下丘脑室旁核-蓝斑核VGlut2神经环路调控能量代谢的新机制及其对肥胖的干预作用

《Cell Death & Disease》：Paraventricular nucleus–locus coeruleus VGlut2 neural circuit regulates energy metabolism in mice

本研究针对能量代谢失衡导致的肥胖问题，揭示了小鼠下丘脑室旁核(PVH)中表达囊泡谷氨酸转运体2(VGlut2)的神经元及其投射至蓝斑核(LC)的神经环路(PVHVGlut2→LC)在调控能量稳态中的关键作用。研究人员通过光遗传学、化学遗传学及纤维光度测定等技术，发现激活该环路可抑制摄食、促进肩胛间棕色脂肪组织(iBAT)产热，长期干预能改善高脂饮食(HFD)诱导的肥胖及胰岛素抵抗。该发现为肥胖等能量代谢疾病的神经环路干预提供了新靶点。

　　

肥胖已成为全球性的健康危机，其核心问题是能量摄入与消耗的长期失衡。大脑，特别是下丘脑，作为调节能量平衡的“总司令部”，能够整合来自身体的代谢信号，如瘦素和胰岛素，从而精细调控我们的食欲和能量消耗。然而，长期的高脂饮食会破坏这种精密的调控机制，导致“瘦素抵抗”等现象，使得大脑对“吃饱了”的信号不再敏感，最终引发体重增加和一系列代谢紊乱。因此，深入解析大脑在能量稳态调控中的具体神经环路机制，对于开发对抗肥胖的新策略至关重要。

以往的研究表明，下丘脑的室旁核是整合多种代谢信号的关键节点。其中，一类使用谷氨酸作为神经递质的神经元，因其表达囊泡谷氨酸转运体2而被称为VGlut2神经元，在PVN中广泛分布。同时，脑干中的蓝斑核也被发现参与摄食和体温调节。尽管解剖学上已知PVN和LC之间存在神经连接，但这条由PVN的VGlut2神经元投射到LC所形成的特定神经环路，其具体功能及其在能量代谢调控中的动态过程和生理意义，尚不清晰。

为了解决这一问题，来自内蒙古农业大学等单位的研究团队在《Cell Death & Disease》上发表了一项研究，系统揭示了PVN^VGlut2→LC神经环路在能量代谢中的关键作用。研究人员综合运用了病毒示踪技术（如伪狂犬病毒PRV进行跨突触逆行追踪，腺相关病毒AAV进行顺向追踪）、光遗传学（使用通道视紫红质ChR2和盐敏视紫红质NpHR精确控制神经元活动）、化学遗传学（使用设计药物受体hM3D/hM4D进行长期或可逆的神经元调控）、纤维光度法（实时记录神经元钙信号活动以反映神经元活性）、行为学测试（如条件性位置偏好实验）、交感神经切除术（通过手术切断支配iBAT的交感神经以验证其必要性）、免疫组织化学（如c-Fos染色标记神经元活动）、蛋白质印迹（检测UCP1蛋白表达）以及体内多通道电生理记录等多种前沿技术。

研究首先确认，长期高脂饮食喂养的小鼠不仅体重增加，出现葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗，其肩胛间棕色脂肪组织的产热功能也受损，温度降低。通过c-Fos染色标记神经元活动，研究人员发现，在肥胖小鼠的下丘脑室旁核中，无论空腹还是饱腹状态，被激活的神经元数量都持续高于正常小鼠，提示PVN的异常活动可能与肥胖相关。

为了探究是PVN中的哪类神经元在起作用，研究人员利用VGlut2^Cre/Cre转基因小鼠，结合逆向跨突触病毒追踪技术，发现从肩胛间棕色脂肪组织逆向追踪回来的病毒，在PVN区域与VGlut2神经元高度共标，并且这些共标的神经元在空腹状态下活性更高，强烈提示PVN^VGlut2神经元与iBAT的产热调节密切相关。

那么，这些神经元的活动与行为有何关系？通过纤维光度法实时记录神经元钙信号，研究人员观察到了一个有趣的现象：当小鼠开始寻找食物时，PVN^VGlut2神经元的活性显著升高；然而，一旦小鼠开始进食，其活性则被迅速抑制。这种变化在与非食物物体互动时并未出现，说明PVN^VGlut2神经元的活动特异性地与摄食行为相关，可能参与了从觅食动机到饱足感产生的转换过程。

接下来，研究人员通过光遗传学手段直接操控PVN^VGlut2神经元的活性。用蓝光激活这些神经元后，小鼠的摄食量显著减少，同时iBAT温度和核心体温升高；反之，用黄光抑制这些神经元后，小鼠吃得更多，体温下降。这证明PVN^VGlut2神经元能够双向调节摄食和产热，是维持能量平衡的关键开关。

这些神经元将信号传递到哪里去执行功能呢？通过病毒顺向追踪，研究人员发现PVN^VGlut2神经元的一个重要下游靶区就是蓝斑核。于是，研究重点转向了PVN^VGlut2→LC这条神经环路。通过特异性激活这条从PVN到LC的谷氨酸能通路，研究人员观察到与直接激活PVN^VGlut2神经元相似的效果：摄食被抑制，iBAT和核心体温升高。在条件性位置偏好实验中，激活该环路会减少小鼠在食物区域停留的时间和接触食物的频率，而抑制该环路则产生相反效果，表明该环路直接调控觅食动机。

那么，PVN^VGlut2→LC环路是如何促进产热的呢？研究表明，这一效应依赖于交感神经系统。当研究人员通过手术切断支配iBAT的交感神经后，光激活PVN^VGlut2→LC环路所引起的产热效应（表现为iBAT温度升高和产热关键蛋白UCP1表达增加）被完全阻断。体内电生理记录也证实，光激活能有效诱发LC内神经元产生动作电位。这说明，PVN通过谷氨酸能信号激活LC，进而通过交感神经输出指令，最终驱动iBAT产热。

研究的最后部分探讨了长期干预该环路对肥胖的治疗潜力。研究人员对高脂饮食诱导的肥胖小鼠进行为期两周的化学遗传学干预，持续激活PVN^VGlut2→LC环路。结果发现，与对照组相比，干预组小鼠体重增长减缓，累积摄食量减少，iBAT温度升高，白色脂肪组织重量减轻，体脂率下降，并且葡萄糖耐受和胰岛素敏感性得到显著改善。这证明长期激活该环路能够有效对抗饮食诱导的肥胖和代谢紊乱。

为了确认谷氨酸在这一环路中的关键信使作用，研究人员使用病毒工具特异性阻断了PVN→LC环路中的谷氨酸释放。结果发现，阻断谷氨酸释放的小鼠表现出能量代谢能力下降，体重增加，脂肪堆积，葡萄糖代谢紊乱，iBAT产热功能受损。这进一步证实，PVN^VGlut2神经元正是通过释放谷氨酸来激活下游LC神经元，从而发挥其代谢调控作用。

综上所述，这项研究系统阐明了PVN^VGlut2→LC神经环路在能量稳态中的核心作用。该环路能够整合摄食抑制和外周产热信号，双向调节能量平衡。其激活代表了一种应对长期能量过剩的补偿性负反馈机制。在肥胖状态下，尽管该环路可能被代偿性激活，但由于下游信号通路（如瘦素抵抗）的损伤，其保护效应可能被削弱。而通过光遗传或化学遗传手段直接增强该环路的活性，则可以克服这些障碍，有效抑制食欲、促进产热、减轻体重并改善代谢健康。这项研究不仅深化了我们对下丘脑-脑干交互作用在代谢调控中机制的理解，更重要的是，为开发针对肥胖及相关代谢疾病的神经环路精准干预策略提供了新的理论依据和潜在靶点。