撰文：傅升韪　审核：李毓龙　　

  2023年12月8日，中国科学技术大学占成教授应北京大学IDG麦戈文脑科学研究所邀请，在金光楼101报告厅作了题为“摄食行为的神经机制及免疫调控”的学术报告。本期学术笔记根据占成教授的报告整理而成。

　　俗话说，民以食为天。摄食行为作为动物和人类最重要的基本需求之一，是个体生存和其他高级功能的基石。正常的摄食对于维持健康也至关重要，除了获取能量之外，摄食行为在代谢稳态、免疫功能和衰老及寿命等方面也都会产生重要的影响。占成教授的研究基于之前经典的下丘脑摄食行为调节环路，旨在更深入地了解其他参与调控摄食行为的神经元类群和相关环路，另一方面也感兴趣禁食（Fasting）影响机体生理状态背后的机制，以及与食欲变化、冬眠行为和免疫系统功能之间的关系。

　　在过去的几十年里，人们的研究揭示了多个脑区和神经元类群参与摄食行为的调节，特别是经典的下丘脑相关环路在摄食行为调节中起着至关重要的作用。借助传统的脑区损毁手段发现，损毁腹内侧下丘脑区域（ventromedial hypothalamus, VMH）会引起大鼠进食和体重的显著增加。此后随着分子遗传学的发展，导致肥胖及糖尿病表型产生的突变基因ob和db在小鼠中被鉴定，分别编码瘦素（leptin）及其受体，并且进一步发现外周脂肪组织释放的瘦素可以通过作用于下丘脑弓状核（Arcuate nucleus, ARC）的瘦素受体调节小鼠的进食和代谢。后续，发现ARC中的AgRP/NPY（Agouti-related protein/neuropeptide Y）神经元和POMC（pro-opiomelanocortin）神经元都参与到进食行为的调节1。

　　早在2005年，就有不同研究组分别发现特异性杀死ARC中的AgRP神经元能够引起小鼠食量和体重的明显下降，甚至饥饿至死2,3,4。2011年又有不同的工作分别发现光遗传学激活和化学遗传学激活AgRP神经元都能导致小鼠的进食量快速增加5,6。2020年美国西南医学中心（UTSW）的童青春研究组发现长期慢性的AgRP神经元激活也会导致肥胖表型的产生7。但与此相矛盾的发现是，进食行为或者仅仅只是食物的感知觉输入都会引起小鼠AgRP神经元活动的降低8。因此，下丘脑AgRP神经元在进食行为中的调节作用还有尚未阐释清楚，有待进一步研究。

　　占成教授研究组对这群重要的AgRP神经元同样有研究兴趣，并且在重复经典的AgRP神经元工作时有了与经典认识不一样的新发现。通过在AgRP-Cre小鼠中的AgRP神经元上特异性表达Caspase-3蛋白酶，从而引起AgRP神经元凋亡，染色结果确认小鼠的AgRP神经元被特异性杀死，但在此情况下成年小鼠的体重和摄食水平并没有降低9。前文提到的童青春研究组与占成教授合作，同样对2005年文献中利用白喉毒素及白喉毒素受体（Diphtheria toxin receptor, DTR）杀死AgRP神经元的实验进行了仔细的重复，发现在AgRP-DTR小鼠上施加低剂量的白喉毒素（5 ng）可以杀死AgRP神经元，同样不影响小鼠的体重和基础摄食水平；而高剂量的白喉毒素（40 ng）不仅能引起AgRP-DTR小鼠的体重和摄食下降，也会在野生型小鼠中导致同样的表型，这提示此前的研究认为杀死AgRP神经元引起摄食和体重下降的结论并不准确，实际的原因可能与白喉毒素的非特异毒性有关。虽然这两种损毁处理的实验结果都表明AgRP神经元在维持小鼠的体重和基础摄食水平中并非不可或缺，但有意思的是，杀死AgRP神经元后，小鼠禁食后的再摄食水平降低，这说明AgRP神经元可能在应对环境压力影响中能够发挥一定的作用（图1）。

　　图1  AgRP神经元对小鼠体重的维持并非不可或缺（Cai, Chen, et al. Cell Reports, 2023）

　　除了AgRP神经元，占成教授的工作还希望寻找到更多重要的摄食行为调控中枢。中枢神经系统调节进食的途径主要包括体液和神经途径，体液途径的中枢部分主要包括先前提到的能够感知循环系统中激素和营养物质水平的弓状核AgRP和POMC神经元等，而神经途径相关的脑区则主要包括脑干孤束核（the nucleus of the solitary tract, NTS）通过迷走神经感知外周的营养水平以及内脏感受。占成教授先前的研究已经发现在脑干孤束核和腹外侧延髓（Ventral lateral medulla，VLM）这两个脑区中都存在一类儿茶酚胺能神经元（catecholaminergic/CA neurons）在进食行为的过程中可能发挥着调节作用，主要包含肾上腺素能和去甲肾上腺素能神经元（epinephrine/E and norepinephrine/NE neurons）。占成教授研究组进一步的研究发现禁食/饥饿刺激能够激活孤束核的儿茶酚胺能（NTS-CA）神经元；同时，通过光遗传学和化学遗传学激活NTS-CA神经元可以快速明显地促进小鼠进食，而通过光遗传学抑制NTS-CA神经元可以明显降低禁食引起的过度进食。对NTS-CA神经元的类群进一步细分，并且通过化学遗传学操纵的手段可以知道，主要位于孤束核前侧及中侧的一群共表达神经肽Y和肾上腺素的神经元（NPY/ENTS）对于刺激进食充分且必要，而另一群位于孤束核后侧的去甲肾上腺素神经元（NENTS）主要起抑制进食的作用。该工作还通过切断或刺激外周迷走神经对孤束核的输入表明NPY/ENTS神经元和NENTS神经元均能接受迷走神经的直接投射，起到促进或抑制进食的功能，这也是目前发现的为数不多的外周向中枢的促进进食的直接神经投射10（图2）。类似地，占成教授研究组也发现另一群处于腹外侧延髓的儿茶酚胺能神经元VLM-CA同样会在饥饿刺激下被激活，化学遗传学激活VLM-CA神经元也能够促进进食增加。占成教授提到，目前正在进行的工作也正在进一步探索这些脑干当中的神经元类群如何对下丘脑的进食调控神经元进行代偿和协同，并且关注它们在长期的能量代谢平衡和维持机体健康稳态中起到的作用。

　　图2  迷走神经-孤束核NPY/E神经元参与调控进食的神经通路（Chen, et al. Current Biology, 2020）

　　在进食行为与免疫功能的关系方面，占成教授介绍了研究组关于进食行为和多发性硬化症（Multiple sclerosis, MS）致病机理的最新进展。MS是一种自身免疫病，其特点是免疫系统攻击和破坏神经元的髓鞘，导致神经系统功能异常。在西方国家，尤其是美国、澳大利亚和欧洲，MS的发病率相对较高。虽然尚未了解具体的机制，但临床研究发现高卡路里的饮食限制对于控制MS的神经紊乱具有积极的作用。在用作MS模型的实验性自身免疫性脑脊髓炎（Experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE）小鼠中，也发现间歇性禁食有助于控制病情以及神经元的去髓鞘化。基于占成教授之前发现的禁食相关的神经元类群，探究这些神经元是否在禁食对MS相关的病理过程的缓解中起到了相关的作用，对于进一步理解MS的病理成因以及潜在的治疗手段有重要的意义。

　　占成教授研究组发现通过化学遗传学激活VLM-CA神经元可以显著改善EAE模型小鼠的存活情况和病理变化。在EAE模型中，外周淋巴结中的T细胞被活化并迁移到大脑，释放大量的炎症因子，进一步招募更多的免疫细胞，导致中枢神经系统神经元的去髓鞘化。通过流式细胞分析化学遗传学激活VLM-CA神经元前后的EAE小鼠样本发现，脾脏中的免疫细胞数量无明显变化，而淋巴结中的T细胞数量以及活化的CD44+/CD62L-T细胞在化学遗传学激活后明显减少。此外，通过间歇性禁食同样能够达到与激活VLM-CA神经元相类似的效果。进一步的比较表明，激活VLM-CA神经元或禁食处理之后，脊髓中的免疫细胞浸润程度均显著下降，同时细胞因子的水平也相比对照组明显下降。通过定量的比较发现，脊髓中的免疫细胞浸润程度下降了20倍，而淋巴结中的免疫细胞浸润仅下降了1-3倍，这可能提示激活VLM-CA神经元改变了免疫细胞进入中枢神经系统的过程。与这一设想符合的是，在EAE和正常小鼠中，均可以发现在通过激活VLM-CA神经元或禁食处理后，血液中的T细胞减少，同时观察到骨髓中的T细胞增加。免疫细胞移植的实验同样证明是免疫细胞的迁移在这一过程中引起了各处浸润程度的变化。特异性地在Dbh-Cre小鼠中通过病毒介导的Caspase-3蛋白酶表达杀死VLM-CA神经元后，禁食引起的T细胞重新分布现象消失，说明确实是由VLM-CA神经元调节禁食引起的T细胞向骨髓的迁移。

　　通过跨突触的病毒逆行和顺行示踪标记，发现VLM-CA神经元存在到下丘脑室旁核（Paraventricular nucleus，PVN）促肾上腺皮质激素释放激素（Corticotropin-releasing hormone, CRH）神经元的直接下游投射，并且在Crh-Cre小鼠中特异性地激活PVN-CRH神经元可以对T细胞迁移产生与激活VLM-CA神经元或禁食类似的效果，而抑制PVN-CRH神经元可以阻断这类效果的产生。作为下丘脑-垂体-肾上腺轴（Hypothalamic–pituitary–adrenal/HPA axis）的重要中枢组成，PVN-CRH神经元的激活可引起下游糖皮质激素分泌的上调，直接对小鼠施加糖皮质激素类似物地塞米松也可以产生促进T细胞迁移的作用。为了进一步了解背后的分子机制，对激活VLM-CA神经元之后的免疫细胞的RNA测序结果显示与T细胞迁移相关的趋化因子受体Cxcr4基因表达有明显上调，并且CXCR4的拮抗剂可以阻断VLM-CA神经元激活引起的T细胞迁移，从而抑制VLM-CA神经元激活对EAE的改善效果。类似的，激活VLM-CA神经元还能够抑制银屑病（psoriasis）和其他类型的延迟超敏反应（DTH response）等免疫病中的免疫反应以控制病情。

　　因此占成教授研究组近期的这一工作通过深入研究禁食与特定神经元类群激活的作用，发现了脑干VLM-CA这类促进进食的神经元类群具有抑制自身免疫性疾病和过度炎症反应的能力，并阐明了相应的神经环路和分子机制，不仅提供了神经系统参与免疫功能调节的新视点，也为理解多发性硬化症及其他各种免疫疾病带来了新的认识。

　　参考文献

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