饥饿回路与神经元的关系

饥饿回路同样涉及下丘脑以外的不少脑区参与。比较完整的饥饿回路包括以下丘脑ARC的POMC及AgRP神经元为中心的主要传入-传出回路。为了复杂的食物寻找和食物消耗行为，在依次的神经回路节点上，可以将快速激活进食能力作为扰动脑的一个简单读出。这种研究途径已经应用于一些研究，研究目的集中在接受AgRP神经元轴突投射而且已经有报道表明可以影响进食行为的3个脑区的神经元：①ARC阿黑皮素原（POMC）表达神经元；②后脑PBN神经元；③下丘脑PVH神经元。研究了哪些脑区以及哪些细胞类型贡献给由于AgRP神经元激活而引起的快速诱发的进食。有作者应用光遗传学方法来确定AgRP神经元下游的突触特性以及神经连接。根据这些来作图突触连接的行为后果，然后再用其他方法加以确定，通过扰动突触前AgRP神经元以及一系列突触后细胞的电活性（图17-8）［1］。

ARCAgRP神经元是和POMC神经元混杂在一起的。此POMC神经元群体通过激活阿黑皮素原受体，起到压抑进食的作用。由于这两种神经元间的功能性对抗，它们间的相互作用被认为是进食行为调节的关键。应用通道视紫质技术对ARCAgRP神经元→ARCPOMC神经元的神经连接进行了作图。实验发现，所有在实验中被考察过的POMC神经元都接受AgRP神经元的突触输入，因此这个连接所释放的GABA是抑制性的。直接神经回路作图的实验结果跟以前的实验工作相一致。以前的实验显示，切除AgRP神经元或基因敲除突触小泡转运蛋白这两种方法都导致明显而戏剧性的、GABA介导的POMC神经元自发性抑制性突触电流的减少。然而另有好几方面的证据表明，ARCAgRP→ARCPOMC神经回路并不介导AgRP神经元所诱发的急性进食行为。在组成型阿黑皮素原受体阻断的条件下操控AgRP神经元的功能，并不能压抑当AgRP神经元受光刺激时诱发的进食行为，也不能够挽救AgRP神经元切除后的摄食。这表明，阿黑皮素原受体的抑制对于AgRP神经元诱发的急性进食并非必需成分。此外还发现，POMC神经元的抑制不足以急性诱发进食行为，但是更长时程24 h的静默确实可以增加进食。更进一步，ARCAgRP→ARCPOMC神经回路的抑制，对于诱发进食并非必需。这个结论是基于同时用光遗传学方法共同激活POMC神经元和AgRP神经元（见图12-5d），这样一种处理并不压抑进食。上述这些研究表明，POMC神经元以及它们被AgRP神经元的调节，关系到长时程能量内稳态的调节，以及进食的调节，而在ARC以外的AgRP神经元投射，则负责急性诱发的进食行为［1］。

从AgRP神经元发出的长距离轴突投射的功能性贡献，在两个下游神经元回路的节点——下丘脑室旁核（PVH）和PBN上，已经用细胞的类型特殊轴突的光刺激方法进行了研究。以前的研究工作显示，这两个节点是调节进食行为的（见图12-5c）。轴突光遗传学激活结果显示，两个脑区的行为反应不一样，光遗传学激活投射到PVH的AgRP轴突，可以引起进食，类似于ARCAgRP神经元细胞体的激活；但同一动物投射到PBN的轴突激活则无此效果。有这样的实验观察：在AgRP神经元切除以后输入苯二氮到PBN可以挽救摄食，而输入苯二氮到PVH却无此作用。那么，上面所述的结果又意味着什么？这很可能反映了两个不同的过程：一是AgRP神经元压抑恶心呕吐神经回路，二是AgRP神经元激活饥饿神经回路。这种看法受到了一些事实的支持。在一些动物，其AgRP神经元是完整的。对这种动物，PBN的苯二氮优先地增加液体及可口食物的摄入，但在AgRP神经元激活的实验中会使用食丸，这是标准的啮齿类食丸，这种动物却不吃。此外，PVH也发送投射到PBN，但是在AgRP神经元切除的小鼠中（例如给予苯二氮），那种压抑PVH电活动的操控，不能压倒由于丢失了AgRP神经元抑制性输入而引起的PBN激活。更有进者，在AgRP神经元切除的小鼠中，抗呕吐的昂丹司琼可以挽救摄食，但当AgRP神经元完好时，昂丹司琼并不引起狼吞虎咽般的进食。总起来看，似乎AgRP神经元激活所引起的进食，并非简单地因AgRP神经元切除而引起厌食过程的反面［1］。

应用光遗传学神经回路作图方法进行ARCAgRP→PVH投射的进一步分析（见图12-5a），建立了它们之间的功能性突触连接，却发现了一些未曾预料到的AgRP神经元的突触连接特点，即发现了长时程的不同步释放成分。这一成分导致GABA介导的强烈抑制，其时程可持续几百毫秒，这个时程通常是属于神经调制性质的，但是在AgRP神经元中，该时程是由快速的突触传递介导的。在有活动能力的动物中，药理学阻断GABAA受体或NPY Y1受体，刺激ARCAgRP→PVH轴突，可以强烈地减弱诱发进食的效果。这个事实演示，GABA和NPY信号对于AgRP神经元诱发进食是必需的。抑制性ARCAgRP→PVH神经回路操控诱发进食的充分性如何，可以应用SIM1-Cre转基因小鼠，用直接的细胞类型特异的、药理遗传学抑制PVH神经元的方法加以测试（见图12-5b）。Sim1基因表达可以标志许多PVH神经元。通过围绕PVH脑区的靶向病毒注射，这些神经元可以被选择性地转染Sim1基因。用两个不同的药理遗传学方法使PVH的SIM1神经元沉默，可以重现一种行为效应，这就是由激活突触前抑制性AgRP神经元群体所产生的效应。与此相类似，应用白喉毒素切除全脑SIM1神经元，会导致长时程的过度进食。此外，如同AgRP神经元增加动机来寻求食丸一样，如果PVH中的SIM1神经元被静默，动机性进食会增加到同等的水平，而这个脑区以前并不认为与上调操作性反应有所关联。这些实验加在一起，其意义在于演示了分子界定的神经回路的行为后果，可以在一个神经回路的节点上被重塑，该节点处于需要-感觉细胞类型的下游。这就提出了一种可能性，我们可以在脑内多个神经回路的节点当中追踪能量代谢本能需要的神经代表，以及它们的动机后果［1］。

用神经回路作图的技术也可以鉴定分子性质界定的神经元之间的新连接。利用通道视紫质神经回路作图，PVH的催产素（OT）神经元被显示靶向到AgRP神经元轴突（图12-5a）。两个分子性质界定的神经元群体之间神经连接的行为重要性可以用一种方法来测试，此方法就是细胞特异的抑制性神经回路连接的阻塞。AgRP神经元轴突和PVHOT神经元的共激活（图12-5d）压抑了AgRP神经元诱发的进食，这种强制性的上位（epistatic）相互作用与一个重要的作用相一致，那就是进食中AgRP神经元介导的对PVHOT神经元的压抑。OT神经元调节摄食这一作用，被认为是通过其到后脑的投射。在那里，OT神经元的信号增强了后脑对血液循环中饱足信号的反应，而用基因手段毁坏OT神经元的突触释放，或者去除表达OT受体的后脑神经元，两者都导致过度进食。Prader-Willi综合征（PWS）(8)病人的PVHOT神经元选择性丢失，SIM1单倍剂量不足（haploinsufficiency），情况也是如此。在这两种遗传情况下都有食欲不知足的情况。看来，AgRP神经元和PVHOT神经元之间的抑制性相互作用，可能是一个有用的模型，可以利用它来开展对过度进食行为的研究［1］。

这些实验也演示了一种选择性相互作用，这些相互作用是通过对细胞类型特异的神经元回路的剖析而了解到的。例如，虽然小鼠光遗传学的PVHOT神经元激活可以完全压抑AgRP神经元所诱发的进食，但在24 h饥饿之后，PVHOT的激活也并不能明显减少食物的消耗。这样看来，PVHOT神经元的压抑对于因选择性激活ARCAgRP→PVH回路所诱发的进食行为是重要的，但它也仅仅是参与食物剥夺诱导进食的神经回路的一个片段而已。在自然情况下，AgRP神经元的其他投射也沿着补充性传导路被激活。除AgRP神经元以外，这条补充性传导通路也报告饥饿的到来。与这种看法相一致，用药理学方法阻断ARCAgRP→PVH投射，同时刺激AgRP神经元胞体（可能所有其他的AgRP神经元也都被刺激了），这时发现，可以导致相当明确的进食增加，这提示PVH并不是负责AgRP神经元诱发进食的唯一脑区［1］。

总的看来，近来的研究提示，AgRP神经元可能有不同的功能，介导不同的特异神经回路的连接。AgRP能够急性诱发进食，部分地是由于抑制了PVH，但是PBN或ARC的POMC神经元则无此作用。POMC神经元似乎仅仅调节长时间的摄食行为，靶向到PBN的AgRP神经元突起，遏制了内脏性的不适。这种不适由AgRP神经元切除及随之而来未受阻挡的兴奋所引起，兴奋来自5-羟色胺调制的后脑回路。由此可以看出，饥饿由多种机制实现，通过解剖上分离的AgRP神经元的轴突投射，把这些机制分离开来而成为不同的行为模块。所有这些结果都将是不可能获得的，如果我们手中没有那么多的技术手段，可以快速地、细胞特异地操控AgRP神经元的功能，允许我们分析神经元回路的节点，用许多手段影响进食行为，从而能够做进一步的研究分析。这些实验提供了神经回路框架，扩展到包括分子性质的、突触的、细胞的、行为功能的以及根据优先次序的神经回路的节点，为其他分析方法打下基础。例如做活体电生理学和成像实验，在这种设计蓝图指导下，从感觉神经元的进入点开始，一直做到饥饿相关的动机过程。这样，对于复杂回路，我们今后还有许多工作要做［1］。