Après avoir mangé un sac de chips salées, vous avez probablement soif. Et après une longue période d’exercice, vous avez aussi probablement soif. Cependant, ces deux types de soif ne sont pas les mêmes.
Dans le premier exemple, vous tendriez probablement la main vers l’eau. En effet, après avoir mangé des chips, la concentration de sels et de minéraux dans votre sang devient élevée, ce qui induit un état appelé soif osmotique. En revanche, après avoir fait de l’exercice, vous aurez probablement envie de boire du Gatorade ou un autre liquide qui peut à la fois vous réhydrater et faire le plein d’électrolytes, des minéraux importants pour les fonctions du corps. Cette soif, appelée soif hypovolémique, se produit lorsque le volume de votre sang est réduit en raison de la perte de liquide due à la transpiration.
A présent, les chercheurs de Caltech ont découvert des populations uniques de neurones dans le cerveau de la souris qui dirigent séparément la soif osmotique et la soif hypovolémique. La recherche a exploité une technique à haut débit et robuste pour cartographier les neurones qui sont activés par un comportement ou un stimulus spécifique.
La recherche a été menée dans le laboratoire de Yuki Oka, professeur de biologie et Chen Scholar, et est décrite dans un article qui paraît dans la revue Nature le 14 octobre.
Deux régions du cerveau sont connues pour être importantes dans les comportements de consommation d’alcool chez les mammifères, l’organe subfornical (SFO) et l’organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Le laboratoire d’Oka a précédemment démontré que chacune de ces régions contient deux catégories générales de neurones : certains qui induisent le comportement de consommation d’alcool et d’autres qui l’inhibent.
Dirigée par Allan-Hermann Pool, un chercheur postdoctoral en biologie et en génie biologique, l’équipe de chercheurs avait pour objectif de caractériser les différents types de neurones au sein de ces régions. Les neurones peuvent être considérés comme différents “types” en fonction des répertoires de gènes qu’ils expriment. Grâce à une technique appelée “single-cell RNA-seq”, M. Pool et ses collègues ont mesuré l’expression génétique de tous les neurones de la SFO et de l’OVLT chez la souris. Ils ont constaté que chaque structure cérébrale contenait en fait au moins huit types de neurones différents. Il s’agit d’une diversité de cellules beaucoup plus importante que ce qui avait été supposé à l’origine.
Puis, l’équipe a examiné la fonction des différents types de cellules en développant une technique rapide et évolutive appelée cartographie stimulus-types de cellules. Cet outil important a permis à l’équipe de déterminer quelles cellules étaient impliquées dans des états comportementaux spécifiques en cartographiant les signatures moléculaires par rapport à l’activation neuronale. De cette façon, l’équipe a découvert qu’il existe deux ensembles uniques de types de neurones au sein du SFO et de l’OVLT qui sont activés par la soif osmotique ou hypovolémique, respectivement.
“L’approche de cartographie de type stimulus-cellule est particulièrement utile pour identifier rapidement les neurones causaux pour tout comportement, état motivationnel ou action médicamenteuse”, explique Pool. “Les souris ont ensuite été génétiquement modifiées pour que l’équipe puisse activer les neurones sensibles à l’osmolalité et à l’hypovolémie par des impulsions lumineuses, grâce à une technique appelée optogénétique. Les chercheurs ont montré que l’activation des neurones sensibles à l’osmolalité poussait les souris à boire de l’eau pure et à éviter l’eau salée. En revanche, lorsque les neurones sensibles à l’hypovolémie étaient activés, les souris montraient un appétit pour les liquides riches en minéraux.
“Nos résultats montrent que la soif est une sensation multimodale provoquée par des stimuli distincts. C’est une découverte passionnante car elle illustre la façon dont notre cerveau détecte les états internes en utilisant une stratégie très similaire à celle des systèmes sensoriels périphériques tels que le goût et l’olfaction”, déclare Oka.
Pool note que leur équipe était composée de plusieurs chercheurs internationaux. “Ce travail n’aurait pas été possible sans l’environnement ouvert et accueillant épousé par les universités américaines en général et Caltech en particulier”, dit Pool, qui est originaire d’Estonie.
L’article est intitulé “Base cellulaire des modalités distinctes de la soif”. Pool est le premier auteur de l’étude. Outre Pool et Oka, les autres coauteurs de Caltech sont l’étudiant diplômé Tongtong Wang et l’ancien étudiant diplômé Sangjun Lee (PhD ’20). Les autres coauteurs sont David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance et John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) de l’UC Berkeley. Le financement a été assuré par des fonds de démarrage du président et du doyen de Caltech et de la division de biologie et de génie biologique de Caltech, le Searle Scholars Program, la Mallinckrodt Foundation, la McKnight Foundation, la Klingenstein-Simons Foundation, la New York Stem Cell Foundation et les National Institutes of Health. Ces travaux ont utilisé le Single-Cell Profiling Center du Beckman Institute de Caltech. Oka est un membre affilié de la faculté du Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience à Caltech.