Il nucleo xifoideo della linea mediana del talamo controlla il freddo

Natura (2023) Cita questo articolo

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Il mantenimento della temperatura corporea è caloricamente costoso per gli animali endotermici1. I mammiferi mangiano di più al freddo per compensare il dispendio energetico2, ma il meccanismo neurale alla base di questo accoppiamento non è ben compreso. Attraverso analisi comportamentali e metaboliche, abbiamo scoperto che i topi passano dinamicamente tra lo stato di conservazione dell’energia e quello di ricerca di cibo quando fa freddo, quest’ultimo dei quali è guidato principalmente dal dispendio energetico piuttosto che dalla sensazione di freddo. Per identificare i meccanismi neurali alla base della ricerca di cibo indotta dal freddo, abbiamo utilizzato la mappatura c-Fos dell'intero cervello e abbiamo scoperto che lo xifoide (Xi), un piccolo nucleo nella linea mediana del talamo, veniva attivato selettivamente dal freddo prolungato associato a un elevato dispendio energetico ma non con esposizione acuta al freddo. L’imaging del calcio in vivo ha mostrato che l’attività Xi è correlata agli episodi di ricerca di cibo in condizioni di freddo. Utilizzando strategie virali attività-dipendenti, abbiamo scoperto che la stimolazione optogenetica e chemogenetica dei neuroni Xi attivati ​​dal freddo ricapitolava selettivamente la ricerca di cibo in condizioni di freddo mentre la loro inibizione la sopprimeva. Meccanicisticamente, Xi codifica un interruttore di valenza dipendente dal contesto che promuove comportamenti di ricerca del cibo in condizioni fredde ma non calde. Inoltre, questi comportamenti sono mediati da una proiezione da Xi al nucleo accumbens. I nostri risultati stabiliscono Xi come una regione chiave nel controllo dell’alimentazione indotta dal freddo, che è un meccanismo importante nel mantenimento dell’omeostasi energetica negli animali endotermici.

L'emergere dell'endotermia ha portato numerosi vantaggi adattativi durante l'evoluzione; tuttavia, ciò ha comportato anche un aumento significativo della spesa energetica. Per alimentare questa maggiore domanda di energia, i mammiferi adattano drasticamente il loro comportamento di foraggiamento in risposta al cambiamento della temperatura ed esiste una stretta e inestricabile associazione tra temperatura ambiente e assunzione di cibo: più freddo è l'ambiente, più cibo è necessario per mantenere la temperatura corporea interna1,2. ,3. È noto che i mammiferi, compreso l’uomo, mangiano di più quando fa freddo. Vari festival in diverse culture che comportano sontuose feste durante l'inverno sono una testimonianza del nostro passato evolutivo endotermico4,5,6. Tuttavia, la base neurale che collega i bisogni energetici derivanti dal freddo e l’aumento dell’alimentazione rimane una questione senza risposta nella nostra comprensione della biologia dei mammiferi.

I roditori sono un modello eccellente con cui studiare questa associazione tra temperatura e consumo di energia7. Ad esempio, i topi da laboratorio (Mus musculus) possono raddoppiare la loro assunzione giornaliera di cibo quando vivono a 4 °C, e la termogenesi contribuisce a circa il 60% del dispendio energetico dell’intero corpo in queste condizioni8. Sebbene sia stato dimostrato che la sensazione di freddo influenza acutamente l'alimentazione attraverso i centri somatosensoriali e di alimentazione conservati nel cervello sia negli ectotermi che negli endotermi9,10,11,12,13, non è chiaro se, o come, il dispendio energetico indotto dal freddo sia compensato dal cibo. assunzione. Qui abbiamo combinato analisi metaboliche e comportamentali ad alta risoluzione per dimostrare che l’aumento dell’alimentazione al freddo è una conseguenza del dispendio energetico; inoltre, abbiamo identificato il nucleo xifoideo talamico della linea mediana (Xi) come un hub chiave che media l'aumento compensatorio dei comportamenti di ricerca di cibo.

È stato riportato che l'alloggiamento dei topi a 4 °C determina un aumento della termogenesi, del dispendio energetico e dell'assunzione di cibo8,14. Per ottenere una visione più dettagliata del dispendio energetico, abbiamo utilizzato la calorimetria indiretta per determinare il dispendio energetico di un singolo topo in tempo reale attraverso la misurazione degli scambi di ossigeno e anidride carbonica15. La calorimetria indiretta risolta temporalmente ha mostrato che il passaggio della temperatura ambientale da 23 a 4 ° C ha immediatamente aumentato il dispendio energetico (Fig. 1a, b e Dati estesi Fig. 1a-f). Tuttavia, si è verificata una diminuzione iniziale e un ritardo sostanziale tra il calo della temperatura e l’aumento dell’assunzione di cibo (Fig. 1b), suggerendo che una rapida sensazione di freddo potrebbe non essere la causa diretta dell’alimentazione indotta dal freddo. Dopo aver quantificato l'associazione temporale tra dispendio energetico e alimentazione, abbiamo scoperto che, con il progredire dell'esposizione al freddo, l'assunzione di cibo è diventata più correlata al dispendio energetico (a partire da 5-6 ore dopo l'esposizione al freddo e rimanendo elevata successivamente; Fig.1c). Sulla base di questa correlazione progressiva, abbiamo quindi definito questo periodo di 5-6 ore post-esposizione al freddo come l'inizio della compensazione dell'energia indotta dal freddo (CIEC) e ci siamo concentrati su questa finestra temporale per il resto dello studio, inclusa la registrazione video dei topi entro questo periodo per comprendere meglio questi comportamenti.