《Neuron》：Anterior zona incerta to ventral tegmental area circuit controls compulsive eating in a binge-eating-disorder mouse model
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强迫性是暴食症（binge eating disorder, BED）的一个定义性特征，然而维持强迫性暴食的环路基础仍不清楚。在此，研究人员鉴定出前侧未定带（anterior zona incerta, aZI）中酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxy
强迫性是暴食症（binge eating disorder, BED）的一个定义性特征，然而维持强迫性暴食的环路基础仍不清楚。在此，研究人员鉴定出前侧未定带（anterior zona incerta, aZI）中酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）-细菌人工染色体（bacterial artificial chromosome, BAC）-Cre标记的γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）能神经元（aZIT神经元）是驱动强迫性暴食的关键群体。在小鼠BED模型中，间歇性高脂饮食（high-fat diet, HFD）训练增强了aZIT神经元的兴奋性，而这种增强是强迫性摄食行为发展所必需的。这些神经元投射至腹侧被盖区（ventral tegmental area, VTA），在此处它们促进抵抗厌恶刺激的觅食和摄食行为。在机制上，BED训练通过直接和间接通路降低aZIT神经元对VTA多巴胺神经元的抑制性控制，这一效应导致伏隔核（nucleus accumbens, NAc）中多巴胺释放增强。单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）和行为学分析进一步鉴定出neurensin 2（Nrsn2）作为aZI暴食神经元的遗传标记，该基因在功能上促成强迫性暴食。综上，这些发现定义了一个细胞类型特异性的未定带-腹侧被盖区（ZI-VTA）环路，该环路通过募集mesolimbic多巴胺信号来驱动强迫性暴食。
### 研究背景与科学问题
暴食症（binge eating disorder, BED）是全球最常见的进食障碍，以反复发作的过量食物摄入并伴随进食失控感为核心特征。临床上，这种失控同时包含冲动性和强迫性两种成分。冲动性暴食被认为源于中脑边缘多巴胺系统依赖的增强的诱因显著性（“想要”），而强迫性进食则定义为尽管面临不良后果仍持续进行的重复性摄食行为。尽管强迫性进食的行为特征已被充分描述，但特异性维持强迫性暴食的神经环路机制尚不清楚。中脑边缘多巴胺系统在享乐性和强迫性进食中发挥重要作用，已有研究表明BED患者进食刺激时纹状体多巴胺释放增强。然而，在BED中募集中脑边缘多巴胺信号的上游食物响应性神经底物仍未被完全阐明。未定带（zona incerta, ZI）是丘脑下区一个具有广泛投射的脑区，已被证实参与摄食、捕猎和新奇探索等动机行为调控。尽管激活ZIγ-氨基丁酸（GABA）能神经元可驱动快速暴食样进食和体重增加，但特异性ZI亚群是否直接募集中脑边缘多巴胺信号以驱动强迫性暴食仍属未知。
### 研究人员开展的研究及核心结论
研究人员在小鼠BED模型中鉴定出一群位于前侧未定带（anterior zona incerta, aZI）的酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）-细菌人工染色体（bacterial artificial chromosome, BAC）-Cre标记的GABA能神经元（aZIT神经元），证明这群神经元是驱动强迫性暴食的关键群体。间歇性高脂饮食（high-fat diet, HFD）训练增强aZIT神经元的兴奋性，这种可塑性对强迫性摄食行为的发展是必需的。aZIT神经元投射至腹侧被盖区（ventral tegmental area, VTA），在此通过直接和间接双重通路调控VTA多巴胺神经元，最终增强伏隔核（nucleus accumbens, NAc）多巴胺释放，从而驱动抵抗电击和苦味等厌恶刺激的强迫性进食。通过单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）和行为学分析，研究人员进一步鉴定出neurensin 2（Nrsn2）作为aZI暴食神经元的遗传标记和功能介质，基因敲降Nrsn2可选择性损害强迫性暴食而不影响常规HFD摄入。该研究首次定义了BED中细胞类型特异性的未定带-腹侧被盖区（ZI-VTA）环路机制，将食物响应性丘脑下神经元与多巴胺依赖的强迫性进食联系起来。相关成果发表于《Neuron》。
### 主要关键技术方法
研究人员主要运用了以下关键技术方法：运用光遗传学（optogenetics）和化学遗传学（chemogenetics）实现神经元亚群和投射通路的选择性激活与抑制；运用光纤记录（fiber photometry）结合基因编码钙指示剂GCaMP7b和多巴胺探针GRAB-DA4.4实时监测神经元活性和多巴胺动态；运用脑片全细胞膜片钳电生理记录检测突触传递和可塑性；运用单细胞RNA测序（scRNA-seq）鉴定分子标记物；结合固定比例（fixed ratio, FR）和渐进比例（progressive ratio）操作式条件反射、电击惩罚和苦味物质厌恶刺激等行为学范式评估强迫性进食行为。动物模型采用TH-BAC-Cre转基因小鼠，通过间歇性HFD获取范式构建BED模型。研究使用了C57BL/6J、Vgat-IRES-Cre、DAT-IRES-Cre和Nrsn2-IRES-iCre等小鼠品系。
### 主要研究结果
**前侧未定带GABA能神经元诱导深度暴食**：通过光遗传学分别刺激未定带的三个不同分区（ZI 1-3），发现刺激位于前侧未定带的ZI 1区可诱发最显著的暴食行为（食物摄入增加3.4倍），达到暴食标准（>2.5倍）。进一步研究发现TH-BAC-Cre转基因系标记的神经元主要分布于aZI，其中约80%为GABA能神经元，占aZI GABA能神经元总数的约40%，这群被命名为aZIT的神经元构成了功能特异性的暴食促进亚群。
**BED模型中aZIT神经元表现出增强的食物响应性**：利用光纤记录结合GCaMP7b钙成像，研究人员观察到aZIT神经元在HFD呈现时钙信号快速升高，在接近和互动期间继续上升，于首次咬食时达到峰值，并在摄食期间逐渐下降。经过BED训练后，所有这些阶段的反应均显著增强，表明aZIT神经元活性追踪摄食过程并在BED训练后敏感化。
**BED建模后aZIT神经元发生兴奋偏向的突触可塑性**：电生理记录显示，与对照小鼠相比，BED小鼠aZIT神经元自发兴奋性突触后电流（sEPSC）频率显著增加，而幅度不变；自发抑制性突触后电流（sIPSC）幅度降低，频率不变。在BED训练期间（第1-3周期）化学遗传学抑制aZIT神经元可阻断上述可塑性变化。连续HFD暴露不改变sEPSC频率，表明该效应特异于间歇性BED范式的兴奋性突触增强。
**BED诱导突触重塑的结构基础**：电子显微镜分析显示，BED训练显著增加aZI兴奋性突触数量而不改变抑制性突触数量，导致兴奋性/抑制性（E/I）比率升高。逆行示踪实验鉴定出外侧下丘脑（lateral hypothalamic area, LH）、中缝背核（dorsal raphe nucleus, DRN）和深部小脑核（deep cerebellar nuclei, DCN）等上游区域可能是驱动BED小鼠aZI过度兴奋性的有效兴奋性输入。
**aZIT神经元活性对BED发展是必需的**：急性光遗传学激活aZIT神经元诱导食物摄入增加7.1-10.8倍，而激活该区域非TH-BAC-Cre标记的GABA能神经元不改变食物摄入。在BED建模过程中，于每次HFD获取前化学遗传学抑制aZIT神经元可显著并逐步减少暴食摄入。仅在第1-3个训练周期给予CNO的早期抑制也能降低第4个暴食周期的摄入量，表明aZIT活性不仅介导暴食表达，还贡献于BED的进展。
**aZIT→VTA通路对暴食既充分又必要**：末端特异性光遗传学刺激显示，激活aZIT→VTA和aZIT→中脑导水管周围灰质（periaqueductal gray, PAG）投射均可重现胞体刺激的暴食效应，而激活aZIT→丘脑室旁核（paraventricular thalamus, PVT）投射未达到暴食标准。食物选择实验显示，仅激活aZIT→VTA通路保持对HFD的偏好，而aZIT→PAG通路诱导无差别啃咬和摄食。逆行标记和光纤记录显示，VTA投射的aZIT神经元在BED训练后同样出现反应增强。抑制aZIT→VTA投射显著降低暴食周期中的HFD摄入，表明该通路对BED发展具有关键贡献。
**aZIT-VTA激活促进抵抗电击惩罚的强迫性食物寻求**：在操作式条件反射任务中，足部电击显著抑制食物寻求，而激活aZIT胞体或其VTA投射可显著恢复受惩罚状态下的鼻戳次数和食物摄入量。测量第5至第6次鼻戳间隔时间（inter-poke interval, IPI）显示，激活aZIT-VTA通路可将电击引起的延长IPI（>150秒）恢复至接近基线水平（<50秒），表明该通路驱动强烈的强迫性食物寻求动机。该效应不改变热痛敏感性，排除痛觉改变的可能。经过BED训练的小鼠表现出更强的强迫性摄食行为，急性或早期化学遗传学抑制aZIT神经元均可阻断这一增强效应。
**aZIT-VTA激活促进抵抗苦味奎宁的强迫性摄食**：使用苦味剂奎宁浸泡食物作为另一类厌恶刺激，激活aZIT神经元或其VTA投射均显著增加小鼠在厌恶性味觉存在时的食物获取和摄入量，同时缩短获取食物的潜伏期。BED训练增加常规HFD和奎宁浸泡HFD的摄入，而化学遗传学抑制aZIT神经元可完全阻断BED诱导的强迫性摄食。
**aZIT-VTA环路调节伏隔核多巴胺释放**：使用GRAB-DA4.4多巴胺传感器监测NAc多巴胺动态，发现HFD呈现和摄食期间NAc多巴胺水平显著升高，且4次暴食经历后进一步增加。光遗传学刺激aZI→VTA末端可可靠地诱导NAc多巴胺释放，其幅度与BED训练后观察到的水平相当。化学遗传学抑制aZIT神经元显著降低暴食期间NAc多巴胺释放。向NAc局部输注多巴胺D1受体（D1R）或D2受体（D2R）拮抗剂均可显著抑制aZIT→VTA回路激活诱导的暴食。
**aZIT神经元与VTA GABA能和多巴胺神经元形成双重环路**：跨突触示踪显示aZI支配的VTA神经元中约20%为GABA能神经元、约30%为多巴胺能神经元。光纤记录显示激活aZI→VTA末端显著抑制VTA GABA能神经元活性并增强VTA多巴胺能神经元活性，且这些效应在BED训练后进一步增强。电生理记录表明BED训练选择性降低VTA酪氨酸羟化酶阳性（TH+）神经元上光诱发抑制性突触后电流（oIPSC）的幅度，同时增加VTA TH阴性（TH-）神经元上光诱发量子化IPSC的频率。这种双重可塑性——对直接通路的抑制减弱和对间接通路的抑制增强——构成对多巴胺神经元的去抑制机制，最终放大NAc多巴胺输出。
**Nrsn2是aZIT暴食神经元的选择性遗传标记**：单细胞RNA测序分析鉴定出Nrsn2作为aZIT神经元的标记基因，约62%的aZIT神经元表达Nrsn2，aZIT神经元占Nrsn2阳性神经元的约40%。通过CRISPR-Cas9技术生成Nrsn2-IRES-iCre基因敲入小鼠系，激活aZI Nrsn2阳性神经元可诱导HFD和普通饲料摄入增加约5.5倍，且其钙活动在BED训练后同样增强。在BED模型中敲降aZI Nrsn2表达不影响BED训练前的常规HFD摄入，但进行性减弱暴食期间的食物摄入，表明Nrsn2选择性参与强迫性暴食而非常规HFD摄入。
### 讨论与结论
本研究从解剖学、遗传学和功能学层面系统鉴定出aZI中一个定义明确的GABA能神经元亚群（aZIT），该亚群通过投射至VTA的环路驱动BED中的强迫性暴食。此前研究发现ZI GABA能→PVT通路激活仅约增加摄食3.5倍，勉强达到暴食阈值，而本研究中激活aZIT神经元可诱导高达10.8倍的摄食增加。BED中aZIT神经元的突触可塑性特征与饮食诱导肥胖模型存在本质区别，提示二者神经机制根本不同。研究还揭示了BED中多巴胺超敏的环路解释：aZIT通过同时调节直接和间接通路——减弱对VTA多巴胺神经元的直接抑制并增强对VTA GABA神经元的抑制——实现对多巴胺神经元的去抑制放大效应。Nrsn2作为功能性介质和遗传标记的发现为理解暴食神经元的分子机制和开发靶向治疗策略提供了新视角。
研究结论部分指出：aZIT神经元构成BED发展的关键神经基质，aZIT→VTA通路通过增强mesolimbic多巴胺信号驱动强迫性暴食行为。
