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Nature约稿专刊| 当你口渴时,你的脑子在干什么

Nature约稿专刊| 当你口渴时,你的脑子在干什么

撰文| @Platinum 王铂

编辑| @insoulter

导语:约稿专刊是行为与认知神经科学专栏下的一个新栏目,邀请在神经科学领域高水平期刊上发表文章的作者介绍自己或主要参与的工作。2018年2月28日Nature在线发表了美国加州理工生物与生物工程部Yuki Oka实验室的工作,报道了小鼠脑内控制“渴觉”的神经环路。本文由同院系的加州理工博士后王铂撰写。

第一次跟Yuki和Vinny见面是在2017年春天的一个早晨。Yuki带着典型日本人的谦逊,而Vinny是一个极为安静的印度留学生。他们正在研究动物口渴感觉和饮水行为的中枢神经环路机制,当时正需要一些脑片电生理的实验来验证他们的新发现。苦于一时没有招募到合适的实验人员,Yuki找到了Carlos和我。Yuki讲到了他们新发现的从MnPO抑制性神经元到SFO兴奋性神经元的反馈抑制环路。当时的我根本没兴趣记住这几个前所未闻的核团名字,只知道在脑片当中记录被红色荧光蛋白标记的神经元,同时用蓝光刺激它们周围那些被ChR2和绿色荧光蛋白标记的神经纤维们,验证它们之间存在跨越单个突触的GABA能突触连接。这个实验简直是小菜一碟,几天时间就全部搞定。直到几个月后他们的论文被Nature接收,我才发现那几天的工作居然(悲催地)成为了本人整个2017年最有成效的几天…于是我…不得不对他们的研究领域燃起了浓厚兴趣。

如果身体缺水,我们会感觉口渴(不是因为喉咙发干),这种感觉不太美好,所以能驱使我们喝水以补充身体所需。这是所有动物的共同本能。近年来,一连串与口渴和喝水相关的神经科学谜团正吸引着越来越多的科学家们尝试去破解。首当其冲的便是解答缺水如何产生口渴这个谜题。除此之外,缺水还能够引起血压升高、神经内分泌改变等生理活动,这显然需要一个相对复杂的多模块神经网络来让不同的生理功能相互协同,共同完成身体水盐平衡的调控。其中包含的神经环路机制又是什么?试想一下,喝下一杯白开水,体内体液渗透压恢复到合适的水平,这需要一些时间,也许是十几秒或几十秒钟。在这段时间内,如果口渴(或者叫对水的渴求)没有被及时终止,我们就很可能会喝下过多的水,从而给身体造成新的危机;又是什么样的生理机制及时终止了口渴?

大脑中与水盐调节直接相关的脑区

哺乳动物的大脑内部有一个被称为终板(lamina terminalis ,LT)的脑区与体液水盐平衡的调节直接相关,位于第三脑室前壁正中的位置,是条状分布的一层神经元。SFO,OVLT和MnPO则是组成LT的三个重要核团,SFO靠近背侧在穹窿下方,OVLT居于腹侧,MnPO则位于二者之间。SFO和OVLT区域缺乏中枢神经系统中普遍存在的血脑屏障结构,因此其中一部分神经元能够直接感受血液渗透压和血压。MnPO虽然不能直接感知血液状态,但是它与SFO和OVLT紧密相连。我们可以将SFO和OVLT比作大脑伸向体液的两个“触角”,MnPO比作“触角”信息汇总装置。当身体缺水的时候,血液渗透压升高或者血压降低(血量减少)会让这三个核团都兴奋起来,就像大脑的缺水报警器亮起了红灯。然后它们下游的神经结构在“看到”这个红灯以后就会做出应对,包括:增加对水的需求(口渴)削弱对盐的食欲减少尿液的产生升高血压,很显然这些生理变化都是为了保证身体的水盐平衡。科学家们很早就开始尝试各种办法,特别是越来越强大的光遗传学工具,来制造身体缺水的“假警报”:在并不缺水的实验动物大脑当中选择性地激活这三个核团。他们发现,激活SFO、OVLT和MnPO三者中任何一个或多个核团中的兴奋性神经元,都可以让本不缺水的实验动物开始大量饮水;而选择性地刺激抑制性神经元(进而抑制整个核团)则可以让本已缺水的小鼠对喝水不感兴趣。这些实验证明了LT是大脑的缺水报警器,对口渴感觉的产生是充分且必要的。


大脑中的口渴警报

关于LT内部及其与下游结构更详细的神经连接模式和生理功能,目前已为人知所的部分并不多,科学家们正在积极地研究。MnPO这个核团本身并没有直接感受体液水盐状态的能力,但科学家们发现,当MnPO被抑制时,激活SFO或者OVLT,或者给实验动物断水都不能让小鼠产生喝水的动力;而另一方面,抑制SFO和OVLT,使动物没有办法感受体液水盐变化时,还是能够通过实验手段直接激活MnPO,使小鼠感到口渴并开始喝水(如下图)。这些实验结果证明,SFO和OVLT感受到体液水盐状态变化后,必须通过MnPO才能把需要喝水的“警报”传递出去。在功能上,它们是上下游的关系。


实验设计如左侧示意图。通过注射病毒感染表达Casp3引起兴奋性神经元(nNOS阳性细胞)凋亡,让特定的核团失去功能。同时利用光遗传学(ChR2)手段激活其他核团。实验结果表明,失去MnPO正常功能的情况下(MnPOx),刺激SFO不能让小鼠喝水。但是在失去SFO或OVLT的情况下(SFOx/OVLTx),刺激MnPO依然能让小鼠大量饮水。(Augustine et al. Nature 2018)

当MnPO发出缺水“警报”之后又会激活哪些下游结构,产生应对措施从而解除警报?目前已知与MnPO直接连接的结构有不少,包括PVH、SON和PVT等等,这些结构的具体分工有所区别但并不十分明确,其中PVH能够调控交感神经系统活动,加速心跳提升血压;SON能够分泌血管升压素(arginine vasopressin,AVP),减少排尿;PVT则跟多种压力信息的整合有关,缺水大概应 该也是压力的一种吧。有意思的是,尽管MnPO的多条输出通路各有各的“分工”,但产生“口渴”感觉的功能则是相似的。激活MnPO到其下游多条通路中的任意一个都能够让小鼠开始喝水。这一现象有些复杂,究竟有没有哪一条唯一的神经通路对动物感到“口渴”是充分且必要的?或者是多通路并行传递(增加冗余程度以提高可靠性)?这个问题还需要更多的研究来给予答案。

除此之外,科学家们还发现,虽然MnPO控制了动物对水的需求,但是似乎并不参与动物对盐分需求的调控。盐分需求的调控依赖于从SFO直接到另外一个被称为vBNST的结构之间的神经连接。直接刺激SFO中所有兴奋性神经元,既能够增加小鼠喝水也能增加吃盐。但摄水和摄盐对于体液水盐状态的作用相反,一同增加与正常的生理需求是矛盾的。目前的研究结果指向这样的可能性: SFO中有至少两种功能相左的兴奋性神经元,一种与MnPO连接,在缺水的情况下激活,促进喝水;另外一种与vBNST相连,在水多缺盐的情况下激活,促进吃盐。两种兴奋性神经元之间或许通过中间神经元相互抑制。(目前尚没有办法将SFO的不同神经元类群区分开来,所以还无法证实SFO如何双向调节摄水摄盐。)

大脑不喜欢“口渴”

经典理论认为,动物的行为模式都是基于对惩罚和厌恶情绪的躲避以及对奖赏和欣快情绪的追求。但是如何证明MnPO产生的口渴“警报”实际上是催生了一个令人生厌的信号,动物是为了躲避这种讨厌的情绪去喝水,而不是被MnPO直接驱动喝水行为?小鼠不会说话,也不告诉我们它高不高兴,但科学家们想到了用其他行为范式来替代喝水的方法:首先用光遗传学的手段持续激活小鼠的MnPO核团,但是并不给它提供水,而是给它一个操作杆,只要小鼠去按压这个操作杆就会暂停光激活信号。实验发现,小鼠会持续不断地按压操作杆,乐此不疲。也就是说,只要可以降低MnPO被激活带来的不爽,小鼠并不在意喝不喝水,从而证明MnPO并不直接驱动喝水行为,而是使动物感到不爽。

大脑如何避免饮水过量

在正常生理情况下,喝水之后身体的水分得到 补充,SFO和OVLT的兴奋程度降低,就能终止MnPO的口渴“警报”。但是,相对于动物喝水的速度而言,体液水盐平衡的恢复要慢一些,于是大脑有必要“预测”即将到来的水分补充,防止口渴信号消除滞后而导致饮水过量。的确,SFO兴奋性神经元的活动程度在动物刚一喝水的时候就开始降低,证明SFO不仅实时监测体液水盐状态还能够“预测”即将增加的水分。事实上,SFO的兴奋性神经元接受到来自MnPO中一群抑制性神经元的强烈抑制,这群MnPO抑制性神经元会即时地被喝水时的吞咽动作所激活。也就是说,当动物喝水时,吞咽的动作能够激活MnPO的抑制性神经元,从而降低SFO中兴奋性神经元的兴奋性,MnPO的口渴警报就会解除,动物便能适量饮水。有趣的是,喝油、喝盐水也有同样的作用,但是给小鼠吃水凝胶(含水量超过99%的固体)则不能产生同样的作用(如下图)。这说明“喝”这个动作本身是特殊的——大概是因为“吃”的动作通常摄入速度都要慢一些,而“喝”才有短时间摄入过量的危险吧。也许你有同样的经历:即使特别渴,也无法连续大口喝下特别多的水,而是要在中间稍微“休息”一下,分多次喝下。

通过在体光纤记录的手段测量MnPO中抑制性神经元(GLP1R阳性细胞)的活动程度,发现在小鼠开始喝水时这群神经元活动增加(红色荧光强度曲线),在开始吃水凝胶的时候则没有活动变化(黑色荧光强度曲线)。(Augustine et al. Nature 2018)

到目前为止,科学家们已经找到了神经系统中的水盐调节中枢,终板,也基本了解了其中各个核团之间的相互关系。但整体来看,我们所了解的还只是水盐平衡相关神经环路的一小部分。这里面还有太多的问题有待解答。比如说,上文提到的,MnPO下游多个通路的详细生理功能都是什么?为何它们都能表达“口渴”?再比如,喝水时的吞咽动作通过怎样的信息传递激活MnPO中的抑制性神经元进而及时终止口渴警报?喝水调节和吃盐调节如何相互作用?和进食调节如何相互作用?……


Yuki Oka博士和Vineet(Vinny) Augustine最近刚刚在Nature发表的论文主要探讨了LT三个核团之间的上下游关系和MnPO到SFO的抑制性连接,详见参考文献7。虽然我说Vinny是一个极度安静的学生,但慢慢熟悉起来之后感觉还是很能聊得来的,他非常聪明。当然,作Caltech的学生,这是毋庸置疑的。圣诞节前的某一天,跟他感慨了一下这个研究领域竞争之激烈。Vinny说,等着吧,很快我们就能看到越来越多关于水盐平衡调节相关神经环路的研究工作被发表出来,也相信会有越来越多的科学家开始从事相关的研究工作,也许不出多久就能告诉你们,口渴的“感受”到底在哪里。


Yuki Okawww.okalab.caltech.edu

参考文献 1–7

(如有兴趣深入了解,推荐阅读参考文献6所列综述)

1. Oka,Y., Ye, M. & Zuker, C. S. Thirst driving and suppressing signals encoded bydistinct neural populations in the brain. Nature520, 349–352 (2015).

2. Zimmerman,C. A. et al. Thirst neurons anticipate thehomeostatic consequences of eating and drinking. Nature537, 680–684 (2016).

3. Allen,W. E. et al. Thirst-associated preoptic neuronsencode an aversive motivational drive. Science357, 1149–1155 (2017).

4. Matsuda,T. et al. Distinct neural mechanisms for thecontrol of thirst and salt appetite in the subfornical organ. Nat.Neurosci.20, 230–241 (2017).

5. Leib,D. E. et al. The Forebrain Thirst Circuit DrivesDrinking through Negative Reinforcement. Neuron96, 1272–1281.e4 (2017).

6. Zimmerman,C. A., Leib, D. E. & Knight, Z. A. Neural circuits underlying thirst andfluid homeostasis. Nat.Rev. Neurosci.18, 459–469 (2017).

7. Augustine,V. et al. Hierarchical neural architectureunderlying thirst regulation. Nature (2018). doi:10.1038/nature25488

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编辑于 2018-03-08

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