單位：美國西北大學
飲食不僅僅受體內穩態需求（homeostatic need）的調控，還受獎賞享樂需求（hedonic need）的調控，並受環境、學習、記憶、情緒等影響。比如在面對可口的食物的時候，動物會攝入更多的食物來儲存能量。
對飲食調控的研究有助於我們瞭解暴飲暴食、肥胖症、厭食症等進食障礙的神經學機制，併為治療提供更好的方案。
大腦中有個叫紋狀體（striatum）的腦區。紋狀體分背側（dorsal）和腹側（ventral）。通常所說的紋狀體指的是背側紋狀體，在靈長類中又分尾狀核（caudate） 和殼核（putamen），腹側紋狀體通常又稱為伏隔核（nucleus accumbens，NAc）。背腹側紋狀體均接收來自中腦的多巴胺訊號。
背側紋狀體和其他一些腦區構成基底核（basal ganglia）結構，主要負責由多巴胺介導的運動的調控和學習，習慣的形成等。腹側紋狀體，也就是伏隔核與另外一些腦區連線，包括大腦中被稱為邊緣系統（limbic system）的腦區，故伏隔核也稱邊緣紋狀體（limbic striatum）。邊緣系統主要調控情緒，記憶等功能，而伏隔核主要參與由多巴胺介導的獎賞、愉悅等行為，和飲食（尤其是享樂性飲食）、成癮等相關。
伏隔核在結構上分為中間的核心（core）和兩邊的殼（shell），殼再分為內側殼（medial shell）和外側殼（lateral shell）。在功能上，不同區有差異。伏隔核對獎賞和飲食調控的研究大多關注內側殼（medial shell of NAc，mNAcSh），包括今天要介紹的這篇文章。
已去世的Ann Kelley在上世紀經過幾十年的對大腦編碼“喜歡”（liking）研究提出伏隔核殼（the nucleus accumbens shell，NAcSh）在飲食調控中起到“感官哨兵”（sensory sentinel）的作用，即伏隔核殼神經元透過感知外界壞境變化來調控獎賞和飲食行為(Kelley et al., 2005; Richard et al., 2013)（這兩篇綜述中第一篇是Ann Kelley等人所寫，第二篇是Ann Kelley的追隨者們為紀念去世的Ann Kelley所寫）。
Kelley等人透過藥理學的方法啟用伏隔核內殼（mNAcSh）可抑制飲食，而抑制伏隔核內殼可促進飲食(Kelley et al., 2005)。在體記錄也證實飲食的起始和持續都需要先暫停伏隔核內殼神經活性(Krause et al., 2010)，支援伏隔核內殼的“感官哨兵”的功能。雖然整個伏隔核都參與飲食調控，但享樂性飲食和獎賞行為主要由伏隔核內殼調控(Peciña and Berridge, 2005)。
伏隔核內殼下游主要投射到腹側蒼白球（ventral pallidum，VP），外側下丘腦（lateral hypothalamus， LH），和中腦腹側被蓋區（ventral tegmental area，VTA）等。腹側蒼白球也參與獎賞、愉悅等行為，和飲食（尤其是享樂性飲食）、成癮等相關。
伏隔核內殼和腹側蒼白球一起被認為是大腦獎賞系統的核心。但近兩三年美國巴爾的摩約翰·霍普金斯大學的Patricia Janak團隊的研究發現腹側蒼白球對獎賞訊號的編碼比伏隔核內殼更早且更強，並且也編碼獎賞預測誤差（reward prediction error，RPE），且也比伏隔核內殼更早(Ottenheimer et al., 2018; 2020)，提示腹側蒼白球是重要的獎賞中心，而不僅僅是伏隔核下遊訊號的中轉站。
而另一邊對伏隔核內殼到外側下丘腦和中腦腹側被蓋區的投射的研究指出伏隔核內殼在飲食上的“感官哨兵”的功能主要透過到這兩個腦區的投射來執行(Bond et al., 2020; O'Connor et al., 2015)。當然，這些投射的更多細節以及伏隔核內殼的其他投射是否也調控飲食仍有待研究（詳見作者寫的一篇短評(Yang, 2021)）。
那麼伏隔核內殼上游接收來自那些腦區的投射呢？也就是伏隔核內殼自身的活性是如何受調控的？
伏隔核內殼主要接收來自前額葉皮層（Prefrontal cortex，PFC），海馬體（hippocampus），丘腦（thalamus），和杏仁核之底側核（basolateral amygdala，BLA）的興奮性投射，和來自中腦腹側被蓋區（VTA）的多巴胺投射。但對伏隔核內殼接收的抑制性投射了解甚少。
上文提到的腹側蒼白球是伏隔核的主要下游，但也有神經通路示蹤研究指出腹側蒼白球可能也會投射回伏隔核。更重要的是上文提到的Patricia Janak團隊的研究發現腹側蒼白球對獎賞訊號的編碼比伏隔核內殼更早，提示腹側蒼白球在獎賞編碼上可能是伏隔核內殼的上游。因腹側蒼白球神經元主要是GABAergic（釋放抑制性的γ-氨基丁酸），那麼腹側蒼白球會不會是透過抑制伏隔核，從而促進獎賞行為，包括享樂性飲食？
近日，來自聖路易斯華盛頓大學（Washington University in St. Louis）醫學院的Meaghan Creed團隊在Nature Neuroscience上發表Ventral Arkypallidal Neurons inhibit Accumbal Firing to Promote Reward Consumption的文章（Yvan M. Vachez博士和Jessica R. Tooley博士生為並列一作），證實腹側蒼白球神經元中存在一個亞群arkypallidal神經元投射回伏隔核內殼，透過抑制伏隔核內殼促進獎賞行為。
Meaghan Creed在瑞士著名神經科學家Christian Lüscher實驗室做博後的時候就對腹側蒼白球神經元非常感興趣，並用電生理學的方法記錄了伏隔核到腹側蒼白球的投射(Creed et al., 2016)。Creed說（作者譯，源自作者和Creed交流，下同）：“在做這些實驗的時候，我立刻就注意到很明顯的腹側蒼白球神經元非常多元，不管是形態上還是電生理活性上。所以在成立自己的實驗後我就接著研究腹側蒼白球。”
三年前，Creed實驗室第一篇文章就鑑定了腹側蒼白球存在一個興奮性（glutamatergic）亞群的功能(Tooley et al., 2018)。同年，加州大學聖地亞哥分校的Thomas Hnasko團隊(Faget et al., 2018)，以及去年初冷泉港實驗室的華人學者李博團隊(Stephenson-Jones et al., 2020)也發文研究了腹側蒼白球興奮性（glutamatergic）神經元，三文均指出其與經典的抑制性（GABAergic）神經元功能相反。
Creed說：“我們知道伏隔核殼活性在飲食時被抑制，但對這個抑制的來源我們一直不太清楚。而另一邊我們知道腹側蒼白球編碼獎賞，促進飲食。所以我們提出假設，腹側蒼白球可能是伏隔核殼的主要抑制來源。”透過研究，Creed等人證明了他們的假設是對的，腹側蒼白球對伏隔核殼的抑制來自一個新鑑定的arkypallidal亞群神經元。
首先解釋一下這個亞群的命名。整個紋狀體，包括背腹側，主要的投射神經元是多刺投射神經元（spiny projection neurons，SPNs，過去也稱中型多棘神經元medium spiny neurons，MSNs，但中型的稱呼並不十分準確，故現在多稱SPNs），佔紋狀體細胞95％以上。
SPNs根據多巴胺受體表達分為兩類：表達D1類受體的D1-SPNs和表達D2類受體的D2-SPNs（見圖一）。背側紋狀體D1-SPNs直接投射到基底核的出口腦區，故D1-SPNs也稱直接通道SPNs（direct pathway SPNs，dSPNs）。背側紋狀體D2-SPNs透過外側蒼白球(external globus pallidus, GPe)和丘腦底核(subthalamic nucleus, STN)再投射到基底核出口，故D2-SPNs也稱間接通道SPNs（indirect pathway SPNs，iSPNs）。
對應背側紋狀體，伏隔核最初也被認為存在著dSPNs直接投射到中腦和iSPNs經腹側蒼白球到中腦。但後來的研究發現直接和間接通道並不適用於伏隔核，D1-SPNs也大量投射到腹側蒼白球(Kupchik et al., 2015)。故伏隔核SPNs不再用直接和間接的稱呼，再加上歷史原因，伏隔核領域科學家多用D1-MSNs和D2-MSNs。
基底核領域科學家後來發現在間接通道上外側蒼白球(GPe)裡還存在著一個亞群投射回背側紋狀體，為區分典型的只投射到下游的亞群，他們將這個投射回紋狀體的亞群稱為arkypallidal GPe神經元，對應的典型的下游投射的神經元稱為prototypical GPe神經元(Mallet et al., 2012)。於是，對應GPe，Meaghan Creed等人將投射回伏隔核內殼的腹側蒼白球亞群稱為arkypallidal VP（簡稱vArky）神經元。
圖一：作者畫的簡圖
上半部分為背側紋狀體（dorsal striatum）投射通道，所有核團構成基底核（basal ganglia）結構，D2-SPNs投射出來的通道稱為間接通道（indirect pathway），間接投射到基底核出口核團，D1-SPNs投射出來的通道稱為直接通道（direct pathway），直接投射到基底核出口核團；下半部分為伏隔核（NAc）投射通道，直接間接並不適用伏隔核投射。從GPe投回紋狀體的細胞稱為arkypallidal GPe神經元，從VP投回伏隔核的細胞稱為arkypallidal VP神經元，簡稱vArky。STN到GPi/SNr為啟用（glutamatergic），其它均為抑制（GABAergic）。
首先研究人員在體記錄了伏隔核內殼神經元，證實在小鼠飲用可口的雀巢可可水時，伏隔核內殼神經元活性約36%被抑制，11%被啟用，53％不變。另外在小鼠飲水時閉環抑制伏隔核內殼神經元可延長飲水時間。這些發現與以往的研究都是一致的，證實抑制伏隔核內殼神經元可促進獎賞性行為。
為證實腹側蒼白球投射到伏隔核內殼，研究人員將逆向珠（retrobeads，帶熒光的可逆向傳輸的珠子）注入伏隔核內殼，發現腹側蒼白球被標記。標記的腹側蒼白球神經元大多隻表達囊泡抑制性氨基酸轉運蛋白（vesicular inhibitory amino acid transporter，VIAAT），而不表達2型囊泡穀氨酸轉運蛋白(vesicular glutamate transporter 2, vGluT2)，證實腹側蒼白球到伏隔核內殼的投射是抑制性的GABAergic。
研究人員接著在D1-cre， A2A-cre（標記D2神經元），PV-cre（標記快速放電中間神經元fast-spiking interneurons, FSIs）和ChAT-cre（標記膽鹼能cholinergic interneurons）小鼠中用單突觸狂犬病病毒（monosynaptic rabies virus）示蹤技術證實腹側蒼白球主要投射到伏隔核內殼的D1-MSNs和D2-MSNs上，較少投射到中間神經元上。
研究人員接著又結合光遺傳（ChR2光感離子通道蛋白）和電生理的方法證實腹側蒼白球到伏隔核內殼的投射是單突觸抑制性投射。
結合光遺傳和在體記錄也證實啟用腹側蒼白球的這些arkypallidal terminals抑制伏隔核內殼神經元活性。Creed說：“該研究最讓人意外的就是腹側蒼白球到伏隔核內殼的投射，也就是vArky的投射，竟然會這麼強且這麼廣。這些投射事實上是非常精細的。如果你在腹側蒼白球表達ChR2，你會看到經典的腹側蒼白球下游，如中腦（midbrain）、丘腦（thalamus）、外側韁核（lateral habenula）有很明顯的投射，但在伏隔核你可能都看不到投射。我們用免疫熒光的方法放大訊號後才看到vArky的投射竟然覆蓋了整個伏隔核。電生理記錄顯示70%以上的MSNs都接收來自腹側蒼白球的投射。”
文章中顯示研究人員共記錄了118個D1-MSNs，84%接收來自腹側蒼白球的投射， 117個D2-MSNs，79%接收來自腹側蒼白球的投射。
因抑制伏隔核內殼神經元會促進獎賞行為，那麼這些抑制伏隔核內殼神經元活性的vArky神經元活性應該和獎賞行為正相關。
為記錄vArky神經元，研究人員在伏隔核內殼注射逆向AAV-cre病毒，在腹側蒼白球注射cre依賴的GCaMP6s鈣熒光指示蛋白，從而特異性標記投射回伏隔核內殼的vArky神經元，透過光纖光度記錄（fiber photometry）vArky活性。
研究人員發現vArky活性越高時小鼠飲可可水的時間也越久，兩者呈正相關性。另外vArky活性在飲水之前上升，在飲水起始後達到最高值，而伏隔核內殼神經元活性在飲水後下降，稍滯後於vArky活性變化，這與vArky透過抑制伏隔核內殼神經元促進獎賞行為的假設是一致的。
之前的閉環抑制伏隔核內殼神經元活性實驗證實抑制伏隔核內殼可延長飲水時間，那麼啟用vArky應該也可以延長飲水時間。
為證明該假設，研究人員在腹側蒼白球表達ChR2光感離子通道蛋白，在伏隔核內殼做終端啟用，在小鼠飲水時閉環啟用腹側蒼白球到伏隔核內殼的投射延長了飲水時間，但不影響飲水次數。另外小鼠不在飲水時的開環刺激，出水口不出水的時候的刺激，均不能影響飲水行為，說明vArky只能促進獎賞行為，而不能誘導獎賞行為。啟用vArky也不影響小鼠運動，不影響條件性位置偏愛，說明vArky不調控運動也不直接誘導獎賞效應。
啟用vArky到伏隔核內殼的投射能促進獎賞行為，那麼抑制vArky到伏隔核內殼的投射，從而減少了伏隔核內殼的抑制，是否會增強伏隔核內殼活性並抑制獎賞行為？
為了特異性抑制投射到伏隔核內殼vArky神經元，研究人員再次在伏隔核內殼注射逆向AAV-cre病毒，在腹側蒼白球注射cre依賴的抑制性的光感離子通道蛋白Arch3.0。在小鼠飲水時閉環抑制vArky神經元部分阻斷了飲水時伏隔核內殼活性的降低，同時飲水時長也降低了，但飲水次數不變，再次證明vArky促進和維持獎賞行為，而不能誘導獎賞行為。
Creed說：“這個研究中最難的可能就是上面這個實驗，因為要在伏隔核內殼注射AAV-cre病毒，然後再插入一個記錄電極記錄伏隔核內殼神經元活性，然後在腹側蒼白球也要注射AAV-DIO-Arch3.0，然後再插入光纖抑制腹側蒼白球神經元活性。也就是在腦的同一側要進行多次操作，每次都要高度精準才能得到有效的實驗結果。”
獎賞行為在理論上可以分為兩部分：“想要”（wanting，對獎賞的動機）和“喜歡”（liking，獎賞的享樂價值hedonic value）。“想要”可以誘導獎賞行為，“喜歡”一般不直接誘導獎賞行為，但可以增強獎賞行為。vArky增強獎賞行為，而不直接誘導獎賞行為說明vArky編碼“喜歡”而不編碼“想要”。
為進一步區分兩者的差別，研究人員最後設計了以下幾個實驗：
1）在小鼠飲水（這裡改用10%糖水）之後用光遺傳的方法刺激vArky到伏隔核內殼的投射，發現小鼠飲水後的舔舌頭動作（間接指示對飲水的喜歡程度）增加了；
2）給小鼠兩瓶一樣的巧克力奶，但在飲其中一瓶的時候同時光刺激vArky到伏隔核內殼的投射，結合光刺激的那瓶巧克力奶飲用時間更長，飲用量更大，說明光刺激增強的喜歡程度；
3）最後給小鼠口腔直接注射三種飲水：糖水，白水，苦水（奎寧），同時光纖光度記錄（fiber photometry）vArky活性（伏隔核內殼逆向AAV-cre表達cre依賴的GCaMP6s），vArky活性在注射糖水時升高最快最高，白水其次，苦水最低，而當小鼠拒絕飲用苦水時vArky活性下降了，證實vArky活性跟喜歡程度成正相關。
綜上，雖然之前有報告腹側蒼白球可能會投射回伏隔核內殼，但該文章首次系統地研究了腹側蒼白球到伏隔核內殼的投射。沿用外側蒼白球投射回紋狀體的亞群命名（arkypallidal GPe神經元），研究人員將這群投射回伏隔核內殼的腹側蒼白球神經元命名為arkypallidal VP神經元，簡稱vArky。研究證實vArky是伏隔核內殼的主要抑制性輸入，透過抑制伏隔核內殼從而促進獎賞性行為（該文主要用了享樂性飲水行為）。進一步的研究證實vArky編碼“喜歡”但不編碼“想要”，vArky的活性和喜歡程度呈正相關，但不能直接誘導獎賞行為。
作者短評：伏隔核和腹側蒼白球組成大腦的獎賞中心。
對伏隔核，神經科學家已經研究多年。對腹側蒼白球的研究相對少一點。近幾年，神經科學家將神經科學研究新的方法重新應用到對腹側蒼白球（如本文解讀的vArky研究、上面提到的Janak的研究和華人學者李博的研究等），讓我們對腹側蒼白球有了新的認識，但仍有更多的問題尚待解決。
1. 比如Janak的研究指出腹側蒼白球神經元中部分編碼即時獎賞，部分編碼獎賞預測誤差（reward prediction error，RPE），那麼兩者的電生理活性、神經通路投射、神經標示表達是否有差異？vArky是否也編碼獎賞預測誤差？如果是的話，其對獎賞預測誤差的編碼是在早於（上游）還是晚於（下游）伏隔核？
2. 該研究顯示vArky投射到D1-MSNs和D2-MSNs，那vArky是否接收伏隔核的投射，如果是又是來自哪些神經元，是D1-和／或D2-MSNs？
3. 根據該文結果，在小鼠飲水時，我們預計vArky啟用，同時抑制D1-和D2-MSNs，那麼D1-和D2-MSNs活性應該都下降。而Christian Lüscher之前的一篇研究指出在小鼠飲水時D1-MSNs活性顯著下降，而D2-MSNs活性沒有顯著下降(O'Connor et al., 2015)。但如果細看結果，Lüscher等人其實只記錄了4個D2-MSNs，其中3個活性沒下降，1個有下降，所以伏隔核內殼D1-和D2-MSNs活性在飲水時的變化和功能或許還需要重新更細緻的研究，尤其是D2-MSNs，他們主要的投射就是腹側蒼白球，而他們在飲食中的作用研究很少。
4. 在基底核中，prototypical GPe神經元中大部分只投射到下游，但少部分投射到下游同時也投射回紋狀體(Mallet et al., 2012)。那麼腹側蒼白球經典的神經元（對應GPe的命名，應該也稱為prototypical VP神經元）是否也有兩部分，主要的一部分神經元只投射到下游中腦，但另小部分投射到下游中腦同時也投射回伏隔核？如果是，那麼這部分兩邊都投射的腹側蒼白球神經元，和只投射回伏隔核的vArky在電生理活性、神經標示表達、和獎賞編碼上有何不同？vArky和prototypical VP神經元兩者之間是否互相抑制？如果是，那麼啟用伏隔核到腹側蒼白球的投射對vArky的淨活性調控是否是啟用，就像啟用背側紋狀體iSPNs到外側蒼白球的投射透過抑制prototypical GPe神經元從而去抑制（淨啟用）arkypallidal GPe神經元(Aristieta et al., 2021)？
5. Ann Kelley提出的伏隔核內殼的“感官哨兵”的功能，vArky是否會抑制該功能？如果會，那麼是在怎樣的生理條件下，動物和人在感知危險時仍要繼續飲食而無視眼前的危險？還是說在暴飲暴食、肥胖症等病理條件下，vArky的活性異常增強，使人們失去了正常的對飲食的抑制的生理功能？
獎賞、飲食、成癮是熱門的神經科學研究領域，更多的研究將有助於我們更好的理解進食障礙、肥胖症、毒品成癮、精神病（包括抑鬱，焦慮，雙相障礙）等問題，併為治療提供新方案。
Meaghan Creed迴應作者短評（作者譯）
1. 我們沒有設計實驗去驗證vArky是否編碼獎賞預測誤差。不過在給小鼠口腔直接注射飲水的實驗中，我們用了類似隨機地給水的設計，這樣小鼠不能預測接下來給的是什麼水。我們發現即使當小鼠意外得到苦水（奎寧）的時候，vArky也沒有顯示出獎賞預測誤差資訊。所以我們認為vArky應該編碼即時獎賞。
2. 我們正在做實驗來回答這個問題。
3. 我同意。O’connor等人的文章強調D1-MSNs的飲食中的作用，但他們確實也看到在4個D2-MSNs中也有1個在小鼠飲甜水時活性被抑制。這個過去幾十年對伏隔核內殼的研究是一致。過去雖然不能區分D1和D2-MSNs，但在飲食時超過70%的伏隔核內殼神經元活性被抑制，這麼高的百分比說明肯定不是D1-MSNs特異性。O’connor等人的研究的關鍵是D1-MSNs到外側下丘腦（lateral hypothalamus）投射的作用，D2-MSNs基本上不投射到外側下丘腦。所以他們對D1-MSNs到外側下丘腦投射對飲食起始的作用的結論是正確的（作者注：該結論也還有待商榷，詳情參考作者寫的短評(Yang, 2021)），雖然D2-MSNs可能也重要，只是不是透過投射到外側下丘腦來執行功能。
4. 這些正是我們現在在研究的問題，我們的示蹤實驗顯示vArky很少投射到prototypical VP投射的腦區，比如外側韁核（lateral habenula）、丘腦（thalamus）和中腦腹側被蓋區（VTA）。
5. 這些都是非常重要的問題。現在科學家已經越來越重視腹側蒼白球在感知危機和厭惡刺激中的作用。vArky是怎麼參與到這些功能中，相關通路的功能異常如何導致飲食障礙和藥物濫用，這些都是我們感興趣和正在研究的問題。
Meaghan Creed迴應作者短評原文（黑色為作者提問，藍色為Creed回覆）：
作者期待在不久的將來看到更多來自Meaghan Creed團隊的研究。