由特定营养素的食欲和奖励所驱动的目标导向行为的控制

《Appetite》：The control of goal-directed actions by nutrient-specific appetites and rewards

　　Douglas J. Roy | Thomas J. Burton | Bernard W. Balleine
决策神经科学实验室，新南威尔士大学心理学院，悉尼

**摘要**
有证据表明，对特定营养素的渴望可以通过将刺激与特定的营养结果联系起来的联想学习过程来指导觅食行为并帮助调节饮食。然而，即使不是所有的这类行为，大多数也可以被解释为受刺激限制的习惯，即由环境刺激引发的反射性反应。目前尚未直接评估特定营养素渴望对目标导向行为的控制作用。为了解决这个问题，我们训练老鼠按一个杠杆以获得高蛋白奖励（乳清蛋白），按另一个杠杆以获得高碳水化合物奖励（聚酮糖）。然后在它们长时间接触高蛋白或高碳水化合物的食物后，在消退条件下对它们进行测试。当其他方面处于食物匮乏状态但老鼠在测试前刚刚被选择性地喂饱了蛋白质时，它们会更频繁地按压它们之前知道能产生聚酮糖的杠杆；而如果它们之前被喂饱了碳水化合物，则会更频繁地按压之前知道能产生乳清蛋白的杠杆。关键的是，无论使用老鼠在训练期间获得过的相同营养来源（即乳清蛋白或聚酮糖），还是使用富含相关营养素的食物来进行饱腹操控，都会出现相同的模式，这表明这些行为是受目标导向控制的，并且对营养状态敏感。这些结果表明，行为可以受到工具性结果与特定营养素渴望之间的营养相关性的驱动，这种关系可能指导自然觅食决策。

**引言**
行为的动机决定因素对其解释至关重要。正如法律系统根据意图区分杀人罪和过失杀人罪一样，行为科学有时也必须区分“行动”和“反应”：行动是有意识地为预期的结果而采取的目标导向行为，而反应（习惯或反射）则是不考虑后果而引发的受刺激限制的反应。尽管仅通过观察很难区分这两种行为，但证据表明它们由不同的学习、动机和神经过程调节，并且常常受到环境反馈的不同影响（Balleine, 2018; 2019）。因此，区分这两种形式的行动对于预测动物如何在激励结构变化时调整行为以及哪些因素可能促进或阻碍适应性反应非常重要。

觅食情境在这方面提供了特殊的挑战。尽管许多动物能够熟练地组织自己的行为以达到特定的营养目标（Simpson & Raubenheimer, 2012; Raubenheimer & Simpson, 2020），但它们是如何实现这一点的仍不清楚。例如，这类适应性行为可能是由环境刺激引发的反应，而某些刺激引发这种反应的阈值可能会受到营养状态的影响。例如，一种渴望蛋白质的动物可能会因为某些食物相关的感官特性而接近这种食物（例如，Mayntz et al., 2005），无论是通过巴甫洛夫式联想还是感觉-运动关联的强化。或者，动物可能因为已经编码了该行为与结果之间的关系，并且目前更重视这种结果而不是其他结果，所以才会采取特定行动。确定这种行为控制的本质对于理解现代饮食决策至关重要；例如，肥胖或肌肉减少症等状况可能受到个体在复杂的饮食环境中调整行为以匹配变化的内部需求的能力的影响。

过去，通过训练后的结果贬值测试来区分这些由刺激和目标导向的具体行为解释，以确定行为在多大程度上受其与特定目标的关系和价值的影响（Dickinson & Balleine, 1994; Balleine & Dickinson, 1998; Pierce-Messick & Corbit, 2024; Pierce-Messick et al., 2025）。这些测试的逻辑很简单：训练一只饥饿的老鼠为不同的食物结果执行两种不同的行动（比如按一个杠杆获取颗粒饲料，按另一个杠杆获取蔗糖溶液），然后在没有这些结果的情况下对两个杠杆进行选择测试。主要使用了两种方法来改变结果的价值：要么将结果与疾病联系起来，要么预先喂食以诱导特定结果引起的饱腹效应。如果在训练过程中老鼠已经编码了行动与其结果之间的关系，并能够将这些信息与当前两种结果的价值相结合，那么在测试时它们应该会减少对贬值杠杆的反应频率，这一现象已被多次观察到（参见Balleine, 2019的综述）。利用这种测试，这里的问题是：当对这些营养素的渴望发生变化时，与特定营养结果相关的行动表现是否会适当调整。更具体地说，我们试图确定蛋白质和碳水化合物的渴望是否与奖励的营养方面相互作用，从而指导工具性行为。

**实验设计**
**实验1A和1B**
实验1A和1B使用了相同的实验对象。实验对象是8只雄性和8只雌性长埃文斯鼠（实验开始前体重250-350克），来自新南威尔士大学动物服务部门（Randwick, NSW）。在本文的所有实验中，老鼠被分成每组4只（雄性和雌性分别分开）饲养在气候控制的群体房间中，维持12小时的光/暗周期（光照时间为07:00至19:00）。

**结果与讨论**
**实验1A**
图1显示了整个工具性训练期间每次会话的平均杠杆按压次数。在第4次和第8次会话之间，乳清蛋白的按压次数出现了明显的延迟，这归因于乳清蛋白泵的技术问题。虽然由于机械输送不一致，乳清蛋白的响应率在第四和第八次会话之间略有下降，但在设备校准后，响应率恢复并稳定下来。到训练结束时，两种结果的总响应率……

**结果与讨论**
**实验1B**
**结果贬值测试**
图2显示了结果贬值消退测试的综合结果。尽管在训练期间老鼠在通常食物匮乏的情况下对每个杠杆的按压频率相似，但这些结果清楚地表明老鼠能够区分不同类型的奖励以及获取这些奖励所需的动作。预先喂食乳清蛋白似乎选择性地减少了老鼠对训练期间提供乳清蛋白的杠杆的按压次数；而预先喂食聚酮糖则……

**实验2**
**消费测试**
图4a显示了消费训练期间（虚线之前）和选择测试前的预先喂食期间（虚线之后）的食品摄入量。图4b的结果表明这些食品对食欲产生了预期的影响。这一解释得到了重复测量ANOVA的支持，该分析比较了两种情况下这两种物质的摄入量。

**结论**
我们的发现补充了有关奖励基础上神经回路对高蛋白刺激反应性变化的证据，这些变化很可能影响了蛋白质渴望。例如，限制蛋白质摄入的老鼠被证明会显著增加按压杠杆的次数以获得高蛋白奖励，达到比获得低蛋白奖励或恢复正常蛋白质饮食时更高的“阈值”（Chiacchierini et al., 2022）。同样，金仓鼠可以学会按压杠杆以获取蛋白质以维持蛋白质摄入……

**意义与未来方向**
我们的发现补充了关于在高蛋白刺激下奖励相关神经回路反应性变化的证据，这些变化可能受到影响蛋白质渴望的操作的影响。例如，被限制在低蛋白饮食中的老鼠显示出对高蛋白食物的更高偏好，以及伏隔核（一个重要的奖赏处理皮层下脑区）的更大激活（Tomé et al., 2019）。

**总结与结论**
结果贬值测试提供了明确的证据，表明工具性行为是目标导向的，而不仅仅是纯粹由刺激驱动的。通过修改这种程序，我们展示了高蛋白奖励（乳清）相对于高碳水化合物奖励（聚酮糖）可以被贬值，无论是通过奖励本身还是通过营养相似的食物（反之亦然）。据我们所知，这些研究首次证明了营养驱动的贬值对获取这些奖励的行动的影响。

**作者贡献声明**
Thomas Burton：写作——审稿与编辑、验证、监督、正式分析。
Bernard Balleine：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目实施、方法论、研究设计、资金获取、概念化。道格拉斯·罗伊：写作——原创草稿、可视化、调研、形式分析、数据整理

参考文献：
Acheson等人，2011年；Atherton和Smith，2012年；B?rsheim等人，2004年；Franz，1997年；Layman，2024年；Lee等人，2013年；Norton等人，2009年；Norton等人，2017年；Tang等人，2009年；Van Vliet等人，2017年。

数据可用性声明：
数据可访问地址：http://hdl.handle.net/1959.4/107457

提交声明：
我们声明：
- 本研究所描述的工作此前未曾以预印本、摘要、已发表的演讲、学术论文或注册报告的形式公开发表；
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- 本文的发表获得了所有作者的同意，并得到了研究工作开展所在机构的默示或明确批准；
- 如果被接受，本文不会以相同的形式在英语或其他任何语言的其他地方发表。

利益冲突声明：
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
- Bernard Balleine报告称获得了澳大利亚研究委员会（Australian Research Council）的财务支持；
- Douglas Roy报告称获得了澳大利亚政府研究培训计划（Australian Government Research Training Program）的财务支持；
- 如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本研究工作的财务利益或个人关系。

致谢：
本研究得到了澳大利亚政府研究培训计划（Australian Government Research Training Program）对Douglas Roy的资助，以及澳大利亚研究委员会（Australian Research Council）对Bernard Balleine（项目编号DP200103401）和Bernard Balleine与Thomas Burton（项目编号DP240103246）的资助。作者声明不存在利益冲突。