前边缘皮层不同神经环路分别调控代谢与情绪状态下的线索食物寻求行为

《Nature Communications》：Divergent prefrontal cortex circuits regulate cued food seeking under distinct metabolic or emotional states

　　本研究针对动物如何根据内部代谢状态（饥饿vs饱食）和情绪状态（安全vs威胁）灵活调整线索食物寻求行为这一关键科学问题，通过结合在体钙成像、单单位记录和环路特异性操控技术，揭示了前边缘皮层（PL）投射到丘脑前室旁核（aPVT）和伏隔核（NAc）的两条不同神经环路在调控饱食状态下的享乐性进食和威胁状态下的食物寻求抑制中的特异性作用。该发现为理解代谢性与焦虑性进食障碍的神经机制提供了新的环路基础，具有重要的理论意义和潜在的治疗启示。

　　

在自然界中，动物为了生存，必须根据自身的内部状态（如饥饿程度）和外部环境（如是否存在捕食者威胁）来灵活地调整行为，尤其是在面对食物线索时。例如，即使已经吃饱，动物有时仍会被食物线索引诱而进行“享乐性”进食；反之，在面临威胁时，动物则需要抑制进食冲动以优先确保安全。这种行为的灵活调控对于生存至关重要，但其背后的大脑机制，特别是大脑如何整合内部状态信息与外部食物线索来指导行为决策，长期以来是神经科学领域一个亟待阐明的问题。前边缘皮层（Prelimbic Cortex, PL）作为大脑前额叶皮层的一个关键区域，已知参与奖赏线索处理、行为决策以及内部状态监控，但其在协调代谢状态和情绪状态对线索食物寻求行为影响中的具体作用和神经环路基础尚不清晰。为了解决这些问题，由Fabricio H. Do-Monte领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员综合运用了在体微内窥镜钙成像（GCaMP6f）、在体单单位记录结合光遗传学神经元鉴定、化学遗传学环路特异性失活（hM4Di）以及机器学习分析（如CEBRA、LDA、谱聚类）等多种先进技术。实验对象为成年Long-Evans大鼠，通过行为训练使其学会在特定视听线索（食物线索）出现时按压杠杆获取蔗糖颗粒。随后，研究人员设计了两种行为范式来分别诱导内部状态的改变：一是通过让食物限制的大鼠自由取食蔗糖直至饱食（代谢状态改变），二是在行为环境中引入捕食者（猫）唾液气味来模拟威胁（情绪状态改变），并在此过程中记录或操控特定PL神经环路的活动。

结果部分：

饱食和捕食者威胁均诱导食物寻求抑制

研究人员首先建立行为范式，发现无论是从饥饿状态过渡到饱食状态，还是从安全环境暴露于捕食者气味威胁下，大鼠总体的线索食物寻求行为（如接近食物区域的时间、 rewarded trials百分比、按压杠杆的潜伏期）均显著抑制，同时威胁环境下防御行为（如躲避、冻结）增加。值得注意的是，无论是在饱食测试还是威胁测试中，大鼠都表现出个体差异性，可被聚类为“抑制按压者”（Suppressed Pressers）和“持续按压者”（Persistent Pressers）两类，前者在状态转换后表现出更彻底的食物寻求抑制，后者则能部分维持食物寻求行为。

PL神经元群体动态编码任务相关变量以及代谢和情绪状态的变化

通过微内窥镜钙成像记录PL神经元群体活动，并利用CEBRA等机器学习模型进行分析，研究发现PL神经元群体的活动模式能够稳定地编码食物线索呈现、食物寻求行为（如接近、按压杠杆）以及威胁下的防御行为，而非仅仅反映一般的运动速度。线性判别分析（LDA）显示，利用食物线索呈现后1秒窗口内的PL群体活动，能够有效解码动物处于饥饿还是饱食状态，或者安全还是威胁状态。这种解码能力在“抑制按压者”中对于饥饿vs饱食状态的区分更为准确。神经轨迹分析进一步表明，饥饿与饱食状态（或安全与威胁状态）下的PL群体活动在食物线索呈现后发生分离。

不同的线索响应神经元在PL中根据内部状态被特异性招募

在单神经元水平，研究发现只有约10%的PL神经元对食物线索表现出兴奋或抑制反应。重要的是，在饥饿状态和饱食状态（或安全状态和威胁状态）下，被食物线索激活或抑制的神经元亚群存在显著不同，即PL通过招募不同的神经元亚群来响应相同的食物线索，从而适应内部状态的改变。此外，“持续按压者”在饱食状态下具有更高比例的线索兴奋神经元，提示其可能与维持饱食后享乐性进食有关。

饱食和威胁测试期间招募的线索响应细胞群体不同

通过跨会话神经元追踪技术，研究人员比较了同一批神经元在饱食测试和威胁测试中的活动。他们发现，尽管饥饿状态和安全状态（均为食物动机较强的状态）下，有一小部分神经元（如簇8）对食物线索表现出稳定的响应，但当动物处于饱食或威胁状态时，这些神经元的线索响应均减弱或消失。更重要的是，在饱食状态和威胁状态下（均表现为食物寻求抑制），被招募的线索响应神经元群体几乎没有重叠，表明PL通过不同的神经元编码机制来应对代谢饱和情绪状态变化导致的相似行为输出（食物寻求抑制）。

PL-aPVT和PL-NAc神经元在代谢和情绪状态下的食物线索响应中发挥不同作用

通过逆行病毒追踪结合在体单单位记录与光遗传学鉴定，研究人员区分了PL中投射到aPVT（PL-aPVT）和投射到NAc（PL-NAc）的神经元。谱聚类分析显示，在饥饿vs饱食状态转换中，特异性在饥饿或饱食状态响应食物线索的神经元簇（如簇3和簇7）显著富集于PL-aPVT神经元。而在安全vs威胁状态转换中，特异性在安全或威胁状态响应食物线索的神经元簇（如簇1和簇4）则显著富集于PL-NAc神经元；同时，在两种状态下均保持稳定线索响应的一个簇（簇3）富集于PL-aPVT神经元。这表明PL-aPVT神经元更多地参与代谢状态的编码，而PL-NAc神经元则更多地参与情绪状态变化下的行为调控。

PL-aPVT和PL-NAc神经元分别因果性调控饱食和威胁状态下的食物寻求行为

最后，通过化学遗传学方法特异性失活PL-aPVT或PL-NAc神经元，研究人员验证了这些环路的因果性作用。结果发现，在适度饱食（自由摄食）状态下，失活PL-aPVT神经元会进一步抑制食物寻求行为，而不影响饥饿状态下的食物寻求；相反，失活PL-NAc神经元对饱食状态下的食物寻求无影响，但在威胁暴露期间，失活PL-NAc神经元能减少防御行为（躲避、冻结），并促进动物在冲突阶段继续寻求食物，其行为表型类似于“持续按压者”。这表明PL-aPVT神经元活动对于在代谢需求满足后维持一定水平的食物寻求（可能代表享乐性动机）是必需的，而PL-NAc神经元活动对于威胁诱导的食物寻求抑制和防御行为表达是必需的。

结论与讨论

本研究系统地揭示了PL皮层神经元群体动态如何编码内部状态变化并调控相应的线索食物寻求行为。关键发现在于，虽然饱食和威胁都能导致食物寻求抑制，但PL是通过不同的神经环路机制来实现这一行为的：PL→aPVT通路主要介导代谢状态（如饱食）下的享乐性进食调控，而PL→NAc通路则主要介导情绪状态（如威胁）下的食物寻求抑制。这种“分路而治”的机制为理解动物在不同内部状态梯度下实现行为灵活性提供了新的框架，挑战了之前关于饱食和威胁导致食物抑制可能共享重叠机制的猜测。

研究结果深化了对前额叶皮层功能的理解，揭示了其内部不同投射特性的神经元群体在整合内外界信息、指导适应性行为中的精细分工。发现的PL-aPVT和PL-NAc环路在调控线索食物寻求中的特异性作用，为开发针对不同病因（代谢异常驱动 vs. 焦虑情绪驱动）的进食障碍的精准神经调控干预策略提供了潜在的靶点。例如，针对病理性享乐性进食（如某些肥胖）可能需要考虑调控PL-aPVT通路，而对于焦虑相关进食抑制（如厌食症）则可能更需要关注PL-NAc通路。未来研究将进一步探索饱腹信号和威胁信息是如何被传递到这些特定的PL神经元亚群的。