Cell丨苦味“胜过”甜味背后的神经调控机制

Hardwired circuit”介导了由外部化学刺激和内部需求信号引起的许多行为反应,味觉系统就是一个由多级“Hardwired circuit”调控其行为反应的经典例子,能确保动物对味觉刺激作出正确的先天预定的反应,比如对甜的有能量的食物的喜好和摄入,以及对苦的有毒物质的厌恶和回避。

位于味蕾的特定味觉受体细胞识别味觉分子,从而开启了味觉信号向大脑的逐层传递。味觉受体细胞首先把味觉信号传递给外周味觉神经节,然后再由外周味觉神经节传递给位于脑干的孤束核。孤束核进一步通过中转站,臂旁核和丘脑,将味觉信号传递到味觉皮层。

哺乳动物味觉神经生物学的研究过去一直以来主要集中在味觉受体细胞如何识别味觉分子,以及研究味觉神经环路如何传递编码味觉信号从而产生味觉相关行为。通过Zuker实验室和其他实验室的努力,酸甜咸苦鲜这五种基本味觉的受体已经一一被克隆和鉴定了。对位于不同味觉中转站的味觉神经元的钙成像研究工作发现,味觉信号主要以标记线(labeled line)的方式从外周向大脑传递。当味觉信号最终到达味觉皮层后,位于不同区域的特定皮质神经元编码了不同的基本味觉。杏仁核接受来自皮层的味觉信息从而决定了对不同味觉的喜恶。尽管我们对于味觉系统如何识别编码味觉刺激进而产生相应的刻板先天行为(stereotypic innate behavior)有一定的了解,我们对于味觉的“Hardwired circuit”的调节性和可塑性以及以此为基础产生适应性行为的机制却知之甚少。

近日,美国哥伦比亚大学的Charles S. Zuker团队在Cell上发表了题为“Top-Down Control of Sweet and Bitter Taste in the Mammalian Brain”的文章。该文章通过对苦味抑制甜味这一现象的神经环路机制的研究,揭示了由上而下的反馈通路在调节味觉行为中的重要作用

首先通过对一系列候选Cre 品系的功能性筛选(利用Cre 在特定神经元中表达GCaMP然后用光纤光度测量 (fiber photometry)记录对味觉刺激的响应),作者在孤束核(也就是味觉在大脑中的第一个中转站)发现了分别对甜味和苦味刺激有特异反应的两群神经元,其中表达Calb2的神经元对甜味有特异的反应, 而表达Sst的神经元对苦味有特异的反应。对Sst和Calb2在孤束核中的表达的分析显示甜味神经元(Calb2+)和苦味神经元(Sst+)为空间上混杂分布,但互不重叠的两个神经群,这就支持了在孤束核味觉信息以标记线方式编码的观点。

但是Calb2+和 Sst+所标记的两组神经元是不是特异性地介导了对甜味和苦味的行为反应呢?为了回答这个问题,作者设计了一系列功能获得(gain-of-function)和 功能缺失(loss-of-function)实验来检测操纵这些神经元对小鼠味觉相关行为的影响。他们发现当小鼠饮水时,用光遗传方法激活Calb2+神经元诱发大量饮水,而反之激活Sst+神经元则抑制饮水。在味觉识别行为(三端口或四端口实验)中,  当小鼠经过训练通过到不同的端口饮水来“报告”它们所尝到了甜味或苦味物质后,光激活Calb2+神经元促使小鼠到与甜味物质相对应的端口饮水,就好像小鼠尝到了甜味。而光激活Sst+神经元使得小鼠到与苦味物质相对应的端口饮水,则表明小鼠将激活Sst+神经元等同于尝到了苦味物质。另一方面,在功能缺失实验中,当用白喉毒素去除Calb2+神经元后,小鼠变得不再偏好甜水(但对低盐的偏好和对苦酸的厌恶不受影响)。反之,去除Sst+神经元后,小鼠变得不再厌恶苦水(但对甜的偏好和对酸的厌恶不受影响)。上述一系列功能操纵实验证明孤束核中Calb2+和Sst+神经元分别是甜味和苦味的神经底物,介导了典型的甜味和苦味相关的行为。

作者进一步利用这些神经底物来研究苦味是如何抑制甜味这一问题。苦味抑制对甜味的偏好是非常重要的一种生物现象,因为它确保了动物在无毒安全的情况下才摄入食物。作者发现苦味物质会抑制孤束核中Calb2+甜味神经元对甜味物质的反应,这与行为学研究上在甜味物质中掺加苦味物质会抑制小鼠对甜味物质的喜好是一致的。为了解释这背后的神经环路机制,他们开展了一系列的神经环路示踪(腺相关病毒和狂犬病毒示踪)和脑片电生理实验,从而提示了可能与此相关的两条反馈通路。其中一条正反馈通路从苦味皮层直接投射到孤束核并可以激活Sst+苦味神经元,另一条负反馈则是从苦味皮层经中央杏仁核投射到孤束核并可以抑制Calb2+甜味神经元。为了证明上述反馈通路参与到了苦味对甜味的抑制,作者设计了两组互补的实验。在第一组实验中,他们激活苦味皮层或者苦味皮层到中央杏仁核的投射,并同时记录孤束核中Sst+苦味神经元和Calb2+甜味神经元对苦和甜刺激的反应。他们发现激活苦味皮层会增强Sst+苦味神经元对苦味物质的反应。而激活苦味皮层或苦味皮层到中央杏仁核的投射则会抑制Calb2+甜味神经元对甜味物质的反应。在第二组实验中,他们通过用NBQX药物抑制中央杏仁核的活性,发现这时孤束核中苦味对甜味反应的抑制会减弱,同时在小鼠行为上也表现出苦味无法有效地抑制对甜味的偏好。更为关键的是,当用光遗传的方法抑制中央杏仁核到孤束核的投射,小鼠虽然仍旧回避单纯的苦味物质,但却可以大量摄入苦味甜味混合物,这就直接证明了中央杏仁核到孤束核这条神经通路在苦味抑制甜味中的重要作用。

综上所述,作者发现了孤束核中分别传导甜味和苦味的两组特异性神经元,在这基础上进而阐述了苦味抑制甜味这一现象背后的神经调节机制。此机制依赖于自苦味皮层和杏仁核而下的一正一负的两条反馈通路。这两条反馈通路作用于孤束核这一外周味觉信息进入大脑的唯一门户,通过放大输入大脑的苦味信号和减弱进入的甜味信号来确保苦味‘胜过’甜味。这项研究对于了解味觉的“Hardwired circuit”如何调节产生适应性行为有着非常重要的意义。原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.014快来关注我们吧!

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