糧食不安全對小鼠的大腦和行為有持久的影響

加州大學伯克利分校神經(jīng)科學家的一項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)則地獲取食物會影響成年期的學習，決策和多巴胺神經(jīng)元，”加州大學伯克利分校心理學教授，海倫威爾斯神經(jīng)科學研究所成員Linda Wilbrecht說。

行為上的一個關鍵區(qū)別涉及認知靈活性：在世界變化時產(chǎn)生新解決方案的能力。

“尋找獎勵的老鼠可能不靈活，即使它不再產(chǎn)生獎勵，也只堅持一種策略，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)，小鼠年輕時食物供應的穩(wěn)定性決定了它們長大后在不同條件下的靈活性，“她說。

流行病學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習問題和數(shù)學、閱讀和詞匯分數(shù)降低聯(lián)系起來。但這些研究被其他與貧困有關的問題所混淆，例如母親抑郁癥和環(huán)境壓力源。這項新研究旨在研究在使用人類受試者無法控制的受控環(huán)境中糧食不安全的發(fā)展和行為影響。

這項研究對人類有影響。政策制定者認識到從幼兒期到高中的良好營養(yǎng)的重要性，美國各地的學校都有聯(lián)邦政府資助的免費或減價早餐和午餐計劃。聯(lián)邦補充營養(yǎng)援助計劃(SNAP)還提供福利，以補充貧困家庭的食品預算。對于薪水靠薪水生活的家庭來說，這些食品計劃已經(jīng)顯示出效果 - 特別是提高了學校的表現(xiàn)和畢業(yè)率。

但有時孩子們可能無法參加食品計劃，例如在暑假期間。當福利在兩次付款之間分配數(shù)周時，計劃也可能無意中造成盛宴和饑荒周期，可能使貧困家庭在每個付款周期結束時無法負擔食物。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部最近的一份報告，2021年有孩子的家庭中有6.2%(總共230萬戶家庭)處于糧食不安全狀態(tài)。

“我認為我們必須明白，即使是暫時的食物不安全也很重要，大腦也不會在以后趕上。糧食不安全會對某人的大腦功能產(chǎn)生長期影響，“威爾布雷希特說。“學習和做出決定的能力是在童年和青春期發(fā)展起來的，我們看到這些關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縣解決的問題。喂養(yǎng)和福利計劃是存在的，我們可以通過使獲得福利或食物更加可靠和一致來使它們變得更好。支持大腦發(fā)育是支持食品計劃的一個很好的理由。

這項研究是與加州大學伯克利分校的教職員工海倫·貝特烏普，斯蒂芬·拉梅爾和他們的實驗室同事一起進行的，將出現(xiàn)在即將出版的《當代生物學》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健康與社會學者Ezequiel Galarce，通過不規(guī)則地提供食物來模仿小鼠的人類食物不安全，同時仍然允許足夠的食物來維持安全的體重。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候就得到食物。

然后，他們使用覓食任務測試成年期的認知能力，其中老鼠在不斷變化的環(huán)境中尋找獎勵。例如，一種行為 - 在這種情況下，了解哪種氣味導致了蜂蜜堅果Cheerios - 可能會在短時間內(nèi)成功，但不是永遠成功。第二種氣味現(xiàn)在預測了獎勵的隱藏位置。

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行測試，在認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)場進行測試，看看這些不同的靈活性特征如何影響生存，”她說。“這些發(fā)現(xiàn)是微妙的，但有希望的，因為我們確定了學習和決策中功能的獲得和喪失，這些都是由稀缺經(jīng)驗造成的。

雖然食物不安全對雄性小鼠認知的影響是強大的，但雌性小鼠對認知沒有影響。

“這是我們在模擬逆境時見過的最強大的行為效應之一，”Wilbrecht說。

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

博士生Wan Chen Lin和Bateup和Lammel實驗室的研究人員還研究了大腦的獎勵網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由神經(jīng)遞質多巴胺控制，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，這對學習，決策和獎勵相關行為(如成癮)至關重要，它們的輸入和輸出都發(fā)生了顯著變化，”Wilbrecht說。“這表明大腦中的學習和決策系統(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習和決策中發(fā)揮作用。

研究人員正在繼續(xù)對食物不安全的小鼠進行研究，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)絡有關。

該論文的其他加州大學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·劉和高級科學家戴龍浩。這項工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院(R21 AA025172，U19NS113201)和羅伯特伍德約翰遜基金會的支持。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。