Cell揭示：苦味“勝過”甜味背後的神經調控機制

“Hardwired circuit”介導了由外部化學刺激和內部需求信號引起的許多行爲反應，味覺系統就是一個由多級“Hardwired circuit”調控其行爲反應的經典例子，能確保動物對味覺刺激作出正確的先天預定的反應，比如對甜的有能量的食物的喜好和攝入，以及對苦的有毒物質的厭惡和迴避。

位於味蕾的特定味覺受體細胞識別味覺分子，從而開啓了味覺信號向大腦的逐層傳遞。味覺受體細胞首先把味覺信號傳遞給外周味覺神經節，然後再由外周味覺神經節傳遞給位於腦幹的孤束核。孤束核進一步通過中轉站, 臂旁核和丘腦，將味覺信號傳遞到味覺皮層。

哺乳動物味覺神經生物學的研究過去一直以來主要集中在味覺受體細胞如何識別味覺分子，以及研究味覺神經環路如何傳遞編碼味覺信號從而產生味覺相關行爲。通過Zuker 實驗室和其他實驗室的努力，酸甜鹹苦鮮這五種基本味覺的受體已經一一被克隆和鑑定了。對位於不同味覺中轉站的味覺神經元的鈣成像研究工作發現，味覺信號主要以標記線（labeled line）的方式從外周向大腦傳遞。當味覺信號最終到達味覺皮層後，位於不同區域的特定皮質神經元編碼了不同的基本味覺。杏仁核接受來自皮層的味覺信息從而決定了對不同味覺的喜惡。儘管我們對於味覺系統如何識別編碼味覺刺激進而產生相應的刻板先天行爲（stereotypic innate behavior）有一定的瞭解，我們對於味覺的“Hardwired circuit”的調節性和可塑性以及以此爲基礎產生適應性行爲的機制卻知之甚少。

近日，美國哥倫比亞大學的Charles S. Zuker團隊（一作爲Jin Hao博士）在Cell 上發表了題爲“Top-Down Control of Sweet and Bitter Taste in the Mammalian Brain”的文章。該文章通過對苦味抑制甜味這一現象的神經環路機制的研究，揭示了由上而下的反饋通路在調節味覺行爲中的重要作用。

首先通過對一系列候選Cre 品系的功能性篩選（利用Cre 在特定神經元中表達GCaMP然後用光纖光度測量 (fiber photometry)記錄對味覺刺激的響應），作者在孤束核（也就是味覺在大腦中的第一個中轉站）發現了分別對甜味和苦味刺激有特異反應的兩羣神經元，其中表達Calb2的神經元對甜味有特異的反應, 而表達Sst的神經元對苦味有特異的反應。對Sst 和Calb2 在孤束核中的表達的分析顯示甜味神經元（Calb2+）和苦味神經元（Sst+）爲空間上混雜分佈，但互不重疊的兩個神經羣，這就支持了在孤束核味覺信息以標記線方式編碼的觀點。

但是Calb2+ 和 Sst+ 所標記的兩組神經元是不是特異性地介導了對甜味和苦味的行爲反應呢？爲了回答這個問題，作者設計了一系列功能獲得（gain-of-function）和功能缺失（loss-of-function）實驗來檢測操縱這些神經元對小鼠味覺相關行爲的影響。他們發現當小鼠飲水時，用光遺傳方法激活Calb2+ 神經元誘發大量飲水，而反之激活Sst+ 神經元則抑制飲水。在味覺識別行爲（三端口或四端口實驗）中, 當小鼠經過訓練通過到不同的端口飲水來“報告”它們所嚐到了甜味或苦味物質後，光激活Calb2+ 神經元促使小鼠到與甜味物質相對應的端口飲水，就好像小鼠嚐到了甜味。而光激活Sst+ 神經元使得小鼠到與苦味物質相對應的端口飲水，則表明小鼠將激活Sst+ 神經元等同於嚐到了苦味物質。另一方面，在功能缺失實驗中，當用白喉毒素去除Calb2+ 神經元后，小鼠變得不再偏好甜水(但對低鹽的偏好和對苦酸的厭惡不受影響)。反之，去除Sst+ 神經元后，小鼠變得不再厭惡苦水（但對甜的偏好和對酸的厭惡不受影響）。上述一系列功能操縱實驗證明孤束核中Calb2+ 和Sst+ 神經元分別是甜味和苦味的神經底物，介導了典型的甜味和苦味相關的行爲。

作者進一步利用這些神經底物來研究苦味是如何抑制甜味這一問題。苦味抑制對甜味的偏好是非常重要的一種生物現象，因爲它確保了動物在無毒安全的情況下才攝入食物。作者發現苦味物質會抑制孤束核中Calb2+甜味神經元對甜味物質的反應，這與行爲學研究上在甜味物質中摻加苦味物質會抑制小鼠對甜味物質的喜好是一致的。爲了解釋這背後的神經環路機制，他們開展了一系列的神經環路示蹤（腺相關病毒和狂犬病毒示蹤）和腦片電生理實驗，從而提示了可能與此相關的兩條反饋通路。其中一條正反饋通路從苦味皮層直接投射到孤束核並可以激活Sst+苦味神經元，另一條負反饋則是從苦味皮層經中央杏仁核投射到孤束核並可以抑制Calb2+甜味神經元。爲了證明上述反饋通路參與到了苦味對甜味的抑制，作者設計了兩組互補的實驗。在第一組實驗中，他們激活苦味皮層或者苦味皮層到中央杏仁核的投射，並同時記錄孤束核中Sst+苦味神經元和Calb2+甜味神經元對苦和甜刺激的反應。他們發現激活苦味皮層會增強Sst+苦味神經元對苦味物質的反應。而激活苦味皮層或苦味皮層到中央杏仁核的投射則會抑制Calb2+甜味神經元對甜味物質的反應。在第二組實驗中，他們通過用NBQX 藥物抑制中央杏仁核的活性，發現這時孤束核中苦味對甜味反應的抑制會減弱，同時在小鼠行爲上也表現出苦味無法有效地抑制對甜味的偏好。更爲關鍵的是，當用光遺傳的方法抑制中央杏仁核到孤束核的投射，小鼠雖然仍舊迴避單純的苦味物質，但卻可以大量攝入苦味甜味混合物，這就直接證明了中央杏仁核到孤束核這條神經通路在苦味抑制甜味中的重要作用。

綜上所述，作者發現了孤束核中分別傳導甜味和苦味的兩組特異性神經元，在這基礎上進而闡述了苦味抑制甜味這一現象背後的神經調節機制。此機制依賴於自苦味皮層和杏仁核而下的一正一負的兩條反饋通路。這兩條反饋通路作用於孤束核這一外周味覺信息進入大腦的唯一門戶，通過放大輸入大腦的苦味信號和減弱進入的甜味信號來確保苦味‘勝過’甜味。這項研究對於瞭解味覺的“Hardwired circuit”如何調節產生適應性行爲有着非常重要的意義。（來源：BioArt）

End

參考資料：

[1]https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.014

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