Efter att ha ätit en påse med salta chips känner du dig förmodligen törstig. Och efter en längre tids träning känner du dig förmodligen också törstig. Dessa två typer av törst är dock inte samma sak.
I det första exemplet skulle du sannolikt sträcka dig efter vatten. Detta beror på att efter att ha ätit chips blir koncentrationen av salter och mineraler i ditt blod förhöjd, vilket framkallar ett tillstånd som kallas osmotisk törst. Efter träning å andra sidan skulle du sannolikt sträcka dig efter Gatorade eller någon annan vätska som både kan rehydrera dig och fylla på elektrolyter, mineraler som är viktiga för kroppens funktioner. Denna törst, som kallas hypovolemisk törst, uppstår när blodvolymen minskar på grund av vätskeförlust från svettning.
Nu har Caltech-forskare upptäckt unika populationer av neuroner i mushjärnan som separat driver osmotisk törst och hypovolemisk törst. Forskningen utnyttjade en robust teknik med hög genomströmning för att kartlägga neuroner som aktiveras av ett specifikt beteende eller stimulus.
Forskningen utfördes i laboratoriet av Yuki Oka, professor i biologi och Chen Scholar, och beskrivs i en artikel som publiceras i tidskriften Nature den 14 oktober.
Två hjärnregioner är kända för att vara viktiga för drickbeteenden hos däggdjur, det subfornikala organet (SFO) och organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Oka-laboratoriet har tidigare visat att var och en av dessa regioner innehåller två allmänna kategorier av neuroner: vissa som inducerar dryckesbeteende och andra som hämmar det.
Under ledning av Allan-Hermann Pool, postdoktoral forskare i biologi och biologisk ingenjörskonst, syftade forskarlaget till att karaktärisera de olika typerna av neuroner inom dessa regioner. Neuroner kan betraktas som olika “typer” baserat på den genrepertoar de uttrycker. Med en teknik som kallas single-cell RNA-seq mätte Pool och hans kollegor genuttrycket i alla neuroner inom SFO och OVLT hos möss. De fann att varje hjärnstruktur faktiskt innehöll minst åtta olika typer av neuroner. Detta är en mycket större mångfald av celler än vad man ursprungligen hade antagit.
Nästan undersökte teamet funktionen hos olika celltyper genom att utveckla en snabb och skalbar teknik som kallas stimulus-till-cell-typ-kartläggning. Detta viktiga verktyg gjorde det möjligt för teamet att fastställa vilka celler som var involverade i specifika beteendetillstånd genom att kartlägga molekylära signaturer med avseende på neuronal aktivering. På detta sätt upptäckte teamet att det finns två unika uppsättningar av neurontyper inom SFO och OVLT som aktiveras av osmotisk respektive hypovolemisk törst.
“Metoden för kartläggning av stimulus-till-cell-typ är särskilt användbar för att snabbt identifiera kausala neuroner för ett beteende, ett motivationstillstånd eller en läkemedelsåtgärd”, säger Pool. “Det som tidigare skulle ha tagit flera år tar nu bara två veckor.”
Mössen modifierades sedan genetiskt så att teamet kunde aktivera de osmolalitets- och hypovolemiakänsliga neuronerna med ljuspulser, genom en teknik som kallas optogenetik. Forskarna visade att aktiveringen av de osmolalitetskänsliga neuronerna drev mössen att dricka rent vatten och undvika salt vatten. När hypovolemiakänsliga neuroner aktiverades visade mössen däremot aptit på mineralrika vätskor.
“Våra resultat visar att törst är en multimodal känsla som orsakas av olika stimuli. Detta är ett spännande resultat eftersom det illustrerar hur vår hjärna känner av inre tillstånd med hjälp av en mycket likartad strategi som perifera sensoriska system som smak och lukt”, säger Oka.
Pool noterar att deras team bestod av flera internationella forskare. “Det här arbetet skulle inte ha varit möjligt utan den öppna och välkomnande miljö som de amerikanska universiteten i allmänhet och Caltech i synnerhet står för”, säger Pool, som ursprungligen kommer från Estland.
Artikeln har titeln “Cellular basis of distinct thirst modalities”. Pool är studiens första författare. Förutom Pool och Oka är andra Caltech-medförfattare doktorand Tongtong Wang och tidigare doktorand Sangjun Lee (PhD ’20). Ytterligare medförfattare är David Stafford (BS ’04), Rebecca Chance och John Ngai (BS ’82, MS ’84, PhD ’89) från UC Berkeley. Finansiering tillhandahölls av startmedel från Caltechs president och provost och Caltechs division för biologi och biologisk teknik, Searle Scholars Program, Mallinckrodt Foundation, McKnight Foundation, Klingenstein-Simons Foundation, New York Stem Cell Foundation och National Institutes of Health. I detta arbete utnyttjades Single-Cell Profiling Center vid Beckman Institute vid Caltech. Oka är en affilierad fakultetsmedlem vid Tianqiao och Chrissy Chen Institute for Neuroscience vid Caltech.