Kun olet syönyt pussillisen suolaisia perunalastuja, tunnet todennäköisesti janoa. Ja pitkän liikuntasuorituksen jälkeen sinua luultavasti myös janottaa. Nämä kaksi janontyyppiä eivät kuitenkaan ole samanlaisia.
Ensimmäisessä esimerkissä kurottaisit todennäköisesti veden perään. Tämä johtuu siitä, että sipsien syömisen jälkeen suolojen ja kivennäisaineiden pitoisuus veressäsi kohoaa, mikä aiheuttaa tilan nimeltä osmoottinen jano. Toisaalta kuntoilun jälkeen tavoittelet todennäköisesti Gatoradea tai jotain muuta nestettä, joka sekä nesteyttää sinua että täydentää elektrolyyttejä, kehon toiminnoille tärkeitä mineraaleja. Tätä janoa, jota kutsutaan hypovolemiseksi janoksi, esiintyy, kun veresi tilavuus pienenee hikoilun aiheuttaman nestehukan vuoksi.
Nyt Caltechin tutkijat ovat löytäneet hiiren aivoista ainutlaatuisia neuronipopulaatioita, jotka ohjaavat erikseen osmoottista janoa ja hypovolemista janoa. Tutkimuksessa hyödynnettiin korkean läpimenon ja vankkaa tekniikkaa, jolla kartoitetaan neuroneita, jotka aktivoituvat tietyn käyttäytymisen tai ärsykkeen vaikutuksesta.
Tutkimus tehtiin biologian professori ja Chen Scholar Yuki Okan laboratoriossa, ja se kuvataan Nature-lehdessä 14. lokakuuta ilmestyvässä artikkelissa.
Kahdella aivoalueella tiedetään olevan merkitystä nisäkkäiden juomiskäyttäytymisessä, subfornical organ (SFO) ja organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Okan laboratorio osoitti aiemmin, että kumpikin näistä alueista sisältää kahta yleistä neuroniluokkaa: toiset indusoivat juomiskäyttäytymistä ja toiset estävät sitä.
Tutkijaryhmä pyrki biologian ja biologisen insinööritieteiden tohtorin tutkijan Allan-Hermann Poolin johdolla luonnehtimaan erityyppisiä neuroneita näillä alueilla. Neuroneja voidaan pitää erilaisina “tyyppeinä” niiden ilmentämän geenirepertuaarin perusteella. Pool ja hänen kollegansa mittasivat yhden solun RNA-seqiksi kutsutulla tekniikalla geeniekspressiota kaikista hiirten SFO:n ja OVLT:n sisällä olevista neuroneista. He havaitsivat, että kumpikin aivorakenne sisälsi itse asiassa vähintään kahdeksan erilaista neuronityyppiä. Tämä on paljon suurempi solujen monimuotoisuus kuin alun perin oletettiin.
Seuraavaksi tutkimusryhmä tutki eri solutyyppien toimintaa kehittämällä nopean ja skaalautuvan tekniikan, jota kutsutaan ärsykkeen ja solutyypin väliseksi kartoitukseksi. Tämän tärkeän työkalun avulla tiimi pystyi määrittämään, mitkä solut olivat mukana tietyissä käyttäytymistiloissa kartoittamalla molekulaarisia allekirjoituksia suhteessa neuraaliseen aktivoitumiseen. Tällä tavoin tiimi havaitsi, että SFO:ssa ja OVLT:ssä on kaksi ainutlaatuista neuronityyppiryhmää, jotka aktivoituvat vastaavasti osmoottisen tai hypovolemisen janon vaikutuksesta.
“Ärsykkeestä solutyyppiin -kartoitusmenetelmä on erityisen käyttökelpoinen, kun halutaan nopeasti tunnistaa kausaaliset neuronit mille tahansa käyttäytymiselle, motivaatiotilalle tai lääkeaineen vaikutukselle”, Pool sanoo. “Se, mikä aikoinaan kesti useita vuosia, kestää nyt vain kaksi viikkoa.”
Hiiret muokattiin sitten geneettisesti niin, että ryhmä pystyi aktivoimaan osmolaliteetille ja hypovolemialle herkät neuronit valopulsseilla optogenetiikaksi kutsutun tekniikan avulla. Tutkijat osoittivat, että osmolaliteetille herkkien neuronien aktivointi sai hiiret juomaan puhdasta vettä ja välttämään suolaista vettä. Sitä vastoin, kun hypovolemia-herkät neuronit aktivoitiin, hiiret osoittivat ruokahalua mineraalipitoisten nesteiden suhteen.
“Tuloksemme osoittavat, että jano on multimodaalinen aistimus, jonka aiheuttavat erilaiset ärsykkeet. Tämä on jännittävä havainto, koska se havainnollistaa, miten aivomme aistivat sisäisiä tiloja hyvin samanlaisella strategialla kuin perifeeriset aistijärjestelmät, kuten maku ja haju”, Oka sanoo.
Pool toteaa, että heidän ryhmänsä koostui useista kansainvälisistä tutkijoista. “Tämä työ ei olisi ollut mahdollista ilman sitä avointa ja tervetulleeksi toivottavaa ympäristöä, jota amerikkalaiset yliopistot yleensä ja Caltech erityisesti edustavat”, sanoo alun perin Virosta kotoisin oleva Pool.
Paperin nimi on “Cellular basis of distinct thirst modalities”. Pool on tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja. Poolin ja Okan lisäksi muut Caltechin osatekijät ovat jatko-opiskelija Tongtong Wang ja entinen jatko-opiskelija Sangjun Lee (PhD ’20). Muita kirjoittajia ovat David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance ja John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) UC Berkeleystä. Rahoitus saatiin Caltechin presidentin ja provostin, Caltechin biologian ja biologisen tekniikan osaston, Searle Scholars Programin, Mallinckrodt-säätiön, McKnight-säätiön, Klingenstein-Simons-säätiön, New Yorkin kantasolusäätiön ja Kansallisten terveysinstituuttien myöntämistä käynnistysvaroista. Tässä työssä hyödynnettiin Caltechin Beckman-instituutin Single-Cell Profiling Centeriä. Oka on Caltechin Tianqiaon ja Chrissy Chenin neurotieteen instituutin tiedekunnan jäsen.