Dopo aver mangiato un pacchetto di patatine salate, probabilmente avete sete. E dopo un lungo periodo di esercizio fisico, probabilmente si sente anche la sete. Tuttavia, questi due tipi di sete non sono la stessa cosa.
Nel primo esempio, è probabile che si cerchi l’acqua. Questo perché dopo aver mangiato patatine, la concentrazione di sali e minerali nel sangue diventa elevata, il che induce uno stato chiamato sete osmotica. D’altra parte, dopo l’esercizio fisico, è probabile che si raggiunga il Gatorade o qualche altro liquido che può sia reidratare che reintegrare gli elettroliti, minerali importanti per le funzioni del corpo. Questa sete, chiamata sete ipovolemica, si verifica quando il volume del sangue è ridotto a causa della perdita di liquidi dalla sudorazione.
Ora, i ricercatori del Caltech hanno scoperto popolazioni uniche di neuroni nel cervello del topo che guidano separatamente la sete osmotica e la sete ipovolemica. La ricerca ha sfruttato una tecnica robusta e ad alta produttività per la mappatura dei neuroni che vengono attivati da un comportamento o uno stimolo specifico.
La ricerca è stata condotta nel laboratorio di Yuki Oka, professore di biologia e Chen Scholar, ed è descritta in un documento che appare sulla rivista Nature il 14 ottobre.
Due regioni del cervello sono note per essere importanti nei comportamenti di bere nei mammiferi, l’organo subfornico (SFO) e l’organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Il laboratorio Oka ha precedentemente dimostrato che ciascuna di queste regioni contiene due categorie generali di neuroni: alcuni che inducono il comportamento di bere e altri che lo inibiscono.
Guidato da Allan-Hermann Pool, uno studioso post-dottorato in biologia e ingegneria biologica, il team di ricercatori ha mirato a caratterizzare i diversi tipi di neuroni all’interno di queste regioni. I neuroni possono essere considerati diversi “tipi” in base ai repertori di geni che esprimono. Con una tecnica chiamata single-cell RNA-seq, Pool e i suoi colleghi hanno misurato l’espressione genica in tutti i neuroni all’interno del SFO e OVLT nei topi. Hanno scoperto che ogni struttura cerebrale conteneva in realtà almeno otto diversi tipi di neuroni. Si tratta di una diversità di cellule molto più alta di quella che era stata originariamente ipotizzata.
In seguito, il team ha esaminato la funzione dei diversi tipi di cellule sviluppando una tecnica rapida e scalabile chiamata mappatura stimolo-tipo di cellula. Questo importante strumento ha permesso al team di determinare quali cellule erano coinvolte in specifici stati comportamentali, mappando le firme molecolari rispetto all’attivazione neurale. In questo modo, il team ha scoperto che ci sono due insiemi unici di tipi di neuroni all’interno dell’OFS e dell’OVLT che sono attivati dalla sete osmotica o ipovolemica, rispettivamente.
“L’approccio di mappatura stimolo-tipo-cellula è particolarmente utile per identificare rapidamente i neuroni causali per qualsiasi comportamento, stato motivazionale o azione farmacologica”, dice Pool. “Quello che una volta richiedeva diversi anni ora richiede solo due settimane”.
I topi sono stati poi geneticamente modificati in modo che il team potesse attivare i neuroni sensibili all’osmolalità e all’ipovolemia con impulsi di luce, attraverso una tecnica chiamata optogenetica. I ricercatori hanno dimostrato che l’attivazione dei neuroni sensibili all’osmolalità spingeva i topi a bere acqua pura e a evitare l’acqua salata. Al contrario, quando i neuroni sensibili all’ipovolemia sono stati attivati, i topi hanno mostrato un appetito per i liquidi ricchi di minerali.
“I nostri risultati mostrano che la sete è una sensazione multimodale causata da stimoli distinti. Questa è una scoperta eccitante perché illustra come il nostro cervello percepisce gli stati interni utilizzando una strategia molto simile a quella dei sistemi sensoriali periferici come il gusto e l’olfatto”, dice Oka.
Pool nota che il loro team era composto da diversi studiosi internazionali. “Questo lavoro non sarebbe stato possibile senza l’ambiente aperto e accogliente delle università americane in generale e del Caltech in particolare”, dice Pool, che è originario dell’Estonia.
Il documento è intitolato “Base cellulare delle modalità di sete distinte”. Pool è il primo autore dello studio. Oltre a Pool e Oka, altri co-autori del Caltech sono lo studente laureato Tongtong Wang e l’ex studente laureato Sangjun Lee (PhD ’20). Altri coautori sono David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance e John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) della UC Berkeley. Il finanziamento è stato fornito da fondi di avvio dal presidente e dal rettore del Caltech e dalla divisione Caltech di biologia e ingegneria biologica, dal Searle Scholars Program, dalla Mallinckrodt Foundation, dalla McKnight Foundation, dalla Klingenstein-Simons Foundation, dalla New York Stem Cell Foundation e dal National Institutes of Health. Questo lavoro ha utilizzato il Single-Cell Profiling Center nel Beckman Institute al Caltech. Oka è un membro di facoltà affiliato dell’Istituto Tianqiao e Chrissy Chen per le neuroscienze al Caltech.