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動物每天需要攝取三種宏量營養(yǎng)素：糖類、蛋白質(zhì)和脂肪。然而，在禁食狀態(tài)下，動物會優(yōu)先將糖類作為主要的能量來源。它們必須能夠檢測攝入的糖分特別是 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，而不考慮宏量營養(yǎng)素的具體種類。但是否存在能夠編碼特定宏量營養(yǎng)素身份的神經(jīng)元仍然是未知的。

基于此，2025年6月21日，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）生物科學(xué)系Greg S.B. Suh研究團隊在Neuron雜志發(fā)表了“Encoding the glucose identity by discrete hypothalamic neurons via the gut-brain axis”揭示了特定的下丘腦神經(jīng)元通過腸腦通路來識別葡萄糖的存在。

作者發(fā)現(xiàn)，下丘腦室旁核中一部分表達促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子（CRF）的神經(jīng)元（簡稱 CRFPVN神經(jīng)元）會特異性地響應(yīng)腸道內(nèi)的 D-葡萄糖，而不會對其他宏量營養(yǎng)素或糖類產(chǎn)生類似反應(yīng)。CRFPVN神經(jīng)元的活動對于禁食狀態(tài)的小鼠形成對 D-葡萄糖的偏好至關(guān)重要。這些神經(jīng)元對腸道 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)元對含D-葡萄糖糖類的獨特響應(yīng)

作者首先測試了營養(yǎng)性糖攝入是否調(diào)節(jié)CRFPVN神經(jīng)元活動的可能性。此前曾報道，食物的口腔感知最初會抑制CRFPVN神經(jīng)元的活動并在食物攝入后仍持續(xù)受到抑制。這一觀察結(jié)果使作者推測來自胃腸道中營養(yǎng)物質(zhì)的信號會獨立于口腔感知機制，顯著抑制CRFPVN神經(jīng)元的活動。為此通過植入式導(dǎo)管以每分鐘15微升的速度，在40分鐘內(nèi)將營養(yǎng)物質(zhì)直接輸送到小鼠上段小腸（十二指腸），同時使用活體光纖記錄技術(shù)實時監(jiān)測自由活動小鼠中CRFPVN神經(jīng)元的GCaMP6s熒光信號。發(fā)現(xiàn)以相同速率輸注營養(yǎng)完整的液體飲食會顯著且持續(xù)地抑制CRFPVN神經(jīng)元活動，這種反應(yīng)在禁食小鼠中比在已進食小鼠中更為明顯。為了探究哪種宏量營養(yǎng)素對CRFPVN神經(jīng)元產(chǎn)生強效抑制作用，將等體積的水、非營養(yǎng)性甜味劑三氯蔗糖以及等熱量的營養(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，水和非營養(yǎng)性的三氯蔗糖對CRFPVN神經(jīng)元活動無明顯影響，但營養(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。相比之下，輸注非營養(yǎng)性L-葡萄糖則增強了CRFPVN神經(jīng)元的活動。為了判斷D-葡萄糖對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)對其活動無明顯影響。進一步研究了其他單糖是否會引起類似反應(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，反而引發(fā)了強烈的興奮反應(yīng)，類似L-葡萄糖。同樣，D-半乳糖以及其他非營養(yǎng)性甜味劑如AceK、MDG和D-甘露醇也未對CRFPVN神經(jīng)元活動產(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，將其與其他宏量營養(yǎng)素區(qū)分開來。鑒于CRFPVN神經(jīng)元在禁食狀態(tài)下對D-葡萄糖表現(xiàn)出快速而獨特的反應(yīng)，進一步研究了腸道中的營養(yǎng)信息是如何傳遞到大腦中的CRFPVN神經(jīng)元的。通過共輸注D-葡萄糖與葡萄糖轉(zhuǎn)運體阻斷劑（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CRFPVN神經(jīng)元的抑制作用，說明該效應(yīng)依賴于D-葡萄糖被吸收后的信號傳導(dǎo)。腸道內(nèi)的營養(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對CRFPVN神經(jīng)元的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，腹腔注射促食欲激素胃饑餓素會增強CRFPVN神經(jīng)元活動，而隨后的D-葡萄糖輸注則抑制其活動。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，進一步表明CRFPVN神經(jīng)元通過一種特定機制，快速識別攝入的D-葡萄糖并區(qū)別于其他營養(yǎng)物質(zhì)。

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

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作者已證實十二指腸內(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，因此進一步探究這種神經(jīng)元活動是否在調(diào)控D-葡萄糖的即時攝入以及提供正向強化中起作用。已有研究表明，小鼠可通過舔舐干燥飲水口獲得十二指腸內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的輸注。在操作性舔舐實驗中評估了在輸注營養(yǎng)性D-葡萄糖、非營養(yǎng)性L-葡萄糖或等熱量脂類時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。通過光纖記錄技術(shù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在D-葡萄糖輸注時，CRFPVN神經(jīng)元的鈣信號迅速下降；而L-葡萄糖或脂類輸注時，其信號則上升，表明該神經(jīng)元對不同營養(yǎng)物質(zhì)有差異化反應(yīng)。為了驗證D-葡萄糖引發(fā)的短暫抑制是否對持續(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)元活動時，小鼠更傾向于選擇與光抑制配對的含三氯蔗糖瓶。這表明D-葡萄糖誘導(dǎo)的CRFPVN神經(jīng)元抑制對于禁食狀態(tài)下糖攝入的正向強化具有關(guān)鍵作用。為進一步驗證其在無條件反射下的功能，作者設(shè)計雙選擇實驗：從未接觸過糖溶液的小鼠可在含蔗糖和三氯蔗糖的兩個瓶之間自由選擇。結(jié)果顯示，正常進食小鼠在數(shù)小時后逐漸偏好蔗糖，而禁食20小時的小鼠在1小時內(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)遺傳抑制其活動的小鼠均不再表現(xiàn)出對蔗糖的偏好，而對照組小鼠仍保持該偏好。此外，光遺傳抑制該神經(jīng)元活動顯著降低禁食小鼠對蔗糖的選擇和攝入，但不影響正常進食小鼠的整體蔗糖攝入，也不影響含多種宏量營養(yǎng)素的普通飼料攝入，說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)。通過病毒注射在小鼠下丘腦室旁核中敲除CRF基因，并進行相同實驗，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)酮釋放的實驗也未影響該行為。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，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

為了識別將十二指腸D-葡萄糖信號傳遞給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)元通過單突觸直接投射到CRFPVN神經(jīng)元。這些被標記的神經(jīng)元與主要響應(yīng)厭惡刺激的CGRP陽性PBNel神經(jīng)元不同。此外，在禁食18小時后，一部分PBNdl神經(jīng)元表現(xiàn)出cFos激活，表明它們對禁食狀態(tài)有響應(yīng)。為了驗證這些對禁食敏感的PBNdl神經(jīng)元與CRFPVN神經(jīng)元之間的解剖連接，進行了順行示蹤實驗。結(jié)果顯示，在禁食18小時后，PBNdl傳入纖維在下丘腦室旁核中被清晰地標記出來，并緊密靠近CRFPVN神經(jīng)元；而在正常進食的小鼠中幾乎看不到這種標記。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，而非營養(yǎng)性的L-葡萄糖或等熱量脂類則無此效果。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)測了CRFPVN神經(jīng)元對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L-葡萄糖、脂類或氯化鋰注射的反應(yīng)，后者會引起胃不適或內(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)臟傳入信號和PBNdl神經(jīng)元，并且CRFPVN神經(jīng)元接收來自禁食激活的PBNdl神經(jīng)元的單突觸輸入的基礎(chǔ)上，作者進一步探究這些對禁食敏感的PBNdl神經(jīng)元是否特異性地與來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禁食敏感的PBNdl神經(jīng)元進行了單突觸逆行追蹤。確認在禁食后，PBNdl中起始細胞被清晰標記。作者發(fā)現(xiàn)一群脊神經(jīng)細胞，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)中未檢測到任何來源于狂犬病毒的mCherry信號。這些結(jié)果表明，對禁食敏感的PBNdl神經(jīng)元亞群接收來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具體的神經(jīng)環(huán)路（CRF?PVN-PBNdl-脊髓神經(jīng)元），專門用于識別D-葡萄糖這一關(guān)鍵能量物質(zhì)的身份信息。這回答了一個長期懸而未決的問題：大腦是如何知道我們吃的是葡萄糖而不是其他營養(yǎng)物質(zhì)的？不僅深化了我們對能量感知機制的理解，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。

文章來源

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.05.024