对摄食行为神经回路的寻访

动物的摄食行为由神经过程介导，即坎农在《身体的智慧》（Wisdom of the Body）那本书里所讲的，也就是在C. Richter所写的《行为调节者》（Behavior Regulators）那本书里讲的那种神经过程，人体内稳态过程就是通过它们影响生理活动与行为的。考虑到摄食行为的必需性，可以预期这种神经回路至少部分地是在发育调控之下的，而且具有某种“硬线路”的结构成分，这种线路在脑内可以重复性地被鉴定［1］。

脑内有激素和营养素感受的神经元网络，负责检测动物机体的能量状态。这些内感受性的感觉神经元调制神经的电活动，作为对体内激素、代谢物质变动以及机体营养信号的反应。营养素、激素感受特征可以被神经元电活动所记录和测量，但特定能量感受神经元对于因能量缺少而引起的行为发生的直接贡献关系，往往是不容易被明显捕获的。这是出于以下的原因。①由于时间变化尺度很慢，要几小时到几天，只有在这种尺度下，能量缺损才能够显露出来。②不论对脑还是身体，有不同程度的、广泛的细胞和生理学过程，它们都可由于能量缺少而改变。③在含有能量感受装置的脑区，存在着多个、部分是冗余的神经回路。这些因素加在一起，严重地限制了对问题的因果关系分析、对剥夺敏感感觉系统的成分和下游神经元回路过程之间的分析以及对行为后果之间关系的分析［1］。

要取得多步骤过程的因果关系证据，例如神经回路操作，需要在系统里面设置局限化扰乱，而这种证据又可以被所得结果的接近所强化。外感受性感受系统是直接快速对刺激起反应的，神经和行为反应得以可靠地关联起来，这些系统受扰动的因果关系得以确定下来。例如，视网膜神经节细胞是明确被界定的，是进行视觉加工以处理不同信息的通道进入此神经回路的唯一输入点。然后，不同的信息通道分别影响知觉、运动、昼夜节律。与前述相反，在探查自然刺激如何影响行为反应方面，为了分析对缓慢变化参数（例如能量状态）进行反应的神经回路，这里就缺少那种鲜明、准确的时间关系，以及准确、局限化的作用来源。现在有了鉴定分子性质的营养素感受神经元群体，该群体可以被实验者远距离调控，又能足够快速地影响觅食及消费行为。这样，将允许我们应用类似于对外感受器感觉系统（如视觉系统）的适当研究方法，来剖析那些启动及维持饥饿的过程。的确，这种神经元潜在地构成了感觉神经元的输入点，通过它输入到动机神经回路［1］。

摄食调节其实就是食欲的表达成分，即行为部分。最近的分析是从内感受性的“刺鼠基因相关蛋白（AgRP）神经元”开始的。AgRP神经元能够接受血液中的生长激素释放肽（ghrelin）、葡萄糖、瘦素（leptin）等而作出反应。这些物质都与动物的能量供应有关。注射AgRP入脑，能增加动物的摄食量。最近的研究实际上是分析了下丘脑AgRP神经元被用光遗传学手段激活以后引起摄食行为的神经回路，也就是对其分布系统的分析［4］。近年来一个重要的进展是：下丘脑弓状核（hypothalamic arcuate nucleus，ARC）AgRP神经元和POMC神经元的相互作用，以及向它们的传入和由它们的转出，可以解释动物摄食行为的种种表现。

ARC含有一种神经元叫AgRP神经元，它是一类内感受性神经元，其特点适宜于用来研究饥饿过程。AgRP神经元可以直接地也可以通过突触而被激活，从而感受来自循环系统提示能量缺失的信号，例如胃肠道起源的激素、生长激素释放肽（ghrelin）。AgRP神经元也可以被能量过多的信号所抑制，例如葡萄糖、胰岛素、脂肪来源的瘦素（leptin）。AgRP神经元释放神经调制物质AgRP和NPY，注射AgRP和NPY入脑能增加摄食。用光遗传学及遗传药理学方法诱导AgRP神经元的电活性，就足以快速地诱发动物狼吞虎咽般的吃食行为。即使正常不吃食物的小鼠，都可以被诱导吃东西（图17-2a—c）。AgRP神经元的活性既影响行为，也导致寻找食物的动机强烈增高。同时，对成熟小鼠的AgRP神经元进行急性基因敲除，则导致显著的不摄食和厌食症（图17-2d，e）。即使把可口的液体食物灌到动物嘴里，它也不吃。压抑AgRP神经元的电活性可以减少摄食。总起来说这些实验表明，AgRP神经元对实现摄食行为的动机与消费过程起协调作用。大概只要有少量、几百个内感受性AgRP神经元就既构成充分条件，也部分地构成必要条件［1］。

图17-2　AgRP神经元是摄食的必要和充分条件（彩图见图版此处）

（a）在正常行为动作的小鼠中，光遗传学激活AgRP神经元的配置。ARC：弓状核。（b）用基因工程方法在AgRP神经元中表达通道视紫质的小鼠，光刺激诱导摄食的实验。（c）在可以随意（无限制地）吃东西的小鼠中，光刺激AgRP神经元引起摄食。这种鼠的摄食跟经过24 h未进食的小鼠相类似。（d）白喉毒素受体介导的急性AgRP神经元切除实验的图解式表示。（e）AgRP神经元切除导致厌食症。（图引自［1］）

操控AgRP神经元的实验使得这种急性操控途径的价值显得重要起来，实验目的是为了检测神经元功能与行为的关系。实现AgRP神经元切除通过把白喉毒素注射到成年小鼠，而此成年小鼠是被基因工程化的。小鼠的细胞选择性地表达白喉毒素受体（AgRP-DTR小鼠）。这个操作所导致的摄食行为丧失可达6 d。相比之下，如果用缓慢或慢性的方法使AgRP神经元失功能，就不能够强有力地影响摄食行为，包括对AgRP神经元释放的增强食欲的神经调质及神经递质（例如GABA、NPY、AgRP）进行基因敲除。其他方法如缓慢出现的成年动物AgRP神经元变性，甚至新生动物的快速AgRP神经元敲除，也不能引起像光遗传学刺激那样快速的实验结果。所有这些不同实验研究策略的结果证明了一点，即用急性操控方法研究神经元回路的重要性；而且显示，以往用长时程中断功能的方法是一个误区，因为长时程方法会引出代偿机制［1］。

另一方面，急性功能获得的方法使研究者有可能系统地考察电活动的心理物理关系，实验考察了电刺激AgRP神经元诱发的摄食行为的大小、动力学和选择性。AgRP神经元激活所诱发的摄食幅度的大小，几乎可以与饥饿24 h的小鼠一样大，即使是第一次给予AgRP神经元以电刺激（图17-2c）。在往后其他的光刺激实验中也得到类似的反应幅度。刺激AgRP神经元所诱发的摄食与电刺激下丘脑外侧区所引起的摄食有很大不同。刺激下丘脑外侧区引起摄食是早先的实验，这种摄食往往是慢慢增加食物消耗量，在连续几次的刺激过程中，从中等程度到最后狼吞虎咽的进食。另外，与下丘脑外侧区电刺激的摄食也不一样，AgRP神经元诱发的摄食常常在有水存在的条件下选择性地摄取食物。更进一步，AgRP神经元的激活实验显示，食物消耗幅度的量既对光刺激神经元的数目敏感，也对刺激频率敏感。很有趣的是，这些参数的中等水平刺激导致较低程度的行为反应。这样看来，细胞类型特异的AgRP神经元激活，其所起的作用就像摄食的“加速踏板”。这意味着，行为反应的量对于AgRP神经元的激活水平是敏感的。这种细胞类型特异的能力能够探测神经元活性-行为相关的连续系列。为了能够精确地操控神经元功能，由各种新研究工具所提供的方法有比较广阔的进展［1］。

AgRP神经元快速地重现饥饿状态的充分条件，它又是维持摄食行为的必要条件。AgRP神经元也已经被很好地确定了对需要的感觉能力。这三者提示，这些神经元对于作为研究下游神经回路的切入点或输入点，是很有吸引力的，这也就是与寻找和消费食物之动机有关的神经回路。AgRP神经元的轴突投射提供了这个线路的部分蓝图，利用此线路可以鉴定有关的脑区，它们参与将摄食行为协调起来的生理和动机过程。已经有两条相当不同的研究途径，可用来了解实现AgRP神经元激活和切除效应的神经回路，下面将会详细地加以介绍。它们提供了研究方法的一种类型，可用以做进一步的研究，也可用以研究分子性质已被鉴定、调节复杂行为的下丘脑神经回路［1］。