基于AI的自动化时间分析揭示中脑边缘多巴胺调控小鼠应激诱导的持续性进食

《Frontiers in Neuroscience》：Automated temporal analysis reveals stress-induced protracted feeding regulated by mesolimbic dopamine in mice

　　

进食行为在神经精神疾病中发生改变，环境应激也会塑造进食行为。在研究人员此前的研究中，暴露于多重应激的小鼠形成了一种以偏离饵料接近为特征的进食行为模式，研究人员将其定义为“固定性进食”（fixated feeding），同时伴有中脑边缘多巴胺系统损害。本研究使用基于DeepLabCut和SimBA构建的人工智能（artificial intelligence, AI）分析框架，检测了进食行为的时间组织。经历社会隔离或间歇性高脂饮食（high-fat diet, HFD）暴露的小鼠表现出延长的进食回合，研究人员将该模式定义为“持续性进食”（protracted feeding）。向伏隔核（nucleus accumbens, NAcc）壳部给予多巴胺可减弱饮食和隔离诱导的持续性进食。仅躯体束缚应激本身不诱导持续性进食，但莫沙必利处理可延长束缚小鼠的进食回合。因此，束缚相关的外周自主神经和胃肠状态可能影响应激相关时间性进食偏差的表达。在腹侧被盖区（ventral tegmental area, VTA）-DREADD队列中，相同的时间分析显示，抑制VTA多巴胺能活性可延长进食回合。这将固定性进食的回路框架从空间域扩展至时间域。这些偏差并非总伴随摄入量或代谢因素的改变，因此时间性进食模式的改变可能反映了中脑边缘多巴胺系统中应激相关通路的扰动。持续性进食与固定性进食一起，可能用作应激相关奖赏系统功能障碍的候选行为读出指标。

进食行为在神经精神疾病中发生改变，环境应激同样塑造进食行为。以往研究常以摄食量作为主要指标，但应激既能引起暴食也能引起厌食，进食量并不能可靠反映应激对进食系统的作用。进食行为还包括食物选择、进食时间与模式等定性特征，这些特征由下丘脑稳态机制与奖赏/动机环路（包括中脑边缘多巴胺通路）相互作用决定。研究人员前期发现，心理社会应激可诱导中脑边缘多巴胺系统低反应性，并产生空间上的固定性进食（fixated feeding），即以偏离饵料接近为特征的异常偏好。然而，先前工作采用实时监测系统识别了空间固定性进食，其时间微观结构仍不清楚。因此，本研究将固定性进食概念从空间偏差扩展到时间组织，考察持续性进食（protracted feeding）能否作为应激相关奖赏系统功能障碍的敏感读出指标。

研究人员使用基于DeepLabCut和SimBA的AI分析框架，对前期及新增行为录像进行了时间性分析。结果发现，社会隔离和间歇性高脂饮食（HFD）暴露诱导进食回合延长，即持续性进食；NAcc壳部多巴胺给药可减轻这种延长，而抑制VTA多巴胺能神经元则重现延长。这提示中脑边缘多巴胺系统在时间维度上调节进食模式，并与固定性进食共同构成应激相关奖赏功能障碍的候选行为读出。

主要技术方法：DeepLabCut（ResNet-50）无标记姿态估计，SimBA随机森林分类器进行逐帧进食行为分类；采用7秒间隙合并规则定义进食回合，以每只小鼠平均进食回合时长为终点。队列来源：间歇性HFD、社会隔离、躯体束缚、NAcc壳部多巴胺和VTA-DREADD队列大多来自前期数据集（Fujioka et al., 2024）的重分析；躯体束缚+莫沙必利队列为新采集，仅含雄性。实验使用C57BL/6J和DAT-Cre小鼠，化学遗传采用抑制性DREADD（hM4Di）策略。

3.1 基于AI的分析检测时间性进食行为模式（AI-based analysis detects temporal feeding behavior patterns）

研究人员在四饵料容器装置中记录4小时进食行为（30帧/秒），DeepLabCut追踪耳、鼻、尾基部，SimBA分类进食。将AI测得的平均进食回合时长与人工评分回归，R²=0.5819（p<0.0001，n=170），表明AI系统能复现人工评分，可高通量量化时间结构。

3.2 社会隔离与间歇性HFD诱导持续性进食（Social isolation and intermittent HFD induce protracted feeding）

与对照组相比，间歇性HFD组（Welch t检验，p=0.0110）和社会隔离组（p=0.0213）的平均进食回合时长显著增加，人工评分确认（p<0.0001和p=0.0096）。研究人员将该模式定义为持续性进食。这些延长发生在摄入量变化不一致的情况下（HFD增加摄入，隔离无一致变化），因此不是摄入量增加的替代指标。

3.3 单独躯体束缚应激不改变平均进食回合时长，而莫沙必利在束缚小鼠中增加该指标（Physical restraint stress alone does not significantly alter mean feeding-bout duration, whereas mosapride increases it in restrained mice）

躯体束缚组与对照相比平均进食回合时长无显著差异（AI：p=0.1661；人工：p=0.4492）。鉴于束缚应激伴随交感激活和代谢变化，研究人员假设外周自主神经/胃肠状态限制进食维持。在束缚小鼠中给予外周5-HT4受体激动剂莫沙必利后，平均进食回合时长显著增加（p=0.0374），总摄食量未变，提示外周状态影响时间性异常的检出。

3.4 中脑边缘多巴胺信号双向调节持续性进食（Mesolimbic dopamine signaling bidirectionally regulates protracted feeding）

在间歇性HFD组中，NAcc壳部多巴胺输注显著降低平均进食回合时长（p=0.0332）；在社会隔离组中也显著降低（p=0.0440），而摄入量无差异。在DAT-Cre小鼠VTA表达抑制性DREADD后，CNO抑制VTA多巴胺能神经元显著延长平均进食回合时长（配对t检验，p=0.0360），且同时总摄食量减少。这表明VTA-NAcc轴调控时间性进食结构。

讨论部分总结：研究人员认为，固定性进食反映空间偏差，持续性进食反映时间偏差，两者在摄食量变化不一致的情况下共同出现，提示进食模式分析可揭示仅凭摄入量无法检测的奖赏系统功能障碍。AI分析具有较高吞吐量和可解释性，但人工评分与AI在个体水平仅中度相关（R²=0.5819）。束缚相关外周自主神经和胃肠状态可能调节时间性异常的可检测性；莫沙必利在束缚小鼠中延长进食回合，但该实验缺少非应激对照组，不能证明束缚特异性。结论：社会隔离和间歇性HFD暴露改变进食的时间结构；莫沙必利处理延长束缚小鼠的进食回合，但其应激特异性尚未确定。与固定性进食一起，持续性进食表明应激损伤的奖赏通路功能会破坏进食的空间和时间组织。进食模式分析可能为奖赏系统功能障碍提供敏感的行为读出指标。