Research︱陈忠团队揭示外侧下丘脑CaMKIIα+神经元调控捕食行为的环路机制

Original 谭娜逻辑神经科学 2023-03-10

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撰文︱谭娜

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

捕食行为是自然界的肉食性动物获得食物的主要来源，这是一种食欲驱使的进化保守的本能行为，对动物的生存至关重要[1]，动物在捕食过程中展现出程序性捕食的系列行为，包括探索、追逐、抓握和撕咬猎物、衔回、吞食猎物等步骤[2]。新奇性探索是捕食过程最先发生的步骤，目的是使动物熟悉周围环境的地形、收集有用的信息例如食物资源、规划出最佳捕食甚至逃跑的路线等[3]，对于社交类动物例如啮齿类动物，探索行为也能建立与同类的联系[4]。人和动物都保留了新奇性探索的能力，捕食行为中探索过程收集的众多信息是如何在大脑中加工并整合成为捕食信号的仍有待进行研究。

2022年8月9日，浙江大学药学院陈忠教授团队联合浙江中医药大学研究团队在Research杂志在线发表了题为“Lateral Hypothalamus Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II α Neurons Encode Novelty-Seeking Signals to Promote Predatory Eating”的研究性论文，报道了外侧下丘脑（Lateral Hypothalamus，LH）介导小鼠捕食行为的环路机制的最新研究成果。研究人员采用了在体钙信号光纤记录结合光遗传学、化学遗传学调控，并设计了多样化的捕食行为学范式，首次揭示了LH CaMKIIα⁺神经元接收MPOA 输入的新奇性探索信息，并输出到 vPAG 核团促进捕食性攻击以及摄食行为。该研究首次解析了一条MPOA-LH-vPAG捕食相关的神经环路，丰富了捕食行为的神经环路基础。（拓展阅读：陈忠课题组最新进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Current Biology︱陈忠团队在组胺调控摄食机制方面取得新成果：H2受体依赖的内侧隔核组胺能回路；Sci Adv︱陈忠团队提出癫痫药物治疗新思路：电响应型聚多巴胺纳米递药系统）

前期利用光遗传学、病毒示踪等技术一定程度上解析了调控捕食行为的相关环路，导水管周围灰质（Periaqueductal Gray，PAG）是介导捕食行为的关键核团，整合来自多个上游脑区输入的捕食相关信号，并向下游输出以调节躯体运动完成捕食行为。其中，未定带GABA能神经元整合视觉信号和由胡须感知的触觉信号并编码食欲驱动的捕食行为，并将相关信息输出到下游PAG核团[5]。中央杏仁核GABA能神经元到PAG核团的投射调控捕食行为中的躯体运动功能[6]。近期，Phill-Seung Lee 和Daesoo Kim等人也发现了内侧视前区（MPOA）投射到PAG的神经环路可以介导的捕食行为，参与到新物品探索和捕食性攻击行为，但该环路不介导捕食后的摄食行为[7]。投射到PAG的LH GABA能神经元激活后快速诱导出小鼠对蟋蟀的捕食性攻击行为[8]，投射到PAG的LH Gad2⁺ GABA能神经元激活后快速诱导出追逐和攻击行为[9]，但是有趣的是LH到PAG的GABA能投射并不会介导捕食后的摄食行为。PAG中的神经元是异质性的，它们同时调节着捕食行为和防御行为，这表明该环路可能是通过抑制对猎物的防御反应来编码捕食行为，这为我们研究复杂多样的捕食行为提供了一个新的思路[9]。以上的研究从神经环路方面对调控动物捕食行为的机制进行了解释，但是，动物如何将对新奇探索整合成为食欲相关的捕食信号亟待研究。

于是作者将目光锁定到LH另外一种类型的神经元，即CaMKIIα（Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II α）神经元。CaMKIIα是一种在神经元特异性表达的蛋白，在前脑占总蛋白的1%，海马占总蛋白的2%，海马中的CaMKIIα与学习记忆密切相关[10]，CaMKIIα一般被认为是兴奋性神经元的标记物[11, 12]，那么LH CaMKIIα⁺神经元是否参与捕食行为呢？为了回答这个问题，研究人员首先采用在体钙信号光纤记录的方式发现小鼠LH CaMKIIα⁺神经元在探索和衔回新事物时被激活，接下来研究人员采用光遗传学特异性激活LH CaMKIIα⁺神经元能诱发出小鼠探索环境、追逐快速移动的物品、撕咬棉花球、衔回物品、强迫性摄食等程序性捕食样行为而不会诱发出小鼠社交和种内攻击行为（图1），以上研究结果提示LH CaMKIIα⁺神经元可能参与介导捕食行为。接下来，研究人员记录了小鼠在猎杀蟋蟀时LH CaMKIIα⁺神经元的活动状态；研究结果显示，捕食天然猎物蟋蟀伴随着小鼠LH CaMKIIα⁺神经元活动性升高，光遗传学激活LH CaMKIIα⁺神经元能即刻诱发出小鼠对人造猎物和天然猎物蟋蟀的捕食和吞食行为，相反的，化学遗传学抑制LH CaMKIIα⁺神经元能完全拮抗掉因禁食产生的内在食欲引起的捕食行为（图2），以上研究结果提示LH CaMKIIα⁺神经元对于捕食行为是充分且必要的。

图1 LH CaMIKIIα⁺神经元介导程序性捕食样行为

（图源：Na T, et al., Research, 2022）

图2 LH CaMIIKα⁺神经元双向调节捕食行为

（图源：Na T, et al., Research, 2022）

有研究报道特异性投射到PAG的LH的GABA能神经元介导了捕食行为，但是小鼠捕食后并不会吃掉猎物[8]。LH GABA能神经元不同亚群也被报道分别介导了食欲和进食行为[13]，那么LH CaMKIIα⁺神经元是什么类型的神经元呢？研究人员分别将 vGaT-Cre和vGluT2-Cre转基因小鼠与report小鼠Ai47小鼠杂交，分别用绿色荧光蛋白标记杂交子代所有 GABA能或vGluT2⁺谷氨酸能神经元，再利用免疫组化染色标记CaMKIIα⁺神经元，结果显示LH CaMKIIα⁺神经元几乎不与GABA能神经元共定位，而LH vGluT2⁺的神经元中，96.71%的为CaMKIIα⁺神经元；但是CaMKIIα⁺神经元中只有63.87%是vGluT2⁺，实验结果显示 LHCaMKIIα⁺神经元部分为vGluT2⁺的兴奋性神经元。而LH vGluT2⁺谷氨酸能神经元被报道是抑制摄食的作用[14]，与LH CaMKIIα⁺神经元促进摄食的作用看起来是矛盾的，那么食欲驱动的捕食行为是否为总量36.13%的CaMKIIα⁺vGluT2^-介导的呢？研究人员采用了Cre-off的方法特异性标记了LH CaMKIIα⁺vGluT2^-这群神经元，实验结果显示这群神经元在捕食行为时活动性显著升高；研究人员还采用了AAV-CMV-DIO-casepase3病毒杀死所有LH vGluT2⁺神经元后用光遗传学激活LH CaMKIIα⁺vGluT2^-神经元，有意思的是，该实验小鼠即使在饱食情况基础状态也会有自发捕食显示行为的产生，而光遗传学激活能诱发出更猛烈的捕食行为（图3），以上结果提示LH CaMKIIα⁺ vGluT2^-神经元虽然数量较少却介导了食欲驱动的捕食行为。

图3 LH CaMKIIα⁺vGluT2^-神经元介导了捕食行为