食物线索对AGRP饥饿神经元的调节指导学习

Food cue regulation of AGRP hunger neurons guides learning

作者信息Janet Berrios, Chia Li, Joseph C Madara, Alastair S Garfield, Jennifer S Steger, Michael J Krashes, Bradford B Lowell
PMID34262177
期刊Nature
发布时间2021-07
DOI10.1038/s41586-021-03729-3

实验完整度

包含多个独立证据层级:神经环路追踪(狂犬病毒)、光遗传学/化学遗传学操作、纤维光度测定、行为学任务,并进行了功能验证和机制验证。

主要模型

小鼠(Vglut2-IRES-Cre、Lepr-IRES-Cre、AgRP-IRES-Cre、Pdyn-IRES-Cre等) 2AFC行为任务 体外脑片电生理记录

重点核对

2AFC任务中食物限制小鼠体重维持≥85% 光遗传刺激参数(20Hz,5ms脉冲,1s开/3s关) TeNT介导的基因沉默靶向DMHLepr或DMHPdyn或LH→DMH神经元 CNO注射剂量(1mg/kg)和记录时间(10分钟前)

摘要

Agouti-related peptide (AGRP)-expressing neurons are activated by fasting-this causes hunger1-4, an aversive state that motivates the seeking and consumption of food5,6. Eating returns AGRP neuron activity towards baseline on three distinct timescales: rapidly and transiently following sensory detection of food cues6-8, slowly and longer-lasting in response to nutrients in the gut9,10, and even more slowly and permanently with restoration of energy balance9,11. The rapid regulation by food cues is of particular interest as its neurobiological basis and purpose are unknown. Given that AGRP neuron activity is aversive6, the sensory cue-linked reductions in activity could function to guide behaviour. To evaluate this, we first identified the circuit mediating sensory cue inhibition and then selectively perturbed it to determine function. Here, we show that a lateral hypothalamic glutamatergic → dorsomedial hypothalamic GABAergic (γ-aminobutyric acid-producing)12 → AGRP neuron circuit mediates this regulation. Interference with this circuit impairs food cue inhibition of AGRP neurons and, notably, greatly impairs learning of a sensory cue-initiated food-acquisition task. This is specific for food, as learning of an identical water-acquisition task is unaffected. We propose that decreases in aversive AGRP neuron activity6 mediated by this food-specific circuit increases the incentive salience13 of food cues, and thus facilitates the learning of food-acquisition tasks.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
食物线索对AgRP神经元的快速调节是由何种神经环路介导,且该调节在行为上的功能是促进食物获取任务的学习。
核心机制
外侧下丘脑谷氨酸能(LHVglut2)→背内侧下丘脑GABA能(DMHLepr/Pdyn)→AGRP神经元回路介导食物线索对AGRP神经元的快速抑制,通过降低厌恶性的AgRP活动增强食物线索的激励显著性,从而促进食物获取任务的学习。
主要证据
使用狂犬病毒示踪和CRACM鉴定LHVglut2→DMHLepr回路;光纤光度记录显示食物线索激活LHVglut2→DMH轴突和DMHLepr神经元;化学遗传学抑制LHVglut2神经元减弱DMHLepr和AGRP神经元对食物线索的反应;TeNT沉默DMHLepr或DMHPdyn或LH→DMH神经元损害2AFC任务学习,但不影响水奖励的学习。
研究意义
该研究揭示了一个神经机制:稳态缺乏状态(如热量缺乏)通过激活厌恶驱动神经元,为感觉线索调节的传入神经元提供底物,从而促进获取相应目标(食物或水)的任务学习。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

鉴定DMHLepr神经元对食物线索的反应

确定DMHLepr神经元是否被食物线索激活,以及这种反应是否随学习形成。

在2AFC任务中训练小鼠,将光线索与食物奖励关联,使用光纤光度计记录DMHLepr神经元活动。比较naïve和训练后小鼠对光线索的反应。

2

鉴定DMHLepr神经元对肠道营养物质的反应

测试DMHLepr神经元是否对肠道内的营养物质有反应,以区分感觉和营养信号的作用。

通过胃内导管向小鼠输注热量(Ensure、葡萄糖)和非热量(生理盐水、糖精)物质,同时记录DMHLepr神经元活动。

3

鉴定LHVglut2→DMH神经元的功能和性质

确定LHVglut2→DMH神经元对进食和奖赏效价的影响,以及其对食物线索的反应特性。

使用光遗传学激活LHVglut2→DMH终末,测量食物摄入和实时位置偏好;使用光纤光度计记录LHVglut2→DMH轴突对食物掉落和水的反应。

4

验证LHVglut2→DMH→DMHLepr回路对食物线索反应的必要性

确定LHVglut2→DMH和LH→DMH神经元对于DMHLepr和AgRP神经元对食物线索反应是否必要。

使用化学遗传学(hM4Di)抑制LH→DMH或LHVglut2神经元,同时用光纤光度计记录DMHLepr或AgRP神经元活动,测量对食物线索的反应。

5

测试DMHLepr或DMHPdyn或LH→DMH神经元沉默对学习食物获取任务的影响

确定DMH→AgRP神经回路是否对学习食物获取任务至关重要,并排除对一般操作性学习的影响。

使用TeNT沉默DMHLepr、DMHPdyn或LH→DMH神经元,然后训练naïve小鼠学习2AFC食物任务或水任务,记录正确率、错误类型和响应时间。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
美洛昔康----
大鼠抗mCherry抗体InvitrogenM11217
鸡抗GFP抗体InvitrogenA10262
AAV9-EF1α-DIO-ChR2(H134R)-eYFPUniversity of Pennsylvania20298
AAV1-hSyn-DIO-GCaMP6sUniversity of Pennsylvania100845-AAV1
AAV8-nEF-fDIO-hM4Di-mCherryBoston Children's Hospital--
AAVDJ-CMV-DIO-eGFP-2A-TeNTStanfordGVVC-AAV-71
rAAV2-hSyn-CreAddgene105553
AAV8-EF1α-DIO-TVA-mCherryUniversity of North Carolina--
AAV8-CAG-FLEX-Rabies GStanfordGVVC-AAV-59
水合氯醛Sigma-AldrichC8383
10%中性缓冲福尔马林Fisher ScientificSF100
Ensure PLUS----
Micro-Renathane导管Braintree ScientificMRE-033
Devcon透明环氧粘合剂Devcon92926
手术网片Bard0112660
465nm LEDPlexon--
荧光迷你立方体Doric Lenses--
光电探测器Newport2151
数据采集卡National Instruments--
Bpod r2Sanworks--
振动切片机Campden7000smz2
LED光源Cool LEDpE-100
光功率计ThorlabsPM100D
Master-8A.M.P.I.--
陶瓷插芯Precision Fiber Products--
金属插芯Precision Fiber Products--
光纤跳线Doric Lenses--
陶瓷分路套管Precision Fiber Products--
蓝光LEDPlexon--
注射泵Harvard Apparatus70-3007
pClampMolecular Devices--
EthovisionNoldus Information Technologies--
氯氮平-N-氧化物----
生理盐水----
加巴嗪----
锁相放大器TDT--
Ensure Original营养奶昔----
糖精----
D-葡萄糖----
Teklad F6啮齿动物饲料8664Teklad8664
花生酱片Hershey--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
行为学任务
2AFC任务参数,包括响应窗口(10秒)、ITI(5秒或10秒),奖励体积(食物10μL Ensure,水5μL),学习标准(食物>80%连续三天,水>70%连续三天)
阅读提示:Methods: Two-alternative forced choice task; TeNT-mediated silencing
光纤光度记录
光源波长(465nm)、功率(100-200μW)、滤波设置(460-490nm激发,500-550nm发射)
阅读提示:Methods: In vivo fiber photometry
光遗传操作
刺激参数:465nm LED,20Hz,5ms脉冲,1秒开、3秒关,功率7-8mW
阅读提示:Methods: Optogenetic behavioral experiments
化学遗传学抑制
CNO剂量(1mg/kg,0.5%体重体积),注射时间(记录前10分钟),记录同一天内进行两次(对照和CNO)
阅读提示:Methods: Two-alternative forced choice task; Extended Data Figure 4
TeNT沉默
注射病毒类型和位点,恢复时间(3周),行为测试天数(食物任务21天,水任务14天)
阅读提示:Methods: TeNT-mediated silencing
饮食和禁食
食物限制至85%自由采食体重,水限制至85%原始体重,光周期12:12
阅读提示:Methods: Experimental subjects; Two-alternative forced choice task