大脑中的食欲地图
让我们面对现实吧。尽管从巧克力蛋糕开始午餐的想法可能很诱人，但实际上很少有人会做出这样的选择。然而，在用餐结束时，许多人会毫不犹豫地拿起同样的蛋糕。
这种现象背后的原因是身体不断变化的内部状态:到午餐时间，身体通常需要蛋白质，所以大脑促进了特定的食物选择。然而，在蛋白质被摄入后，碳水化合物可能是填充身体脂肪存储的一个很好的额外补充。
但是内部状态很少是一维的。一个人可能同时缺乏多种营养物质(比如蛋白质和盐)，同时又怀孕了，这是一种自身需要的状态。大脑是如何总结这些并行的内部状态来指导行为的呢?
今天(7月6日)发表在自然为这个复杂的问题提供了新的见解。“我们展示了大脑处理的方式感觉输入这取决于动物是缺乏特定的营养物质还是怀孕了，”该研究的资深作者、葡萄牙尚帕利莫基金会的首席研究员卡洛斯·里贝罗说。“通过这项工作，我们确定了一个综合内部状态来塑造大脑功能和决策的一般原则。此外，我们在这项研究中开发的新的显微镜策略可能被证明对理解食物选择内外行为的神经基础有价值。”
冒险进入未知的神经领域
为了研究内部状态如何影响行为，Ribeiro的团队将注意力集中在果蝇大脑中一个相对不为人知的区域，叫做SEZ(食道下区)。这个区域被认为在食物选择中起着至关重要的作用，因为它接收了大部分的味觉输入，并容纳了运动神经元控制摄食。但由于该区域主要由密集缠绕的神经纤维组成，其解剖亚结构尚未明确。
为了了解它是如何运作的，该团队决定创建一个经济特区的“功能地图集”。换句话说，他们开始识别构成这个区域的子结构，并为每个子结构赋予特定的功能。为此，Daniel Münch，该研究的第一作者，首先表达了荧光活性报告在所有神经元苍蝇的大脑．然后，他对四组苍蝇进行了先进的3D神经成像，每组苍蝇都代表不同的内部状态。
“我们想了解两种强大的蛋白质食欲调节剂——蛋白质剥夺和生殖状态——是如何在大脑中相互作用的。因此，我们定义了四个实验组:完全喂食的处女、蛋白质剥夺的处女、完全喂食的交配果蝇和蛋白质剥夺的交配果蝇。当果蝇品尝蔗糖、水和酵母(果蝇的天然蛋白质来源)时，我们记录了在经济特区的神经活动。”Münch解释道。
食欲地图
该团队创建的地图集包括横跨整个经济特区的81个地区。这些区域与经济特区之前描述的大部分感官和运动区域相对应，也包括新的、以前未确认的区域。
“我们的地图集捕捉到了一些已知的地区。例如，一个像香蕉的形状，它接收来自位于长鼻(苍蝇的嘴)的味觉神经元的输入。”Münch说。“我们还在经济特区的后部发现了一个翅膀形状的区域，我们将其命名为Borboleta地区(葡萄牙语中蝴蝶的意思)。这个区域后来被证明在驱动蛋白质食欲方面发挥了关键作用。”
除了识别新的区域，图谱还揭示了内部状态对神经活动的影响，确定了“Borboleta区域”作为蛋白质食欲的驱动因素。四组小鼠对水和蔗糖的反应几乎没有变化。然而，富含蛋白质的食物有显著的效果。
“在经济特区的大部分地区，缺乏蛋白质的动物体内，富含蛋白质的食物激发的活性显著增加。然而，交配主要影响经济特区运动区域的活动。这有点令人惊讶，因为交配和蛋白质缺乏都被认为会增加蛋白质的食欲，所以我们没有想到会发现如此不同的反应模式，”Münch说。
他们还见证了联合内部状态对神经活动的协同作用。“交配后，缺乏蛋白质的雌性在经济特区的运动区活动最高，”Münch解释道。“这意味着，即使这对共存的内部状态——蛋白质剥夺和怀孕——是通过不同的神经回路处理的，但它们最终会汇聚在同一区域，以促进蛋白质食欲。”
操纵神经元来诱发对蛋白质的渴望
该团队在经济特区发现了新的区域，并见证了不同的口味和内部状态如何影响这些区域的神经活动。但他们如何知道这些区域是否真的与推动食物偏好有关呢?
Münch说:“这就是我们转向新发现的borboleta区域的原因，在那里，蛋白质的味道会激发强健的神经活动。”“我们推断，如果它真的参与了这种行为，我们可以通过人为激活该区域的神经元来影响蛋白质食欲。”
该团队将他们创建的图谱与另一个已经存在的图谱对齐，该图谱描绘了神经元组的神经支配模式。然后他们选择borboleta区域的神经元，在吃饱的苍蝇中激活它们，这些苍蝇通常更喜欢蔗糖而不是蛋白质。这种操作导致对蛋白质的胃口明显增加。
“我们觉得我们回到了一个完整的循环:从观察到运行，”Münch回忆道。“首先，我们观察了四组苍蝇的食物偏好，注意到蛋白质缺乏和交配的苍蝇有很高的偏好蛋白质．然后，我们成像神经活动他创建了地图集，并确定了新的地区。最后，我们确认其中一个区域参与了产生我们最初通过操纵其活动观察到的行为。”
Ribeiro补充说:“总的来说，我们的方法允许识别并将神经元与特定行为联系起来，这些行为与食物选择和其他潜在的行为有关。”“除了果蝇，我们的方法很难在任何其他系统中实施。我们现在拥有的工具使果蝇成为一个惊人的实验系统，使我们能够解剖大脑是如何运作的。重要的是，经济特区与脊椎动物的脑干相似。因此，我们的研究结果对神经科学具有广泛的意义。它们也可能启发未来旨在连接全脑活动映射与功能电路解剖的研究。对于神经科学家来说，这是令人兴奋的时刻。”
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