VTA多巴胺能和LC去甲腎上腺素神經元中都檢測到了INMDA(圖3C3D)。與GFP報告基因小鼠的結果一致,在Th-CreNR1KO小鼠中,在記錄的32SNc多巴胺能神經元中有11個神經元檢測到了INMDAs9LC去甲腎上腺素神經元中有8個檢測到了INMDA,這表明LC大部分NMDAR被保留,SNc部分受到影響,但比VTA範圍要小。

為了評估清醒和自由移動的小鼠中VTA多巴胺神經元的burst活動,他們在VTA中植入多電極微線陣列,根據測量得到的波形,基礎放電速率和對多巴胺D2受體激動劑quinpirole的敏感性反應,記錄了被推定為多巴胺能神經元的活動(圖3E3F)。在基線水平時,Th-CreNR1KO小鼠在VTA多巴胺能神經元的burst數量和激發尖峰均較少,說明小鼠被削弱了對獎勵預期刺激的反應。然後,他們對ThCreNR1KO小鼠進行如上實驗,測定它胃內注入蔗糖後增強索食行為的能力是否受損(圖3I)。

 

如同預期,在對照組中,胃內蔗糖比胃內三氯蔗糖使小鼠產生更多的啟動開關行為,而Th-CreNR1KO小鼠對胃內蔗糖和三氯蔗糖兩組表現出相似的開關啟動行為(圖3J)。結果表明依賴於NMDAburst和多巴胺能VTA神經元的可塑性對於蔗糖攝食後增強開關啟動行為是必需的。

F3VTA多巴胺能神經元活動對於攝食後調控的索食行為是必要的

 

盡管有大量的腦-腸功能軸的證據,但與攝食後營養關聯信號引起多巴胺能神經元活動和行為反應的機製尚不清楚。有證據表明迷走神經損傷會破壞風味——營養調控,但其在營養調控中的作用仍存在爭議,並且還有激素影響營養物質感應的報道。鑒於先前的研究,肝迷走神經(HVN)有可能擔負攝食後營養信息的傳導,红杏视频下载版測試了HVN的切斷是否影響蔗糖對VTA多巴胺能活性和強化索食的效應。研究人員在3DAT-IRESCre小鼠的HVN處進行神經切斷術,另3隻接受假手術,進行與前述相同的實驗,用深部腦區鈣成像觀察測量胃內注入蔗糖或三氯蔗糖期間VTA的多巴胺能活性。 HVN神經切斷並不影響每隻動物每階段記錄的平均神經元數量(圖4A)。如預期的那樣,實施假手術小鼠在蔗糖組與三氯蔗糖組相比,蔗糖組的VTA多巴胺能活性顯著增加(圖4B 假手術小鼠中,攝取蔗糖鼠的正調神經元比例也更高(圖4C)。而在迷走神經切斷鼠中,蔗糖和三氯蔗糖攝取鼠的VTA多巴胺能活性以及正調神經元的比例沒有差異。跟蹤最後一個三氯蔗糖攝食階段和隨後的蔗糖攝食階段中記錄的每個單獨神經元(圖4FG),確定了在假手術鼠中,被蔗糖正調的神經元比例相比三氯蔗糖大得多,而在神經切斷鼠沒有出現同樣結果,導致蔗糖正調的神經元在切斷組和假手術組有顯著不同(57%對32%;圖4H)。對於神經切斷組,即使目視檢查單細胞多巴胺能活性表明蔗糖的作用持續時間更長(圖4G),但直接測量比較這些神經元在蔗糖和三氯蔗糖攝食期的活性,卻並沒有顯示出顯著的增強劑作用。但是它揭示了一個顯著的時間——增強劑相互作用,這可能反映了胃內蔗糖的不依賴HVN的殘留的效應。

 

最後,红杏视频免费观看区在另一組C57Bl6/J小鼠中執行了上述的攝食後行為強化實驗(圖4I),發現與假手術小鼠相比,HVN切除小鼠對攝食後蔗糖的有明顯更少但沒有完全消失的開關控製行為(圖4J)。

這些結果證實,通過迷走神經肝分支的信號傳導在VTA多巴胺能活性和索食行為的攝食後調控中具有關鍵作用。

F4,索食和多巴胺神經元活性的攝食後增強受迷走神經肝分支的控製

 

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