下丘脑，尤其是外侧下丘脑（LH），在控制进食行为以及调节与奖励和厌恶相关的行为中起着关键作用。LH的异质性细胞群使其能够响应不同的生理需求和环境刺激。在进食过程中遇到潜在的威胁或危险刺激时，动物必须能够调节其恐惧反应，以便继续进食。这种调节机制对于理解食物摄入和情绪状态之间的相互作用至关重要。那么当动物在进食过程中遇到危险刺激时，LH神经元如何反应和调节相互冲突的摄食和恐惧行为？2024年9月4日，浙江大学李晓明及王浩共同通讯在Nature Communications在线发表题为“Hypothalamic-hindbrain circuit for consumption-induced fear regulation”的研究论文，该研究确定了外侧下丘脑GAD2神经元--脑干不定核（nucleus incertus，NI）松弛素-3（relaxin-3，RLN3）阳性神经元--乳头体外侧核，即LH（GAD2）-NI（RLN3）-LM，这条神经环路参与调节进食过程中的恐惧反应，从而增强了对动物如何协调营养摄入与威胁规避的理解。
为了验证这一点，作者记录了来自LH GAD2神经元的GCaMP信号，然而，当被禁食的小鼠在进食期间暴露于CS时或在暴露于CS后恢复进食时，可以观察到LH GAD2 GCaMP活性的增加，这些发现表明，LH GAD2神经元在进食过程中被选择性地招募来对CSs作出反应。为了确定进食如何在细胞水平上影响LH GAD2神经元对CS的反应，在恐惧-喂养试验后，作者采用体外脑切片记录来评估LH GAD2神经元的电生理特性，结果表明进食能增强LH GAD2神经元的兴奋性，显著增加了它们在CS暴露后的活性。这些发现强调了LH GAD2神经元在介导进食诱导的习得性冻结反应调节中的潜在作用。
图1 LH GAD2参与进食诱导的冻结反应调节
RV逆向跨单示踪和RNAscope原位杂交结果表明，LH GAD2神经元向NI的投射主要有两种可能性理论：一种可能性是，不同类型的LH GAD2神经元投射到相同的NI神经元，形成兴奋性和抑制性突触连接。另一种可能性是，不同类型的LHGAD2神经元投射到不同的NI神经元上，每个神经元在不同的细胞上形成自己的突触连接。行为学实验结果显示，在禁食恐惧条件下小鼠进食期间，CS暴露后，逆行标记的、表达Fos的LH GAD2神经元的数量显著增加。
图2 顺向和逆向环路示踪
为了阐明LH GAD2-NI环路的突触功能，作者将体外电生理记录与光遗传学相结合。有趣的是，在相同的NI细胞中记录了光遗传诱发的兴奋性电流（oEPSCs）和抑制性突触后电流（oIPSCs）。即使在河豚毒素（TTX）和4-氨基吡啶（4-AP）存在的情况下，这些信号也持续存在，从而表明存在单突触LH GAD2神经元输入，发现表明Slc32a1-和Slc17a6-阳性的LH GAD2神经元可能在同一NI神经元上同时形成兴奋性和抑制性突触连接，主要产生兴奋性结果。为了在恐惧-喂养试验中检测LH GAD2-NI环路的活性，作者记录了来自NI中的LH GAD2神经元末端的GCaMP信号，结果表明在进食过程中，小鼠暴露于CS，这条环路的神经元活动增强，可能在调节恐惧反应中发挥作用。
图3 LH GAD2-NI RLN3环路的突触连接
图4 LH GAD2-NI调控进食诱导的冻结反应调节
由于LH GAD2-NI输出主要受神经支配的下游的RLN3神经元，作者接下来探讨了NI RLN3神经元在进食诱导的恐惧调节中的作用，Fos染色、钙成像和行为学实验结果表明，NI RLN3神经元在进食过程中对CS有特异性反应，可能在习得性冻结反应调节中发挥关键作用，而不是直接影响饮食行为。利用化学遗传学抑制LH对NI的直接投射，钙成像结果显示在进食期间NI RLN3神经元 对CS的反应显著衰减。研究结果表明，NI RLN3神经元在进食过程中对CS的反应具有特殊的作用，即CS相关的活动由LH输入控制。因此，这些NI RLN3神经元可能在调节进食诱导的习得性冻结反应中发挥作用。
图5 NI RLN3神经元对CS暴露的反应
为了阐明NI RLN3神经元在调节进食诱导的习得性冻结反应中的功能作用，作者采用了NpHR光遗传抑制NI RLN3神经元，结果显示由进食引起的习得性冻结反应的减少，并加重了CS诱导的饮食抑制。现有的研究表明，NI内的神经元，特别是RLN3阳性亚群，在体内条件下表现出类似爆发状的放电模式。将NI RLN3神经元施加ChR2介导的20HZ光刺激下，对进食诱导的学习性冻结反应的调节没有影响，但是利用高频光脉冲刺激敏感的视蛋白oChIEF进行光遗传实验激活NI RLN3神经元，结果显示高频激活NI RLN3神经元减少了在进食过程中习得性冻结反应，但对CS诱导的饮食抑制和正常进食行为都没有影响。总的来说，NI RLN3神经元在进食诱导的习得性冻结反应的调节中起着关键作用，介导了LH GAD2-NI环路功能。
图6 NI RLN3神经元参与进食诱导的冻结反应调节
为了确定NI RLN3神经元输出的下游脑区位置，作者在RLN3-Cre鼠NI脑区中注射AAV9-DIO-EYFP标记神经元纤维定位到整个大脑，在AcbSh、MS、LPO、LH、LM和IPN中观察到密集的EYFP荧光分布。光遗传学实验、HSV顺向示踪和RNAscope原位杂交结果显示NI RLN3-LM环路对进食诱导的习得性冻结反应的调控是必要的，采用NpHR光遗传抑制NI RLN3-LM环路，观察到进食诱导的习得性冻结反应减少，而没有显著影响CS诱导的饮食抑制。为了验证投射到LM的NI RLN3和LH GAD2神经元之间的联系，作者利用了RV介导的逆行示踪系统，结合RNAscope原位杂交和行为学实验结果表明，NI RLN3- LM投射环路和相关的RLN3信号通路在介导LH GAD2-NI环路在进食诱导的习得性冻结反应调节中发挥了关键作用。
图7 NI RLN3-LM神经输出和RLN3信号通路介导的进食调控的冻结反应
这篇文章揭示了大脑如何在面对潜在威胁时调整进食行为的复杂机制，增进了我们对恐惧与进食行为之间相互作用的理解。不仅提供了关于大脑如何处理生存基本驱动力（如食物获取）与情绪状态（如恐惧）之间冲突的新见解，而且可能对理解人类中与进食和情绪相关的精神障碍（如焦虑症和饮食失调）的神经基础有重要启示，为未来开发治疗这些疾病的新策略提供了潜在的靶点。
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