【Cell】燃烧我的卡路里！DRN支配棕色脂肪组织维持体温平衡

与爬行动物不同，将核心躯干的温度准确维持在一定范围内是我们哺乳动物的典型特征之一。上述功能的维系需要多种行为与自主协调过程参与，包括颤栗、适应性产热、皮肤血管舒张等等。这些过程不仅仅参与核心躯干温度的维稳，还负责调控能量平衡以及能量代谢。然而，对于感知温度变化并做出反应以调控上述行为与自主过程的脑区及其相应神经环路机制，我们知之甚少。因此，燃烧咱们的卡路里，并非唱起来那么简单。 

图片来源：bilibili

其实早在1938年，科学工作者发现下丘脑视前区（POA）是调控产热过程的核心脑区[1]。近期研究显示，POA中部分神经元可感知身体温度变化，并通过调控多个下游脑区以及肩胛骨间棕色脂肪组织（iBAT）的活性以维持体温平衡[2, 3]。尽管POA可感知温度变化并对此做出反应，但POA需要其他脑区来负责直接产热过程。

图片来源：Wikipedia

其他研究通过全脑筛选发现，脑干背侧中缝核GABA能（DRN^Vgat）神经元被饥饿状态激活，并可调控进食行为[4]，暗示着DRN^Vgat神经元可能会通过调控能量代谢进而调节体温，但我们缺乏直接性证据。

DRN中GABA能神经元（红色）的分布

图片来源：Neuron[5]

2019年6月25日，《Cell》杂志在线刊登了普林斯顿大学Alexander R. Nectow研究组的最新重要工作[6]，他们发现DRN中GABA能神经元被外界高温激活，并通过多下游脑区多级投射调控棕色脂肪组织活性，进而调控能量代谢，实现体温平衡。该研究阐释调节体温平衡的脑区及其环路机制，极大提高了人们在能量代谢与内稳态领域的认知。 

Alexander R. Nectow教授

图片来源：Alexander Nectow个人网站

结果

1.全脑筛选高温敏感神经环路 

首先，为研究参与体温调节的脑区，作者将小鼠置于38℃（高温）环境4小时，然后使用组织光透明技术（immunolabeling-enabled three-dimensional imaging of solvent-cleared organs，iDISCO⁺[7]，原谅我，实在无法翻译）全脑成像c-Fos表达状态，发现下丘脑室旁核（PVH）、POA以及DRN均被高温激活（图1A-B），其中DRN中被激活的神经元约45%为GABA能神经元（图1C）。 

图1 全脑筛选高温敏感神经环路

2.DRN^Vgat神经元在体温调节过程中至关重要

接着，为进一步探究DRN^Vgat神经元功能，作者使用化学遗传学方法，分别在Vgat-ires-Cre小鼠的DRN注射AAV-DIO-hM3D或AAV-DIO-hM4D，通过腹腔注射CNO激活或抑制DRN^Vgat神经元（图2A，图3A）。他们发现激活DRN^Vgat神经元显著降低iBAT的产热作用（忘记了iBAT是什么的小伙伴到第二段中寻找），小鼠体温也随之降低，并伴有能量消耗减少、耗氧量减少、二氧化碳排放量减少、运动水平降低等多种现象（图2B-E）。此外，化学抑制DRN^Vgat神经元甚至可降低iBAT中产热相关基因Dio2及Ucp1的转录水平（图2F），这类神经元对产热过程的调控作用，可见一斑。 

图2 激活DRN^Vgat神经元通过减少运动、减少产热降低体温

与之相反，抑制DRN^Vgat神经元后，小鼠体温显著升高，能量消耗、耗氧量、二氧化碳排放量、运动量均显著增加，但iBAT的产热作用维持不变，iBAT中产热相关基因转录水平亦不变（图3B-F）。

综上，DRN^Vgat神经元在小鼠体温的维持过程中具有充要性，激活DRN^Vgat神经元通过减少运动、减少产热两方面降低体温，抑制DRN^Vgat神经元则只通过增加运动来升高体温。 

图3 抑制DRN^Vgat神经元通过增加运动升高体温，与产热作用无关

3.调控iBAT的神经环路

再然后，为探究DRN^Vgat神经元通过哪些脑区调控iBAT的产热作用，作者使用结合iDISCO+的多级逆行示踪技术，在小鼠iBAT中注射伪狂犬病毒（PRV-mCherry），发现4天后mCherry+神经元主要存在于中缝苍白核（RPa）以及PVH而非DRN中，第5天mCherry+神经元才在DRN中表达，其中约55%的mCherry+神经元为GABA能神经元（图4），暗示DRN^Vgat神经元可能通过RPa与PVH调控iBAT活性。

图4 DRN^Vgat神经元通过多级突触调控iBAT

4.DRN^Vgat神经元投射到调控能量消耗的脑区

过去的研究表明，DRN广泛投射到全脑多个脑区，但是对于DRN^Vgat神经元的下游脑区，我们未能知晓，于是作者就此展开研究。他们通过顺行示踪技术，在Vgat-ires-Cre小鼠的DRN中注射AAV-DIO-GFP，再次使用iDISCO+技术探究DRN^Vgat神经元的下游脑区（图5A），发现DRN^Vgat神经元主要投射到POA、终纹床核（BNST）、下丘脑背内侧核以及RPa（图5B），而几乎不投射到皮层（图5C）。其中，DRN^Vgat神经元这几个下游脑区均为调控能量消耗的重要脑区。

图5 DRN^Vgat神经元投射到调控能量消耗的脑区

5.DRN^Vgat神经元通过RPa支配iBAT

上文结果已知，iBAT逆行示踪到DRN比到RPa与PVH迟一天（图4），DRN^Vgat神经元投射到RPa而非PVH（图5），由此，作者就DRN^Vgat-RPa环路功能展开进一步研究。

他们先通过顺、逆行示踪两种方法再次确认DRN^Vgat神经元投射到RPa（图6A-B），然后在Vgat-ires-Cre小鼠的RPa注射逆行表达病毒AAVrg-DIO-ChR2，在DRN植入光纤，发现光激活投射到RPa的DRN^Vgat神经元降低小鼠iBAT的温度（图6C-D），表明DRN^Vgat神经元通过下行投射到RPa降低iBAT的产热过程（图6E）。 

图6  DRN^Vgat神经元通过RPa支配iBAT

6.DRN^Vgat神经元也可通过上行投射支配iBAT

图5结果中，DRN^Vgat神经元也可上行投射到BNST、DMH、POA等几个参与能量调节的脑区，那么这些环路是否同样调控iBAT产热过程呢？作者就此展开最后的研究。

他们再次确认DRN^Vgat神经元投射到BNST、DMH、POA这三个脑区后（图7A，这文章的工作属实严谨），在Vgat-ires-Cre小鼠的DRN注射AAV-DIO-ChR2,在BNST、DMH或POA植入光纤，发现光激活这三条环路均降低小鼠iBAT的温度（图7B-D），表明这三条上行环路均参与iBAT产热过程的调控。 

图7 DRN^Vgat神经元也可通过上行投射支配iBAT

总结

维持体温平衡对哺乳动物的生存至关重要，能量消耗是机体调节体温的主要方式。过去的研究指出POA神经元可感知外界温度并通过多个下游脑区作用于iBAT以调控产热作用，但直接负责产热作用的脑区及其环路机制，我们尚未可知。本篇文章结合化学遗传学、光遗传学、组织光透明、行为学、神经示踪等多种方法发现DRN^Vgat神经元对于体温调节至关重要，激活DRN^Vgat神经元可通过减少运动、减少产热来降低体温，抑制DRN^Vgat神经元则仅通过增加运动来升高体温。此外，DRN^Vgat神经元即可通过下行投射也可通过上行投射支配iBAT，进而调控产热作用。这项研究阐释了参与能量消耗与体温调节的神经环路机制（图8），让我们更加了解内稳态的相关机制，也为临床治疗能量消耗与体温调节相关疾病提供有力支持！ 

图8 调控体温调节的神经环路示意图

普林斯顿与洛克菲勒大学通过化学遗传学、光遗传学、神经示踪、行为学、组织光透明等技术手段阐释神经系统调控机体内稳态的环路机制。和元病毒库中有丰富多样的病毒载体，其中包含文中所用多种示踪、化学遗传、光遗传相关病毒，质量严格把关，经由多实验组验证，欢迎大家选购！

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参考文献

[1].Magoun, H.W., et al., Activation of heat loss mechanisms by local heating of the brain. Journal of Neurophysiology, 1938. 1(2): p. 101-114.

[2]Tan, C.L., et al., Warm-Sensitive Neurons that Control Body Temperature. Cell, 2016. 167(1): p. 47-+.

[3].Zhao, Z.D., et al., A hypothalamic circuit that controls body temperature. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2017. 114(8): p. 2042-2047.

[4].Nectow, A.R., et al., Identification of a Brainstem Circuit Controlling Feeding. Cell, 2017. 170(3): p. 429-442 e11.

[5].Weissbourd, B., et al., Presynaptic partners of dorsal raphe serotonergic and GABAergic neurons. Neuron, 2014. 83(3): p. 645-62.

[6].Schneeberger, M., et al., Regulation of Energy Expenditure by Brainstem GABA Neurons. Cell, 2019.

[7].Renier, N., et al., Mapping of Brain Activity by Automated Volume Analysis of Immediate Early Genes. Cell, 2016. 165(7): p. 1789-1802.