时间：2023-03-17 09:58
深刻理解不同行为背后的神经学原理，有助于我们理解大脑的生物学基础。一些看似简单的行为，背后往往有复杂的神经调控机制。摄食是关乎生存的头等大事。物种在亿万年的进化过程中，身处复杂多变的自然环境，一方面需要敏锐地发现食物线索，另一方面也需要时刻提高警惕关注周围环境的变化。自然选择逐渐塑造出精妙的摄食行为策略，并将其固化到了大脑的神经网络之中。然而，由于缺乏精细的行为分析手段，长期以来研究者们主要用摄食量这一指标来评价摄食行为。目前已发现数十个脑区的多种神经元参与摄食量的调控[2-5]，但是，对于进食行为全过程的精准描述，大脑各个脑区多类神经元之间是如何协同工作的，至今没有报道。
北京时间3月15日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所王立平团队在Neuron 杂志在线发表了题为“An iterative neural processing sequence orchestrates feeding”的研究论文[1]，首次详细描述了小鼠摄食行为与非摄食行为循环出现的片段化摄食行为特征，并阐明了位于下丘脑和脑干的三群神经元依次调控每次摄食的“准备-发起-维持”这一行为序列的过程。该研究有望为厌食症、肥胖症等疾病的研究提供新的思路，为深入理解多种本能行为过程中的精细神经调控机制提供新的研究方法和理论框架。
王立平团队利用深度学习算法辅助的行为跟踪与记录系统，对小鼠摄入食物这一阶段中的自发行为进行了细致研究。通过深度学习算法识别单帧录像中小鼠的动作，总共识别出14种特征动作，并通过聚类算法将这些动作划分为8种有意义的行为，进而将这些行为分为摄食、行走和探索环境等三类，并将小鼠在摄入食物这一阶段的自发行为描述为“靠近食物、摄食、离开食物、探索环境”等一系列行为的循环（图1）。
图1.利用深度学习辅助的行为分析系统解析小鼠的片段化摄食行为
研究者们通过分析不同自发行为过程中的神经元钙反应发现，ARCAgRP神经元在小鼠饥饿，环境中有食物，但小鼠在探索环境而没有去吃的情况下被激活，在靠近食物和摄食过程中被抑制；LHGABA神经元在小鼠发起摄食行为的时候被激活，激活时间与摄食行为持续时间无关；而DRGABA神经元在摄食过程中持续激活，激活时间与摄食时间成强烈的正相关关系，同时这些神经元在小鼠离开食物探索环境时被抑制。
进一步，研究者们利用光遗传方法验证了ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神经元在小鼠片段化摄食行为中的功能。抑制ARCAgRP神经元会使饥饿小鼠表现出更多的探索环境行为并减少摄食行为，而激活这些神经元，在有食物的情况下会减少探索环境行为而增加摄食行为，但在只有塑料假食物存在的情况下并不影响探索环境行为。
先前的研究表明，ARCAgRP神经元编码负性价值。由此推测，ARCAgRP神经元的功能是，在饥饿情况下对正在进行的与摄食无关的行为进行限制，由此可以使摄食相关动机占据主导地位，从而帮助发起摄食行为。激活LHGABA神经元会使小鼠表现出强烈的啃咬行为，而抑制这些神经元会导致饥饿的小鼠无法啃咬食物。由此推测，LHGABA神经元介导了摄食行为的发起。激活DRGABA神经元会显著延长小鼠的摄食行为，而抑制这些神经元会显著缩短摄食行为，由此推测，DRGABA神经元参与调控摄食行为的维持。
因此，ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神经元依次发挥功能，分别调控片段化摄食行为的准备、发起和维持（图2）。这一方面保证了动物摄取食物的效率，另一方面使动物保持了对环境的警觉。
图2. 摄食片段的准备、发起与维持分别由ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神经元调控
与小鼠类似，人类也存在片段化摄食的现象，在摄食过程中并不会一直关注食物，而是会不断关注周围环境。集中时间吃饭是社会化训练的结果，幼儿在学习独立摄食的过程中大多表现为“边吃边玩”，而成人通常在吃饭的同时进行社交活动。这项研究加深了人们对摄食行为和摄食过程中神经调控机制的认识，将为摄食障碍相关疾病的研究和干预提供新的思路。
本研究建立的行为精细分析方法也适用于各种其他本能行为的研究。动物的各种本能行为都包含多种动机相互竞争，行为发起、维持以及被其他动机所干扰而中断等过程，在这个过程中也会涉及多群神经元的分工合作。外界环境和动物的内在状态会对各群神经元的反应模式进行动态调控，从而实现对动物行为的调控，使得动物可以适应环境，生存繁衍。本研究为解析多种本能行为各阶段的精细神经调控机制打下了基础，为深入理解动物在自然选择中形成的本能行为策略的神经计算机制提供了理论框架，将为通用人工智能的发展提供更多的理论依据。
深圳先进院王立平研究员为该论文的通讯作者，助理研究员刘清晴、高级工程师杨星和先进院与港城大联合培养博士生罗墨轩为论文的共同第一作者。港城大Rosa Chan副教授等人也参与了本项工作。深圳先进院为第一单位。论文还得到了傅玉教授等人的宝贵意见，并获得国家自然科学基金委，广东省重点领域研发计划等项目的资助。
原文链接：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00129-0#
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1. Liu et al. An iterative neural processing sequence orchestrates feeding. Neuron 2023 doi.org/10.1016/j.neuron.2023.02.025
2. Alcantara, I.C., Tapia, A.P.M., Aponte, Y., and Krashes, M.J. (2022). Acts of appetite: neural circuits governing the appetitive, consummatory, and terminating phases of feeding. Nat. Metab. 4, 836–847. 10.1038/s42255-022-00611-y.
3. Aponte, Y., Atasoy, D., and Sternson, S.M. (2011). AGRP neurons are sufficient to orchestrate feeding behavior rapidly and without training. Nat. Neurosci. 14, 351–355. 10.1038/nn.2739.
4. Jennings, J.H., Ung, R.L., Resendez, S.L., Stamatakis, A.M., Taylor, J.G., Huang, J., Veleta, K., Kantak, P.A., Aita, M., Shilling-Scrivo, K., et al. (2015). Visualizing hypothalamic network dynamics for appetitive and consummatory behaviors. Cell 160, 516–527. 10.1016/j.cell.2014.12.026.
5. Nectow, A.R., Schneeberger, M., Zhang, H., Field, B.C., Renier, N., Azevedo, E., Patel, B., Liang, Y., Mitra, S., Tessier-Lavigne, M., et al. (2017). Identification of a Brainstem Circuit Controlling Feeding. Cell 170, 429-442.e11. 10.1016/j.cell.2017.06.045.
