Nature：利用全脑c-Fos、体内钙成像、化学遗传和光遗传等技术研究发现剑突核Xi是控制冷诱导觅食的关键脑区

近日，斯克里普斯研究所叶立团队通过全脑c-Fos，体内钙成像、化学遗传学和光遗传学实验，证明了剑突核Xi是促进低温诱导的觅食行为的关键脑区，在Nature在线发表题为“Xiphoid nucleus of the midline thalamus controls cold-induced food seeking”的研究论文。

恒温动物的出现在进化过程中带来了许多适应性优势；然而，它也伴随着能量消耗的显著增加。为了满足这种增加的能量需求，哺乳动物会通过调节它们的觅食行为以适应温度的变化；环境温度和食物摄入量之间有一种密不可分的联系：环境温度越低，则需要越多的食物摄入来维持核心体温。众所周知，包括人类在内的哺乳动物其食物摄入与其所处环境温度成反比。各种节日餐饮的变化也是我们恒温进化的一次次见证。然而，低温产生的能量需求和食物摄入相关关系的潜在机制仍亟待解决。

小鼠在4°C环境下会通过食物摄入来满足其能量消耗进而维持其正常生理状态。本文中作者首先采用间接测热法，通过测量氧气和二氧化碳交换来实时确定单个小鼠的能量消耗，结果表明：环境温度从23°C降低到4°C时会立即增加小鼠的能量消耗。然而，在温度下降和食物摄入量增加（黑色）之间有显著的延迟（图1），表明温度骤降可能不是进食的直接原因。在发现能量消耗与食物摄入之间的时间关系后，发现随着低温暴露的进展，食物摄入与能量消耗的相关性更强（从低温暴露后5-6小时开始），基于这种渐进相关性，作者将低温暴露后的5-6小时定义为冷感应能量补偿（cold-induced energy compensation,CIEC）的开始，并在接下来的研究中聚焦在这个时间窗口。为了识别CIEC驱动食物摄入的神经环路，作者进行了全脑c-Fos筛查，发现丘脑活动在低温条件下受到抑制，但丘脑腹侧中线(vMT)区域内的几个核团表现出高度激活（图1）。

图1.低温诱导食物摄入的行为和基础环路

作者观察了低温暴露5小时（模拟CIEC）或15分钟（模拟急性降温）后c-Fos的表达以区分vMT激活是由于温度骤降还是与CIEC相关，结果发现与15分钟的低温暴露或30°C的饲养环境中的小鼠相比，5小时的低温暴露导致位于丘脑中线的剑状核（Xiphoid nucleus ,Xi）的c-Fos活化，表明Xi的激活可能是由于CIEC而不是温度骤降。

随后作者分析了CIEC相关的食物摄入过程中Xi钙离子的动态变化，发现进食事件前Xi神经元活性显著增加，但在同一个体的热中性温度（非CIEC）进食事件中未观察到Xi神经元活性的变化，表明Xi神经元与CIEC诱导的摄食相关。作者对隐马尔可夫模型(hidden Markov model ，HMM)进行纤维光度分析，发现Xi神经元活动与宿主节能状态和食物寻觅状态密切相关，而与一般的探索运动无关。这些结果表明，Xi神经元在节能状态和食物寻觅状态之间的过渡过程中被特异性激活。（图2）。

图2.Xi神经元的激活与CIEC诱导的食物摄入有关

为了验证Xi神经元的作用，作者使用hM3Dq（Gq）或红色荧光蛋白（RFP）对照进行化学遗传调控，发现Xi神经元在4°C下被有效激活，并且这些神经元与低温诱导的c-Fos神经元高度共标，但在30°C下被标记的神经元较少；使用氯氮平N-氧化物（CNO）在低温条件下靶向激活Xi神经元，与RFP对照或30°C环境饲养小鼠相比，低温下食物摄入量显著增加，进一步表明Xi神经元主要调控低温诱导的进食（图3）。

图3.Xi神经元调节CIEC诱导的食物摄入

作者接下来在Xi神经元中选择性表达ChR2进行光遗传调控，发现对Xi神经元的光激活导致食物摄入量的显著增加，而对照组则没有显著变化。此外，视频分析表明，Xi神经元激活可以导致小鼠从节能状态到觅食状态的转变；同样，在光刺激后，在觅食状态中花费的总时间增加，这些结果结合之前的纤维光度数据表明，Xi神经元激活促进CIEC诱导的食物摄入，而不影响其他与运动相关的行为变化。接下来，为了描述Xi神经元如何影响行为状态的转换，作者使用实时位置偏好（RTPP）来评价与Xi激活相关的行为表征。作者首先将表达ChR2的小鼠放置在没有光刺激的两个不同腔室中以确定基线位置偏好，发现没有明显位置偏好；在RTPP训练期间，小鼠进入竞技场的一侧时，神经元受到激活刺激，当它们越过另一侧时，神经元激活刺激停止；接下来在室温下，Xi激活未表现出位置偏好，然而，当RTPP在低温条件下（4°C）进行时，相同的动物更加倾向于转向光刺激侧。这一结果与上述光激活研究的结果相匹配，而且位置偏好仅存在于表达ChR2的小鼠中，而不存在于RFP对照鼠中。RTPP结果表明，在CIEC期间，Xi介导的觅食状态转变可能由神经元激活驱动（图4）。

图4.冷感应能量补偿中的Xi神经元活动效应

作者接下来使用vGLUT2-Cre和vGAT-Cre小鼠，发现Xi调节的觅食行为主要由Xi中的谷氨酸能神经元介导，通过使用表达mCherry的腺相关病毒（AAV）来探究Xi的下游投射脑区，发现Xi可以投射到伏隔核（NAc），基底外侧杏仁核（BLA）和前扣带皮层（ACC）。为了进一步确认这些脑区中与Xi相对应的关键核团，作者使用逆行CTB染料分别注射到NAc，BLA和ACC中，发现c-Fos阳性神经元和CTB之间最多的共标是在Xi-NAc投射神经元中，随后作者检测了Xi-NAc投射在低温诱导食物摄入中的作用，将表达ChR2的AAV注入Xi，并在NAc，BLA或ACC上方植入光纤， 发现Xi-NAc投射的光激活，而不是Xi到ACC或BLA的光激活，导致了食物摄入量显著增加。最后，使用RTPP，发现Xi-NAc投射的激活导致低温依赖性效应，而其他投射的激活则无法做到这一点。这些结果表明，Xi-NAc投射环路主要介导低温诱导的觅食行为（图5）。

图5.Xi-NAc投射介导了与CIEC相关的觅食行为

综上，本项研究通过全脑筛选、体内钙成像、化学遗传和光遗传学实验，证明了剑突核Xi是促进低温诱导的觅食行为的关键脑区。虽然低温诱导的食物摄入已经被证实广泛存在于包括人类在内的众多物种中，但这项研究表明，这样的食物摄入增加不是直接反应冷感觉以及单方面觅食行为引起，而是由于低温条件下热量消耗不断增加后在节能和能量补充之间转变的动态结果。