环境压力下不敢觅食！萨塞克斯大学团队揭示环境抑制觅食行为的神经机制

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2025年6月6日，英国萨塞克斯大学Eisuke Koya在Neuropsychopharmacology发表：Prelimbic cortical excitatory overdrive and inhibitory underdrive accompany environmental suppression of food seeking，揭示了前边缘皮层的兴奋性过度驱动和抑制性驱动不足，伴随着环境对觅食行为的抑制。

与食物相关的线索（例如快餐广告）可能引发对食物的渴望，并可能导致不健康的暴饮暴食。环境丰富化即增强认知和身体刺激的环境，可以减少小鼠在提示诱发下的蔗糖觅取行为，以及前边缘皮层中被蔗糖线索激活的神经元或“神经元集合”的招募。在这项研究中，探讨了EE如何调节PL中对线索有反应的神经元群体的兴奋性和活动模式。通过化学遗传学抑制PL中的线索反应性神经元，阻断了由线索诱发的蔗糖觅取行为，从而证实了这些神经元在蔗糖线索记忆中的功能。EE增强了那些在暴露于EE之前就对线索有反应的兴奋性锥体细胞的基础兴奋性。此外，这些神经元对蔗糖线索的选择性丧失导致它们持续激活、并对非线索刺激也产生反应，即所谓的“兴奋性过度驱动”。同时，EE减少了对线索有反应的抑制性中间神经元的招募，表现出“抑制性驱动不足”。综上所述，由于前额叶皮层同时存在兴奋性“过度驱动”和抑制性“驱动不足”，导致了对食物线索的神经处理受损，这可能是EE发挥“抗渴望”作用的机制。这一发现为开发控制食物渴望的新药物提供了潜在的神经生理学靶点。

图一 实验时间安排与饲养条件

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作者训练小鼠将一个声音线索（作为条件刺激CS）与10%的蔗糖溶液的给予建立联系，共进行了12个训练阶段。结果显示，训练阶段与条件刺激之间存在显著交互作用，并且训练阶段和条件刺激的主效应也显著。这表明，在训练过程中，小鼠逐渐建立了线索与食物之间的联系即形成了食物线索记忆。在消退条件下通过一次测试评估了环境丰富化对线索诱发的蔗糖觅取行为的影响。结果显示，环境丰富化与条件刺激之间存在显著交互作用，表明环境丰富化选择性地减弱了由线索引发的蔗糖觅取行为。此外，也观察到条件刺激和环境丰富化的主效应均显著。环境丰富化显著降低了对条件刺激的反应，但对试次间间隔（即无线索时期）的反应没有影响，说明蔗糖觅取行为的减少并不是由于整体运动活动的抑制。一部分小鼠接受了运动活动测试。在总移动距离方面，标准饲养环境组和环境丰富化组之间没有显著差异。然而，环境丰富化组的小鼠在测试箱中心区域停留的时间比例显著高于标准饲养组，这表明在旷场测试中，环境丰富化小鼠表现出较低的类似焦虑的行为。

图二 被标记的神经元集合在由线索引发的蔗糖觅取行为中发挥了关键作用

PL中稀疏分布的线索反应性神经元，或称“神经元集合”，负责建立食欲相关的“线索-奖赏”记忆并调节由线索引发的食物觅取行为。由于环境丰富化能够减弱由线索诱发的蔗糖觅取行为，而这一行为依赖于线索与食物之间关联的建立，因此作者探究了环境丰富化是否通过调节原本对线索有反应的PL神经元集合的兴奋性和招募特性来发挥作用。首先验证在条件刺激下，PL中是否存在一个介导蔗糖线索反应的神经元集合，从而确认小鼠是否建立了食物线索记忆。在FosTRAP2小鼠中进行了实验，在蔗糖线索诱发行为期间，使用4-羟基他莫昔芬（4-TM）标记PL中的神经元，并通过化学遗传学抑制这些神经元。为了验证FosTRAP2小鼠中标记过程是否依赖于刺激和4-TM，检测了三组FosTRAP2小鼠PL区域中表达mCherry蛋白的细胞数量。这三组小鼠分别在接受训练后注射4-TM、在家笼环境中注射4-TM，以及在家笼环境中未注射4-TM。在训练后接受4-TM注射的小鼠中，mCherry阳性细胞数量显著高于对照组；而在家笼环境中注射4-TM的小鼠也比未注射的小鼠表现出更高的mCherry阳性细胞数量。这说明标记过程具有4-TM依赖性，并且在呈现食欲相关刺激时最为明显，因为这些刺激增强了PL中Fos的表达。接下来，作者评估了那些在蔗糖线索暴露期间激活的“原始”PL神经元集合是否在由线索引发的蔗糖觅取行为中起因果作用。在两组FosTRAP2小鼠和一组野生型小鼠的PL中注射了AAV-DIO-hM4Di-mCherry病毒。在训练一周后，所有小鼠在进行线索诱发的蔗糖觅取测试后接受了4-TM注射，以标记被线索和新奇刺激激活的神经元集合（野生型小鼠未进行标记）。引入新奇刺激作为对照，是因为新奇刺激可以强烈激活不同于奖赏相关线索所激活的神经元集合。大约在标记后的两周，所有小鼠都接受了CNO，该药物本身在行为和神经层面均无显著影响。随后测量了沉默神经元集合对线索诱发蔗糖觅取行为的影响。被蔗糖线索标记的FosTRAP2小鼠没有表现出明显的线索诱发蔗糖觅取行为，而被新奇刺激标记的FosTRAP2小鼠和被蔗糖刺激标记的野生型小鼠则仍然表现出该行为。这些结果表明，PL中存在一个特定的神经元集合，在由线索引发的蔗糖觅取行为中起到了关键作用。

图三 EE诱导线索反应性PL神经元集群的持续激活

作者进一步研究了环境丰富化是否会影响该神经元集合在后续线索诱发蔗糖觅取测试中的激活情况，实验使用的是FosTRAP2:Ai14小鼠。在最后一次训练阶段一周后，FosTRAP2:Ai14小鼠在进行线索诱发蔗糖觅取行为时接受标记。随后通过注射4-TM，其被激活的神经元被tdTomato标记。大约两周后，一部分小鼠接受一天的环境丰富化处理，另一部分继续维持标准饲养条件，之后所有小鼠进行蔗糖觅取测试。结果表明环境丰富化选择性地减少了由线索引发的蔗糖觅取行为。测试结束后，作者检测了PL区域中tdTomato标记和Fos表达的情况。结果显示，环境丰富化组与标准饲养组之间的tdTomato标记水平没有显著差异。然而，环境丰富化显著降低了线索诱发的Fos表达。接下来，评估了那些被线索标记的神经元集合在环境丰富化后是否表现出不同的再激活模式。检测了同时表达tdTomato和Fos的细胞（tdTomato+/Fos+细胞）的数量。环境丰富化并未改变这些tdTomato+/Fos+神经元集合的再激活模式。然而，环境丰富化确实减少了不表达tdTomato但表达Fos的细胞（tdTomato–/Fos+细胞）的数量，说明它降低了未被标记的神经元集合的招募程度。为了进一步验证这种减少是否是由于环境丰富化导致PL中基础水平的Fos表达下降（即在给予线索之前），在另一组经过蔗糖训练的野生型小鼠中进行了相关实验。结果显示，在最后一次训练一周后，环境丰富化对基础Fos水平没有显著影响。因此，环境丰富化对Fos+细胞和tdTomato–/Fos+细胞数量的降低更可能与蔗糖觅取行为的减少有关，而不是由于PL中基础Fos表达的抑制。鉴于环境丰富化降低了PL中的Fos表达并影响了神经元集合的再激活，进一步研究了这一现象是否与PL中抑制性神经活动的减少有关。为此，作者在PL中注射了AAV-mDlx-mRuby病毒使抑制性GABA能中间神经元表达红色荧光蛋白mRuby，并检测这些神经元中的Fos表达。结果显示，环境丰富化组和标准饲养组在mRuby表达水平上没有显著差异。然而，环境丰富化显著降低了Fos阳性且mRuby阳性细胞的数量，以及表达Fos的mRuby阳性细胞所占的比例。仅有一小部分mRuby阳性细胞表达了Fos，在环境丰富化条件下平均为2.06%，而在标准饲养条件下为5.40%。

图四 EE诱导线索特异性丧失，并普遍增强PL在体活动

为了揭示EE如何在抑制蔗糖觅取行为的过程中快速调节神经元活动，作者使用光纤记录在体内记录了PL锥体细胞的钙活动。在训练过程中，条件刺激（CS）期间的瞬态事件频率（每分钟峰值数）显著高于试次间间隔（ITI）时期。在最后一次训练阶段（第10次），CS期间每分钟的峰值数显著高于ITI时期。还量化了所有检测到峰值的幅度，结果显示条件刺激对幅度也有显著主效应，但不同训练阶段之间没有显著差异。因此，蔗糖条件反射的获得与PL锥体细胞体内编码模式的变化有关：线索呈现增强了钙活动，但未影响其幅度。由于由线索诱发的蔗糖觅取行为通常伴随着CS期间头部进入次数的增加，进一步探究了这些时期的钙活动是否存在差异。作者将所有小鼠以及EE和SH组在训练不同阶段（早期、中期、中后期和晚期）中与头部进入时间锁定的平均钙信号轨迹分别展示出来。分析发现，在训练中后期（第8阶段）和末期（第10阶段），CS期间的活动水平显著高于ITI期间。总体而言，蔗糖条件反射的获得与PL锥体细胞在体内的线索特异性活动密切相关。由于在CS和ITI期间未观察到钙活动的显著差异，作者进一步分析了在CS和ITI期间发生的头部进入动作所引发的神经活动是否存在差异。将ITI与CS、SH与EE条件下所有相关试验进行了比较。结果显示，EE组在头部进入动作期间的整体钙活动显著增强。无论头部进入发生在CS还是ITI期间，EE组的活动水平都系统性地升高。与最后一次训练阶段类似，SH组中CS期间与头部进入相关的钙活动显著高于ITI期间。

综上所述，作者的研究为理解EE如何保护个体免受食物线索影响提供了更深入的机制解释，即同时涉及PL中兴奋性和抑制性神经机制的变化。综上所述，揭示了一种与“抗觅食”行为相关的神经机制：PL锥体细胞的过度驱动与中间神经元的驱动不足共同作用，而这些原本被食物线索激活的神经元在经历EE后发生了功能上的改变。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41386-025-02142-y