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Nature:大脑是如何分辨你是哪种口渴的

2020/10/16 生物探索
导读:神经元类型的独特组合可以响应并介导不同的口渴状态。

人体是一个神奇而复杂的体系,即使是科学技术高速发展的今天,我们对人体奥秘的了解也仅仅是冰山一角。人体具有重要的科研价值,因此吸引着一代代科学家不断探索。最近,科学家揭开了不同口渴方式的细胞基础,使我们在探索人体奥秘的道路上又前进了一步。

10月14日,来自美国加州理工学院生物与生物工程系的研究人员发现了终板(扁平的神经末梢)末端口渴神经元的多种转录组细胞类型,并表明神经元类型的独特组合可以响应并介导不同的口渴状态。相关成果发表在《Nature》上。


https://www.nature.com/articles/s41586-020-2821-8

液体摄入是一种基本的先天行为,主要是由两种不同类型的口渴引起的。血液渗透压升高导致的口渴会驱使动物摄取纯净水,而体液流失引起的口渴会使动物同时寻求水和矿物质(盐),以恢复血液量。终板末端的室周器(CVO)是检测两种类型的口渴刺激的关键部位,然而,如何在大脑中编码不同的口渴方式仍然未知。

血液渗透压的升高和/或体液的流失会在穹窿下器(SFO)和下丘脑终板血管区(OVLT)中诱导FOS表达增强,这代表神经激活。为了探究渗透压和血流压力不足是否是通过CVO中的相同神经元检测到的,研究人员采用了一种依赖于活动的遗传标记策略,以永久标记FOS阳性神经元。结果显示,高渗盐水的注射在SFO和OVLT中引起了牢固的标记,相比之下,低血容量引起的FOS标记少得多。这些结果表明,渗透性口渴和低容量口渴激活了CVO中独特的细胞组


口渴状态下的液体消耗,生理变化和神经激活模式

随后,研究人员采用单细胞RNA测序技术鉴定了引起不同类型口渴的细胞底物。分析结果显示,SFO和OVLT中分别有12种和13种主要细胞类别。通过进一步研究,他们在SFO中发现了5种兴奋性和3种抑制性神经元类型,在OVLT中发现了6种兴奋性和2种抑制性神经元类型


SFO和OVLT中的主要细胞类别和神经元类型

此外,研究人员还发现,不同的口渴状态激活了CVO中细胞类型的独特组合。在低血容量下,SFO中的一种兴奋性神经元类型Glut1–Htr7和OVLT中的兴奋性神经元Glut1–Bmp3被强烈激活,而其他类型的神经元被渗透压选择性激活(SFO:Glut5-Rxfp3;OVLT:Glut4-Fam126a和Glut5-Rxfp1)。


调节不同口渴状态的神经元类型

接下来,研究人员进一步鉴定了与Fos激活模式最相关的遗传标志物。分析发现,人松弛素/胰岛素样肽受体1(Rxfp1)和前强啡肽原(Pdyn)的表达分别与高渗透性和低容量性口渴下的神经激活模式密切相关。而随后的基因敲入小鼠实验也证实了这一点:刺激Rxfp1神经元后,饱足的动物对水表现出强烈的食欲,但拒绝摄入高渗的NaCl和其他盐;而对Pdyn神经元的光遗传学刺激则触发了针对水和高渗盐溶液的非特异性饮水行为。此外,对Rxfp1阳性神经元的化学抑制可以强烈抑制渗透压诱导的水摄入,而抑制Pdyn则不能。


在SFO和OVLT中,口渴状态特定的细胞群激活概括了口渴特定的饮水模式

总之,这项研究阐明了两种口渴方式的细胞基础,同时强调了在转录组细胞类型水平上解剖神经回路功能的重要性。此外,功能定义的神经元组通常包含亚群,这些亚群具有实现特定行为的相关但截然不同的功能。

参考资料:

[1] The cellular basis of distinct thirst modalities

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