下丘脑室旁核GLP-1R神经元在能量状态依赖的摄食行为中呈现动态编码和稳定群体活动

《iScience》：Individual paraventricular hypothalamic GLP-1R neurons track ingestion across energy states

本研究针对能量状态如何调控下丘脑室旁核GLP-1R（PVHGLP-1R）神经元活动以精确控制摄食行为这一关键问题，通过光遗传学操控和双光子钙成像技术，揭示了PVHGLP-1R神经元可通过cAMP信号通路双向调控进食，且在单细胞水平呈现能量状态依赖的响应异质性，而群体活动保持稳定。该发现为理解能量稳态的神经环路机制及GLP-1R激动剂的抗肥胖作用提供了新视角。

　　

在自然界中，动物必须根据食物供应的波动灵活调整摄食行为，以维持能量平衡。这一过程依赖于大脑对能量状态和循环激素信号的精确感知与整合。下丘脑室旁核（paraventricular hypothalamus, PVH）作为调节饱腹感和能量稳态的关键脑区，包含多种分子特征各异的神经元群体。其中，表达胰高血糖素样肽-1受体（glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R）的PVH神经元（PVH^GLP-1R neurons）在体重控制中扮演着重要角色。然而，这些神经元的活动如何根据能量状态进行动态调整，以及它们如何在单细胞水平上编码摄食行为，至今尚未明确。

以往研究多采用纤维光度法记录神经元群体的平均活动，无法解析单个神经元的响应异质性。为了解决这一问题，Savani等人发表在《iScience》上的研究，综合运用光遗传学、电生理和在体双光子钙成像等技术，深入探究了PVH^GLP-1R神经元在摄食行为中的功能与动态编码规律。

研究人员首先通过光遗传学技术验证了PVH^GLP-1R神经元对摄食行为的双向控制能力。他们发现，在自由进食的小鼠中，抑制该类神经元可迅速诱发摄食行为。相反，通过光激活cAMP（3',5'-cyclic adenosine monophosphate）信号通路——GLP-1R下游的主要第二信使，能够显著兴奋PVH^GLP-1R神经元，并抑制饥饿小鼠的进食。这些结果表明，PVH^GLP-1R神经元及其胞内cAMP信号通路是快速调控摄食的关键节点。

研究的核心创新在于利用双光子显微镜，对头部固定小鼠在摄入蔗糖溶液时PVH^GLP-1R神经元的钙活动进行了纵向追踪。他们观察到，单个神经元对摄食动作（舔舐）表现出锁时的短暂激活或抑制，但这种响应模式具有高度异质性。更重要的是，当小鼠的能量状态（饱腹 vs. 饥饿）发生变化时，同一批被追踪的单个神经元对摄食的响应幅度甚至方向（激活/抑制）会发生动态转变。然而，从整个神经元群体来看，其平均活动水平以及对摄食响应的神经元比例在不同能量状态下却保持稳定。这种“群体编码稳定，单细胞编码动态”的模式，类似于大脑皮层和海马中的“表征漂移”现象，可能为神经系统在面临外界挑战（如肥胖）时提供编码灵活性。

此外，研究还发现，PVH^GLP-1R神经元对摄入不同味道或热量的液体（如蔗糖、水、三氯蔗糖或奎宁）均表现出相似的响应模式，提示其活动可能更多地与摄食的机械感觉（如舔舐动作）相关，而非特定于味道或热量感知。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用Glp1r-ires-Cre转基因小鼠进行脑区特异性病毒注射；通过光遗传学（表达stGtACR2进行神经元抑制，表达biPAC进行cAMP信号激活）结合行为学测试（自由进食、实时位置偏好）验证神经元功能；采用离体脑片全细胞膜片钳技术验证光遗传工具的有效性；通过双光子钙成像技术纵向追踪同一批神经元在摄食过程中的活动；所有统计分析均使用GraphPad Prism和Python完成。

研究结果

Photoinhibition of PVH^GLP-1R neurons induces feeding

研究人员通过向Glp1r-ires-Cre小鼠的PVH注射AAV-SIO-stGtACR2-FusionRed，并植入光纤，实现了对PVH^GLP-1R神经元的光遗传抑制。电生理记录证实蓝光刺激能有效抑制神经元放电。行为实验表明，在饱腹状态下，抑制PVH^GLP-1R神经元可在几分钟内诱发进食行为，但这些神经元的抑制并不影响小鼠的实时位置偏好，提示其不直接参与食欲性强化过程。该结果证实了PVH^GLP-1R神经元对摄食的快速抑制作用。

Elevating cAMP signaling in PVH^GLP-1R neurons suppresses appetite

为了探究GLP-1R下游信号通路的作用，研究者在PVH^GLP-1R神经元中表达了光激活腺苷酸环化酶biPAC。电生理验证显示，蓝光脉冲能通过升高cAMP水平显著增加神经元的自发放电和电流诱发放电。在体行为实验中，在饥饿小鼠进食期间激活biPAC，可立即抑制其摄食，且在刺激停止后摄食量恢复。此过程同样不影响位置偏好。这表明cAMP信号通路足以介导PVH^GLP-1R神经元的兴奋及其产生的厌食效应。

Distinct subsets of PVH^GLP-1R neurons track ingestion across energy states

通过双光子钙成像技术，研究人员在头部固定小鼠摄入蔗糖溶液时，纵向追踪了同一批PVH^GLP-1R神经元的活动。他们发现，单个神经元对摄食的响应（激活或抑制）在能量状态改变时会发生变化。统计分析表明，这种单细胞响应性的变化显著大于随机配对模型的预期。基于单神经元试次活动的解码器能够有效预测小鼠的能量状态，但基于随机神经元子集的解码器则不能，这证实了响应摄食的神经元群体在不同能量状态下发生了重组。具体而言，在饱腹状态下被激活的神经元，在饥饿状态下其活动减弱；而被抑制的神经元也表现出类似的状态依赖性变化。

Population-averaged responses of PVH^GLP-1R neurons to ingestion do not depend on satiety state or tastant identity

尽管单神经元响应存在动态变化，但当分析整个神经元群体（不限于被追踪的细胞）时，研究发现其平均活动在摄食后均呈现类似的增加，且这种群体响应在不同能量状态下无显著差异。响应神经元（包括激活和抑制）的比例以及响应幅度在不同状态间也保持一致。进一步地，当比较小鼠对蔗糖、水、三氯蔗糖或苦味剂奎宁的摄入响应时，PVH^GLP-1R神经元群体的活动模式同样没有显著差别，提示其响应可能更侧重于摄食动作本身，而非味道或热量属性。

结论与意义

本研究揭示了PVH^GLP-1R神经元在能量稳态调节中一种新颖的编码策略：在群体水平保持活动稳定性的同时，单个神经元的摄食响应随能量状态发生动态变化。这种编码机制可能允许神经环路在维持基本功能稳定的前提下，具备适应外界环境变化的灵活性。该发现不仅深化了对能量稳态神经基础的理解，也为探讨肥胖等代谢性疾病中神经网络功能异常，以及GLP-1R激动剂类药物作用机制提供了新的理论框架和深入研究的方向。