Nature：科學家創建“食慾圖譜”，揭示身體內部狀態如何控制食物選擇的神經邏輯_風聞

一提到豆漿油條，那一定是絕大多數人的早餐選擇；而像奶油蛋糕，通常也只是作為早餐，或飯後甜點。就算你再喜歡吃，也應該不會把它當做午餐吧？午餐就要有午餐的樣子。因為，身體需要蛋白質，所以大腦自然會促進特定的食物選擇。

來自身體內部的信息通常是多維的。當一個人同時缺乏多種營養素（如蛋白質和鹽），並且還可能處於對營養素有大量需求的懷孕狀態時。大腦該如何處理這些複雜的狀態以指導行為（食物選擇）呢？

北京時間7月7日，發表在《Nature》上的一項最新研究中，來自葡萄牙Champalimaud基金會的研究團隊為這一複雜問題提供了新的見解。他們確定了整合內部狀態以塑造大腦功能和決策的基本原則，並發現了以前未被識別的神經區域。該研究結果對神經科學具有廣泛的意義。此外，該團隊開發的顯微鏡策略可以成為神經科學研究的強大工具。

營養素是決定健康和福祉的關鍵因素。從無脊椎動物到人類的各種動物通過整合關於當前和未來營養狀態以及食物感覺的信息，從而引發對特定營養素的食慾。其他如生殖狀態的內部因素也可能會影響動物對營養素的食慾，但這一過程仍難以捉摸。

在這項新研究中，研究人員用食物選擇作為行為學相關的範式剖析了雌性黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）內部狀態如何調節感覺運動處理，以及代謝和生殖狀態如何被整合以形成決策。果蠅雖小，但人類有80%的基因能在果蠅中找到對應的同源基因。除了序列同源性高度相似，人體75%的已知致病基因與果蠅身上的相似。因此，果蠅是人類探索生命科學的理想模式生物。

為了研究內部狀態如何塑造行為，研究人員將注意力集中在果蠅大腦中一個相對不為人知的區域，即食道下區（SEZ）。SEZ具有接收味覺信息和發出控制食物攝入運動指令的獨特特性。因此，在食物選擇中發揮着關鍵作用。然而，由於該區域主要由密集纏繞的神經纖維組成，其解剖學上的亞結構至今還未被闡明。

為此，研究人員決定創建一個關於SEZ的 “功能圖譜”。換句話説，他們開始識別組成這個區域的亞結構，以揭示出每個結構的特定功能。

他們使用雙光子顯微鏡與壓電式透鏡驅動相結合的策略，以體積測量的方式記錄不同內部狀態下活體果蠅大腦中由食物味道誘導的神經元活動。通過這種方法，他們揭示了懷孕和蛋白質缺乏如何影響果蠅大腦功能，從而促進對特定食物的渴望。

為了瞭解兩種強大的蛋白質食慾調節劑，即蛋白質缺乏和生殖狀態如何在大腦中相互作用，研究人員定義了四個實驗組：充足餵養的未交配果蠅、缺乏蛋白質的未交配果蠅、充足餵養的交配果蠅和缺乏蛋白質的交配果蠅。

當果蠅品嚐蔗糖、水和酵母（它們的天然蛋白質來源）時，研究人員記錄了在SEZ區域的神經活動，並在果蠅大腦的所有神經元中表達了熒光活動報告基因。然後，對四組果蠅進行了高級三維神經成像，每組果蠅代表不同的內部狀態。

該團隊創建的“功能圖譜”由81個區域組成，橫跨整個SEZ。這些區域與之前描述的SEZ區域中大部分感覺和運動區域相對應，還包括以前未被識別的區域。

該研究第一作者Daniel Münch博士説：“我們的功能圖譜捕捉到了一些已知地區。例如，一個形狀像香蕉的區域，它接收來自位於探針（果蠅的嘴）的味覺神經元輸入。我們還在SEZ區域的後面發現了一個翼狀區域，並將其命名為Borboleta區域（葡萄牙語中的蝴蝶）。這個區域被證明在驅動蛋白質食慾方面發揮了關鍵作用。"

研究人員發現，四組果蠅對水和蔗糖的反應幾乎沒有變化，但對富含蛋白質的食物有了顯著差異。

在蛋白質匱乏的動物中，富含蛋白質的食物誘發的活動在SEZ大部分區域強烈增加。然而，交配主要影響SEZ運動區域的活動。

Münch説：“這有點令人驚訝，因為眾所周知，交配和蛋白質匱乏都會增加對蛋白質的渴望，所以我們沒想到會發生如此不同的反應模式。”

他們還見證了整合內部狀態對神經活動的協同效應。當果蠅交配後，蛋白質匱乏的雌性動物在SEZ運動區域的活動最強。Münch解釋説：“這意味着即使這對共存的內部狀態（蛋白質匱乏和懷孕）是在不同的神經迴路中處理的，它們最終也會在同一區域匯聚以促進對蛋白質的渴望。”

總之，該研究使用了雌性果蠅大腦腹側部分的泛神經元成像，顯示大腦處理感覺輸入的方式取決於動物是否缺乏特定營養素或懷孕，闡明代謝狀態在全腦範圍內調節味覺處理以形成食物選擇。

該研究通訊作者、Champalimaud基金會首席研究員Carlos Ribeiro説：“總的來説，我們的方法允許識別神經元並將其與特定行為聯繫起來，這些行為與食物選擇以及潛在的其他行為有關。除了果蠅，很難在其他系統中應用我們的方法。現在這個工具使果蠅成為一個強大的實驗系統，讓我們能夠剖析大腦功能。重要的是，SEZ與脊椎動物的腦幹相似。因此，我們的結果對神經科學具有廣泛的意義。它們還可能激發未來的研究，旨在將全腦活動圖譜與功能迴路剖析聯繫起來。”

他總結説，作為一名神經科學家，這是個令人興奮的時代。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04909-5