让我们面对现实吧。午餐开始吃巧克力蛋糕的想法可能很诱人，但实际上很少有人会做出这样的选择。然而，在用餐结束时，许多人会毫不犹豫地伸手去拿同样的蛋糕。
这一现象背后的原因是身体不断变化的内部状态:到午餐时间，身体通常需要蛋白质，所以大脑促进特定的食物选择。然而，在蛋白质被摄入后，碳水化合物可能是填充身体脂肪储备的好东西。
但是内部状态很少是一维的。一个人可能同时缺乏多种营养物质(如蛋白质和盐)，同时怀孕，这种状态承载着自己的需求。大脑如何总结这些平行的内部状态来指导行为?
今天(7月6日)发表在《自然》杂志上的一项研究为这个复杂的问题提供了新的见解。该研究的资深作者、葡萄牙Champalimaud基金会的首席研究员卡洛斯·里贝罗(Carlos Ribeiro)说:“我们表明，大脑处理感觉输入的方式取决于动物是否缺乏特定的营养物质或怀孕了。”“通过这项工作，我们确定了一个综合内部状态来塑造大脑功能和决策的一般原则。此外，我们在这项研究中开发的新的显微镜策略可能对理解食物选择内外行为的神经基础很有价值。”
科学家们开发了一种新的显微镜技术来跟踪果蝇品尝不同食物时大脑的活动。通过这种方法，他们揭示了怀孕和蛋白质缺乏如何影响大脑功能，从而促进对特定食物的渴望。图片来源:尚帕利莫基金会Ribeiro实验室。
进入未知的神经领域
为了研究内部状态是如何塑造行为的，Ribeiro的团队将注意力集中在果蝇大脑中一个相对鲜为人知的区域，即食管下区。这个区域被认为在食物选择中起着至关重要的作用，因为它接收大部分的味觉输入，并容纳控制进食的运动神经元。然而，由于该区域主要由密集缠绕的神经纤维组成，其解剖亚结构并不明确。
为了了解它是如何运作的，该团队决定创建一个经济特区的“功能图集”。换句话说，他们开始识别组成这个区域的子结构，并为每个子结构赋予特定的功能。为此，该研究的主要作者丹尼尔Münch首先在果蝇大脑的所有神经元中表达了荧光活动报告。然后，他对四组果蝇进行了先进的3D神经成像，每组果蝇代表不同的内部状态。
“我们想要了解两种强大的蛋白质食欲调节剂——蛋白质剥夺和生殖状态——是如何在大脑中相互作用的。因此，我们定义了四个实验组:完全喂养的处女、缺乏蛋白质的处女、充足喂养的交配果蝇和缺乏蛋白质的交配果蝇。当苍蝇品尝蔗糖、水和酵母(苍蝇的天然蛋白质来源)时，我们记录了在经济特区的神经活动。”Münch解释道。
食欲地图
该团队创建的地图集包括横跨整个经济特区的81个地区。这些区域与经济特区以前描述的大部分感觉和运动区域相对应，也包括以前未被识别的新区域。
“我们的地图集捕捉到了一些已知的地区。例如，一种形状像香蕉的果蝇，它从位于鼻子(苍蝇的嘴)的味觉神经元接收输入。”Münch说。“我们还在经济特区的后面发现了一个翼状区域，我们将其命名为Borboleta地区(葡萄牙语中蝴蝶的意思)。这一区域后来被证明在推动蛋白质食欲方面发挥着关键作用。”
除了确定新的区域，图谱还揭示了内部状态对神经活动的影响，确定了“波波莱塔区域”是蛋白质食欲的驱动因素。四组对水和蔗糖的反应几乎没有变化。然而，富含蛋白质的食物有显著的效果。
“在经济特区的大部分地区，蛋白质含量丰富的食物引发的活动在缺乏蛋白质的动物中强烈增加。然而，交配主要影响经济特区运动区域的活动。这有点令人惊讶，因为众所周知，交配和蛋白质剥夺都会增加蛋白质的食欲，所以我们没有想到会发现如此不同的反应模式，”Münch说。
他们还见证了联合内部状态对神经活动的协同效应。Münch解释说:“在经济特区的运动区域，缺乏蛋白质的雌性交配后的活动最高。”“这意味着，即使这对共存的内部状态——蛋白质缺乏和怀孕——在不同的神经回路中处理，它们最终会汇聚在同一个区域，促进蛋白质食欲。”
操纵神经元来诱导对蛋白质的渴望
该团队在经济特区发现了新的区域，并见证了不同的口味和内部状态如何影响这些区域的神经活动。但是，他们如何知道这些区域是否真的与驱动食物偏好有关呢?
Münch网站上说:“这时我们开始研究新发现的波波莱塔区域，蛋白质的味道在这里引发了强大的神经活动。”“我们推断，如果它真的参与了这种行为，我们可以通过人工激活该区域的神经元来影响蛋白质的食欲。”
该团队将他们创建的图谱与另一个预先存在的图谱进行了比对，后者绘制了神经元组的神经支配模式。然后，他们选择borboleta区域的神经元，并在进食充足的果蝇中激活它们，这些果蝇通常更喜欢蔗糖而不是蛋白质。这种操作导致了蛋白质食欲的显著增加。
Münch回忆道:“我们觉得我们回到了原点:从观察到功能。”“首先，我们观察了四组果蝇的食物偏好，注意到缺乏蛋白质和交配的果蝇对蛋白质有高度的偏好。然后，我们对经济特区的神经活动进行了成像，创建了图谱，并确定了新的区域。最后，我们确认了其中一个区域与我们最初观察到的通过操纵其活动产生的行为有关。”
里贝罗补充说:“总的来说，我们的方法允许识别神经元和特定行为之间的联系，这些行为与食物选择以及潜在的其他行为有关。”“我们的方法很难在果蝇以外的任何系统中实施。我们现在拥有的工具使果蝇成为一个惊人的实验系统，使我们能够解剖大脑如何运作。重要的是，经济特区与脊椎动物的脑干相似。因此，我们的研究结果对神经科学有着广泛的影响。它们也可能启发未来的研究，目的是将脑活动图谱与功能电路解剖联系起来。现在是神经科学家激动人心的时代。”他总结道。
