史萃菡,李綺琪,隋承融,束 剛,江青艷,朱燦俊
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510642)
【研究意義】采食是動(dòng)物維持生命活動(dòng)中營(yíng)養(yǎng)攝取的首要過(guò)程。采食量決定營(yíng)養(yǎng)攝入量,是保證動(dòng)物遺傳潛力和生產(chǎn)性能充分發(fā)揮的關(guān)鍵因素,也是提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的重要前提[1]。當(dāng)豬的能量攝入與自身維持需要比從2.3提高到2.6后,其耗料增重比可以降低17%[2]。哺乳母豬的采食量對(duì)仔豬斷奶存活率、斷奶窩重、斷奶體重的影響呈正相關(guān),且較高的采食量可以顯著減少哺乳母豬體質(zhì)量損失、縮短下次發(fā)情間隔時(shí)間[3]。影響畜禽采食的因素有很多,主要包括生理因素(如遺傳、感官刺激[4])、環(huán)境因素(如溫度、濕度、飼養(yǎng)密度)、日糧因素(如飼料適口性、能量水平)和病理因素(如胃腸道疾病、寄生蟲)[5]。動(dòng)物采食量受中樞多個(gè)核團(tuán)組成的復(fù)雜“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”調(diào)控。其中,循環(huán)系統(tǒng)的激素(瘦素、胰島素等)和營(yíng)養(yǎng)素(葡萄糖、脂肪酸等)等信號(hào)跨血腦屏障直接被下丘腦食欲調(diào)控中樞所感應(yīng),并通過(guò)復(fù)雜的神經(jīng)投射系統(tǒng)傳入高級(jí)中樞進(jìn)行信息整合,最終通過(guò)神經(jīng)-體液途徑以調(diào)控機(jī)體的采食量。此外,腸道、感覺器官(視覺、聽覺和嗅覺等)等信號(hào)還可通過(guò)外周神經(jīng)傳入腦干,經(jīng)腦干初步整合后通過(guò)神經(jīng)投射,一方面將信號(hào)傳遞至下丘腦等核團(tuán),引起能量穩(wěn)態(tài)介導(dǎo)的采食調(diào)控,另一方面將信號(hào)傳遞至中腦腹側(cè)被蓋區(qū)(ventral tegmental area,VTA)等核團(tuán),引起非能量穩(wěn)態(tài)(愉悅、偏好和獎(jiǎng)賞等)介導(dǎo)的采食量調(diào)控[6]。因此,挖掘中樞潛在食欲調(diào)控核團(tuán),為提高畜禽采食量提供新的思路具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】能量的攝入量是由動(dòng)物食欲決定的。饑餓禁食促使動(dòng)物食欲增強(qiáng),產(chǎn)生攝食行為,而持續(xù)的采食會(huì)引發(fā)飽感,進(jìn)而停止攝食行為。饑餓、攝食和飽感間相互調(diào)節(jié),最終決定食物攝入量。大腦作為食欲調(diào)控中樞,存在多個(gè)與攝食相關(guān)的核團(tuán),這些核團(tuán)通過(guò)對(duì)食欲信號(hào)的感應(yīng)、整合和傳遞,最終調(diào)控動(dòng)物的采食量。下丘腦是調(diào)控代謝穩(wěn)態(tài)與能量平衡的關(guān)鍵腦區(qū),其中弓狀核(arcuate hypothalamic nucleus,ARC)是下丘腦感受能量信號(hào)的重要核團(tuán)之一,室旁核(paraventricular nucleus,PVN)、背內(nèi)側(cè)核(dorsomedial hypothalamic nucleus,DMH)、腹內(nèi)側(cè)核(ventromedial hypothalamic nucleus,VMH)和下丘腦旁側(cè)核(lateral hypothalamic area,LHA)等不僅可直接感應(yīng)多種能量調(diào)控信號(hào),還可接收來(lái)自ARC的食欲信號(hào)投射。除下丘腦介導(dǎo)的能量穩(wěn)態(tài)(homeostatic pathways)在食欲調(diào)控中發(fā)揮重要作用外,其他腦區(qū)也參與采食調(diào)控。研究表明:由紋狀體(corpus striatum)、VTA、伏隔核(accumbens nucleus,Acb)等核團(tuán)介導(dǎo)的非能量穩(wěn)態(tài)(non-homeostatic pathways)在動(dòng)物食欲調(diào)控中同樣發(fā)揮重要作用[7-9](圖1)。綜上所述,動(dòng)物的食欲調(diào)控是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)多個(gè)核團(tuán)共同參與的復(fù)雜過(guò)程。神經(jīng)元興奮是其功能發(fā)揮的前提,F(xiàn)BJ小鼠骨肉瘤病毒癌基因同源物(cellular Finkel-Biskis-Jinkins murine osteosarcoma viral oncogene homolog,c-Fos),是一種典型的即刻早期應(yīng)答基因(immediate early response genes,IEG)[10-11]。神經(jīng)細(xì)胞受外界信號(hào)刺激,會(huì)快速誘導(dǎo)c-Fos基因表達(dá)。因此,目前普遍認(rèn)為c-Fos 蛋白是神經(jīng)元激活的標(biāo)志蛋白。【本研究切入點(diǎn)】目前關(guān)于動(dòng)物采食中樞的調(diào)控機(jī)制研究已有許多相關(guān)報(bào)道,激活下丘腦弓狀核的刺鼠相關(guān)蛋白(agouti-related peptide,AgRP)神經(jīng)元可顯著提高動(dòng)物的食欲和采食量;相反,激活弓狀核的阿黑皮素原(pro-opiomelanocortin,POMC)神經(jīng)元?jiǎng)t會(huì)引起降低食欲、導(dǎo)致厭食[12];下丘腦室旁核(PVN)則主要參與飽腹感調(diào)節(jié),從而阻止肥胖的發(fā)生等[13]。但是,上述研究主要集中在下丘腦等已知核團(tuán),大腦是否還存在更多與采食相關(guān)的核團(tuán),值得進(jìn)一步探索?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究擬選用C57BL/6 雄性小鼠為模型,通過(guò)c-Fos 免疫熒光技術(shù)檢測(cè)小鼠大腦中不同核團(tuán)在持續(xù)禁食和恢復(fù)采食狀態(tài)下的興奮性變化,通過(guò)數(shù)據(jù)分析,篩選出參與食欲調(diào)控的潛在中樞核團(tuán)。研究結(jié)果不僅可挖掘出調(diào)控動(dòng)物食欲的新核團(tuán),豐富和完善動(dòng)物采食中樞的調(diào)控機(jī)制,而且可望為研發(fā)高效、安全的新型誘食劑提供新的靶點(diǎn),具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。
圖1 穩(wěn)態(tài)途徑和非穩(wěn)態(tài)途徑調(diào)控采食的主要神經(jīng)環(huán)路Fig.1 The main neural circuits of feeding controlled by homeostatic and non-homeostatic pathways ways
試驗(yàn)動(dòng)物為:3周齡的雄性C57BL/6小鼠,購(gòu)自廣東省動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心,許可證號(hào):SCXK(粵)2018-0002,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理批號(hào):2021F072。試驗(yàn)小鼠可自由飲食飲水,光照時(shí)間12 h,溫度(24±2)℃,濕度(55±10)%。
主要試劑:c-Fos 抗體(貨號(hào)2250,美國(guó)Cell Signaling Technology 公司),山羊抗兔熒光二抗(紅色cy3熒光,貨號(hào)111-035-003,美國(guó)Jackson Immuno Research 公司)。儀器:共聚焦顯微鏡(Eclipse Ti-S 日本Nikon Instruments),平推切片機(jī)(HM 450,英國(guó)賽默飛公司)。
1.2.1 動(dòng)物造模 小鼠適應(yīng)性喂養(yǎng)4周后,根據(jù)體質(zhì)量將小鼠隨機(jī)分為2組:持續(xù)禁食組和恢復(fù)采食組,每組4只。每次從2個(gè)組中選取體質(zhì)量相近的2只小鼠進(jìn)行造模。2只鼠同時(shí)持續(xù)禁食處理36 h,持續(xù)禁食組繼續(xù)持續(xù)禁食2 h,恢復(fù)采食組則喂食2 h。先后使用生理鹽水和4%多聚甲醛灌流小鼠,收取小鼠的腦組織固定在4%多聚甲醛中備用。以上配對(duì)試驗(yàn)重復(fù)4次。
1.2.2 c-Fos 免疫熒光染色 將小鼠腦組織在多聚甲醛中固定24 h,經(jīng)30%的蔗糖溶液脫水24 h 后,放置平推切片機(jī)從前囟-8.24 mm 到前囟2.34 mm 連續(xù)切片,厚度為30 μm[14],放置于0.1%的疊氮化鈉溶液中。腦片在0.1%的PBST 溶液中漂洗3 次(10 min/次)放入3%的羊血清溶液中室溫封閉1 h。轉(zhuǎn)移至含有c-Fos抗體(1∶2 000)的0.3% PBST溶液中,4 ℃孵育過(guò)夜。第2天用0.1%的PBST溶液中漂洗3次。在含有山羊抗兔熒光二抗(1∶400)的0.3% PBST 溶液中室溫避光孵育2 h。之后用0.1% PBST 避光漂洗后裱片、風(fēng)干、封片。
1.2.3 核團(tuán)定位與圖像采集 所有組織學(xué)圖像均采用共聚焦顯微鏡獲取圖像。參照小鼠腦立體定位圖譜[15],依據(jù)核團(tuán)周圍的腦室形狀、穹窿位置、乳頭丘腦束位置、核團(tuán)本身的形狀和神經(jīng)元表達(dá)的輪廓確定各個(gè)核團(tuán)的位置。盡量使兩組同一核團(tuán)的切片在同一切面,保證數(shù)據(jù)的可比性。每只小鼠單個(gè)核團(tuán)選取3 張代表性腦片進(jìn)行c-Fos 免疫熒光。使用Image J 軟件對(duì)c-Fos 陽(yáng)性神經(jīng)元進(jìn)行計(jì)數(shù),取3 張腦片平均數(shù)為該小鼠單個(gè)核團(tuán)表達(dá)c-Fos神經(jīng)元數(shù)量。
使用GraphPad Prism 7.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤(xˉ±s)表示,數(shù)據(jù)的比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn)c-Fos陽(yáng)性神經(jīng)元在小鼠全腦有廣泛的分布。其中,在ARC,水管周灰質(zhì)(periaqueductal gray,PAG),未定帶(zona incerta,ZI),前背視前核(anterodorsal preoptic nucleus,ADP),DMH,背腱膜(dorsal tenia tecta,DTT)等前腦和中腦多個(gè)核團(tuán)中分布密集。
圖2 試驗(yàn)流程Fig.2 Experimental flow chart
前腦范圍內(nèi),與持續(xù)禁食組相比,恢復(fù)采食組的ARC,ZI、ADP、前緣皮層(prelimbic cortex,PrL)、外側(cè)隔核(lateral septal nucleus,LS)、外側(cè)韁核(lateral habenular nucleus,LHb)、DMH、下丘腦后區(qū)(posterior hypothalamic area,PH)、側(cè)視前區(qū)(lateral preoptic area,LPO)核團(tuán)的c-Fos 陽(yáng)性神經(jīng)元數(shù)量明顯減少(P<0.05);在PVN、SO、VMH 恢復(fù)采食組的c-Fos 陽(yáng)性神經(jīng)元數(shù)量多于持續(xù)禁食組(P<0.05);MeA、DTT、M2、MPO、LA核團(tuán)中,恢復(fù)采食組的c-Fos陽(yáng)性神經(jīng)元數(shù)量相比持續(xù)禁食組有減少趨勢(shì),但是沒(méi)有達(dá)到傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著水平(0.05<P<0.1)。PV核團(tuán)在恢復(fù)采食組的c-Fos神經(jīng)元的表達(dá)數(shù)量增多趨勢(shì),但是沒(méi)有達(dá)到傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著水平(0.05<P<0.1)(圖3,表1)。
圖3 持續(xù)禁食與恢復(fù)采食對(duì)小鼠前腦區(qū)域核團(tuán)變化的影響Fig.3 Effects of fasting and refeed on nuclear mass changes in forebrain regions of mice
表1 持續(xù)禁食與恢復(fù)采食對(duì)小鼠前腦核團(tuán)c-Fos神經(jīng)元數(shù)量變化的影響Tab.1 Effects of fasting and refeed on the number of c-Fos neurons in the forebrain nucleus of mice
在中腦范圍內(nèi),持續(xù)禁食組的小鼠的PAG核團(tuán)中的c-Fos陽(yáng)性神經(jīng)元數(shù)量顯著多于恢復(fù)采食組(P<0.05)。在后腦范圍內(nèi),在恢復(fù)采食組小鼠的Sol核團(tuán)中的c-Fos神經(jīng)元數(shù)量顯著多于持續(xù)禁食組(P<0.05);AP核團(tuán)c-Fos 表達(dá)在恢復(fù)采食組的數(shù)量比持續(xù)禁食組有增多趨勢(shì),MnR 核團(tuán)的c-Fos 神經(jīng)元數(shù)量在持續(xù)禁食組有增多趨勢(shì),但是兩者都沒(méi)有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平(圖4,表2)。
圖4 持續(xù)禁食與恢復(fù)采食對(duì)小鼠中腦和后腦區(qū)域核團(tuán)變化的影響Fig.4 Effects of fasting and refeed on nuclear mass changes in midbrain and hindbrain regions of mice
表2 持續(xù)禁食與恢復(fù)采食對(duì)小鼠中腦核團(tuán)和后腦核團(tuán)c-Fos神經(jīng)元數(shù)量變化的影響Tab.2 Effects of fasting and refeed on the number of c-Fos neurons in midbrain nucleus and hindbrain nucleus of mice
提高采食量是充分發(fā)揮畜禽生產(chǎn)潛力的最有效途徑之一。動(dòng)物的采食量受中樞復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。本研究為探究中樞食欲調(diào)控的潛在區(qū)域,以持續(xù)禁食/恢復(fù)采食小鼠為模型,通過(guò)c-Fos免疫熒光檢測(cè)神經(jīng)元興奮性的變化。研究結(jié)果系統(tǒng)揭示了不同能量狀態(tài)下中樞核團(tuán)興奮性的變化規(guī)律,為進(jìn)一步闡明動(dòng)物食欲的中樞整合機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。
研究發(fā)現(xiàn),動(dòng)物的食欲受多個(gè)因素影響,機(jī)體的能量水平、腸道飽感、環(huán)境因素、應(yīng)激刺激等信號(hào)經(jīng)中樞整合,最終引起動(dòng)物采食量改變[16]。目前普遍認(rèn)為下丘腦作為食欲調(diào)控中樞,在動(dòng)物食欲調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。特別是下丘腦ARC 因其血腦屏障薄弱[17-18],富含大量促采食的AgRP 神經(jīng)元,這些神經(jīng)元作為“一級(jí)神經(jīng)元”能夠直接感應(yīng)外周能量水平(營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、激素水平等)的改變[19]。饑餓禁食可顯著提高ARC 中AgRP 神經(jīng)元興奮性并刺激神經(jīng)末梢促食欲神經(jīng)肽的釋放,而下丘腦PVN、DMH 和VMH 作為AgRP 神經(jīng)元下游投射靶點(diǎn),AgRP 神經(jīng)元釋放的神經(jīng)肽可有效抑制PVH 和VMH 神經(jīng)元興奮性,提高DMH 神經(jīng)元興奮性,增強(qiáng)動(dòng)物食欲[20-22]。腸道作為動(dòng)物食物儲(chǔ)存和消化吸收的重要場(chǎng)所,存在大量的食欲調(diào)控信號(hào),這些信號(hào)通過(guò)腸道迷走傳入神經(jīng)投射至腦干Sol和AP 區(qū)域[23],恢復(fù)采食后腸道各種機(jī)械或化學(xué)信號(hào)經(jīng)迷走神經(jīng)顯著激活Sol和AP神經(jīng)元,引起動(dòng)物飽感[24]。
前腦邊緣皮層(PrL)位于內(nèi)側(cè)前額葉皮層(medial prefrontal cortex,mPFC),對(duì)應(yīng)激有抑制作用[25]。光遺傳激活PrL 神經(jīng)元可抑制動(dòng)物應(yīng)激行為[26],糖皮質(zhì)激素可負(fù)反饋調(diào)控來(lái)減弱或終止應(yīng)激反應(yīng)[25]。隔核是連接高級(jí)認(rèn)知中樞和低級(jí)執(zhí)行系統(tǒng)的中間環(huán)路。外側(cè)隔核(LS)是隔核的重要組成部分。有研究表明,來(lái)自ARC 的胃饑餓素神經(jīng)元可投射至LS 核團(tuán)[27],并且通過(guò)促食欲的胃饑餓素提高LS 神經(jīng)元興奮。而光遺傳抑制LS 到下丘腦LH 的投射環(huán)路會(huì)抑制采食[28],結(jié)合本研究發(fā)現(xiàn)饑餓可顯著提高LS 神經(jīng)元興奮性,提示LS 可能在提高動(dòng)物食欲方面發(fā)揮重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)饑餓禁食狀態(tài)下PrL 和LS 核團(tuán)神經(jīng)元同樣被激活,提示PrL和LS核團(tuán)除參與緩解動(dòng)物應(yīng)激外還可能調(diào)控動(dòng)物食欲。相反,PVH作為應(yīng)激調(diào)控中樞,急性應(yīng)激可顯著激活PVH,但饑餓則有效抑制其興奮性,說(shuō)明應(yīng)激與動(dòng)物食欲間存在密切聯(lián)系,饑餓禁食狀態(tài)下動(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)明顯減弱。
背腱膜(DTT)被認(rèn)為是治療身心障礙的潛在靶點(diǎn)[29],在采食方面的作用尚不明確。從結(jié)果可以看出,DTT在持續(xù)禁食的狀態(tài)下,表達(dá)的c-Fos神經(jīng)元數(shù)量比恢復(fù)采食的神經(jīng)元數(shù)量多,提示DTT可能是調(diào)控食欲的潛在核團(tuán)。
外側(cè)韁核(LHb)被認(rèn)為參與動(dòng)物眾恐懼、緊張、焦慮等眾多負(fù)面情緒調(diào)控,進(jìn)而抑制動(dòng)物愉悅采食[30]。外側(cè)視前區(qū)(LPO)作為下丘腦的一部分,大鼠體內(nèi)注射芬弗拉明(5-羥色胺類藥物),LPO 的中NPY 表達(dá)量和采食量均顯著降低[31]。本研究則發(fā)現(xiàn)在饑餓禁食狀態(tài)下小鼠LHb 和LPO 興奮性均顯著提高,提示LHb 和LPO 不僅介導(dǎo)食欲的非能量穩(wěn)態(tài)調(diào)控,而且參與動(dòng)物食欲的能量穩(wěn)態(tài)調(diào)控[32]。進(jìn)一步揭示食欲的能量穩(wěn)態(tài)和非能量穩(wěn)態(tài)調(diào)控并不是完全獨(dú)立的,存在相互調(diào)控的關(guān)系。
丘腦室旁核(PV)能夠調(diào)控進(jìn)食行為。PV 損傷會(huì)導(dǎo)致采食量和體質(zhì)量的增加[33]。藥物激活PV 中胰高血糖素樣肽-1 受體(glucagon-like peptide-1 recepter,GLP1R)減少動(dòng)物采食行為[34]。光遺傳激活ZI 投射到PV 的γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric,GABA)能神經(jīng)元可以增加采食量[35]。這些研究結(jié)果表明PV 神經(jīng)元參與飽感信號(hào)調(diào)控[36]。本研究也同樣發(fā)現(xiàn),在飽食狀態(tài)下,PV核團(tuán)神經(jīng)元興奮性升高。
內(nèi)側(cè)杏仁核(MeA)是杏仁核皮質(zhì)內(nèi)側(cè)群的一部分。一般認(rèn)為內(nèi)側(cè)杏仁核參與應(yīng)激相關(guān)的調(diào)控[37],進(jìn)而影響采食和體質(zhì)量。貓、狗和猴的MeA 損傷會(huì)破壞正常進(jìn)食,引起暴飲暴食及體質(zhì)量增加[38]。光遺傳特異性激活投射到MeA 中弓狀核來(lái)源的POMC 神經(jīng)元會(huì)減少短期內(nèi)的采食量[39]。但是也有研究說(shuō)明MeA損壞后采食量會(huì)降低[40],而且使體質(zhì)量減少[41]。筆者推測(cè)MeA核團(tuán)中有不同功能的調(diào)控采食的神經(jīng)元,該核團(tuán)對(duì)于采食的調(diào)控還需進(jìn)一步探索。本研究發(fā)現(xiàn)饑餓禁食狀態(tài)下的MeA 的興奮性有增強(qiáng)的趨勢(shì),提示MeA的神經(jīng)元可能是以促采食神經(jīng)元為主。
中腦水管周灰質(zhì)(PAG)與動(dòng)物獵食行為相關(guān)[42-44],因此饑餓可誘導(dǎo)PAG 神經(jīng)元興奮,進(jìn)而刺激動(dòng)物產(chǎn)生攝食行為。位于丘腦下核團(tuán)未定帶(ZI)主要由抑制性γ-氨基丁酸(GABA)能神經(jīng)元構(gòu)成。研究發(fā)現(xiàn),ZI 通過(guò)GABA 神經(jīng)元投射抑制PAG 活性,進(jìn)而削弱動(dòng)物捕食行為[45],光遺傳等激活ZI 神經(jīng)元?jiǎng)t顯著降低動(dòng)物采食[46]。而本研究發(fā)現(xiàn)饑餓禁食可顯著激活ZI 神經(jīng)元活性,而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是ZI 核團(tuán)參與廣泛的生理調(diào)控過(guò)程,比如參與調(diào)控內(nèi)臟活動(dòng)、意識(shí)、注意力和運(yùn)動(dòng)等,因此在饑餓禁食狀態(tài)下出現(xiàn)ZI核團(tuán)活性升高現(xiàn)象。
綜上所述,本研究通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比持續(xù)禁食與恢復(fù)采食情況下小鼠中樞不同核團(tuán)興奮性變化,發(fā)現(xiàn)除經(jīng)典的食欲調(diào)控關(guān)鍵核團(tuán)神經(jīng)元興奮性發(fā)生顯著變化外,還存在多個(gè)核團(tuán)有明顯的c-Fos表達(dá)差異包括分泌催產(chǎn)素和抗利尿激素的視上核(SO )[47],與抗應(yīng)激相關(guān)的前緣皮層核(PrL),以及可以抑制棕色脂肪產(chǎn)生的下丘腦后區(qū)核團(tuán)(PH)[48]等。本研究發(fā)現(xiàn)SO、PrL和PH 等核團(tuán)可能在食欲調(diào)節(jié)中同樣發(fā)揮重要作用,該研究結(jié)果進(jìn)一步豐富和完善了動(dòng)物采食中樞的調(diào)控機(jī)制,也為研發(fā)高效、安全的新型誘食劑提供新的靶點(diǎn)。