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研究背景
飢餓和飽腹感是進化上保守的功能，確保動物能夠維持適當的能量儲備。飽腹感是一個負反饋過程，最終導致進食終止，其產生來自對許多代謝和攝入引數的監測，尤其是來自口咽和腸道的持續訊號。傳統研究認為，飽腹感的調節主要由腦幹獨立於前腦進行。然而，腦幹中具體的細胞型別和位置如何適當地終止正在進行的進食仍是一個未解決的問題。
近年來的研究表明，腦幹後部的特定細胞型別在終止進餐中發揮作用，尤其是孤束核（NTS）和橋腦旁核（PBN）。這些細胞型別接收來自迷走神經和脊髓的機械和化學感受訊號，並因此抑制食慾。然而，這些已知的腦幹迴路並不是飽腹感的唯一介導者，提示在腦幹內可能存在更高階的處理機制來終止進食。研究表明，背縫核（DRN）可能在調節進食的不同方面中扮演著重要但未被充分認識的角色。
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研究發現
研究揭示了腦幹背側縫核（DRN）中的一種神經肽能神經元群體，這些神經元透過表達膽囊收縮素（CCK）來調節飽腹感。CCK神經元能夠追蹤從食物的感官呈現到攝入的整個過程，並將這些訊號與較慢的體液訊號整合，最終透過延遲訊號雙向調節餐食大小。這些神經元透過多重負反饋迴路來調節飽腹感，能夠感知和響應攝入行為，並整合到已知調節進食的擴充套件網路中。
研究表明，CCK神經元在進食過程中被啟用，並且能夠透過感知胃腸道的機械和化學感受訊號來監測攝入的後果。這些神經元透過一種相位性、但持續的負反饋機制來抑制食物攝入，從而終止進食。研究還發現，CCK神經元能夠接收來自前腦和後腦的多種感官結構的匯聚輸入，並將這些輸入整合為選擇性的輸出，表明CCK神經元在飽腹感的中樞調節中起著關鍵作用。
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臨床意義
1. 飽腹感調節的新靶點：研究揭示了DRN中的膽囊收縮素（CCK）表達神經元在調節飽腹感中的關鍵作用。CCK神經元透過追蹤食物攝入訊號並整合神經激素資訊，能夠調節進食行為。這一發現提供了潛在的新靶點，可以用於開發治療肥胖和進食障礙的新型干預措施。
2. 神經激素訊號整合的機制：CCK神經元能夠整合來自感覺和內臟訊號的多樣資訊，這種能力使其在調節進食過程中起到重要作用。這種訊號整合的機制有助於深入理解飽腹感的神經生物學基礎，有可能為改善與代謝相關的疾病提供新的視角。
3. 行為調節的神經機制：研究表明，CCK神經元透過短暫但持續的訊號來終止進食，這說明了神經肽在快速行為調控中的重要作用。這一機制可能在其他與生存相關的行為中也起重要作用，提示了一個更廣泛的神經調控網路。
4. 負反饋迴路的應用：CCK神經元參與形成多重負反饋迴路，透過這種方式調控飽腹感。這一發現為理解複雜行為的調控提供了新思路，可能在其他需要精細調控的生理過程中也有借鑑意義。
5. 潛在的治療應用：由於CCK神經元在飽腹感中的關鍵作用，靶向這些神經元或其訊號通路，可能成為治療肥胖和相關代謝疾病的有效策略。這種方法可能會比傳統治療更具針對性，副作用更小。
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實驗策略
1. 空間分辨的分子表型分析：使用單細胞解析度的STARmap和RIBOmap技術進行轉錄組和翻譯組分析，以繪製DRN的分子圖譜。這種方法幫助識別了特定的神經元亞群，尤其是表達CCK的神經元。
2. 功能驗證與行為實驗：透過光遺傳學技術啟用或抑制CCK神經元，觀察對小鼠進食行為的影響，明確這些神經元在抑制食慾和調節攝食中的作用。
3. 光纖光度法記錄：使用GCamP6s標記的CCK神經元進行在體鈣成像，以監測這些神經元在不同行為狀態下的活動模式，從而揭示其在進食過程中即時編碼食物攝入資訊的能力。
4. 神經迴路追蹤：透過單突觸逆行追蹤和順行追蹤技術，繪製CCK神經元的輸入輸出結構，明確這些神經元在飽腹感調節網路中的整合作用。
5. 胃腸道和外周訊號的整合：透過胃內灌注和腹腔注射試驗，研究CCK神經元對胃腸道機械和化學感受訊號的響應，以及其對激素（如胃飢素）的敏感性。
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資料解讀
圖1：DRN的單細胞空間分辨轉錄組和翻譯組分析
Figure 1 為了揭示背縫核（DRN）中神經元的轉錄組和翻譯組特徵，研究者採用了STARmap和RIBOmap原位測序技術進行單細胞水平的分析。A. 圖A展示了STARmap和RIBOmap原位測序的實驗流程圖。STARmap和RIBOmap技術用於在單細胞水平上進行空間分辨的轉錄組和翻譯組測序。B. 圖B提供了STARmap測量的代表性影像，跨越五輪測序。透過這些影像，可以觀察到DRN中不同區域的轉錄組特徵。C. 圖C展示了DRN神經元的統一流形近似和投影（UMAP）分析結果。透過UMAP分析，研究者能夠識別和區分DRN神經元的不同亞群。D. 圖D將圖C中識別的簇投影到DRN中的相應空間位置上。此圖幫助理解不同神經元簇在DRN中的空間分佈。E. 圖E為每個神經元簇的差異表達轉錄本的熱圖。透過分析這些轉錄本的表達模式，可以識別出每個簇的特徵性基因。F. 圖F展示了簇特異性轉錄本的UMAP表達模式。此圖用於分析特定轉錄本在不同神經元簇中的表達差異。G. 圖G為三種TH+神經元亞簇的UMAP分析。TH+神經元是多巴胺能神經元的標誌，透過UMAP分析可以識別其不同的亞群。H. 圖H顯示了TH+亞簇之間的差異表達轉錄本。此圖幫助理解TH+神經元亞群的分子特徵。I. 圖I將圖G中識別的TH+亞簇投影到其空間位置上。透過這種空間投影，可以觀察到TH+神經元亞群在DRN中的具體分佈。結論：透過單細胞空間分辨的轉錄組和翻譯組分析，研究者揭示了DRN中神經元的多樣性及其空間分佈特徵，特別是TH+神經元的亞群特徵。
圖2：CCK標識出可能的必需肽能食慾抑制DRN神經元群體
Figure 2 探討了CCK在DRN神經元中可能的食慾抑制作用。A. 為了研究vTRAP實驗，作者提供了實驗示意圖，並在圖中插入了免疫組化（IHC）結果，顯示了大腦導水管（Aq）的相關結構。B. 透過免疫沉澱（IP）實驗，作者發現實驗結果具有高度可重複性，去除了一個異常值（其表達量比第二高表達基因高出57倍標準差）。插圖中展示了log2倍數富集（IP/輸入）的直方圖，基於兩個生物學重複。C. 火山圖展示了log2倍數富集的結果，控制基因為Rpl10a。D. 結果顯示DRN特異性和甘氨酸能標記基因的富集情況。E. 對前100個最富集的基因進行了基因本體（GO）分析，去除了冗餘類別（完整列表見表S3）。F. 提供了CCK神經元光遺傳學啟用的示意圖。G. 啟用CCK神經元能夠在短時間內抑制食物攝入，每組有12-14只小鼠參與實驗。H. CCK神經元的啟用對水攝入沒有影響，每組有9只小鼠參與實驗。比例尺為200微米。行為資料以平均值±標準誤（SEM）表示，測序資料以平均值±log2倍數變化的標準誤（lfcSE）表示。結論：CCK神經元在DRN中可能作為一個必需的肽能群體，具有抑制食慾的作用。啟用這些神經元能夠顯著抑制食物攝入，而不影響水攝入。
圖3：用相位編碼解析進餐動態，達到逐口解析度
Figure 3 研究了膽囊收縮素（CCK）神經元在進餐過程中如何以相位編碼的方式記錄進餐動態。A. 圖示展示了CCK神經元可能使用的編碼機制，其中x軸為時間，y軸為神經活動，軌跡下方的點表示消耗的食團。B. 透過免疫組化標記CCK神經元，使用基因編碼的鈣指示劑GCaMP6s進行標記，顯示了CCK神經元的標記情況。C. 展示了在快速再進食期間CCK神經元活動的樣本軌跡，插圖為放大後的軌跡。D. 在第一次進餐期間，CCK神經元的活動被標準化顯示（n = 4只小鼠）。E和F. CCK神經元活動與第一次進餐的第一口（E）或最後一口（F）時間鎖定（n = 4只小鼠）。G. 整合的神經活動與進餐量呈線性關係。H. 延遲進食方案的示意圖（左）及神經活動的樣本軌跡（右），插圖為一次進食的放大部分。I. CCK活動與食物咬合時間鎖定：（左）第一口和（右）所有咬合（n = 4只小鼠）。J. 胃飢餓素注射研究的示意圖（左）及完整記錄期間的神經活動樣本軌跡（右）。K. 胃飢餓素注射後CCK神經元的平均活動軌跡（左）和在獲得食物後消耗第一顆食團時的活動軌跡（右）（n = 5–6只小鼠）。結論：CCK神經元能夠以逐口解析度記錄進餐動態，其神經活動與進餐量和進餐時機密切相關，並受到胃飢餓素的影響。
圖4：CCK神經元透過短暫但具有滯後的訊號調節進餐終止，並具有內建延遲
Figure 4 A. 透過實驗，作者發現CCK神經元的活化顯著改變了小鼠的累積食物攝入量，並影響了進食動態（顆粒間隔時間）。實驗物件為每組7只小鼠。B. 透過實驗，作者發現CCK::ChR2小鼠的平均進餐量顯著減少。C. 透過實驗，作者發現CCK::ChR2小鼠的總進餐次數未發生變化。D. 實驗操作示意圖展示了兩種實驗條件：（上）預刺激：禁食動物接受1小時的預刺激，然後重新進食；（下）閉環刺激：小鼠在每次獲取食物顆粒後接受短暫的光遺傳刺激。E. 透過實驗，作者發現CCK神經元的預刺激在一小時內減少了食物攝入量，這種效應完全歸因於重新進食的前30分鐘內進食量的減少。實驗物件為每組9-10只小鼠。F. 透過實驗，作者發現CCK神經元的閉環刺激減少了進餐量，並具有內建延遲。實驗物件為每組5-6只小鼠。G. 透過實驗，作者發現使用Kir2.1慢性抑制CCK神經元的小鼠的累積食物攝入量未受影響，但進食動態（顆粒間隔時間）發生了變化。實驗物件為每組6-9只小鼠。H. 透過實驗，作者發現CCK::Kir2.1小鼠的平均進餐量顯著增加。I. 透過實驗，作者發現CCK::Kir2.1小鼠的進餐頻率減少。結論：CCK神經元透過短暫但具有滯後的訊號調節進餐終止，影響進餐量和進餐頻率。
圖5：透過嗅覺線索檢測食物的感官訊號
Figure 5 探索了CCK神經元在食物感官呈現和攝入過程中的動態活動。其研究主要關注嗅覺和胃腸道訊號如何影響這些神經元的活動。(A) 實驗設計用於展示食物的感官呈現。透過這種設計，研究人員能夠評估CCK神經元在食物感官刺激時的反應。(B) 結果顯示，當呈現無法觸及的食物（例如封閉的食物）時，CCK神經元的活動迅速增加，並在數十秒內保持高水平。然而，當展示的是一個任意的非食物物件時，這些神經元沒有反應，表明CCK神經元對食物的反應是特異的。(C) 實驗評估了對食物嗅覺暴露的反應。透過將食物覆蓋起來以阻止視覺線索，但允許嗅覺線索的透過，研究人員能夠測試嗅覺對CCK神經元活動的影響。(D) 實驗發現，當老鼠嗅到覆蓋的食物時，CCK神經元的活動顯著增加。重要的是，略去食物的覆膜沒有引起神經元活動變化，進一步支援CCK神經元對嗅覺食物檢測的敏感性。(E) 實驗設計用於胃內灌注研究，透過直接將營養液輸送到胃中，研究人員探討了胃機械和化學感應對CCK神經元的影響。(F) 結果表明，液體營養（比如Ensure的液體營養品）直接灌注到胃中顯著激活了CCK神經元，並且這種效應是在1-2分鐘後逐漸顯現，支援CCK神經元能夠響應胃來源的訊號。(G) 實驗設計用於研究腹腔內注射的影響。(H) 透過注射各種激素和化學訊號，如CCK、外延素-4（Ex4）、5-羥色胺（5-HT）等，研究人員發現大多數化合物顯著激活了CCK神經元，進一步證明CCK神經元能夠檢測和響應與進食相關的訊號。集體來看，figure 5展示CCK神經元能夠透過嗅覺和胃腸道訊號監測食物的存在和攝入，這對於理解它們在飽腹感調節中的作用至關重要。
圖6：CCK神經元接收來自整個大腦的單突觸輸入並投射到有限的目標區域
Figure 6 深入探討了CCK神經元的神經環路，尤其是這些神經元的輸入和輸出連線。這對於理解CCK神經元在進食調節中的作用非常關鍵。(A) 示意圖說明了單突觸追蹤技術，該技術用於識別那些直接輸入CCK神經元的腦區。(B) 顯示了在DRN（背縫核）中CCK神經元的起始細胞。(C) 從腦的前到後軸展示了一系列代表性的輸入結構影像。CCK神經元接收來自廣泛大腦區域的輸入，這表明它們整合了多種與進食相關的訊號。(D) 定量資料展示了各個腦區對CCK神經元的輸入貢獻。研究發現，這些神經元的輸入主要來自腦幹，但前腦和中腦也有顯著貢獻。(E) 示意圖用於示範採用雙報告載體進行前向投射對映的實驗方法。(F) 影像顯示CCK神經元與GFP和mRuby標記物的重疊，但不與Tph2表達重疊，指示這些神經元的具體身份。(G) 代表性影像展示了CCK神經元投射到前腦和後腦的有限目標區域，表明它們的輸出是高度選擇性的。(H) 定量結果描述了CCK神經元的投射目標，顯示僅投射到一些特定的腦區。綜合來看，Figure 6展示了CCK神經元如何透過接收廣泛的神經輸入，並投射到有限的腦區，支援其在感知並響應多種進食相關訊號中的角色。這為理解CCK神經元在飽腹感調節中的神經環路機制提供了寶貴的見解。
圖7：CCK神經元的結構和功能特徵
Figure 7 綜合展示了CCK神經元在飽腹感調節中的結構和功能特性，並提出了相應的工作模型。(A) 圖示展示了CCK神經元在調節進食行為的擴充套件神經迴路中的整合角色。CCK神經元與已知調控進食的神經網路相連線，這表明其在接收和處理來自多種腦區的訊號中發揮了中心作用。這種整合使它們能夠響應與進食有關的感知和認知資訊。(B) 圖示說明了CCK神經元透過多重負反饋迴路調節飽腹感的機制。CCK神經元能夠廣播一種具有內在延遲的持續訊號（δ），以調節餐後行為。此外，這些神經元受到內穩態和傳入訊號的共同調節，使它們能夠適應性地控制進餐終止。透過Figure 7，研究明確了CCK神經元在綜合處理神經和激素訊號，進而調節進餐大小及終止方面的作用。這些發現為理解腦幹如何調節飽腹感提供了新的視角，並提出了一個潛在的細胞和迴路機制，用以解釋進食行為的神經調控。
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主要結論
這篇題為《Brainstem neuropeptidergic neurons link a neurohumoral axis to satiation》的論文發表在《Cell》期刊上。研究由哥倫比亞大學、哈佛大學、MIT和普林斯頓大學的多校聯合科研團隊進行，主要探討了腦幹中表達膽囊收縮素（CCK）的神經肽能神經元如何調控飽腹感。該研究透過空間解析的單細胞分子表型分析，識別出一類位於背縫核（DRN）的CCK神經元，揭示了它們在調節進食量和飽腹感中的關鍵作用。
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討論總結
在這項研究中，探討了CCK神經元在飽腹感調節中的關鍵作用，揭示了其在生理和行為調控中的多方面功能。研究發現，CCK神經元能夠追蹤多種神經和激素訊號，逐口訊號化食物攝入，這一特性使得對餐量的被動編碼成為可能。其中，這些神經元轉化資訊的能力尤為突出：它們將進食過程中獲取的資訊轉化為持續的神經訊號，具有內在延遲，進而促使進餐終止。這種機制讓CCK神經元能夠在調整進食行為的微觀結構中發揮關鍵作用。研究還揭示了CCK神經元位於多個負反饋迴路的交匯處，這對於維持能量穩態和調節飽腹感至關重要。儘管這些發現為理解大腦如何終止進餐行為提供了新的視角，但仍有未解之謎需要解決。首先，這些神經元是如何接收和整合來自不同來源的神經激素訊號的？其次，CCK神經元如何產生其特有的、具有延遲效應的持續性飽腹訊號？這些問題的解答有賴於進一步的結構和功能分析，特別是對長程輸入的解析和亞細胞分子訊號的研究。此外，探索CCK神經元的分子組成可能有助於揭示控制持續飽腹訊號的機制。總之，這項研究不僅揭示了CCK神經元在進食終止中的重要性，還為進一步研究神經調節功能提供了一個切入點。這些發現可能對理解大腦如何透過神經肽訊號調控短期行為具有重要啟示，特別是在進食行為的中樞調控方面。這些知識的積累將有助於我們更好地理解和應對與進食調節相關的生理和病理過程。
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