一提到豆浆油条，那一定是绝大多数人的早餐选择；而像奶油蛋糕，通常也只是作为早餐，或饭后甜点。就算你再喜欢吃，也应该不会把它当做午餐吧？午餐就要有午餐的样子。因为，身体需要蛋白质，所以大脑自然会促进特定的食物选择。来自身体内部的信息通常是多维的。当一个人同时缺乏多种营养素（如蛋白质和盐），并且还可能处于对营养素有大量需求的怀孕状态时。大脑该如何处理这些复杂的状态以指导行为（食物选择）呢？北京时间7月7日，发表在《Nature》上的一项最新研究中，来自葡萄牙Champalimaud基金会的研究团队为这一复杂问题提供了新的见解。他们确定了整合内部状态以塑造大脑功能和决策的基本原则，并发现了以前未被识别的神经区域。该研究结果对神经科学具有广泛的意义。此外，该团队开发的显微镜策略可以成为神经科学研究的强大工具。营养素是决定健康和福祉的关键因素。从无脊椎动物到人类的各种动物通过整合关于当前和未来营养状态以及食物感觉的信息，从而引发对特定营养素的食欲。其他如生殖状态的内部因素也可能会影响动物对营养素的食欲，但这一过程仍难以捉摸。在这项新研究中，研究人员用食物选择作为行为学相关的范式剖析了雌性黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）内部状态如何调节感觉运动处理，以及代谢和生殖状态如何被整合以形成决策。果蝇虽小，但人类有80%的基因能在果蝇中找到对应的同源基因。除了序列同源性高度相似，人体75%的已知致病基因与果蝇身上的相似。因此，果蝇是人类探索生命科学的理想模式生物。为了研究内部状态如何塑造行为，研究人员将注意力集中在果蝇大脑中一个相对不为人知的区域，即食道下区（SEZ）。SEZ具有接收味觉信息和发出控制食物摄入运动指令的独特特性。因此，在食物选择中发挥着关键作用。然而，由于该区域主要由密集缠绕的神经纤维组成，其解剖学上的亚结构至今还未被阐明。为此，研究人员决定创建一个关于SEZ的 '功能图谱'。换句话说，他们开始识别组成这个区域的亚结构，以揭示出每个结构的特定功能。他们使用双光子显微镜与压电式透镜驱动相结合的策略，以体积测量的方式记录不同内部状态下活体果蝇大脑中由食物味道诱导的神经元活动。通过这种方法，他们揭示了怀孕和蛋白质缺乏如何影响果蝇大脑功能，从而促进对特定食物的渴望。为了了解两种强大的蛋白质食欲调节剂，即蛋白质缺乏和生殖状态如何在大脑中相互作用，研究人员定义了四个实验组：充足喂养的未交配果蝇、缺乏蛋白质的未交配果蝇、充足喂养的交配果蝇和缺乏蛋白质的交配果蝇。当果蝇品尝蔗糖、水和酵母（它们的天然蛋白质来源）时，研究人员记录了在SEZ区域的神经活动，并在果蝇大脑的所有神经元中表达了荧光活动报告基因。然后，对四组果蝇进行了高级三维神经成像，每组果蝇代表不同的内部状态。该团队创建的“功能图谱”由81个区域组成，横跨整个SEZ。这些区域与之前描述的SEZ区域中大部分感觉和运动区域相对应，还包括以前未被识别的区域。该研究第一作者Daniel Münch博士说：“我们的功能图谱捕捉到了一些已知地区。例如，一个形状像香蕉的区域，它接收来自位于探针（果蝇的嘴）的味觉神经元输入。我们还在SEZ区域的后面发现了一个翼状区域，并将其命名为Borboleta区域（葡萄牙语中的蝴蝶）。这个区域被证明在驱动蛋白质食欲方面发挥了关键作用。'研究人员发现，四组果蝇对水和蔗糖的反应几乎没有变化，但对富含蛋白质的食物有了显著差异。在蛋白质匮乏的动物中，富含蛋白质的食物诱发的活动在SEZ大部分区域强烈增加。然而，交配主要影响SEZ运动区域的活动。Münch说：'这有点令人惊讶，因为众所周知，交配和蛋白质匮乏都会增加对蛋白质的渴望，所以我们没想到会发生如此不同的反应模式。”他们还见证了整合内部状态对神经活动的协同效应。当果蝇交配后，蛋白质匮乏的雌性动物在SEZ运动区域的活动最强。Münch解释说：“这意味着即使这对共存的内部状态（蛋白质匮乏和怀孕）是在不同的神经回路中处理的，它们最终也会在同一区域汇聚以促进对蛋白质的渴望。”总之，该研究使用了雌性果蝇大脑腹侧部分的泛神经元成像，显示大脑处理感觉输入的方式取决于动物是否缺乏特定营养素或怀孕，阐明代谢状态在全脑范围内调节味觉处理以形成食物选择。该研究通讯作者、Champalimaud基金会首席研究员Carlos Ribeiro说：'总的来说，我们的方法允许识别神经元并将其与特定行为联系起来，这些行为与食物选择以及潜在的其他行为有关。除了果蝇，很难在其他系统中应用我们的方法。现在这个工具使果蝇成为一个强大的实验系统，让我们能够剖析大脑功能。重要的是，SEZ与脊椎动物的脑干相似。因此，我们的结果对神经科学具有广泛的意义。它们还可能激发未来的研究，旨在将全脑活动图谱与功能回路剖析联系起来。”他总结说，作为一名神经科学家，这是个令人兴奋的时代。论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04909-5
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