Na het eten van een zak zoute chips, heb je waarschijnlijk dorst. En na een lange periode van inspanning, voel je je waarschijnlijk ook dorstig. Deze twee soorten dorst zijn echter niet hetzelfde.
In het eerste voorbeeld zou je waarschijnlijk naar water grijpen. Dit komt omdat na het eten van chips, de concentratie van zouten en mineralen in je bloed wordt verhoogd, die een toestand genaamd osmotische dorst induceert. Anderzijds zul je na het sporten waarschijnlijk grijpen naar Gatorade of een andere vloeistof die je zowel kan rehydrateren als elektrolyten aanvullen, mineralen die belangrijk zijn voor de lichaamsfuncties. Deze dorst, hypovolemische dorst genoemd, treedt op wanneer het volume van je bloed wordt verminderd als gevolg van vochtverlies door zweten.
Nu hebben Caltech-onderzoekers unieke populaties van neuronen in de muizenhersenen ontdekt die afzonderlijk osmotische dorst en hypovolemische dorst aansturen. Het onderzoek maakte gebruik van een high-throughput en robuuste techniek voor het in kaart brengen van neuronen die worden geactiveerd door een specifiek gedrag of stimulus.
Het onderzoek werd uitgevoerd in het laboratorium van Yuki Oka, hoogleraar biologie en Chen Scholar, en wordt beschreven in een paper dat verschijnt in het tijdschrift Nature op 14 oktober.
Twee hersengebieden zijn bekend als belangrijk bij drinkgedrag bij zoogdieren, het subfornicale orgaan (SFO) en het organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Het Oka-laboratorium toonde eerder aan dat elk van deze regio’s twee algemene categorieën neuronen bevat: sommige die drinkgedrag induceren en andere die het remmen.
Onder leiding van Allan-Hermann Pool, een postdoctorale wetenschapper in biologie en biologische engineering, trachtte het team van onderzoekers de verschillende types neuronen binnen deze regio’s te karakteriseren. Neuronen kunnen als verschillende “types” worden beschouwd op basis van de genrepertoires die zij tot expressie brengen. Met een techniek genaamd single-cell RNA-seq, maten Pool en zijn collega’s de genexpressie in alle neuronen binnen de SFO en OVLT bij muizen. Zij ontdekten dat elke hersenstructuur ten minste acht verschillende soorten neuronen bevatte. Dit is een veel grotere diversiteit van cellen dan oorspronkelijk was aangenomen.
Daarna onderzocht het team de functie van verschillende celtypen door een snelle en schaalbare techniek te ontwikkelen die stimulus-to-cell-type mapping wordt genoemd. Dit belangrijke hulpmiddel stelde het team in staat om te bepalen welke cellen betrokken waren bij specifieke gedragstoestanden door het in kaart brengen van moleculaire handtekeningen met betrekking tot neurale activering. Op deze manier ontdekte het team dat er twee unieke sets van neuron types zijn binnen de SFO en OVLT die worden geactiveerd door osmotische of hypovolemische dorst, respectievelijk.
“De stimulus-to-cell-type mapping benadering is bijzonder nuttig om snel causale neuronen te identificeren voor elk gedrag, motivationele toestand, of drug actie,” zegt Pool. “
De muizen werden vervolgens genetisch gemodificeerd, zodat het team de osmolaliteits- en hypovolemie-gevoelige neuronen kon activeren met lichtpulsen, via een techniek die optogenetica wordt genoemd. De onderzoekers toonden aan dat de activering van de osmolaliteitsgevoelige neuronen de muizen ertoe aanzette zuiver water te drinken en zout water te vermijden. Wanneer daarentegen hypovolemie-gevoelige neuronen werden geactiveerd, toonden de muizen een eetlust voor mineraalrijke vloeistoffen.
“Onze resultaten tonen aan dat dorst een multimodale sensatie is die door verschillende stimuli wordt veroorzaakt. Dit is een opwindende bevinding omdat het illustreert hoe onze hersenen interne toestanden gewaarworden met behulp van een zeer vergelijkbare strategie als perifere zintuiglijke systemen zoals smaak en olfactie,” zegt Oka.
Pool merkt op dat hun team bestond uit verschillende internationale geleerden. “Dit werk zou niet haalbaar zijn geweest zonder de open en gastvrije omgeving die wordt omarmd door Amerikaanse universiteiten in het algemeen en Caltech in het bijzonder,” zegt Pool, die oorspronkelijk uit Estland komt.
De paper is getiteld “Cellular basis of distinct thirst modalities.” Pool is de eerste auteur van de studie. Naast Pool en Oka, zijn andere Caltech co-auteurs afgestudeerde student Tongtong Wang en voormalig afgestudeerde student Sangjun Lee (PhD ’20). Andere coauteurs zijn David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance, en John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) van UC Berkeley. Financiering werd verstrekt door startfondsen van de president en provost van Caltech en de Caltech Division of Biology and Biological Engineering, het Searle Scholars Program, de Mallinckrodt Foundation, de McKnight Foundation, de Klingenstein-Simons Foundation, de New York Stem Cell Foundation, en de National Institutes of Health. Bij dit werk werd gebruik gemaakt van het Single-Cell Profiling Center in het Beckman Institute van Caltech. Oka is lid van de faculteit van het Tianqiao en Chrissy Chen Instituut voor Neurowetenschappen aan Caltech.