饥肠辘辘时，大脑的编码精度会降低吗？

▉ 摘要

(https://www.sainsburywellcome.org/web/qa/coding-precision-brain-reduced-during-food-scarcity-save-energy)

尽管大脑占我们身体不到2%的比重，但它却要消耗身体摄入总能量的近20%，而这其中一半能量消耗于大脑皮层。在食物匮乏的条件下想要维持正常的生理活动具有挑战性，大脑是如何应对这一挑战的呢？科学家提出一个假说，即在食物匮乏的时候，大脑进化出了一种“节能编码策略”，神经网络会通过减少精细信息的编码加工来节约能量。

有研究表明，无脊椎动物在食物匮乏时其神经网络会减少信息加工从而来达到节约能量的目的。然而，在食物匮乏的条件下哺乳动物大脑尤其是皮层网络是否参与以及怎样调节信息加工和能量利用的仍然是不清楚的。

在这篇文章中，研究者将小鼠初始视觉皮层作为研究模型，探究了食物匮乏对大脑皮层网络的信息加工以及能量消耗的影响。他们利用全细胞膜片钳记录清醒小鼠神经元的电活动，通过双光子成像技术监测ATeam1.03YEMK转基因小鼠V1皮层ATP的变化。发现食物的匮乏会导致小鼠体重减少15%，与兴奋性突触后电流相关联的ATP减少29%。但是，这种节能的策略是以牺牲精细编码为代价的。研究结果表明，代谢状态动态地调节新生皮层以编码精度的能量消耗 。

本篇文献由英国爱丁堡大学Nathalie Rochefort课题组在Neuron杂志上发表，主要揭示了关键的代谢状态依赖机制：在食物匮乏时哺乳动物大脑皮层通过调节编码精度来保存能量。

摘要图

1.食物限制导致兴奋性突触后电流和ATP利用减少，但保持spike速率

由于大脑皮层中，神经元信号的ATP的消耗主要与通过Na⁺/K⁺ 腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate, ATP）酶介导的Na⁺流的反转有关，所以可以通过监测兴奋性神经元Na⁺电流来反应ATP的消耗，消耗1个ATP需要泵出3个Na⁺。研究者给小鼠视觉刺激，然后通过全细胞膜片钳记录视觉皮层神经元电活动，发现在食物限制组兴奋性电流降低29%，相应的，ATP消耗也减少了29%，但是spike的速率并没有差异。为了进一步证明食物限制引起的大脑皮层ATP的减少，研究者对ATeam1.03YEMK转基因小鼠进行食物限制，并且在皮层使用ATP合成抑制剂以更真实的反应ATP的消耗，结果发现ATP消耗的速率确实减少了。

图1. 食物限制会降低兴奋性突触电流和ATP的使用，但鼠清醒时的峰值率保持不变  

2. 食物限制导致AMPA受体电导减小

基于第一部分结果，研究者想了解“节能策略”背后的机制是什么。他们用电极刺激视觉皮层脑片发现，食物限制组小鼠的α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（Rsingle-channel AMPA receptor，AMPMR）电流减小34%。随后他们又记录了小鼠在TTX处理条件下AMPAR介导的微型突触电流的振幅减小而频率保持不变，均值方差分析显示与参与突触传递过程APMAR总数目相比，单通道的AMPAR电导减小37%，这足以说明在食物限制组电流的减小使得ATP利用减小。

图2. 在小鼠被限制食物时，其AMPAR电流的减少是由单通道AMPAR电导减少所介导的  

3. Spike速率保持不变是因为补偿机制

尽管食物限制导致AMPAR介导的突触电流减小了，为什么spike速率没有明显变化呢？考虑到兴奋和抑制平衡没有改变，有两种可能的补偿机制保持spike速率不变。一是增加输入电阻；二是减小从静息膜电位达到动作电位所需要的阈值。研究者发现食物限制使神经元的输入电阻增加22%，去极化所需要的阈值减小17%。

这些补偿性的变化没有直接影响ATP的消耗，而主要是在AMPAR电导降低的条件下维持神经元兴奋性。

图3. 受到食物限制的鼠所减小的AMPAR电流由增加的输入电阻和去极化的静息膜电位补偿

4. 食物限制增加了亚阈值的可变性，导致spike输出的方向调谐更加广泛

为了更好的检测视觉刺激的神经元的编码，研究者记录了光栅移动时视觉皮层神经元的电信号变化，发现食物限制组小鼠响应于方向调谐的spike输出拓宽了32%，即神经元对于视觉刺激的敏感性减低了，并且这种方向调谐的拓宽是来源于细胞内在电压依赖的机制，这种机制增加了亚阈值引发spike的概率。

图4. 增加阈值下限的可变性有助于食物限制小鼠spike方向调谐的宽泛性 

5. 增加输入电阻和静息膜电位的去极化会放大亚阈值可变性导致更宽泛的方向调谐

根据欧姆定律，亚阈值可变性增加可能是因为输入电阻和静息膜电位去极化的增加。为了进一步明确使亚阈值可变性增加的细胞固有的机制，研究者利用霍奇金-赫胥黎模型神经元，这类神经元接收方向调谐的突触输入orientation-tuned synaptic input（gAMPAR）和非AMPAR的可变输入。同时增加输入电阻和静息膜电位去极化来模拟食物限制的情况，研究者发现这导致亚阈值可变性增加62%。亚阈值可变性的增加导致神经元输入/输出曲线左移，增加了阈值下引发spike的概率和方向调谐的宽泛性。

图5. 输入电阻的增加和静息膜电位的去极化放大了阈值下限的可变性，有助于spike方向调谐的宽泛性

6. 食物限制导致视觉编码精密度降低，使精细的视觉决策受损

为了直观的看到食物限制对神经元编码精度的影响，研究者利用双光子钙成像监测小鼠视觉皮层神经元集群的兴奋性。发现移动光栅时食物限制组小鼠的神经元有更广泛的方向调谐。小鼠可以对视觉刺激做出反应，但是面对相似的场景时神经元编码明显受损，无法区分出有细微差别的视觉刺激，水迷宫实验也证明了这一点。

结果表明，在食物限制条件下，视觉信息的群体编码基本保持不变，但编码精度降低。

图6. 食物限制会导致大脑皮层编码精度的降低和视觉辨别能力的受损  

7. 食物限制导致的视觉编码精读降低与血清中leptin的降低有关

最后，研究者猜想在食物限制条件下观察到的皮层功能的变化是基于代谢状态的信号调节。他们分别检测了短期饱腹感和长期饱腹感相关的代谢标志因子，发现食物限制导致血清中leptin水平显著降低，而将食物限制组小鼠的leptin水平恢复到与对照组一样时，响应于视觉刺激的方向调谐也恢复到了正常水平。

这些结果说明，在食物限制条件下降低瘦素水平是降低视觉皮层编码精度的必要条件。

图7. 食物限制会通过瘦素信号影响大脑皮层的编码精度、

▉ 结论

总之，研究结果表明，信息编码和能量利用可以通过细胞内在机制来调节，这种机制决定了能量消耗的程度，从而最小化阈下变化对信息编码的影响。通过这种方式，大脑能够动态调整其编码精度和能量消耗，以一种环境依赖的方式，以有利于生存。

参考文献：

《Neocortex saves energy by reducing coding precision during foodscarcity》

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627321008394

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编辑人：Transparent💧

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