Nature | IF 60.9 组织透明化成像技术研究哺乳动物味觉系统的编码和认知环路

动物的味觉系统能够识别味道，动物通过味道识别以区别不同的味觉品质，进一步确定奖赏价值，从而引导其行为。

本文中，作者对甜和苦是如何赋予味觉价值进行了探讨。作者发现，记忆甜味和苦味的海马体投射到杏仁核不同的区域，通过从开杏仁核的选择性味觉输入，作者发现，可以对中性的水赋予积极或者消极的味觉信号，甚至可以逆转甜或苦的食物的奖赏性。值得注意的是，杏仁核被沉默的动物不再表现出与直接刺激味觉海马体或甜或苦的化学物质相关的行为。然而，这些动物仍然能够识别和区分食物，正如野生型对照组一样。

这些结果有助于解释味觉系统如何产生刻板和预定的吸引性和厌恶性味觉行为，并证实了味觉区分和价值分配的不同的神经基础。

 

 

 

01 背景介绍

 味觉系统负责检测和应对五种基本味觉品质：甜、酸、苦、咸和鲜味。这五种味道都是由舌和口腔上皮细胞上的专门味觉受体细胞（TRCs）检测到的，每种味觉都由特定的TRCs负责。

在小鼠中，味觉信息从口腔中的味觉受体细胞通过四个神经站传播到初级味觉皮质（岛叶皮质）：味觉受体细胞到味蕾神经节，然后到孤束核、下丘脑、杏仁核和岛叶皮质。内在光子成像研究显示，甜味和苦味在皮质中有空间上各自的区域；通过在清醒小鼠中激活这些味觉皮质区域，可以在没有味觉刺激的情况下引发典型的味觉行为。

 

02 结果

味觉刺激的两个最重要的感官特性是其认知和奖赏性。通过研究甜和苦的皮质区域的神经目标，或许可以揭示食欲与厌恶食欲的味觉环路逻辑。为了追踪甜和苦皮质区域的神经元投射，作者在甜皮质区域标记了增强绿色荧光蛋白（eGFP）的神经元，在苦皮质区域标记了红色荧光蛋白（tdTomato），然后使用光片显微镜进行快速3D成像，成像的组织经过组织透明化技术处理。结果表明，甜和苦皮质区域的投射目标包括对侧味觉皮质、杏仁核、海马体和尾状核。

 

值得注意的是，甜和苦皮质区域的投射以独立的形式导航到杏仁核时表现出显著的分离（见图1b，c；扩展数据图1），甜皮质区域的神经元终止在前基底杏仁核（BLAa），而苦皮质区域的神经元主要投射到中央杏仁核（CEA），其中有些突触位于BLA。

图1

扩展图1

 

通过使用基于腺相关病毒（AAV）的跨突触传递Cre-重组酶（AAV-Cre-Tg）的逆行标记实验来证实这些发现（图2；扩展数据图2显示了活动依赖性标记）的结果证实了甜皮质区域神经元的目标是BLA，苦皮质区域神经元的目标是CEA。

图2

扩展图2

 

杏仁核是参与情绪处理、动机和正负刺激的关键大脑结构，已经有多项研究表明，BLA和CEA都包含不同种类的神经元，这些神经元被负性或正性刺激激活。作者发现甜味皮质区域和苦味皮质区域的神经元对食欲（甜）和厌恶（苦）的投射存在如此明显的分离，这即指出了杏仁核在产生针对味觉刺激的特定奖赏性行为反应方面的解剖学上的分工。

 

基于上述结果，作者在动物饮用水（无偏好刺激）时，通过光遗传的手段激活BLA中甜味皮质神经元的终端，从而引发食欲味觉行为，而刺激CEA中苦味皮质神经元的投射终端引起厌恶行为，实验结果表面，光遗传激活BLA中甜味皮质神经元终端引发了舔食（即自我刺激；图3b，c）的显著增加，而激活CEA中苦味皮质神经元投射强烈抑制了舔食反应（图3b，d）。

 

图3

 

通过向杏仁核局部注射AMPA受体拮抗剂NBQX21来药理沉默突触活动。结果（图3e，f）表明，在杏仁核中抑制突触传递会消除所有光引发的反应。重要的是，在洗脱药物后，这些反应完全恢复（图3e，f）。总之，这些结果表明，激活甜或苦皮质-杏仁核通路足以对中性味觉刺激施加积极或消极的影响。

 

通过以上结论有理由推测，激活苦味或甜味皮层到杏仁核投射，或许可以覆写味觉刺激引起的奖赏反应。因此，作者使用了一种特别的行为测试，让口渴的ChR2表达动物暴露于随机呈现的水、苦味化学物质或甜溶液（图4a）。在表达ChR2的苦味皮质神经元的动物的杏仁核上放置刺激光导纤维，以研究光激活苦味-杏仁核投射的影响（图4b）。图4c表明，刺激杏仁核中的苦味目标确实足以将甜味物质的食欲性质转变为厌恶性质。相反，通过光激活苦味皮质神经元终端的杏仁核目标，可以改变苦味物质的感知奖赏性（图4d，e）。这些结果强调了杏仁核在赋予味觉线索奖赏性方面的关键作用。

图4

 

为了研究没有杏仁核功能时的味觉刺激效应，作者进行了一系列的杏仁核沉默研究。

在甜味皮层的神经元中引入ChR2，通过在杏仁核双边注射AAV编码的抑制性DREADD受体进行化学遗传沉默，然后测试动物对味觉信号的反应，结果显示，杏仁核沉默足以消除与甜皮质区域激活相关的所有吸引力反应（图5b）；与使用NBQX（一种抑制性药物）而不是DREADD（一种抑制性DREADD受体）的药理学抑制杏仁核相比，结果相同（图5c）。

通过对苦味皮层进行相同的操作，得到了类似的结果，杏仁核沉默也足以消除与苦味皮质区域激活相关的所有厌恶反应（图5e，f）。在NBQX抑制杏仁核之后，小鼠舌上传递的味觉信号识别受到损害，小鼠对甜味和苦味感知的行为能力受到了严重的影响（图5g-i）。

图5

根据上述结论，沉默甜味或苦味皮质可以阻止甜味或苦味物质的识别，而光遗传激活这些皮质区域可以引发典型的甜味和苦味相关行为。如果味觉刺激的认知和奖赏性被编码在不同的神经基础上，那么即使对杏仁核功能沉默的动物，也应该能够识别甜味或苦味刺激的认知。

 

作者使用两种不同的行为测试方法训练小鼠识别味觉刺激：三孔测试和Go/No-go测试。

 

在三孔测试中，小鼠从中心喷嘴（随机呈现水、甜或苦味化学物质）中学习采样一个味觉线索，然后通过前往右侧或左侧的端口来识别不同的味觉信息；正确的反应会得到4秒的水奖励（图6a）。在经过训练之后，训练过的老鼠：

（1）能够在随机化尝试中准确报告每个味觉刺激的信息，准确率超过90%（图6b）；

（2）正确泛化到其他甜味和苦味刺激（未在训练集中使用）并作出正确的行为反应（图6b，与训练相比测试）；

（3）适当地报告直接光遗传激活甜味皮质为“甜”，约90%的水+光试验产生正确反应（图6c）。

图6

 

在Go/No-go行为测试中，同时检查甜味和苦味识别。口渴的动物被训练从喷嘴中采样一个测试味觉刺激，然后通过舔（Go）或不舔（No-go）来进行味觉识别。经过15-20次训练后，小鼠在90%以上的准确率下识别味觉刺激（图6e）。结果（图6f）表明，与三孔测试中的观察一样，杏仁核沉默确实不影响动物对甜味或苦味刺激的识别。这些研究证实了杏仁核是驱动味觉刺激的特定奖赏性行为所必需和足够的，以及皮质独立表示味觉信息。

 

03 讨论

最近，分子研究表明，杏仁核中存在不同种类的神经元，可能作为各种积极和消极奖赏性反应的神经基础。在本研究中，作者发现甜味和苦味皮质具有杏仁核的独立投射目标，并且光激活这些皮质-杏仁核投射引发相反的反应。这些结果为强加甜和苦味奖赏性以及硬编码吸引力和厌恶感的基本逻辑提供了解剖学基础。

 

杏仁核已知可以提供巴甫洛夫性关联的代表，因此先天性奖赏和厌恶味觉物质也可能作为无条件刺激在条件反射协议中发挥作用。因此，除了强加味觉刺激的奖赏性，杏仁核还可能将味觉奖赏性与其他刺激联系起来，以便形成关联记忆，从而可以通过其他模式产生的中性线索引发特定奖赏性行为。值得注意的是，甜味和苦味皮质还投射到多个大脑区域，包括参与摄食、运动系统、多感官整合、学习和记忆。在将来，解开这些电路如何结合来驱动先天性和学习反应将是非常令人兴奋的。