Po sáčku slaných bramborových lupínků pravděpodobně cítíte žízeň. A po dlouhém cvičení pravděpodobně také cítíte žízeň. Tyto dva typy žízně však nejsou stejné.
V prvním případě byste pravděpodobně sáhli po vodě. Je to proto, že po konzumaci chipsů se zvýší koncentrace solí a minerálů v krvi, což vyvolá stav zvaný osmotická žízeň. Na druhou stranu po cvičení pravděpodobně sáhnete po Gatorade nebo jiné tekutině, která vás dokáže rehydratovat a zároveň doplnit elektrolyty, minerály důležité pro tělesné funkce. Tato žízeň, nazývaná hypovolemická žízeň, vzniká, když se objem vaší krve sníží v důsledku ztráty tekutin pocením.
Nyní vědci z Caltechu objevili jedinečné populace neuronů v myším mozku, které odděleně řídí osmotickou a hypovolemickou žízeň. Při výzkumu využili vysoce výkonnou a robustní techniku mapování neuronů, které jsou aktivovány specifickým chováním nebo podnětem.
Výzkum byl proveden v laboratoři Yuki Oka, profesora biologie a Chen Scholar, a je popsán v článku, který se 14. října objeví v časopise Nature.
Je známo, že pro chování při pití jsou u savců důležité dvě oblasti mozku – subfornální orgán (SFO) a organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Laboratoř Oka již dříve prokázala, že každá z těchto oblastí obsahuje dvě obecné kategorie neuronů: některé vyvolávají chování při pití a jiné ho inhibují.
Tým vědců pod vedením Allana-Hermanna Poola, postdoktoranda biologie a biologického inženýrství, se zaměřil na charakterizaci různých typů neuronů v těchto oblastech. Neurony lze považovat za různé “typy” na základě genového repertoáru, který exprimují. Pomocí techniky zvané single-cell RNA-seq Pool a jeho kolegové měřili genovou expresi ve všech neuronech v rámci SFO a OVLT u myší. Zjistili, že každá mozková struktura ve skutečnosti obsahuje nejméně osm různých typů neuronů. To je mnohem větší rozmanitost buněk, než se původně předpokládalo.
Dále tým zkoumal funkci různých typů buněk vyvinutím rychlé a škálovatelné techniky zvané mapování typu podnětu na buňku. Tento důležitý nástroj umožnil týmu určit, které buňky se podílejí na specifických stavech chování, a to mapováním molekulárních podpisů s ohledem na nervovou aktivaci. Tímto způsobem tým zjistil, že v rámci SFO a OVLT existují dvě jedinečné sady typů neuronů, které jsou aktivovány osmotickou, respektive hypovolemickou žízní.
“Přístup mapování stimulus-to-cell-type je obzvláště užitečný pro rychlou identifikaci kauzálních neuronů pro jakékoli chování, motivační stav nebo působení léků,” říká Pool. “To, co by dříve trvalo několik let, nyní trvá jen dva týdny.”
Myši byly poté geneticky upraveny tak, aby tým mohl aktivovat neurony citlivé na osmolalitu a hypovolemii pomocí světelných pulzů, a to technikou zvanou optogenetika. Vědci prokázali, že aktivace neuronů citlivých na osmolalitu přiměla myši pít čistou vodu a vyhýbat se vodě slané. Naopak při aktivaci neuronů citlivých na hypovolémii myši vykazovaly chuť na tekutiny bohaté na minerály.
“Naše výsledky ukazují, že žízeň je multimodální vjem vyvolaný různými podněty. To je vzrušující zjištění, protože ilustruje, jak náš mozek vnímá vnitřní stavy pomocí velmi podobné strategie jako periferní smyslové systémy, jako je chuť a čich,” říká Oka.
Pool poznamenává, že jejich tým tvořilo několik mezinárodních vědců. “Tato práce by nebyla proveditelná bez otevřeného a vstřícného prostředí, které podporují americké univerzity obecně a Caltech zvláště,” říká Pool, který pochází z Estonska.
Práce nese název “Cellular basis of distinct thirst modalities”. Pool je prvním autorem studie. Kromě Poola a Oka jsou dalšími spoluautory z Caltechu postgraduální student Tongtong Wang a bývalý postgraduální student Sangjun Lee (PhD ’20). Dalšími spoluautory jsou David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance a John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) z UC Berkeley. Financování bylo zajištěno z počátečních prostředků prezidenta a rektora Caltechu a Oddělení biologie a biologického inženýrství Caltechu, Searle Scholars Program, Mallinckrodt Foundation, McKnight Foundation, Klingenstein-Simons Foundation, New York Stem Cell Foundation a National Institutes of Health. Při této práci bylo využito Centrum profilování jednotlivých buněk v Beckmanově institutu na Caltechu. Oka je přidruženým členem fakulty Tianqiao a Chrissy Chen Institute for Neuroscience na Caltechu.