Después de comer una bolsa de patatas fritas saladas, probablemente sienta sed. Y después de un largo período de ejercicio, probablemente también sienta sed. Sin embargo, estos dos tipos de sed no son iguales.
En el primer ejemplo, es probable que busque agua. Esto se debe a que después de comer patatas fritas, la concentración de sales y minerales en la sangre se eleva, lo que induce un estado llamado sed osmótica. Por otro lado, después de hacer ejercicio, es probable que busques Gatorade o algún otro líquido que pueda rehidratarte y reponer los electrolitos, minerales que son importantes para las funciones del cuerpo. Esta sed, denominada sed hipovolémica, se produce cuando el volumen de la sangre se reduce debido a la pérdida de líquidos por la sudoración.
Ahora, los investigadores de Caltech han descubierto poblaciones únicas de neuronas en el cerebro del ratón que impulsan por separado la sed osmótica y la sed hipovolémica. La investigación explotó una técnica robusta y de alto rendimiento para mapear las neuronas que se activan por un comportamiento o estímulo específico.
La investigación se llevó a cabo en el laboratorio de Yuki Oka, profesor de biología y Chen Scholar, y se describe en un artículo que aparece en la revista Nature el 14 de octubre.
Se sabe que dos regiones cerebrales son importantes en la conducta de beber en los mamíferos, el órgano subfornical (OFS) y el organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). El laboratorio Oka demostró anteriormente que cada una de estas regiones contiene dos categorías generales de neuronas: unas que inducen la conducta de beber y otras que la inhiben.
Dirigido por Allan-Hermann Pool, becario postdoctoral en biología e ingeniería biológica, el equipo de investigadores se propuso caracterizar los diferentes tipos de neuronas dentro de estas regiones. Las neuronas pueden considerarse diferentes “tipos” en función de los repertorios de genes que expresan. Con una técnica denominada RNA-seq unicelular, Pool y sus colegas midieron la expresión génica en todas las neuronas del SFO y el OVLT en ratones. Descubrieron que cada estructura cerebral contenía al menos ocho tipos diferentes de neuronas. Se trata de una diversidad de células mucho mayor de lo que se suponía en un principio.
A continuación, el equipo examinó la función de los distintos tipos de células desarrollando una técnica rápida y escalable denominada mapeo de estímulo a tipo de célula. Esta importante herramienta permitió al equipo determinar qué células estaban implicadas en estados conductuales específicos mediante el mapeo de firmas moleculares con respecto a la activación neuronal. De este modo, el equipo descubrió que hay dos conjuntos únicos de tipos de neuronas dentro del SFO y el OVLT que se activan por la sed osmótica o hipovolémica, respectivamente.
“El enfoque de mapeo de estímulo a tipo de célula es particularmente útil para identificar rápidamente las neuronas causales de cualquier comportamiento, estado motivacional o acción farmacológica”, dice Pool. “Lo que antes llevaría varios años, ahora sólo lleva dos semanas”.
Los ratones fueron entonces modificados genéticamente para que el equipo pudiera activar las neuronas sensibles a la osmolalidad y la hipovolemia con pulsos de luz, mediante una técnica llamada optogenética. Los investigadores demostraron que la activación de las neuronas sensibles a la osmolalidad impulsaba a los ratones a beber agua pura y a evitar el agua salada. En cambio, cuando se activaban las neuronas sensibles a la hipovolemia, los ratones mostraban apetito por los líquidos ricos en minerales.
“Nuestros resultados demuestran que la sed es una sensación multimodal provocada por distintos estímulos. Se trata de un hallazgo emocionante porque ilustra cómo nuestro cerebro percibe estados internos utilizando una estrategia muy similar a la de los sistemas sensoriales periféricos, como el gusto y el olfato”, dice Oka.
Pool señala que su equipo estaba formado por varios académicos internacionales. “Este trabajo no habría sido posible sin el entorno abierto y acogedor que propugnan las universidades estadounidenses en general y Caltech en particular”, dice Pool, que es originario de Estonia.
El trabajo se titula “Bases celulares de las distintas modalidades de la sed”. Pool es el primer autor del estudio. Además de Pool y Oka, otros coautores de Caltech son el estudiante de posgrado Tongtong Wang y el antiguo estudiante de posgrado Sangjun Lee (PhD ’20). Otros coautores son David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance y John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) de UC Berkeley. La financiación fue proporcionada por fondos iniciales del presidente y el rector de Caltech y la División de Biología e Ingeniería Biológica de Caltech, el Programa de Becas Searle, la Fundación Mallinckrodt, la Fundación McKnight, la Fundación Klingenstein-Simons, la Fundación de Células Madre de Nueva York y los Institutos Nacionales de Salud. Este trabajo utilizó el Centro de Perfiles Unicelulares del Instituto Beckman de Caltech. Oka es miembro del profesorado afiliado al Instituto de Neurociencia Tianqiao y Chrissy Chen de Caltech.