動(dòng)物每天需要攝取三種宏量營(yíng)養(yǎng)素：糖類、蛋白質(zhì)和脂肪。然而，在禁食狀態(tài)下，動(dòng)物會(huì)優(yōu)先將糖類作為主要的能量來(lái)源。它們必須能夠檢測(cè)攝入的糖分特別是 D-葡萄糖，并迅速將其存在信息傳遞給大腦。此前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些下丘腦神經(jīng)元可以響應(yīng)腸道中的熱量含量，而不考慮宏量營(yíng)養(yǎng)素的具體種類。但是否存在能夠編碼特定宏量營(yíng)養(yǎng)素身份的神經(jīng)元仍然是未知的。

基于此，2025年6月21日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）生物科學(xué)系Greg S.B. Suh研究團(tuán)隊(duì)在Neuron雜志發(fā)表了“Encoding the glucoseentity by discrete hypothalamic neurons via the gut-brain axis”揭示了特定的下丘腦神經(jīng)元通過(guò)腸腦通路來(lái)識(shí)別葡萄糖的存在。

作者發(fā)現(xiàn)，下丘腦室旁核中一部分表達(dá)促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子（CRF）的神經(jīng)元（簡(jiǎn)稱 CRFPVN神經(jīng)元）會(huì)特異性地響應(yīng)腸道內(nèi)的 D-葡萄糖，而不會(huì)對(duì)其他宏量營(yíng)養(yǎng)素或糖類產(chǎn)生類似反應(yīng)。CRFPVN神經(jīng)元的活動(dòng)對(duì)于禁食狀態(tài)的小鼠形成對(duì) D-葡萄糖的偏好至關(guān)重要。這些神經(jīng)元對(duì)腸道 D-葡萄糖的響應(yīng)依賴于一條特定的脊髓-腦通路，其中包括背外側(cè)臂旁核。這些發(fā)現(xiàn)揭示了編碼 D-葡萄糖身份信息的神經(jīng)環(huán)路。

 圖一 CRFPVN神經(jīng)元對(duì)含D-葡萄糖糖類的獨(dú)特響應(yīng) 

作者首先測(cè)試了營(yíng)養(yǎng)性糖攝入是否調(diào)節(jié)CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)的可能性。此前曾報(bào)道，食物的口腔感知最初會(huì)抑制CRFPVN神經(jīng)元的活動(dòng)并在食物攝入后仍持續(xù)受到抑制。這一觀察結(jié)果使作者推測(cè)來(lái)自胃腸道中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的信號(hào)會(huì)獨(dú)立于口腔感知機(jī)制，顯著抑制CRFPVN神經(jīng)元的活動(dòng)。為此通過(guò)植入式導(dǎo)管以每分鐘15微升的速度，在40分鐘內(nèi)將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)直接輸送到小鼠上段小腸（十二指腸），同時(shí)使用活體光纖記錄技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自由活動(dòng)小鼠中CRFPVN神經(jīng)元的GCaMP6s熒光信號(hào)。發(fā)現(xiàn)以相同速率輸注營(yíng)養(yǎng)完整的液體飲食會(huì)顯著且持續(xù)地抑制CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)，這種反應(yīng)在禁食小鼠中比在已進(jìn)食小鼠中更為明顯。為了探究哪種宏量營(yíng)養(yǎng)素對(duì)CRFPVN神經(jīng)元產(chǎn)生強(qiáng)效抑制作用，將等體積的水、非營(yíng)養(yǎng)性甜味劑三氯蔗糖以及等熱量的營(yíng)養(yǎng)性糖類、脂類和蛋白質(zhì)分別輸注到十二指腸。結(jié)果顯示，水和非營(yíng)養(yǎng)性的三氯蔗糖對(duì)CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)無(wú)明顯影響，但營(yíng)養(yǎng)性糖類（30%蔗糖）特別是D-葡萄糖顯著抑制了CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)。相比之下，輸注非營(yíng)養(yǎng)性L-葡萄糖則增強(qiáng)了CRFPVN神經(jīng)元的活動(dòng)。為了判斷D-葡萄糖對(duì)CRFPVN神經(jīng)元的抑制是否僅與熱量有關(guān)，作者又輸注了等熱量的脂肪和蛋白質(zhì)溶液，但這些物質(zhì)均未引起CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)的下降。相反，脂肪反而顯著激活了CRFPVN神經(jīng)元而蛋白質(zhì)對(duì)其活動(dòng)無(wú)明顯影響。進(jìn)一步研究了其他單糖是否會(huì)引起類似反應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等熱量的30% D-果糖并未抑制CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)，反而引發(fā)了強(qiáng)烈的興奮反應(yīng)，類似L-葡萄糖。同樣，D-半乳糖以及其他非營(yíng)養(yǎng)性甜味劑如AceK、MDG和D-甘露醇也未對(duì)CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。這些結(jié)果表明，CRFPVN神經(jīng)元能夠特異性識(shí)別腸道中的D-葡萄糖或含D-葡萄糖的糖類，將其與其他宏量營(yíng)養(yǎng)素區(qū)分開來(lái)。鑒于CRFPVN神經(jīng)元在禁食狀態(tài)下對(duì)D-葡萄糖表現(xiàn)出快速而獨(dú)特的反應(yīng)，進(jìn)一步研究了腸道中的營(yíng)養(yǎng)信息是如何傳遞到大腦中的CRFPVN神經(jīng)元的。通過(guò)共輸注D-葡萄糖與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體阻斷劑（如SGLT1/2抑制劑或GLUT2抑制劑）發(fā)現(xiàn)，這些處理完全消除了D-葡萄糖對(duì)CRFPVN神經(jīng)元的抑制作用，說(shuō)明該效應(yīng)依賴于D-葡萄糖被吸收后的信號(hào)傳導(dǎo)。腸道內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已知可誘導(dǎo)多種飽腹激素釋放或激活外源性傳入神經(jīng)。因此還研究了體液信號(hào)對(duì)CRFPVN神經(jīng)元的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腹腔注射促食欲激素胃饑餓素會(huì)增強(qiáng)CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)，而隨后的D-葡萄糖輸注則抑制其活動(dòng)。結(jié)果表明，胃腸道飽腹肽水平的變化可能并不直接影響CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)，進(jìn)一步表明CRFPVN神經(jīng)元通過(guò)一種特定機(jī)制，快速識(shí)別攝入的D-葡萄糖并區(qū)別于其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

 圖二 CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)在D-葡萄糖的自我獎(jiǎng)賞行為中起關(guān)鍵作用 

作者已證實(shí)十二指腸內(nèi)的D-葡萄糖在不依賴口腔感知的情況下可抑制CRFPVN神經(jīng)元的活動(dòng)，因此進(jìn)一步探究這種神經(jīng)元活動(dòng)是否在調(diào)控D-葡萄糖的即時(shí)攝入以及提供正向強(qiáng)化中起作用。已有研究表明，小鼠可通過(guò)舔舐干燥飲水口獲得十二指腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸注。在操作性舔舐實(shí)驗(yàn)中評(píng)估了在輸注營(yíng)養(yǎng)性D-葡萄糖、非營(yíng)養(yǎng)性L-葡萄糖或等熱量脂類時(shí)CRFPVN神經(jīng)元的功能意義。訓(xùn)練階段中，食物受限的小鼠被訓(xùn)練舔舐帶有食物碎屑的飲水口，每次舔舐觸發(fā)一次Ensure溶液的十二指腸輸注。測(cè)試階段中，禁食小鼠舔舐干燥飲水口后分別接受D-葡萄糖、等濃度L-葡萄糖或等熱量脂類的輸注。通過(guò)光纖記錄技術(shù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在D-葡萄糖輸注時(shí)，CRFPVN神經(jīng)元的鈣信號(hào)迅速下降；而L-葡萄糖或脂類輸注時(shí)，其信號(hào)則上升，表明該神經(jīng)元對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有差異化反應(yīng)。為了驗(yàn)證D-葡萄糖引發(fā)的短暫抑制是否對(duì)持續(xù)攝食行為是否重要，作者采用光遺傳方法人工激活CRFPVN神經(jīng)元。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使同時(shí)輸注D-葡萄糖，舔舐行為仍顯著減少。相反，抑制該神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)，小鼠更傾向于選擇與光抑制配對(duì)的含三氯蔗糖瓶。這表明D-葡萄糖誘導(dǎo)的CRFPVN神經(jīng)元抑制對(duì)于禁食狀態(tài)下糖攝入的正向強(qiáng)化具有關(guān)鍵作用。為進(jìn)一步驗(yàn)證其在無(wú)條件反射下的功能，作者設(shè)計(jì)雙選擇實(shí)驗(yàn)：從未接觸過(guò)糖溶液的小鼠可在含蔗糖和三氯蔗糖的兩個(gè)瓶之間自由選擇。結(jié)果顯示，正常進(jìn)食小鼠在數(shù)小時(shí)后逐漸偏好蔗糖，而禁食20小時(shí)的小鼠在1小時(shí)內(nèi)即表現(xiàn)出明顯偏好。利用這一模型，作者發(fā)現(xiàn)特異性損毀CRFPVN神經(jīng)元或化學(xué)遺傳抑制其活動(dòng)的小鼠均不再表現(xiàn)出對(duì)蔗糖的偏好，而對(duì)照組小鼠仍保持該偏好。此外，光遺傳抑制該神經(jīng)元活動(dòng)顯著降低禁食小鼠對(duì)蔗糖的選擇和攝入，但不影響正常進(jìn)食小鼠的整體蔗糖攝入，也不影響含多種宏量營(yíng)養(yǎng)素的普通飼料攝入，說(shuō)明其主要參與饑餓狀態(tài)下的糖類調(diào)控。最后探究了該行為缺陷是否與CRF肽分泌或HPA軸有關(guān)。通過(guò)病毒注射在小鼠下丘腦室旁核中敲除CRF基因，并進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CRF缺失并不影響禁食引發(fā)的糖偏好。同樣，切除腎上腺以阻斷皮質(zhì)酮釋放的實(shí)驗(yàn)也未影響該行為。這些結(jié)果表明，CRFPVN神經(jīng)元本身而非CRF肽或HPA軸整體活動(dòng)，在介導(dǎo)禁食狀態(tài)下糖偏好和攝入方面起關(guān)鍵作用。

 圖三 一小部分PBNdl神經(jīng)元將腸道D-葡萄糖信息傳遞給CRFPVN神經(jīng)元 

為了識(shí)別將十二指腸D-葡萄糖信號(hào)傳遞給CRFPVN神經(jīng)元的上游神經(jīng)元，作者使用了一種改良的偽狂犬病毒（pRV-EnvA-dG-tdTomato）進(jìn)行逆行單突觸追蹤。結(jié)果揭示了PBNdl中存在一群神經(jīng)元，這些神經(jīng)元通過(guò)單突觸直接投射到CRFPVN神經(jīng)元。這些被標(biāo)記的神經(jīng)元與主要響應(yīng)厭惡刺激的CGRP陽(yáng)性PBNel神經(jīng)元不同。此外，在禁食18小時(shí)后，一部分PBNdl神經(jīng)元表現(xiàn)出cFos激活，表明它們對(duì)禁食狀態(tài)有響應(yīng)。為了驗(yàn)證這些對(duì)禁食敏感的PBNdl神經(jīng)元與CRFPVN神經(jīng)元之間的解剖連接，進(jìn)行了順行示蹤實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在禁食18小時(shí)后，PBNdl傳入纖維在下丘腦室旁核中被清晰地標(biāo)記出來(lái)，并緊密靠近CRFPVN神經(jīng)元；而在正常進(jìn)食的小鼠中幾乎看不到這種標(biāo)記。這些示蹤和蛋白捕獲結(jié)果表明，禁食選擇性地激活了一部分PBNdl神經(jīng)元，這些神經(jīng)元單突觸投射至PVN，并且其軸突末梢可能與CRFPVN神經(jīng)元形成突觸連接。只有D-葡萄糖的輸注顯著減少了由禁食引起的PBNdl傳入纖維中的蛋白捕獲，而非營(yíng)養(yǎng)性的L-葡萄糖或等熱量脂類則無(wú)此效果。由此推斷，這些被禁食激活、受D-葡萄糖抑制并主要為谷氨酸能的PBNdl神經(jīng)元，可能向CRFPVN神經(jīng)元提供了抑制性輸入。為了評(píng)估這些PBNdl神經(jīng)元在腸道葡萄糖誘導(dǎo)的CRFPVN神經(jīng)元抑制中的功能重要性，在化學(xué)遺傳抑制條件下監(jiān)測(cè)了CRFPVN神經(jīng)元對(duì)D-葡萄糖輸注的反應(yīng)。在禁食狀態(tài)下，向已注射AAV-hSyn-hM4Di-mCherry病毒的小鼠腹腔注射CNO或生理鹽水20分鐘后進(jìn)行D-葡萄糖輸注。結(jié)果顯示，與注射生理鹽水的小鼠相比，注射CNO以抑制PBNdl神經(jīng)元的小鼠中，D-葡萄糖引發(fā)的CRFPVN神經(jīng)元抑制被完全阻斷。然而，這種抑制并不影響CRFPVN神經(jīng)元對(duì)L-葡萄糖、脂類或氯化鋰注射的反應(yīng)，后者會(huì)引起胃不適或內(nèi)臟痛并激活CRFPVN神經(jīng)元。這些發(fā)現(xiàn)表明，PBNdl神經(jīng)元選擇性地介導(dǎo)了D-葡萄糖誘導(dǎo)的CRFPVN神經(jīng)元活動(dòng)的抑制。

 圖四 從PBNdl神經(jīng)元出發(fā)的單突觸逆行示蹤揭示了脊髓神經(jīng)元的存在 

在已證實(shí)D-葡萄糖誘導(dǎo)的CRFPVN神經(jīng)元抑制依賴于非迷走性的內(nèi)臟傳入信號(hào)和PBNdl神經(jīng)元，并且CRFPVN神經(jīng)元接收來(lái)自禁食激活的PBNdl神經(jīng)元的單突觸輸入的基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步探究這些對(duì)禁食敏感的PBNdl神經(jīng)元是否特異性地與來(lái)自脊髓的非迷走性內(nèi)臟傳入神經(jīng)相連接。利用改造后的狂犬病毒對(duì)禁食敏感的PBNdl神經(jīng)元進(jìn)行了單突觸逆行追蹤。確認(rèn)在禁食后，PBNdl中起始細(xì)胞被清晰標(biāo)記。作者發(fā)現(xiàn)一群脊神經(jīng)細(xì)胞，其胞體位于腰段和胸段脊髓廣泛向腦部方向投射；而在結(jié)狀神經(jīng)節(jié)中的迷走神經(jīng)中未檢測(cè)到任何來(lái)源于狂犬病毒的mCherry信號(hào)。這些結(jié)果表明，對(duì)禁食敏感的PBNdl神經(jīng)元亞群接收來(lái)自脊髓通路的單突觸輸入。

 圖五 全文摘要圖 

總結(jié)

研究首次鑒定了一個(gè)具體的神經(jīng)環(huán)路（CRF?PVN-PBNdl-脊髓神經(jīng)元），專門用于識(shí)別D-葡萄糖這一關(guān)鍵能量物質(zhì)的身份信息。這回答了一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題：大腦是如何知道我們吃的是葡萄糖而不是其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的？不僅深化了我們對(duì)能量感知機(jī)制的理解，也為代謝疾病的治療和神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展提供了全新方向。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.05.024

閱讀原文