糧食不安全對(duì)小鼠的大腦和行為有持久的影響

加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)科學(xué)家的一項(xiàng)新研究模擬了幼兒小鼠食物不安全的影響，并發(fā)現(xiàn)了以后生活中的持久變化。

“我們表明，在青少年晚期和青少年早期不規(guī)則地獲取食物會(huì)影響成年期的學(xué)習(xí)，決策和多巴胺神經(jīng)元，”加州大學(xué)伯克利分校心理學(xué)教授，海倫威爾斯神經(jīng)科學(xué)研究所成員Linda Wilbrecht說(shuō)。

行為上的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別涉及認(rèn)知靈活性：在世界變化時(shí)產(chǎn)生新解決方案的能力。

“尋找獎(jiǎng)勵(lì)的老鼠可能不靈活，即使它不再產(chǎn)生獎(jiǎng)勵(lì)，也只堅(jiān)持一種策略，或者它們可能很靈活，可以快速嘗試新的策略。我們發(fā)現(xiàn)，小鼠年輕時(shí)食物供應(yīng)的穩(wěn)定性決定了它們長(zhǎng)大后在不同條件下的靈活性，“她說(shuō)。

流行病學(xué)研究將兒童和青少年的糧食不安全與晚年體重增加以及學(xué)習(xí)問(wèn)題和數(shù)學(xué)、閱讀和詞匯分?jǐn)?shù)降低聯(lián)系起來(lái)。但這些研究被其他與貧困有關(guān)的問(wèn)題所混淆，例如母親抑郁癥和環(huán)境壓力源。這項(xiàng)新研究旨在研究在使用人類受試者無(wú)法控制的受控環(huán)境中糧食不安全的發(fā)展和行為影響。

這項(xiàng)研究對(duì)人類有影響。政策制定者認(rèn)識(shí)到從幼兒期到高中的良好營(yíng)養(yǎng)的重要性，美國(guó)各地的學(xué)校都有聯(lián)邦政府資助的免費(fèi)或減價(jià)早餐和午餐計(jì)劃。聯(lián)邦補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)援助計(jì)劃(SNAP)還提供福利，以補(bǔ)充貧困家庭的食品預(yù)算。對(duì)于薪水靠薪水生活的家庭來(lái)說(shuō)，這些食品計(jì)劃已經(jīng)顯示出效果 - 特別是提高了學(xué)校的表現(xiàn)和畢業(yè)率。

但有時(shí)孩子們可能無(wú)法參加食品計(jì)劃，例如在暑假期間。當(dāng)福利在兩次付款之間分配數(shù)周時(shí)，計(jì)劃也可能無(wú)意中造成盛宴和饑荒周期，可能使貧困家庭在每個(gè)付款周期結(jié)束時(shí)無(wú)法負(fù)擔(dān)食物。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部最近的一份報(bào)告，2021年有孩子的家庭中有6.2%(總共230萬(wàn)戶家庭)處于糧食不安全狀態(tài)。

“我認(rèn)為我們必須明白，即使是暫時(shí)的食物不安全也很重要，大腦也不會(huì)在以后趕上。糧食不安全會(huì)對(duì)某人的大腦功能產(chǎn)生長(zhǎng)期影響，“威爾布雷希特說(shuō)。“學(xué)習(xí)和做出決定的能力是在童年和青春期發(fā)展起來(lái)的，我們看到這些關(guān)鍵技能如何受到食物獲取的影響。獲得食物是我們可以在這個(gè)縣解決的問(wèn)題。喂養(yǎng)和福利計(jì)劃是存在的，我們可以通過(guò)使獲得福利或食物更加可靠和一致來(lái)使它們變得更好。支持大腦發(fā)育是支持食品計(jì)劃的一個(gè)很好的理由。

這項(xiàng)研究是與加州大學(xué)伯克利分校的教職員工海倫·貝特烏普，斯蒂芬·拉梅爾和他們的實(shí)驗(yàn)室同事一起進(jìn)行的，將出現(xiàn)在即將出版的《當(dāng)代生物學(xué)》雜志的印刷版中。它于7月20日在網(wǎng)上發(fā)布。

規(guī)則變化下的靈活性

Wilbrecht和她的同事，包括羅伯特伍德約翰遜基金會(huì)健康與社會(huì)學(xué)者Ezequiel Galarce，通過(guò)不規(guī)則地提供食物來(lái)模仿小鼠的人類食物不安全，同時(shí)仍然允許足夠的食物來(lái)維持安全的體重。這種食物方案在小鼠青春期開始前一周開始，相當(dāng)于人類兒童晚期，并持續(xù)20天，直到小鼠的青少年晚期。另一組老鼠在他們想要的時(shí)候就得到食物。

然后，他們使用覓食任務(wù)測(cè)試成年期的認(rèn)知能力，其中老鼠在不斷變化的環(huán)境中尋找獎(jiǎng)勵(lì)。例如，一種行為 - 在這種情況下，了解哪種氣味導(dǎo)致了蜂蜜堅(jiān)果Cheerios - 可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)成功，但不是永遠(yuǎn)成功。第二種氣味現(xiàn)在預(yù)測(cè)了獎(jiǎng)勵(lì)的隱藏位置。

在某些和不確定的環(huán)境中，將喂養(yǎng)良好和食物不安全的小鼠作為成年人進(jìn)行測(cè)試，在認(rèn)知靈活性方面存在顯著差異。食物不安全的小鼠在不確定的情況下比喂養(yǎng)良好的小鼠更靈活，而喂養(yǎng)良好的小鼠在更穩(wěn)定的情況下更靈活。

“你必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，看看這些不同的靈活性特征如何影響生存，”她說(shuō)。“這些發(fā)現(xiàn)是微妙的，但有希望的，因?yàn)槲覀兇_定了學(xué)習(xí)和決策中功能的獲得和喪失，這些都是由稀缺經(jīng)驗(yàn)造成的。

雖然食物不安全對(duì)雄性小鼠認(rèn)知的影響是強(qiáng)大的，但雌性小鼠對(duì)認(rèn)知沒(méi)有影響。

“這是我們?cè)谀M逆境時(shí)見過(guò)的最強(qiáng)大的行為效應(yīng)之一，”Wilbrecht說(shuō)。

然而，糧食不安全對(duì)雌性小鼠也有其他明顯的負(fù)面影響。那些在成長(zhǎng)過(guò)程中糧食不安全的女性在成年后獲得不受限制的食物時(shí)往往會(huì)變得超重，這在糧食不安全的環(huán)境中長(zhǎng)大的人類中得到了反映。雄性小鼠沒(méi)有表現(xiàn)出這種效果。

博士生Wan Chen Lin和Bateup和Lammel實(shí)驗(yàn)室的研究人員還研究了大腦的獎(jiǎng)勵(lì)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺控制，并在雄性小鼠中發(fā)現(xiàn)了變化。

“我們發(fā)現(xiàn)多巴胺系統(tǒng)中的神經(jīng)元，這對(duì)學(xué)習(xí)，決策和獎(jiǎng)勵(lì)相關(guān)行為(如成癮)至關(guān)重要，它們的輸入和輸出都發(fā)生了顯著變化，”Wilbrecht說(shuō)。“這表明大腦中的學(xué)習(xí)和決策系統(tǒng)存在更廣泛的變化。

例如，研究人員發(fā)現(xiàn)了投射到伏隔核的多巴胺神經(jīng)元突觸的變化，并且還發(fā)現(xiàn)了背紋狀體中多巴胺釋放的變化。這些多巴胺神經(jīng)元已被證明在許多其他研究中在學(xué)習(xí)和決策中發(fā)揮作用。

研究人員正在繼續(xù)對(duì)食物不安全的小鼠進(jìn)行研究，以確定它們是否更容易成年后更容易患上成癮行為，這些行為與多巴胺網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。

該論文的其他加州大學(xué)伯克利分校作者是前博士后研究員Polina Kosillo，前博士生克里斯汀·劉和高級(jí)科學(xué)家戴龍浩。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(R21 AA025172，U19NS113201)和羅伯特伍德約翰遜基金會(huì)的支持。Bateup是陳·扎克伯格生物中心研究員和威爾神經(jīng)樞紐研究員。