原創 尹家鵬 CellPress細胞科學
生命科學Life science
作為世界領先的全科學領域學術出版社，細胞出版社特與「中國科學院青年創新促進會」合作開設「青促會述評」專欄，以期增進學術互動，促進國際交流。
2021年第一期專欄文章，由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心副研究員、中國科學院青促會會員 尹家鵬，就Cell 中的論文發表述評。
動物在演化的過程中，發展出了一些在出生後不需要經過後天學習即具備的一些固有的行為模式，也就是本能行為。本能行為對於沒有任何生存經驗的動物的初期生存至關重要。本能行為的神經環路，在動物出生之前就已經被 「預設」好了。在動物出生之後，特定的環境或者外部刺激即可觸發這些神經環路的啟動，並引發一系列的模式行為。
基本的味覺感受能力，是本能行為的一個重要代表。動物對於食物的喜好，主要是靠味覺來實現的。動物在適應環境的漫長演化過程中，其神經系統根據每種食物對於自身的利弊，進行了各種標記，這些「標記」就是味覺的感受。味覺感受能力，在動物的一生之中都起著識別食物、避免攝入有毒物質的重要作用。甜和苦兩種反差巨大的味覺感受，普遍存在於哺乳動物中。甜味的物質通常表明是可以食用的、具有高能量的食物，這種味覺能夠促使動物積極的尋找具備這種味道的食物；而苦味的物質則往往代表其可能具有某種毒性，使動物產生厭惡感進而避免攝食這種物質。比如：人們在做魚的時候，有時候膽囊沒處理好，就會導致魚肉發苦，難以下咽。這裡面的神經機制是什麼？
最近，來自美國HHMI研究所、哥倫比亞大學分子生物物理學和神經生物學系的Charles S. Zuker教授團隊，在多年來對味覺信號的傳導通路做出了大量突破性研究工作的研究基礎上，針對苦味和甜味的味覺感知和相互影響過程中，這種本能行為的神經環路是如何被高級皮層調控的這一問題進行了深入的探索。作者Hao Jin等人主要使用甜和苦兩種最明顯的味覺刺激，通過遺傳學，藥理學、光遺傳學等技術精確操控小鼠大腦中味覺皮層的苦味中樞、杏仁核中央核的甜味中樞，和腦幹孤束核中的甜味和苦味偏好性神經元，探索了高級皮層反饋對於甜苦味神經環路活動，以及對動物味覺行為的影響。結果表明高級皮層甜味和苦味中樞的反饋活動，不僅能夠對低級皮層的甜味和苦味神經元的活動產生複雜的影響，還能夠影響動物對於甜味和苦味的味覺感知。該研究不僅闡明了味覺神經傳導通路中苦味和甜味傳導通路之間的相互作用關係，還有助於人們理解本能行為所依賴的先天性神經環路的功能構築。作者在該項研究工作中將遺傳學、藥理學、光遺傳學、電生理學、組織化學等多種研究技術優雅的結合在一起，通過精巧的行為學實驗設計，來逐步剖析甜苦味覺的神經環路，使其細節漸漸呈現出來，可謂是一項壯麗的研究工作，讓人稱讚。題為Top-Down Control of Sweet and Bitter Taste in the Mammalian Brain的該文章於2021年1月7日在線發表在Cell上。
術語導讀
味覺傳導通路：分布於舌頭及會厭的味蕾 -> 面神經（第VII對腦神經）的鼓索神經分支 + 舌咽神經（第IX對腦神經） + 迷走神經（第X對腦神經）的會厭分支 -> 腦幹的孤束核 -> 丘腦腹後內側核 -> 大腦味覺皮層
味覺皮層：Gustatory cortex，位於大腦皮層島葉的前腦島，以及額葉的島蓋區，是味覺信息處理的最高等級中樞。
CeA：Central nucleus of the amygdala，杏仁核中央核，位於杏仁核內部，是杏仁核的主要輸出核。與控制先天性為和相關生理反應的腦幹區域相連，也通過項下丘腦外側和腦幹輸出情緒相關的信息。本文中，該名稱表示小鼠的甜味代表區，簡稱甜味中樞。
杏仁核：Amygdala，是邊緣系統的一部分，在記憶、決策、情緒反應中起重要作用。與皮層多個區域、海馬、下丘腦、丘腦、紋狀體，腦幹等多個區域存在雙向連接。
rNST：孤束核的一部分，位於其吻部。孤束核：NST, Nucleus of the solitary tract，位於腦幹。是味覺及內臟感覺的傳導中繼站，發出的纖維一部分到達間腦，將味覺和內臟感覺傳遞到高級中樞，另外一部分到達腦幹的運動核，完成內臟的反射活動。
GCbt：Gustatory cortex of bitter，小鼠皮層的苦味代表區，簡稱苦味中樞
Sst：Somatostatin-positive neurons, 小鼠rNST中的苦味敏感性神經元，這裡簡稱苦味神經元
Calb2：Calbindin 2-positive neurons，小鼠rNST中的甜味敏感性神經元，這裡簡稱甜味神經元
主要研究結果如下：
1. 從味覺皮層（GCbt）和杏仁核中央核（CeA）到腦幹 rNST 之間存在反饋連接
給動物餵食液體時發現，甜味和苦味混合的液體，與純苦味的液體類似，都會引發動物的厭惡反應（圖1-A）。作者考慮原因可能是苦味對於甜味具有一定的抑制效應，於是首先研究了苦味中樞和甜味中樞的下行投射關係。首先在苦味中樞和甜味中樞分別注射順行示蹤病毒，發現苦味中樞主要下行投射到對側的rNST，少量投射到同側的rNST，而甜味中樞則基本投射到同側的rNST（圖1-B, C, D）。兩類神經元雖然作為相互獨立的味覺通路的一部分，但是卻部分混合在一起（圖1-D右）。
▲圖1 從位於皮層的苦味中樞（GCbt）和位於杏仁核中央核的甜味中樞（CeA）到位於腦幹的孤束核吻側（rNST）的下行投射。AceK，安賽蜜，甜味劑，Qui，奎寧，苦味劑。
2. 使用遺傳學手段能夠精確區分腦幹rNST中專一偏好甜味和苦味的神經元
根據前人的研究工作，對rNST（腦幹孤束核吻側）中的甜味和苦味神經元進行精確區分。圖2中的結果表明苦味刺激能夠誘發苦味神經元最大的反應，而甜味刺激能夠誘發甜味神經元最大的反應。接下來，作者研究了將rNST的甜味和苦味神經元分別用精細的遺傳學操作進行失活以後，發現動物對於甜味和苦味的喜惡大幅減弱，表明所使用的遺傳學方法所區分的甜味和苦味神經元是準確的（圖3）。
▲圖2 腦幹rNST核團中甜味和苦味神經元的識別及其對各種味道的反應。（A）使用光纖進行光度測量rNST對於味覺引發刺激的反應的示意圖。（B）rNST對純水、甜、苦、酸、鹹，鮮味道的反應，其中方塊區域代表給予味覺刺激的時間段。（C，D）苦味神經元（Sst）和甜味神經元（Calb2）分別對於不同味覺刺激的反應。苦味劑：Qui，奎寧；Cyx，環己醯亞胺。甜味劑：AceK，安賽蜜；Sucrose，蔗糖。酸味劑：CA，檸檬酸。鹹味劑：NaCl。鮮味劑：MPG+IMP，穀氨酸單鉀+次黃嘌呤核苷酸。
▲圖3 失活rNST的甜味和苦味神經元會導致動物失去喜甜厭苦行為。（A）實驗範式：在動物的雙側rNST注射AAV-Flex-DTA病毒之後，隨機給予動物某種味道的液體，分析動物的舔食頻率。（B, C）動物對於水、酸味、苦味刺激的舔食頻率，在失活相關神經元之後與對照組的比較。（D, E）苦味神經元被失活以後，動物對苦味、甜味和酸味液體的舔食頻率比較。（F, G）甜味神經元被失活以後，動物對甜味、鹹味、苦味，酸味液體的舔食頻率比較。（H）甜味神經元被失活以後，動物對於甜味偏好性的長時間（24h）的行為分析。S，甜味液體，W，水。動物通常對更濃度的甜味劑產生更大的興趣。而右圖表明，在動物的rNST神經元被失活以後，無論甜味劑濃度高低，動物都無法對之產生更大的興趣。
3. Sst和Calb2神經元分別是甜味和苦味在腦幹rNST核團中的神經表徵
那麼，如果分別激活甜味和苦味神經元，動物的味覺感受行為有什麼表現呢？作者使用光遺傳學技術，通過設計一系列精巧的行為實驗，讓動物報告所感受到的味道，發現激活Sst和Calb2神經元，能夠讓動物分別產生虛擬的甜味和苦味的感覺（圖4），這表明這兩類神經元的確分別是甜味和苦味在腦幹孤束核中的神經表徵。
▲圖4 激活rNST的甜味和苦味神經元能夠讓動物產生虛擬的甜味和苦味的感覺。（A）實驗範式1：動物的舔食行為能夠觸發埋置於rNST腦區的光照刺激，進而激活甜味或者苦味神經元。（B, C）光照激活苦味神經元之後，能夠顯著的抑制動物的舔食頻率。（D, E）光照激活甜味神經元之後，能夠顯著的提高動物的舔食頻率。（F）實驗範式2：首先給動物斷水24-48小時，然後在中間的瓶子給予動物少量某種味道的液體，動物在舔食以後需要判斷該液體的味道，然後根據是喜歡還是不喜歡，選擇是向左還是向右。如果按照喜甜厭苦的模式判斷正確的話，動物就會獲得給水獎勵，如果選擇錯誤，動物就以什麼也得不到作為懲罰。（G, H）對甜味神經元（Calb2）和苦味神經元（Sst）進行光遺傳操控的小鼠分別執行任務的結果。表明動物在光照之前，能夠正確的區分甜味和苦味，而在NaCl + 光照的刺激下，動物卻表現出了一定程度偏好甜味或者苦味的行為。（I）實驗範式3：在左邊的3個水瓶裡面，給予動物3種味道（甜、鹹、苦）的液體，在右邊的1，2，3瓶子中設置甜、鹹、苦3種對應味道的液體。首先訓練動物學會三種味道的位置對應關係，然後在左邊的瓶子種，隨機插入一種新的味道，或者使用光纖照射苦味中樞，分析動物的選擇行為。（J）行為表現：動物能夠正確的分辨甜、鹹、苦三種味道，但是對於新的味道，判斷結果表現為隨機選擇。但是在進行苦味皮層激活之後，動物顯著性的選擇了苦味。
4. 激活皮層的苦味中樞，會增強腦幹rNST核團苦味神經元的活動，同時抑制甜味神經元的活動
來自高級甜味中樞和苦味中樞活動的反饋調製，能夠影響腦幹rNST區域中甜味和苦味神經元的活動（圖5），具體表現為：激活皮層的苦味中樞，不僅會增強rNST中苦味神經元的反應，還抑制了甜味神經元的反應。但是激活苦味中樞到杏仁核中央核甜味中樞的環路，則僅僅能夠抑制rNST中甜味神經元的活動，對於苦味神經元的活動沒有顯著影響。
▲圖5 調製高級腦區的活動對於rNST中甜味和苦味神經元的反饋作用。（A）甜味神經元對於甜味和甜苦混合味道的反應（B）苦味神經元對於苦味和甜苦混合味道的反應（C）激活皮層的苦味中樞之後，rNST中甜味神經元對於甜味的反應（D）激活皮層的苦味中樞之後，rNST中苦味神經元對於苦味的反應（E）激活苦味中樞到杏仁核中央核的投射環路，能夠抑制rNST中甜味神經元的反應（F）激活從皮層苦味中樞到杏仁核中央核的投射環路，對於rNST中苦味神經元的反應沒有顯著影響。
5. 電生理和組織化學的結果表明，皮層的苦味中樞對於腦幹rNST核團的苦味神經元的反饋連接是興奮性單突觸連接，而對於腦幹rNST核團的甜味神經元的反饋連接中間經過了杏仁核中央核的抑制性中間神經元的中繼控制。失活這種反饋連接，能夠消除苦味引起的甜味抑制效應。
為了揭示皮層自上而下的反饋控制的的生理基礎，作者對rNST中單個苦味和甜味神經元進行了膜片鉗記錄、遺傳學操作和組織化學研究（圖6）。結果表明，rNST中的Sst苦味神經元主要接受來自皮層苦味中樞GCbt的興奮性輸入（圖6B-E），其他的補充研究結果也表明這種反饋輸入是單突觸連接。從GCbt到rNST中Calb2甜味神經元之間，並沒有發現大量的單突觸連接。而當在杏仁核中央核的甜味中樞CeA中進行光遺傳激活時，rNST中的Calb2甜味神經元表現出了強烈的抑制性突觸後電流（圖6F-I）。接下來，作者使用藥理學以及光遺傳學手段對這種反饋連接進行失活處理（圖7），發現動物對於苦甜混合味道的厭惡行為大大減弱，說明這種抑制效應起源於來自皮層的苦味中樞到杏仁核中央核甜味中樞的反饋活動。
▲圖6 高級皮層的反饋調製，對於rNST中甜味和苦味神經元活動的影響。（A）在皮層的苦味中樞和杏仁核中央核的甜味中樞轉染光敏感離子通道，在rNST腦區進行膜片鉗記錄。（B, C, D, E）激活rNST中的苦味神經元之後，產生興奮後突觸後電流（EPSC），該電流能夠被AMPA抑制劑DNQX所明顯抑制。（F, G, H, I）激活rNST中的甜味神經元之後，產生抑制性突觸後電流（IPSC），該電流能夠被GABA抑制劑PTX所抑制。
▲圖7 失活皮層苦味中樞對杏仁核中央核甜味中樞抑制性反饋活動的效應。（A, B）藥理學實驗1：在動物兩側杏仁核中央核的甜味中樞中，注射AMPA受體抑制劑NBQX。在注射之前，之中和之後，記錄rNST中甜味神經元對各種味道的反應。在失活甜味中樞的反應之後，苦味引發的對於甜味的反應抑制效應減弱。（C, D）藥理學實驗2：使用NBQX失活杏仁核中央核的甜味中樞之後，減弱了動物對於甜苦混合味道的厭惡行為。（E, F, G）光遺傳學抑制實驗：失活從杏仁核中央核的甜味中樞CeA到rNST的投射環路會減弱動物對於甜苦混合味道的厭惡行為。
小結
甜苦的味覺神經環路，作為先天性本能行為神經環路的重要代表，對於哺乳動物的生存至關重要。對應的味覺刺激能夠精確的、魯棒的觸發動物的喜好或者厭惡的行為。甜味中摻入苦味的物質，也表明該物質具有某種潛在的毒性，動物演化出了精密的神經環路來應對這種狀況。該文中，作者首先釐清了從苦味和甜味的傳導通路中，高級味覺皮層（GCbt和CeA）到低級味覺皮層（腦幹rNST核團的Sst苦味神經元和Calb2甜味神經元）的反饋連接，進而在低級腦區中精確的區分了表徵甜味和苦味的神經元群體，並通過一系列行為學實驗來證實這種區分是可靠的。然後作者對高級皮層的活動進行操控，分析了對於低級腦區的反饋影響。最後作者通過遺傳學和電生理學實驗，對腦區之間的連接進行了突觸連接進行分析，表明苦味對於甜味神經元活動的抑制效應，起源於皮層的苦味代表區（GCbt）對於杏仁核中央核的甜味代表區（CeA）抑制性中間神經元的激活。作者還展望了將來比較有趣的味覺研究的一些方向：可以研究各種味覺環路之間的相互作用關係，以及這些味覺與獎賞、營養需求、飢餓、飽腹感、情感、期望水平之間的相互作用對於味覺感知和味覺相關行為之間的相互影響。
本文參考文獻
1. Chen, X., Gabitto, M., Peng, Y., Ryba, N. J., & Zuker, C. S. (2011). A gustotopic map of taste qualities in the mammalian brain. Science, 333(6047), 1262-1266. doi:10.1126/science.1204076
2. Peng, Y., Gillis-Smith, S., Jin, H., Trankner, D., Ryba, N. J., & Zuker, C. S. (2015). Sweet and bitter taste in the brain of awake behaving animals. Nature, 527(7579), 512-515. doi:10.1038/nature15763
3. Wang, L., Gillis-Smith, S., Peng, Y., Zhang, J., Chen, X., Salzman, C. D., . . . Zuker, C. S. (2018). The coding of valence and identity in the mammalian taste system. Nature, 558(7708), 127-131. doi:10.1038/s41586-018-0165-4
論文摘要
在哺乳動物的大腦中，本能行為所依賴的先天性神經環路逐漸被認為是一項重要的特徵。甜味和苦味會引起相反的行為模式。甜味通常意味著食物中的能量充足，並且往往會引起攝食反應，而苦味則警告動物避免攝食潛在的有毒物質。在本文中，我們識別並且研究了腦幹中負責將舌頭的甜味和苦味信息傳遞到皮層的神經元環路。另外，我們探索了大腦是如何對這種硬體連接的環路進行調製，並且對味覺相關的行為產生影響的。我們剖析了苦味抑制甜味的神經基礎，發現味覺皮層和杏仁核中央核對於來自腦幹中的甜味和苦味信號具有強烈的正負反饋作用。最後，我們證明了如果阻斷這種反饋作用，將會明顯的影響動物對於味覺的感受。這些結果表明了先天性連接的環路是如何被自上而下的反饋作用所精細調製的，同時也揭示了一種所有動物都具備的行為反應的神經基礎。
Hardwired circuits encoding innate responses have emerged as an essential feature of the mammalian brain. Sweet and bitter evoke opposing predetermined behaviors. Sweet drives appetitive responses and consumption of energy-rich food sources, while bitter prevents ingestion of toxic chemicals. Here, we identified and characterized the neurons in the brainstem that transmit sweet and bitter signals from the tongue to the cortex. Next, we examined how the brain modulates this hardwired circuit to control taste behaviors. We dissect the basis for bitter-evoked suppression of sweet taste, and show that taste cortex and amygdala exert strong positive and negative feedback onto incoming bitter and sweet signals in the brainstem. Finally, we demonstrate that blocking the feedback markedly alters responses to ethologically relevant taste stimuli. These results illustrate how hardwired circuits can be finely regulated by top-down control, and reveal the neural basis of an indispensable behavioral response for all animals.
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述評人簡介
尹家鵬
中國科學院青促會會員
中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心副研究員
jpyin@ion.ac.cn
尹家鵬，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心視知覺機制研究組副研究員，合作導師為王偉高級研究員，主要以獼猴為實驗動物，使用內源信號光學成像、在體電生理記錄，雙光子成像等技術，開展視知覺腦神經機制的基礎研究。相關成果發表在Neuron, Proc Biol Sci, Journal of Neuroscience 上。獲得中國科學院青促會項目，國家自然科學基金青年基金，中國博士後基金以及神經科學國家重點實驗室創新激勵項目等資助。
Jiapeng Yin is an associate Investigator in Center for Excellence in Brain Science and Intelligence Technology (CEBSIT), Chinese Academy of Sciences (CAS). The co-supervisor is Senior Investigator Dr. Wei Wang. His research now is mainly focusing on neural mechanism of visual perception. The techniques he used including intrinsic optical imaging, in-vivo electrophysiology recording and two-photon optical imaging etc, on awake and anesthetized non-human primates. His works have been published on Neuron, Proc Biol Sci, Journal of Neuroscience. The foundation supports he received are from Youth Innovation Promotion Association CAS, Chinese Postdoctoral Science Foundation, National Natural Science Foundation of China, and State Key Laboratory of Neuroscience Innovation Incentive Foundation.
原文刊載於CellPress細胞出版社旗下期刊Cell上，
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