撰文丨王小果
責(zé)編丨迦溆
眶額皮層（OFC，orbitofrontal cortex）是大腦的高級認知中樞前額葉的一個子區(qū)，因其位置處于眼眶上方而得名。它接受并整合視覺、味覺、嗅覺等多重感覺信息的輸入，參與獎賞編碼、抉擇和學(xué)習(xí)等高級功能。以往研究表明社會行為（社交、攻擊等行為）會影響攝食行為【1】。但其中參與的具體神經(jīng)回路機制未知。
近日，來自斯坦福大學(xué)生物工程系Karl Deisseroth和Charu ramakrishnan兩個課題組的研究者合作在Nature雜志上以letter形式發(fā)表了題為Interacting neural ensembles in orbitofrontal cortex mediating social and feeding behaviour的論文，文中作者通過結(jié)合光遺傳學(xué)和雙光子成像技術(shù)揭示發(fā)現(xiàn)眶額皮層參與上述神經(jīng)環(huán)路【2】。
為了能夠同時在體監(jiān)測和調(diào)控單個眶額皮質(zhì)（OFC）神經(jīng)元活動，研究人員在眶額葉皮層注射以1:1混合比例混合的病毒，一種是攜帶綠色熒光編碼鈣指示劑蛋白的腺相關(guān)病毒（AAVDJ-CaMKIIα-GCaMP6m），可以檢測神經(jīng)元活動，另外一種病毒是攜帶紅色熒光編碼紅移通道視紫紅質(zhì)蛋白的病毒（AAV8-CaMKIIα-bReaChES-TS-p2AmCherry），可以激活神經(jīng)元?？纛~皮質(zhì)在顱骨下的深度約為2.8mm,而雙光子顯微鏡活體成像深度約為500-700um,是不能對該腦區(qū)進行成像的。因此研究人員在該腦區(qū)埋置直徑1mm、4mm長的GRIN透鏡（梯度折射率透鏡）（下圖 a,b）解決上述成像問題。實驗發(fā)現(xiàn)GCaMP6m-GFP 和 bReaChES-mCherry在神經(jīng)元上的表達存在共定位，這就為同時檢測和調(diào)控單個神經(jīng)元奠定基礎(chǔ)。
研究人員采用雙光子顯微鏡實現(xiàn)time-locked的光遺傳學(xué)，用920nm波長激發(fā)GCaMP6m-GFP ，1060nm波長激發(fā)激發(fā)bReaChES-mCherry。為了實現(xiàn)同步的單細胞精度光激活，通過雙光子螺旋掃描方式來激活目標神經(jīng)元，選擇目標成像區(qū)域內(nèi)的多個目標神經(jīng)元并按順序進行光激活操作。
為了識別出OFC腦區(qū)與攝食相關(guān)的神經(jīng)元，研究人員將小鼠頭部固定后進行成像，同時在10min中每隔30秒給予一次高熱量溶液（下圖2a,b）。發(fā)現(xiàn)與基線期（2s）相比，給予高熱量溶液后第1個2s內(nèi)OFC腦區(qū)神經(jīng)元活動顯著增加（下圖2c,d）。這類細胞稱為攝食相關(guān)的神經(jīng)元（可在攝食后作出響應(yīng)的神經(jīng)元），雙光子光激活這類神經(jīng)元后其神經(jīng)元活性增加（下圖2e-f）。
這些攝食相關(guān)的神經(jīng)元是否會特定影響攝食行為，研究人員設(shè)計一個實驗方案：一組實驗動物每給予一次高熱量溶液的同時給予光刺激，另一組只給與高熱量液體獎勵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同時給予高熱量溶液和光刺激后小鼠的舔舐行為明顯增多。這就證實了攝食相關(guān)的神經(jīng)元特定影響攝食行為。更有意思的是，同時給予非高熱量溶液（0.1 %糖精）時，即便同時給予光刺激后，小鼠的舔舐行為并無變化。這就表明攝食相關(guān)的神經(jīng)元的功能與高熱量攝食更相關(guān)。
接下來研究人員想知道這種單細胞水平的光刺激是否只能引起特定的行為學(xué)改變，他們將青春期小鼠與被固定的成年小鼠進行相互接觸（下圖a）,進一步在OFC區(qū)鑒別出與社交行為相關(guān)的神經(jīng)元。光激活這些社交行為相關(guān)的神經(jīng)元后可促進社交行為，進一步證實了單細胞水平的光調(diào)控的精度、可信度。此外，同時給予高熱量溶液和光刺激社交行為相關(guān)的神經(jīng)元后并不會促進小鼠舔舐行為的增加，反而降低舔舐行為。更讓人意外的是，即便是在自然狀態(tài)下，社交行為也會降低舔舐行為。
總結(jié)：本文聯(lián)合雙光子顯微鏡、lens透鏡、在體鈣影像學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)眶額葉皮層存在特定與攝食相關(guān)的神經(jīng)元，激活這些神經(jīng)元后可促進攝食行為。這種單細胞水平的光調(diào)控技術(shù)可避免大范圍光刺激作用在神經(jīng)元群體上，精準地操控與特定行為相關(guān)的單個神經(jīng)元，解析神經(jīng)環(huán)路和大腦功能更加準確。此外，發(fā)現(xiàn)激活社交行為相關(guān)的神經(jīng)元后可促進社交行為，同時也降低攝食行為。這種相反作用可能是眶額葉皮層的局部神經(jīng)回路造成。本文也發(fā)現(xiàn)攝食相關(guān)的神經(jīng)元和社交行為相關(guān)的神經(jīng)元重合率約為16.9%，這部分重合的神經(jīng)元或者能夠解釋為什么會出現(xiàn)激活社交行為相關(guān)的神經(jīng)元后可促進社交行為的同時也降低攝食行為。
最后，簡單膜拜一下神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的大牛Karl Deisseroth，他是光遺傳學(xué)技術(shù)的發(fā)明者，也是透明腦技術(shù)CLARITY的發(fā)明者，僅僅2018年一年時間里就發(fā)表4篇Nature，1篇Science，1篇Cell，碩果累累。2005年，Edward S Boyden和Karl Deisseroth教授關(guān)于光遺傳學(xué)的第一篇論文投稿至Science和Nature均被拒稿，最后被Nature的子刊Nature Neuroscience接受并發(fā)表，此后該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，獲獎無數(shù)。有學(xué)者預(yù)言，光遺傳學(xué)技術(shù)會獲得諾貝爾獎，我們翹首以盼。
Karl Deisseroth教授
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0866-8
制版人：珂
參考文獻
1. Higgs, S. & Thomas, J. Social infuences on eating. Curr. Opin. Behav. Sci. 9, 1–6 (2016)
2. Joshua H. Jennings, Christina K. Kim. Interacting neural ensembles in orbitofrontal cortex mediating social and feeding behaviour,https://doi.org/10.1038/s41586-018-0866-8
