Når du har spist en pose salte kartoffelchips, føler du dig sikkert tørstig. Og efter en lang periode med motion føler du dig sikkert også tørstig. Disse to typer tørst er dog ikke de samme.
I det første eksempel ville du sandsynligvis gribe efter vand. Det skyldes, at efter at have spist chips bliver koncentrationen af salte og mineraler i dit blod forhøjet, hvilket fremkalder en tilstand, der kaldes osmotisk tørst. På den anden side vil du efter træning sandsynligvis gribe efter Gatorade eller en anden væske, der både kan rehydrere dig og genopfylde elektrolytter, mineraler, der er vigtige for kroppens funktioner. Denne tørst, kaldet hypovolemisk tørst, opstår, når dit blodvolumen reduceres på grund af væsketab fra sved.
Nu har Caltech-forskere opdaget unikke populationer af neuroner i musens hjerne, som hver for sig styrer osmotisk tørst og hypovolemisk tørst. Forskningen udnyttede en robust teknik med højt gennemløb til kortlægning af neuroner, der aktiveres af en specifik adfærd eller stimulus.
Forskningen blev udført i laboratoriet af Yuki Oka, professor i biologi og Chen Scholar, og er beskrevet i en artikel, der udkommer i tidsskriftet Nature den 14. oktober.
To hjerneområder er kendt for at være vigtige for drikkeadfærd hos pattedyr, nemlig det subfornikale organ (SFO) og organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Oka-laboratoriet har tidligere vist, at hver af disse regioner indeholder to generelle kategorier af neuroner: nogle, der fremkalder drikkeadfærd, og andre, der hæmmer den.
Ledet af Allan-Hermann Pool, en postdoc i biologi og biologisk teknik, havde forskerholdet til formål at karakterisere de forskellige typer af neuroner i disse regioner. Neuroner kan betragtes som forskellige “typer” baseret på de genrepertoirer, de udtrykker. Med en teknik kaldet single-cell RNA-seq målte Pool og hans kolleger genekspressionen i alle neuroner inden for SFO og OVLT i musene. De fandt ud af, at hver hjernestruktur faktisk indeholdt mindst otte forskellige typer neuroner. Dette er en langt større diversitet af celler, end man oprindeligt havde antaget.
Dernæst undersøgte holdet funktionen af forskellige celletyper ved at udvikle en hurtig og skalerbar teknik kaldet stimulus-til-celletype-kortlægning. Dette vigtige værktøj gjorde det muligt for holdet at bestemme, hvilke celler der var involveret i specifikke adfærdstilstande ved at kortlægge molekylære signaturer med hensyn til neural aktivering. På denne måde opdagede holdet, at der er to unikke sæt af neurontyper inden for SFO og OVLT, der aktiveres af henholdsvis osmotisk eller hypovolemisk tørst.
“Tilgangen med stimulus-til-celletype-kortlægning er særlig nyttig til hurtigt at identificere kausale neuroner for enhver adfærd, motivationstilstand eller lægemiddelvirkning”, siger Pool. “Det, der tidligere ville tage flere år, tager nu kun to uger.”
Musene blev derefter genetisk modificeret, så holdet kunne aktivere de osmolalitets- og hypovolæmi-følsomme neuroner med lysimpulser ved hjælp af en teknik, der kaldes optogenetik. Forskerne viste, at aktiveringen af de osmolalitetsfølsomme neuroner drev musene til at drikke rent vand og til at undgå salt vand. I modsætning hertil viste musene, når hypovolæmi-følsomme neuroner blev aktiveret, appetit på mineralrige væsker.
“Vores resultater viser, at tørst er en multimodal fornemmelse forårsaget af forskellige stimuli. Det er et spændende fund, fordi det illustrerer, hvordan vores hjerne fornemmer interne tilstande ved hjælp af en meget lignende strategi som perifere sensoriske systemer såsom smag og lugtesans,” siger Oka.
Pool bemærker, at deres hold bestod af flere internationale forskere. “Dette arbejde ville ikke have været muligt uden det åbne og imødekommende miljø, som de amerikanske universiteter i almindelighed og Caltech i særdeleshed står bag,” siger Pool, som oprindeligt er fra Estland.
Den pågældende artikel har titlen “Cellular basis of distinct thirst modalities”. Pool er undersøgelsens førsteforfatter. Ud over Pool og Oka er de andre Caltech-medforfattere den kandidatstuderende Tongtong Wang og den tidligere kandidatstuderende Sangjun Lee (ph.d. ’20). Yderligere medforfattere er David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance og John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) fra UC Berkeley. Finansieringen blev ydet af startmidler fra præsidenten og provosten for Caltech og Caltech Division of Biology and Biological Engineering, Searle Scholars Program, Mallinckrodt Foundation, McKnight Foundation, Klingenstein-Simons Foundation, New York Stem Cell Foundation og National Institutes of Health. Dette arbejde benyttede Single-Cell Profiling Center i Beckman Institute på Caltech. Oka er tilknyttet fakultetsmedlem af Tianqiao og Chrissy Chen Institute for Neuroscience på Caltech.