După ce ați mâncat o pungă de chipsuri sărate, probabil că vă este sete. Și după o perioadă lungă de exerciții fizice, probabil că vă este, de asemenea, sete. Cu toate acestea, aceste două tipuri de sete nu sunt la fel.
În primul exemplu, probabil că ați ajunge la apă. Acest lucru se datorează faptului că, după ce ați mâncat chipsuri, concentrația de săruri și minerale din sângele dumneavoastră devine ridicată, ceea ce induce o stare numită sete osmotică. Pe de altă parte, după ce faceți exerciții fizice, probabil că veți ajunge la Gatorade sau la un alt lichid care vă poate atât rehidrata, cât și reface electroliții, minerale care sunt importante pentru funcțiile organismului. Această sete, numită sete hipovolemică, apare atunci când volumul sângelui dumneavoastră este redus din cauza pierderii de lichide din cauza transpirației.
Acum, cercetătorii de la Caltech au descoperit populații unice de neuroni din creierul șoarecilor care conduc separat setea osmotică și setea hipovolemică. Cercetarea a exploatat o tehnică robustă și de mare randament pentru cartografierea neuronilor care sunt activați de un anumit comportament sau stimul.
Cercetarea a fost realizată în laboratorul lui Yuki Oka, profesor de biologie și bursier Chen, și este descrisă într-un articol care apare în revista Nature din 14 octombrie.
Se știe că două regiuni ale creierului sunt importante în comportamentele de băut la mamifere, organul subfornical (SFO) și organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Laboratorul Oka a demonstrat anterior că fiecare dintre aceste regiuni conține două categorii generale de neuroni: unii care induc comportamentul de băutură și alții care îl inhibă.
Drumată de Allan-Hermann Pool, bursier postdoctoral în biologie și inginerie biologică, echipa de cercetători a urmărit să caracterizeze diferitele tipuri de neuroni din aceste regiuni. Neuronii pot fi considerați “tipuri” diferite pe baza repertoriilor de gene pe care le exprimă. Cu ajutorul unei tehnici numite RNA-seq cu o singură celulă, Pool și colegii săi au măsurat expresia genelor în toți neuronii din cadrul SFO și OVLT la șoareci. Ei au descoperit că fiecare structură cerebrală conținea de fapt cel puțin opt tipuri diferite de neuroni. Aceasta este o diversitate mult mai mare de celule decât se presupusese inițial.
În continuare, echipa a examinat funcția diferitelor tipuri de celule prin dezvoltarea unei tehnici rapide și scalabile numită cartografiere de la stimul la tip de celulă. Acest instrument important a permis echipei să determine ce celule erau implicate în anumite stări comportamentale prin cartografierea semnăturilor moleculare în raport cu activarea neuronală. În acest fel, echipa a descoperit că există două seturi unice de tipuri de neuroni în cadrul SFO și OVLT care sunt activate de setea osmotică sau, respectiv, hipovolemică.
“Abordarea de cartografiere de la stimul la tip de celulă este deosebit de utilă pentru a identifica rapid neuronii cauzali pentru orice comportament, stare motivațională sau acțiune medicamentoasă”, spune Pool. “Ceea ce odată ar fi durat câțiva ani, acum durează doar două săptămâni.”
Șoarecii au fost apoi modificați genetic astfel încât echipa să poată activa neuronii sensibili la osmolalitate și hipovolemie cu impulsuri de lumină, printr-o tehnică numită optogenetică. Cercetătorii au arătat că activarea neuronilor sensibili la osmolalitate i-a determinat pe șoareci să bea apă pură și să evite apa sărată. În schimb, atunci când au fost activați neuronii sensibili la hipovolemie, șoarecii au manifestat un apetit pentru lichidele bogate în minerale.
“Rezultatele noastre arată că setea este o senzație multimodală cauzată de stimuli distincți. Aceasta este o descoperire interesantă, deoarece ilustrează modul în care creierul nostru detectează stările interne folosind o strategie foarte asemănătoare cu cea a sistemelor senzoriale periferice, cum ar fi gustul și olfacția”, spune Oka.
Pool remarcă faptul că echipa lor a fost alcătuită din mai mulți cercetători internaționali. “Această lucrare nu ar fi fost fezabilă fără mediul deschis și primitor îmbrățișat de universitățile americane, în general, și de Caltech, în special”, spune Pool, care este originar din Estonia.
Articolul se intitulează “Baza celulară a modalităților distincte ale setei”. Pool este primul autor al studiului. Pe lângă Pool și Oka, alți coautori de la Caltech sunt studentul absolvent Tongtong Wang și fostul student absolvent Sangjun Lee (PhD ’20). Coautori suplimentari sunt David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance și John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) de la UC Berkeley. Finanțarea a fost asigurată prin fonduri de pornire din partea președintelui și a prorectorului Caltech și a Diviziei de Biologie și Inginerie Biologică Caltech, a Programului Searle Scholars, a Fundației Mallinckrodt, a Fundației McKnight, a Fundației Klingenstein-Simons, a Fundației New York Stem Cell și a Institutelor Naționale de Sănătate. Această lucrare a utilizat Centrul de profilare a celulelor unice din cadrul Institutului Beckman de la Caltech. Oka este membru afiliat al facultății din cadrul Institutului de Neuroștiințe Tianqiao și Chrissy Chen de la Caltech.