確認控制口渴的神經迴路

張貼者:2015年2月24日 下午11:59吳玫萱   [ 國立清華大學認知與心智科學中心 已於 2015年2月25日 上午12:01 更新 ]
霍華德•休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute)的科學家辨識出小鼠腦中調控飢渴的神經迴路。當這條神經迴路內的某類細胞群被開啟後,即便小鼠已攝取足夠水分,依舊會去攝取水份。而這條神經迴路裡的另一種細胞群則負責壓抑飲水衝動。 

這條調控口渴感的神經迴路位於大腦一塊被稱作穹隆下器(subfornical organ ,SFO)的腦區裡。「我們將穹隆下器視為一塊擁有兩種性質,彼此相互作用以維持精妙平衡的特定迴路,這使得你在口渴時會飲水,喝足時立即停止。」人在霍華德•休斯醫學研究所負責引導這項研究的查理斯•祖克表示。這種迴路控制確保動物攝取足量溶液,維持血壓、電解質與細胞體積。這項研究由博士後研究同仁岡由紀(Yuki Oka 音譯)發表於本月26號的 Nature 期刊上。

祖克的實驗室主要關注於生物味覺。他們的研究辨識出負責五種基本味覺(甜、酸、苦、鮮與鹹)的受器,同時發現神經系統裡有許多路徑與鹹味的感測與應對有關。這些迴路確保鹽分在正常情況下會維持低濃度,而非高濃度。「味覺系統便這樣調控著鹽分攝入,這對身體內部維持鹽度平衡起了相當大的作用。」岡博士說道。但這只不過是就其中一各方向觀察,鹽分濃度透過水分攝入達到平衡。

因此研究人員推測出必定有某種相異的機制控制著動物攝入水分。「但水是沒有濃度差異的,水就是水。」岡博士說。「但當你感到口渴時,水就變得極具吸引力。」祖克與岡兩人開始檢測腦部怎麼調控飲水動機。

他們開始針對一個被稱作穹隆下器的腦區進行研究,這塊區域會在動物處於脫水狀態時活躍起來。同時穹隆下器也是大腦少數處於血腦障壁(blood-brain barrier)外的區域,這表示其直接與身體體液所接觸。「這顯示位於穹隆下器的細胞有機會直接感測體液裡的電解質平衡」祖克點出這點。

在過去的許多研究裡,研究人員常以電刺激小鼠大腦裡的各類室周器(Circumventricular organs,CVOs),其中也包含了穹隆下器,但結果總是不太一致。岡博士想釐清穹隆下器裡是不是存有某種特殊細胞誘發出口渴感。在分析基因標記過後,他發現穹隆下器裡有三種類型的細胞:一類是興奮性神經元、另一類是抑制性神經元,而最後則是被稱作星狀膠細胞(astrocytes)的輔助型細胞。

「如果這些神經細胞真的在協調飲水動機上占了關鍵的角色,那這些細胞無論身體溶液含量足夠與否,只要一活化都應當誘發出飲水的行為。(因為水沒有濃度差異)如果我們將這些細胞作用關閉,那你就會對喝水產生壓抑感,即使你的身體正處在極度缺水狀態下亦然。」祖克推測。

為了證實這項猜測,岡博士把一種光感蛋白植入小鼠穹隆下器的細胞裡,研究人員則藉由光線選擇性地控制細胞的作用。利用藍光雷射,他們將小鼠穹隆下器的興奮型神經元給打開,這隻小鼠在不久前才補充了足夠水分。而結果相當具有戲劇性。

「這小傢伙原本正開心地到處亂晃,一點想喝水的感覺也沒有,當你打開控制興奮性神經元的開關時,牠們突然筆直地衝往飲水器。」祖克說道。「只要開關打開著,無論維持的時間有多久,小鼠都會一直喝水。」小鼠對其他的溶液毫無興趣,貪婪的牛飲、能喝多久就多久,最後飲用的水重約佔總體重的8%。換算成人類來看,大約等同一個人一次喝了1.5加侖(約5.6公升)。

「這真是相當令人振奮。」祖克表示。「這個迴路通報並引導小鼠產生一連串複雜的動作與行為模式:
我很渴!
我要標定出水源所在!
我要移動到水源處!
我要喝水並且持續到口渴的感覺消失為止!」

接下來便是測試穹隆下器抑制性神經元的效果,當岡博士啟動正處在口渴狀態的小鼠神經元(抑制性)時,小鼠攝取水分的總量下降了80%。啟動抑制性神經元並不會對動物攝取食物或鹽分的行為造成影響,這表示這些神經元只調控水分吸收的部分。

科學家認為,這兩種細胞會共同合作應對體內含水量的改變、維持溶液平衡。「你可想像這必定是個控制極為精密的反饋迴圈。」祖克表示。「隨著溶液吸收,電解質平衡也會改變,並且被身體感測到。」

祖克也指出「小鼠所產生的行為是藉由獨立學習、經驗或是情境判斷下所催生,這表示調控口渴的神經迴路有連接回大腦。」另外一位祖克實驗室的博士後研究人員葉明宇( Mingyu Ye 音譯)也同樣參與了本場研究。而岡由紀教授最近被晉升為加州理工學院的助理教授。

文章資料來源:生命科學論壇 林建霖
原文網站 : ScienceDaily
論文連結  :  
Yuki Oka, Mingyu Ye, Charles S. Zuker Thirst driving and suppressing signals encoded by distinct neural populations in the brain. Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature14108

Comments