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有的人总感到吃不饱,有的人吃很少。我们知道吃太多肯定不好,不愿意吃饭更麻烦,但这些现象背后的神经生物学基础是什么。过去我们了解一些,但仍然了解不充分。其中一个原因是我们研究的技术不够好,例如使用麻醉动物进行研究,而吃饭这种事都是在清醒状态下的活动。因此使用未麻醉动物进行研究就比较重要了,但不麻醉进行大脑记录是一个挑战。最近有科学家对这种技术有了新的推动,并发现了吃饭控制的新知识。这一研究意味着有更多新的研究等着人们去发现。
本周,随着数以百万计的美国人安顿下来吃感恩节晚餐,很少有人会思考神经科学中的一个主要问题:为什么,当整个动物王国的大部分生命都围绕着寻找和食用食物时,我们还要停止进食?
科学家们已经确定了大脑区域,甚至包括参与终止膳食的特定细胞。但这一过程究竟是如何协调的仍然不明朗。现在,利用老鼠塞进食物的大脑记录,研究人员首次确定了称为孤束尾核(cNTS)的区域中的特定神经元如何在进餐期间开启以减慢并最终结束进食。
“以前没有人能够在清醒、行为良好的动物中做到这一点”,宾夕法尼亚大学的神经科学家尼古拉斯·贝特利(Nicholas Betley)说,他没有参与这项工作。他补充说,今天发表在《自然》杂志上的研究结果表明,当食物从口腔通过胃肠道时,大脑会管理对食物的协调行为反应序列,并可能为人类的饮食行为和疾病提供新的见解。
以前关于导致动物停止进食的原因的研究主要集中在位于cNTS中的两种类型的细胞上。一种是催乳素释放激素(PRLH)神经元,它与许多功能有关,包括抑制摄食行为。另一个是GCG神经元,它产生胰高血糖素样肽-1 - 一种抑制食欲的激素,由Wegovy等新流行的减肥药物模仿。
对麻醉动物的研究发现,这两种神经元类型都会对胃部充盈做出反应而变得活跃,研究人员通过在胃中充气或直接注入食物来模仿这种充盈。但这些技术并不能很好地代表现实生活中发生的事情,加州大学旧金山分校(UCSF)的神经生物学家和霍华德休斯医学研究所研究员Zachary Knight说。“你真的对动态发生的事情没有任何感觉。
为了创造一个更自然的环境,Knight、加州大学旧金山分校博士生Truong Ly及其同事磨练了一种技术,在小鼠清醒时记录大脑cNTS中单个神经元的信号。然后,他们给动物喂食各种类型的固体和液体食物,看看每组神经元如何以及何时做出反应。
记录显示,GCG神经元在小鼠开始进食后的几分钟内增加了活动。Ly说,将食物甚至空气注入胃中也有同样的效果,这表明这些神经元利用胃的扩张来跟踪消耗了多少食物。当研究人员使用激光人工刺激活体小鼠的这些神经元时,这些动物似乎认为它们已经吃饱了,在接下来的一个小时内吃得比没有激活的老鼠少得多。
PRLH神经元的行为相当不同。与之前的研究一样,研究小组发现将食物注入胃中可以激活这些细胞。但是,当动物被允许正常进食时,神经元对小鼠口腔中食物的存在反应要快得多。为了了解具体是什么触发了这些神经元,研究人员给小鼠喂食了脂肪、糖、无卡路里甜味剂和水。前三种物质,而不是水,在几秒钟内触发了PRLH细胞的活性。这种反应表明味道是“在喂养过程中激活细胞的关键因素,”Ly说。果不其然,经过基因工程改造而缺乏正常味觉功能的小鼠表现出这些神经元的激活减少。
Knight及其同事还发现,刺激PRLH神经元会导致小鼠在此时积极进食时显着限制其食物摄入量。换句话说,这些细胞似乎使用味觉信号“不是控制你吃多少,而是控制你吃它的速度,”奈特说。综上所述,研究结果表明,这两种类型的神经元“在两个不同的时间尺度上协调进食行为,从每次咬合和舔舐的非常快速的协调,到更长尺度的饱腹感。
该团队对清醒动物中这些神经元的“非常彻底”的表征“在该领域是不寻常的,”亚利桑那大学的神经科学家Haijiang Cai说。他指出,以前的研究集中在消耗的食物量上,并且无法随着进餐的进行而区分细胞的特定作用。这项研究也代表了cNTS研究的一个令人兴奋的技术进步,阿伯丁大学的神经科学家Lora Heisler指出。她说,直到现在,“从这个大脑区域获得可靠的记录真的很有挑战性”。
研究人员警告说,这项研究并没有讲述终止膳食的全部故事。特别是,曼彻斯特大学的神经科学家西蒙·卢克曼(Simon Luckman)想知道为什么PRLH神经元应该减缓对脂肪和糖等美味食物的进食。“我们通常认为,当你吃一种可口的食物时,你对这种食物的摄入量会增加,”他说。“那里有很多需要解决的问题。”
奈特同意这些发现似乎有悖常理,但推测进食速度反映了一种平衡行为。一种途径是发出信号“这很好吃,我要吃更多,”他说。“但与此同时,有这个(其他神经元系统)说:'等一下,它有很多卡路里,放慢一点。
他和其他人还强调,这些行为可能涉及其他大脑区域和细胞。cNTS中大约有20种类型的神经元,其中许多尚未得到适当的表征。尽管已知来自肠道的信号通过迷走神经传递到该区域,但目前尚不清楚PRLH神经元如何从口腔接收信息,它们如何平衡来自口腔和胃的信息,以及它们如何调节每秒的进食行为。
“这打开了一个完整的问题世界,即这些[细胞]以及它们在大脑其余部分形成的网络发生了什么,”Betley说。例如:“[这个系统]在暴饮暴食方面是如何出错的?他还想知道它是否能为人类的饮食行为提供更广泛的见解,甚至解决诸如:“为什么我会在[感恩节]暴饮暴食?在那顿饭里,我的神经元是怎么回事?
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