Nach dem Verzehr einer Tüte salziger Kartoffelchips verspüren Sie wahrscheinlich Durst. Und nach einer langen sportlichen Betätigung verspüren Sie wahrscheinlich auch Durst. Diese beiden Arten von Durst sind jedoch nicht dasselbe.
Im ersten Beispiel würden Sie wahrscheinlich nach Wasser greifen. Das liegt daran, dass nach dem Verzehr von Pommes frites die Konzentration von Salzen und Mineralien in Ihrem Blut erhöht ist, was einen Zustand hervorruft, der osmotischer Durst genannt wird. Nach dem Sport hingegen greifen Sie wahrscheinlich zu Gatorade oder einer anderen Flüssigkeit, die Sie rehydriert und die Elektrolyte, die für die Körperfunktionen wichtig sind, wieder auffüllt. Dieser Durst, der als hypovolämischer Durst bezeichnet wird, tritt auf, wenn sich das Blutvolumen aufgrund des Flüssigkeitsverlustes durch Schwitzen verringert.
Jetzt haben Forscher des Caltech einzigartige Populationen von Neuronen im Gehirn von Mäusen entdeckt, die osmotischen und hypovolämischen Durst getrennt steuern. Die Forschung nutzte eine robuste Technik mit hohem Durchsatz zur Kartierung von Neuronen, die durch ein bestimmtes Verhalten oder einen bestimmten Reiz aktiviert werden.
Die Forschung wurde im Labor von Yuki Oka, Professor für Biologie und Chen-Stipendiat, durchgeführt und wird in einem Artikel beschrieben, der am 14. Oktober in der Zeitschrift Nature erscheint.
Zwei Hirnregionen sind dafür bekannt, dass sie für das Trinkverhalten von Säugetieren wichtig sind: das subfornische Organ (SFO) und das Organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Das Oka-Labor hat zuvor gezeigt, dass jede dieser Regionen zwei allgemeine Kategorien von Neuronen enthält: einige, die das Trinkverhalten auslösen, und andere, die es hemmen.
Unter der Leitung von Allan-Hermann Pool, einem Postdoktoranden in Biologie und Bioingenieurwesen, wollte das Forscherteam die verschiedenen Arten von Neuronen in diesen Regionen charakterisieren. Neuronen können aufgrund des Genrepertoires, das sie exprimieren, als verschiedene “Typen” angesehen werden. Mit einer Technik, die als Einzelzell-RNA-seq bezeichnet wird, maßen Pool und seine Kollegen die Genexpression in allen Neuronen innerhalb des SFO und des OVLT bei Mäusen. Sie fanden heraus, dass jede Gehirnstruktur mindestens acht verschiedene Arten von Neuronen enthält. Das ist eine viel größere Vielfalt an Zellen als ursprünglich angenommen.
Als nächstes untersuchte das Team die Funktion der verschiedenen Zelltypen, indem es eine schnelle und skalierbare Technik entwickelte, die als Stimulus-to-Cell-Type-Mapping bezeichnet wird. Mit diesem wichtigen Instrument konnte das Team feststellen, welche Zellen an bestimmten Verhaltenszuständen beteiligt waren, indem es molekulare Signaturen in Bezug auf die neuronale Aktivierung kartierte. Auf diese Weise entdeckte das Team, dass es zwei einzigartige Gruppen von Neuronen im SFO und OVLT gibt, die durch osmotischen bzw. hypovolämischen Durst aktiviert werden.
“Der Ansatz des Stimulus-to-Cell-Type-Mapping ist besonders nützlich, um schnell kausale Neuronen für jedes Verhalten, jeden Motivationszustand oder jede Arzneimittelwirkung zu identifizieren”, sagt Pool. “
Die Mäuse wurden dann genetisch so verändert, dass das Team die Osmolalitäts- und Hypovolämie-empfindlichen Neuronen mit Lichtimpulsen aktivieren konnte, mit einer Technik, die Optogenetik genannt wird. Die Forscher zeigten, dass die Aktivierung der osmolalieempfindlichen Neuronen die Mäuse dazu brachte, reines Wasser zu trinken und salziges Wasser zu meiden. Wurden dagegen hypovolämieempfindliche Neuronen aktiviert, zeigten die Mäuse Appetit auf mineralreiche Flüssigkeiten.
“Unsere Ergebnisse zeigen, dass Durst eine multimodale Empfindung ist, die durch unterschiedliche Reize ausgelöst wird. Das ist ein spannender Befund, weil er zeigt, dass unser Gehirn innere Zustände mit einer sehr ähnlichen Strategie wahrnimmt wie periphere Sinnessysteme wie Geschmack und Geruch”, sagt Oka.
Pool merkt an, dass ihr Team aus mehreren internationalen Wissenschaftlern bestand. “Diese Arbeit wäre ohne das offene und freundliche Umfeld, das die amerikanischen Universitäten im Allgemeinen und das Caltech im Besonderen bieten, nicht möglich gewesen”, sagt Pool, der ursprünglich aus Estland stammt.
Die Arbeit trägt den Titel “Cellular basis of distinct thirst modalities”. Pool ist der Erstautor der Studie. Neben Pool und Oka sind der Doktorand Tongtong Wang und der ehemalige Doktorand Sangjun Lee (PhD ’20) weitere Co-Autoren der Caltech-Studie. Weitere Co-Autoren sind David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance und John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) von der UC Berkeley. Finanziert wurde das Projekt durch Startkapital des Präsidenten und Propstes von Caltech und der Caltech Division of Biology and Biological Engineering, das Searle Scholars Program, die Mallinckrodt Foundation, die McKnight Foundation, die Klingenstein-Simons Foundation, die New York Stem Cell Foundation und die National Institutes of Health. Für diese Arbeit wurde das Single-Cell Profiling Center im Beckman Institute am Caltech genutzt. Oka ist Mitglied des Lehrkörpers des Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience am Caltech.