一苦遮百甜，苦味为何让人避之不及? | Cell Press青促会述评

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生命科学

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2021年第一期专栏文章，由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心副研究员、中国科学院青促会会员 尹家鹏，就Cell 中的论文发表述评。

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动物在演化的过程中，发展出了一些在出生后不需要经过后天学习即具备的一些固有的行为模式，也就是本能行为。本能行为对于没有任何生存经验的动物的初期生存至关重要。本能行为的神经环路，在动物出生之前就已经被 “预设”好了。在动物出生之后，特定的环境或者外部刺激即可触发这些神经环路的启动，并引发一系列的模式行为。

基本的味觉感受能力，是本能行为的一个重要代表。动物对于食物的喜好，主要是靠味觉来实现的。动物在适应环境的漫长演化过程中，其神经系统根据每种食物对于自身的利弊，进行了各种标记，这些“标记”就是味觉的感受。味觉感受能力，在动物的一生之中都起着识别食物、避免摄入有毒物质的重要作用。甜和苦两种反差巨大的味觉感受，普遍存在于哺乳动物中。甜味的物质通常表明是可以食用的、具有高能量的食物，这种味觉能够促使动物积极的寻找具备这种味道的食物；而苦味的物质则往往代表其可能具有某种毒性，使动物产生厌恶感进而避免摄食这种物质。比如：人们在做鱼的时候，有时候胆囊没处理好，就会导致鱼肉发苦，难以下咽。这里面的神经机制是什么？

最近，来自美国HHMI研究所、哥伦比亚大学分子生物物理学和神经生物学系的Charles S. Zuker教授团队，在多年来对味觉信号的传导通路做出了大量突破性研究工作的研究基础上，针对苦味和甜味的味觉感知和相互影响过程中，这种本能行为的神经环路是如何被高级皮层调控的这一问题进行了深入的探索。作者Hao Jin等人主要使用甜和苦两种最明显的味觉刺激，通过遗传学，药理学、光遗传学等技术精确操控小鼠大脑中味觉皮层的苦味中枢、杏仁核中央核的甜味中枢，和脑干孤束核中的甜味和苦味偏好性神经元，探索了高级皮层反馈对于甜苦味神经环路活动，以及对动物味觉行为的影响。结果表明高级皮层甜味和苦味中枢的反馈活动，不仅能够对低级皮层的甜味和苦味神经元的活动产生复杂的影响，还能够影响动物对于甜味和苦味的味觉感知。该研究不仅阐明了味觉神经传导通路中苦味和甜味传导通路之间的相互作用关系，还有助于人们理解本能行为所依赖的先天性神经环路的功能构筑。作者在该项研究工作中将遗传学、药理学、光遗传学、电生理学、组织化学等多种研究技术优雅的结合在一起，通过精巧的行为学实验设计，来逐步剖析甜苦味觉的神经环路，使其细节渐渐呈现出来，可谓是一项壮丽的研究工作，让人称赞。题为Top-Down Control of Sweet and Bitter Taste in the Mammalian Brain的该文章于2021年1月7日在线发表在Cell上。

术语导读

• 味觉传导通路：分布于舌头及会厌的味蕾 -> 面神经（第VII对脑神经）的鼓索神经分支 + 舌咽神经（第IX对脑神经） + 迷走神经（第X对脑神经）的会厌分支 -> 脑干的孤束核 -> 丘脑腹后内侧核 -> 大脑味觉皮层

• 味觉皮层：Gustatory cortex，位于大脑皮层岛叶的前脑岛，以及额叶的岛盖区，是味觉信息处理的最高等级中枢。

• CeA：Central nucleus of the amygdala，杏仁核中央核，位于杏仁核内部，是杏仁核的主要输出核。与控制先天性为和相关生理反应的脑干区域相连，也通过项下丘脑外侧和脑干输出情绪相关的信息。本文中，该名称表示小鼠的甜味代表区，简称甜味中枢。

• 杏仁核：Amygdala，是边缘系统的一部分，在记忆、决策、情绪反应中起重要作用。与皮层多个区域、海马、下丘脑、丘脑、纹状体，脑干等多个区域存在双向连接。

• rNST：孤束核的一部分，位于其吻部。孤束核：NST, Nucleus of the solitary tract，位于脑干。是味觉及内脏感觉的传导中继站，发出的纤维一部分到达间脑，将味觉和内脏感觉传递到高级中枢，另外一部分到达脑干的运动核，完成内脏的反射活动。

• GCbt：Gustatory cortex of bitter，小鼠皮层的苦味代表区，简称苦味中枢

• Sst：Somatostatin-positive neurons, 小鼠rNST中的苦味敏感性神经元，这里简称苦味神经元

• Calb2：Calbindin 2-positive neurons，小鼠rNST中的甜味敏感性神经元，这里简称甜味神经元

主要研究结果如下：

1. 从味觉皮层（GCbt）和杏仁核中央核（CeA）到脑干 rNST 之间存在反馈连接

给动物喂食液体时发现，甜味和苦味混合的液体，与纯苦味的液体类似，都会引发动物的厌恶反应（图1-A）。作者考虑原因可能是苦味对于甜味具有一定的抑制效应，于是首先研究了苦味中枢和甜味中枢的下行投射关系。首先在苦味中枢和甜味中枢分别注射顺行示踪病毒，发现苦味中枢主要下行投射到对侧的rNST，少量投射到同侧的rNST，而甜味中枢则基本投射到同侧的rNST（图1-B, C, D）。两类神经元虽然作为相互独立的味觉通路的一部分，但是却部分混合在一起（图1-D右）。

▲图1  从位于皮层的苦味中枢（GCbt）和位于杏仁核中央核的甜味中枢（CeA）到位于脑干的孤束核吻侧（rNST）的下行投射。AceK，安赛蜜，甜味剂，Qui，奎宁，苦味剂。

2. 使用遗传学手段能够精确区分脑干rNST中专一偏好甜味和苦味的神经元

根据前人的研究工作，对rNST（脑干孤束核吻侧）中的甜味和苦味神经元进行精确区分。图2中的结果表明苦味刺激能够诱发苦味神经元最大的反应，而甜味刺激能够诱发甜味神经元最大的反应。接下来，作者研究了将rNST的甜味和苦味神经元分别用精细的遗传学操作进行失活以后，发现动物对于甜味和苦味的喜恶大幅减弱，表明所使用的遗传学方法所区分的甜味和苦味神经元是准确的（图3）。

▲图2  脑干rNST核团中甜味和苦味神经元的识别及其对各种味道的反应。（A）使用光纤进行光度测量rNST对于味觉引发刺激的反应的示意图。（B）rNST对纯水、甜、苦、酸、咸，鲜味道的反应，其中方块区域代表给予味觉刺激的时间段。（C，D）苦味神经元（Sst）和甜味神经元（Calb2）分别对于不同味觉刺激的反应。苦味剂：Qui，奎宁；Cyx，环己酰亚胺。甜味剂：AceK，安赛蜜；Sucrose，蔗糖。酸味剂：CA，柠檬酸。咸味剂：NaCl。鲜味剂：MPG+IMP，谷氨酸单钾+次黄嘌呤核苷酸。

▲图3 失活rNST的甜味和苦味神经元会导致动物失去喜甜厌苦行为。（A）实验范式：在动物的双侧rNST注射AAV-Flex-DTA病毒之后，随机给予动物某种味道的液体，分析动物的舔食频率。（B, C）动物对于水、酸味、苦味刺激的舔食频率，在失活相关神经元之后与对照组的比较。（D, E）苦味神经元被失活以后，动物对苦味、甜味和酸味液体的舔食频率比较。（F, G）甜味神经元被失活以后，动物对甜味、咸味、苦味，酸味液体的舔食频率比较。（H）甜味神经元被失活以后，动物对于甜味偏好性的长时间（24h）的行为分析。S，甜味液体，W，水。动物通常对更浓度的甜味剂产生更大的兴趣。而右图表明，在动物的rNST神经元被失活以后，无论甜味剂浓度高低，动物都无法对之产生更大的兴趣。

3. Sst和Calb2神经元分别是甜味和苦味在脑干rNST核团中的神经表征

那么，如果分别激活甜味和苦味神经元，动物的味觉感受行为有什么表现呢？作者使用光遗传学技术，通过设计一系列精巧的行为实验，让动物报告所感受到的味道，发现激活Sst和Calb2神经元，能够让动物分别产生虚拟的甜味和苦味的感觉（图4），这表明这两类神经元的确分别是甜味和苦味在脑干孤束核中的神经表征。

▲图4  激活rNST的甜味和苦味神经元能够让动物产生虚拟的甜味和苦味的感觉。（A）实验范式1：动物的舔食行为能够触发埋置于rNST脑区的光照刺激，进而激活甜味或者苦味神经元。（B, C）光照激活苦味神经元之后，能够显著的抑制动物的舔食频率。（D, E）光照激活甜味神经元之后，能够显著的提高动物的舔食频率。（F）实验范式2：首先给动物断水24-48小时，然后在中间的瓶子给予动物少量某种味道的液体，动物在舔食以后需要判断该液体的味道，然后根据是喜欢还是不喜欢，选择是向左还是向右。如果按照喜甜厌苦的模式判断正确的话，动物就会获得给水奖励，如果选择错误，动物就以什么也得不到作为惩罚。（G, H）对甜味神经元（Calb2）和苦味神经元（Sst）进行光遗传操控的小鼠分别执行任务的结果。表明动物在光照之前，能够正确的区分甜味和苦味，而在NaCl + 光照的刺激下，动物却表现出了一定程度偏好甜味或者苦味的行为。（I）实验范式3：在左边的3个水瓶里面，给予动物3种味道（甜、咸、苦）的液体，在右边的1，2，3瓶子中设置甜、咸、苦3种对应味道的液体。首先训练动物学会三种味道的位置对应关系，然后在左边的瓶子种，随机插入一种新的味道，或者使用光纤照射苦味中枢，分析动物的选择行为。（J）行为表现：动物能够正确的分辨甜、咸、苦三种味道，但是对于新的味道，判断结果表现为随机选择。但是在进行苦味皮层激活之后，动物显著性的选择了苦味。

4. 激活皮层的苦味中枢，会增强脑干rNST核团苦味神经元的活动，同时抑制甜味神经元的活动

来自高级甜味中枢和苦味中枢活动的反馈调制，能够影响脑干rNST区域中甜味和苦味神经元的活动（图5），具体表现为：激活皮层的苦味中枢，不仅会增强rNST中苦味神经元的反应，还抑制了甜味神经元的反应。但是激活苦味中枢到杏仁核中央核甜味中枢的环路，则仅仅能够抑制rNST中甜味神经元的活动，对于苦味神经元的活动没有显著影响。

▲图5 调制高级脑区的活动对于rNST中甜味和苦味神经元的反馈作用。（A）甜味神经元对于甜味和甜苦混合味道的反应（B）苦味神经元对于苦味和甜苦混合味道的反应（C）激活皮层的苦味中枢之后，rNST中甜味神经元对于甜味的反应（D）激活皮层的苦味中枢之后，rNST中苦味神经元对于苦味的反应（E）激活苦味中枢到杏仁核中央核的投射环路，能够抑制rNST中甜味神经元的反应（F）激活从皮层苦味中枢到杏仁核中央核的投射环路，对于rNST中苦味神经元的反应没有显著影响。

5. 电生理和组织化学的结果表明，皮层的苦味中枢对于脑干rNST核团的苦味神经元的反馈连接是兴奋性单突触连接，而对于脑干rNST核团的甜味神经元的反馈连接中间经过了杏仁核中央核的抑制性中间神经元的中继控制。失活这种反馈连接，能够消除苦味引起的甜味抑制效应。

为了揭示皮层自上而下的反馈控制的的生理基础，作者对rNST中单个苦味和甜味神经元进行了膜片钳记录、遗传学操作和组织化学研究（图6）。结果表明，rNST中的Sst苦味神经元主要接受来自皮层苦味中枢GCbt的兴奋性输入（图6B-E），其他的补充研究结果也表明这种反馈输入是单突触连接。从GCbt到rNST中Calb2甜味神经元之间，并没有发现大量的单突触连接。而当在杏仁核中央核的甜味中枢CeA中进行光遗传激活时，rNST中的Calb2甜味神经元表现出了强烈的抑制性突触后电流（图6F-I）。接下来，作者使用药理学以及光遗传学手段对这种反馈连接进行失活处理（图7），发现动物对于苦甜混合味道的厌恶行为大大减弱，说明这种抑制效应起源于来自皮层的苦味中枢到杏仁核中央核甜味中枢的反馈活动。

▲图6  高级皮层的反馈调制，对于rNST中甜味和苦味神经元活动的影响。（A）在皮层的苦味中枢和杏仁核中央核的甜味中枢转染光敏感离子通道，在rNST脑区进行膜片钳记录。（B, C, D, E）激活rNST中的苦味神经元之后，产生兴奋后突触后电流（EPSC），该电流能够被AMPA抑制剂DNQX所明显抑制。（F, G, H, I）激活rNST中的甜味神经元之后，产生抑制性突触后电流（IPSC），该电流能够被GABA抑制剂PTX所抑制。

▲图7 失活皮层苦味中枢对杏仁核中央核甜味中枢抑制性反馈活动的效应。（A, B）药理学实验1：在动物两侧杏仁核中央核的甜味中枢中，注射AMPA受体抑制剂NBQX。在注射之前，之中和之后，记录rNST中甜味神经元对各种味道的反应。在失活甜味中枢的反应之后，苦味引发的对于甜味的反应抑制效应减弱。（C, D）药理学实验2：使用NBQX失活杏仁核中央核的甜味中枢之后，减弱了动物对于甜苦混合味道的厌恶行为。（E, F, G）光遗传学抑制实验：失活从杏仁核中央核的甜味中枢CeA到rNST的投射环路会减弱动物对于甜苦混合味道的厌恶行为。

小结

甜苦的味觉神经环路，作为先天性本能行为神经环路的重要代表，对于哺乳动物的生存至关重要。对应的味觉刺激能够精确的、鲁棒的触发动物的喜好或者厌恶的行为。甜味中掺入苦味的物质，也表明该物质具有某种潜在的毒性，动物演化出了精密的神经环路来应对这种状况。该文中，作者首先厘清了从苦味和甜味的传导通路中，高级味觉皮层（GCbt和CeA）到低级味觉皮层（脑干rNST核团的Sst苦味神经元和Calb2甜味神经元）的反馈连接，进而在低级脑区中精确的区分了表征甜味和苦味的神经元群体，并通过一系列行为学实验来证实这种区分是可靠的。然后作者对高级皮层的活动进行操控，分析了对于低级脑区的反馈影响。最后作者通过遗传学和电生理学实验，对脑区之间的连接进行了突触连接进行分析，表明苦味对于甜味神经元活动的抑制效应，起源于皮层的苦味代表区（GCbt）对于杏仁核中央核的甜味代表区（CeA）抑制性中间神经元的激活。作者还展望了将来比较有趣的味觉研究的一些方向：可以研究各种味觉环路之间的相互作用关系，以及这些味觉与奖赏、营养需求、饥饿、饱腹感、情感、期望水平之间的相互作用对于味觉感知和味觉相关行为之间的相互影响。

本文参考文献（上下划动查看）

1. Chen, X., Gabitto, M., Peng, Y., Ryba, N. J., & Zuker, C. S. (2011). A gustotopic map of taste qualities in the mammalian brain. Science, 333(6047), 1262-1266. doi:10.1126/science.1204076

2. Peng, Y., Gillis-Smith, S., Jin, H., Trankner, D., Ryba, N. J., & Zuker, C. S. (2015). Sweet and bitter taste in the brain of awake behaving animals. Nature, 527(7579), 512-515. doi:10.1038/nature15763

3. Wang, L., Gillis-Smith, S., Peng, Y., Zhang, J., Chen, X., Salzman, C. D., . . . Zuker, C. S. (2018). The coding of valence and identity in the mammalian taste system. Nature, 558(7708), 127-131. doi:10.1038/s41586-018-0165-4

论文摘要

在哺乳动物的大脑中，本能行为所依赖的先天性神经环路逐渐被认为是一项重要的特征。甜味和苦味会引起相反的行为模式。甜味通常意味着食物中的能量充足，并且往往会引起摄食反应，而苦味则警告动物避免摄食潜在的有毒物质。在本文中，我们识别并且研究了脑干中负责将舌头的甜味和苦味信息传递到皮层的神经元环路。另外，我们探索了大脑是如何对这种硬件连接的环路进行调制，并且对味觉相关的行为产生影响的。我们剖析了苦味抑制甜味的神经基础，发现味觉皮层和杏仁核中央核对于来自脑干中的甜味和苦味信号具有强烈的正负反馈作用。最后，我们证明了如果阻断这种反馈作用，将会明显的影响动物对于味觉的感受。这些结果表明了先天性连接的环路是如何被自上而下的反馈作用所精细调制的，同时也揭示了一种所有动物都具备的行为反应的神经基础。

Hardwired circuits encoding innate responses have emerged as an essential feature of the mammalian brain. Sweet and bitter evoke opposing predetermined behaviors. Sweet drives appetitive responses and consumption of energy-rich food sources, while bitter prevents ingestion of toxic chemicals. Here, we identified and characterized the neurons in the brainstem that transmit sweet and bitter signals from the tongue to the cortex. Next, we examined how the brain modulates this hardwired circuit to control taste behaviors. We dissect the basis for bitter-evoked suppression of sweet taste, and show that taste cortex and amygdala exert strong positive and negative feedback onto incoming bitter and sweet signals in the brainstem. Finally, we demonstrate that blocking the feedback markedly alters responses to ethologically relevant taste stimuli. These results illustrate how hardwired circuits can be finely regulated by top-down control, and reveal the neural basis of an indispensable behavioral response for all animals.

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述评人简介

尹家鹏

中国科学院青促会会员

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心副研究员

[e-mail]

尹家鹏，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心视知觉机制研究组副研究员，合作导师为王伟高级研究员，主要以猕猴为实验动物，使用内源信号光学成像、在体电生理记录，双光子成像等技术，开展视知觉脑神经机制的基础研究。相关成果发表在Neuron, Proc Biol Sci, Journal of Neuroscience 上。获得中国科学院青促会项目，国家自然科学基金青年基金，中国博士后基金以及神经科学国家重点实验室创新激励项目等资助。

Jiapeng Yin is an associate Investigator in Center for Excellence in Brain Science and Intelligence Technology (CEBSIT), Chinese Academy of Sciences (CAS). The co-supervisor is Senior Investigator Dr. Wei Wang. His research now is mainly focusing on neural mechanism of visual perception. The techniques he used including intrinsic optical imaging, in-vivo electrophysiology recording and two-photon optical imaging etc, on awake and anesthetized non-human primates. His works have been published on Neuron, Proc Biol Sci, Journal of Neuroscience. The foundation supports he received are from Youth Innovation Promotion Association CAS, Chinese Postdoctoral Science Foundation, National Natural Science Foundation of China, and State Key Laboratory of Neuroscience Innovation Incentive Foundation.

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