本研究的目的是通过建立一种可靠的免疫组织化学技术,利用细胞c-fos激活来检测大鼠首次摄入脂肪和糖后多巴胺通路及其终末位点的同步变化,从而鉴定与奖赏相关的分布式脑网络。
方法文章
* These authors contributed equally
本研究的目的是通过建立一种可靠的免疫组织化学技术,利用细胞c-fos激活来检测大鼠首次摄入脂肪和糖后多巴胺通路及其终末位点的同步变化,从而鉴定与奖赏相关的分布式脑网络。
本研究利用细胞c-fos激活来评估大鼠初次摄入脂肪和糖类对脑内多巴胺(DA)通路的影响。糖类和脂肪的摄取行为既受其固有吸引力的驱动,也受到后天习得偏好的调节。脑内多巴胺,特别是源自腹侧被盖区(VTA)的中脑边缘和中脑皮层投射通路,已被证实参与介导这两种先天及后天的反应。尽管已有研究提出“分布式脑网络”的概念,认为多个脑区及神经递质/肽类系统相互作用以调节可口食物的摄入,但目前尚缺乏足够的实验证据来明确支持这一机制。因此,摄入糖类可引起多巴胺释放,并增加VTA多巴胺投射区域的c-fos样免疫反应性(FLI),这些区域包括伏隔核(NAC)、杏仁核(AMY)、内侧前额叶皮层(mPFC)以及背侧纹状体。此外,向上述脑区中枢给予特异性多巴胺受体拮抗剂,可差异性地降低由糖类或脂肪诱导的条件性风味偏好的获得与表达。为确定这些脑区是否在摄入糖类或脂肪后以分布式脑网络的形式协同作用,一种可行的方法是同步评估VTA及其主要中脑端脑多巴胺投射区(前边缘和下边缘mPFC、伏隔核核心与壳部、基底外侧及中央-皮质-内侧杏仁核)以及背侧纹状体,在口服摄入无条件刺激的玉米油(3.5%)、葡萄糖(8%)、果糖(8%)和糖精(0.2%)溶液后,是否表现出协调且同步的FLI激活。该方法是成功识别利用细胞c-fos激活在多个相关脑区同步研究啮齿类动物摄食奖赏相关学习可行性的第一步。
脑内多巴胺(DA)被认为通过享乐机制1,2、与努力相关的机制3以及基于习惯的作用机制4,5 ,参与对可口糖类摄入的中枢反应。介导这些效应的主要DA通路起源于腹侧被盖区(VTA),并投射至伏隔核(NAC)的核心与壳部、基底外侧及中央皮质内侧杏仁核(AMY),以及前边缘和下边缘内侧前额叶皮层(mPFC)(参见综述6,7)。VTA已被证实参与蔗糖摄入过程8,9,且在糖摄入后可在NAC10–15、AMY16,17和mPFC18–20中观察到DA的释放。脂肪摄入同样可刺激NAC中DA的释放21,而另一富含DA的投射区域——背侧纹状体(尾状壳核)——也与DA介导的摄食行为相关22,23。Kelley24–27提出,该DA介导系统的多个投射区域通过广泛而紧密的相互连接,构成了一个整合性、交互性的分布式脑网络28–34。
除了多巴胺D1和D2受体拮抗剂能够减少糖类35-37和脂肪38-40的摄入外,多巴胺(DA)信号传导还被认为参与介导糖类和脂肪引发条件性风味偏好的能力(CFP)41-46。将多巴胺D1受体拮抗剂微量注射至伏隔核(NAC)、杏仁核(AMY)或内侧前额叶皮层(mPFC)可消除由胃内葡萄糖引发的条件性风味偏好的获得47-49。将多巴胺D1或D2受体拮抗剂微量注射至mPFC可消除果糖引发的条件性风味偏好的获得50,而在伏隔核和杏仁核中,多巴胺拮抗剂对果糖引发的条件性风味偏好的获得和表达则表现出差异性阻断作用51,52。
c-fos 技术53,54已被用于研究可口食物摄入所诱导的神经激活。本文通篇使用术语"c-fos 激活",其操作性定义为神经元去极化过程中 c-Fos 转录水平的升高。蔗糖摄入可增加杏仁核中央核(AMY)、腹侧被盖区(VTA)以及伏隔核(NAC)壳部而非核部的 fos 样免疫反应性(FLI)55-57。在假饲大鼠中,蔗糖摄入显著增加了杏仁核和伏隔核的 FLI,但未增加腹侧被盖区的 FLI58;而经胃内灌注蔗糖或葡萄糖可显著增加伏隔核以及杏仁核中央核和基底外侧核的 FLI59,60。在定时给予饲料的基础上反复添加蔗糖,可增加前额叶内侧皮质(mPFC)以及伏隔核壳部和核部的 FLI61。采用蔗糖浓度下调范式发现,基底外侧杏仁核和伏隔核的 FLI 增加最为显著,而腹侧被盖区则无明显变化62。在条件反射建立后,糖相关自然奖赏行为的消退过程可增加基底外侧杏仁核和伏隔核的 FLI63。此外,将糖的出现与声音配对后,该声音随后可引起基底外侧杏仁核 FLI 水平的升高64。高脂饮食摄入同样可增加伏隔核和前额叶内侧皮质区域的 FLI65-67。
先前引用的大多数研究仅考察了糖和脂肪对单一脑区c-fos激活的影响,无法提供有关奖赏相关分布式脑网络识别的信息24-27。此外,许多研究也未明确界定伏隔核(NAC,包括核心区和壳区)、杏仁核(AMY,包括基底外侧核和中央-皮质-髓质区)以及内侧前额叶皮层(mPFC,包括前肢核和下肢核)内部亚区的相对作用,而这些亚区的差异本可通过c-Fos图谱所具备的优异空间分辨率和单细胞分辨率加以分析68。本实验室69近期利用c-fos激活技术,同时检测了大鼠初次摄入脂肪和糖类后,腹侧被盖区多巴胺(VTA DA)通路及其投射区域(NAC、AMY和mPFC)发生的变化。本研究详细描述了实验操作与方法步骤,旨在同时分析急性暴露于六种不同溶液(玉米油、葡萄糖、果糖、糖精、水以及脂肪乳剂对照)是否会在NAC、AMY、mPFC以及背侧纹状体的各个亚区中差异性地激活即刻早期基因标记(FLI)。这种对差异的同步检测,使得我们能够确认各脑区FLI的显著变化,并判断某一特定脑区的变化是否与其他相关脑区的变化存在相关性,从而为分布式脑网络的存在提供支持证据24-27。这些实验程序用于检验在口服、非条件性摄入葡萄糖(8%)、果糖(8%)、玉米油(3.5%)和糖精(0.2%)溶液后,VTA、前肢核和下肢核mPFC、NAC的核心区与壳区、AMY的基底外侧核与中央-皮质-髓质区,以及背侧纹状体是否表现出协调且同步的FLI激活。
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这些实验方案已获得机构动物照护与使用委员会的批准,证实所有实验对象和操作均符合美国国立卫生研究院《实验动物照护与使用指南》的要求。
1. 受试者
2. 测试设备与摄入程序
3. 组织制备
4. c-fos 实验步骤(改编自71)
5. c-fos 免疫反应阳性细胞计数的测定

图1. 伏隔核(NAC)代表性切片,显示由网格划定的兴趣区域,用于c-fos计数。 伏隔核壳部位于伏隔核核心的内侧和腹侧。伏隔核核心环绕前连合(Anterior Comm.)。侧脑室(Lateral Vent.)的腹侧边界清晰可见。请点击此处查看该图的放大版本。
6. 统计学
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下文所述所有代表性结果此前均已发表69,此处重新展示旨在提供“概念验证”,以说明该技术的有效性。
溶液摄入量
在实验开始的前四天内,所有动物的基础糖精摄入量存在显著差异(F(3,108) = 57.27,p < 0.001),摄入量呈显著(p < 0.05,Tukey HSD 检验)且逐步上升趋势(第1天:1.3 (± 0.2) ml;第2天:3.9 (± 0.4) ml;第3天:5.9 (± 0.6) ml;第4天:7.1 (± 0.6) ml)。与第4天的糖精摄入量相比,第5天的果糖和葡萄糖摄入量显著增加(p < 0.05,Tukey HSD 检验),而玉米油和糖精的摄入量则无显著变化(p < 0.05,Tukey HSD 检验);其中果糖(9.6 (± 0.4) ml)和葡萄糖(9.4 (± 0.6) ml)的摄入量显著高于糖精摄入量。此外,玉米油摄入量(7....
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本研究旨在利用细胞c-fos技术,确定大鼠初次摄入脂肪和糖后,多巴胺奖赏相关神经元的来源(腹侧被盖区,VTA)及其前脑投射靶区(伏隔核,NAC;杏仁核,AMY;内侧前额叶皮层,mPFC)是否同时被激活。本研究详细描述了先前发表的一项研究的实验方案69。我们假设,VTA及其向 prelimbic 和 infralimbic 区域的mPFC、NAC的核心与壳部、AMY的基底外侧部及中央-皮质-髓质区,以及背侧纹状体的主要投射区域将构成一个分布式的脑网络24–27,并在初次摄入葡萄糖(8%)、果糖(8%)或玉米油(3.5%)溶液后,相对于糖精(0.2%)、水及其他对照溶液,表现出协调且同步的即刻早期基因荧光激活(FLI)。结果表明,玉米油、葡萄糖和果糖的摄入均显著且差异性地激活了VTA、prelimbic和infralimbic mPFC、NAC的核心与壳部、AMY的基底外侧部和中央-皮质-髓质区以及背侧纹状体,而糖精摄入则未产生此类激活。除c-fos技术外,本研究还采用了行为学方法评估糖、脂肪和人工甜味剂的摄入情况。
一个关键步骤是及时采集摄...
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作者无竞争性财务利益。
感谢戴安娜·伊卡萨-库拉基、克里斯塔尔·桑普森和特奥洛吉亚·卡拉吉奥里斯为本项目付出的辛勤努力。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 仪器设备 | |||
| Sprague-Dawley 大鼠 | Charles River Laboratories | CD-1 | |
| 金属丝网笼 | Lab Products, Seaford, DE | 30-Cage rack | |
| 大鼠饲料 | PMI Nutrition International | 5001 | |
| 张紧金属弹簧 | Lab Products, Seaford, DE | n/a | |
| 大鼠电子秤 | Fisher Scientific Company | n/a | |
| Nalgene 离心管 | Lab Products, Seaford, DE | 10-0501 | |
| 橡胶塞 | Lab Products, Seaford, DE | n/a | |
| 金属饮水管 | Lab Products, Seaford, DE | n/a | |
| 糖精 | Sigma Chemical Co | 82385-42-0 | |
| Kool-Aid,樱桃味 | Kool-Aid | Commercial | |
| Kool-Aid,葡萄味 | Kool-Aid | Commercial | |
| 果糖 | Sigma Chemical Co | F0127 | |
| 葡萄糖 | Sigma Chemical Co | G8270 | |
| 玉米油 | Mazzola | Commercial | |
| 黄原胶 | Sigma Chemical Co | 11138-66-2 | |
| 滑动式切片机 | Microm International | n/a | |
| Neurolucida 成像系统 | MBF Bioscience | Software application | |
| 明胶包被载玻片 | Fisher Scientific Company | 12-550-343 | |
| 盖玻片 | Fisher Scientific Company | 12-545-M | |
| 金色尼龙刷 | Loew-Cornell | 2037 | |
| 天然毛松鼠毛刷 | Loew-Cornell | 2022 | |
| 24 孔板 | Fisher Scientific | 3527 | |
| 6 孔板 | Fisher Scientific | 3506 | |
| 1 L Pyrex 瓶 | Fisher Scientific | 1395-1L | |
| 组织嵌入盒(组织筛) | Fisher Scientific | 7200214 | |
| Eagle 移液器 | World Precision Instruments | E10(1–10μl) | |
| Eagle 移液器 | World Precision Instruments | E100(20–100μl) | |
| Eagle 移液器 | World Precision Instruments | E200(50–200μl) | |
| Eagle 移液器 | World Precision Instruments | E1000(100–1000μl) | |
| Eagle 移液器 | World Precision Instruments | E5000(1000–5000μl ) | |
| 通用吸头 0.1–10 μl | World Precision Instruments | 500192 | |
| 通用吸头 5–200 μl | World Precision Instruments | 500194 | |
| 通用吸头 500–5,000 μl | World Precision Instruments | 500198 | |
| Blade Vibroslice 100 刀片 | World Precision Instruments | BLADE | |
| DPX 封片剂 | Electron Microscopy | 13510 | |
| 15 ml 离心管 | Biologix Research Co. | 10-0501 | |
| 载玻片盒 | Biologix Research Co. | 41-6100 | |
| 旋转摇床 | Madell Corporation | ZD-9556 | |
| 称量舟 | Fisher Scientific | 02-202-100 | |
| 5 ml 一次性移液管 | Fisher Scientific | 13-711-5AM | |
| Stereo Investigator 软件 | Micro Bright Field | Software application | |
| 名称 | 公司 | 货号 | 备注 |
| 试剂 | |||
| 颗粒状多聚甲醛 | Fisher Scientific | 19210 | |
| NaCl | Fisher Scientific | S271-1 | |
| 磷酸二氢钠 | Fisher Scientific | S468-500 | |
| 磷酸氢二钠 | Fisher Scientific | BP332-500 | |
| 过氧化氢 | Fisher Scientific | H324-500 | |
| SafeClear II | Fisher Scientific | 23-044-192 | |
| 甲醇 | Fisher Scientific | A412-1 | |
| 正常山羊血清 | Vector | S-1000 | |
| 生物素化抗兔 IgG(H+L) | Vector | BA-1000 | |
| ABC 试剂盒(过氧化物酶标准型) | Vector | PK-4000 | |
| 抗 c-Fos(Ab-5)兔单克隆抗体 | EMD chem/Cal Biochem | PC38 | |
| 吐温 X-100 | SigmaAldrich | X-100 | |
| 3,3' 二氨基联苯胺四盐酸盐 | SigmaAldrich | D5905 | |
| 氢氧化钠 | SigmaAldrich | 5881 | |
| 一抗 TH 抗体 | EMD Millipore | AB152 | |
| Euthosol | Virbac AH |
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