喝水并不簡單，駱利群等學(xué)者揭示渴覺的神經(jīng)環(huán)路
圖片來自iapmo.org
撰文 | 張 濤
責(zé)編 | 葉水送
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對于野外生存的人們，找到水是最緊迫的任務(wù)?？诳孰y耐時(shí)，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的飲水沖動(dòng)，這種沖動(dòng)只有在喝足了水之后才會消散。
如果進(jìn)行拆解，可以發(fā)現(xiàn)這一簡單的本能行為涉及到多個(gè)方面：渴的感受、發(fā)現(xiàn)水源時(shí)的期待、喝水時(shí)的肌肉控制、飲水之后的滿足和渴感的消失…這些過程全部由大腦控制。
兩年前，著名華人科學(xué)家駱利群和光遺傳的開拓者Karl Deisseroth的實(shí)驗(yàn)室合作發(fā)現(xiàn)下丘腦的一個(gè)核團(tuán)是渴的控制中心，可以編碼渴的程度。（渴、渴、渴，口渴的神經(jīng)基礎(chǔ)被發(fā)現(xiàn) | 前沿）
盡管當(dāng)時(shí)找到渴的神經(jīng)中樞，但是渴的信號怎樣傳到不同的腦區(qū)，如何引導(dǎo)特定的行為產(chǎn)生，仍不清楚。沿著這一問題，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)合作，并于2019年4月5在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了最新的成果。
研究者首先不給小鼠水喝使其口渴，接下來會隨機(jī)給A、B兩種氣味作為線索，其中A氣味之后會給水喝，而B氣味則沒水，小鼠能夠?qū)W會這種對應(yīng)關(guān)系。這一過程重復(fù)200多次之后，小鼠喝足了水，此時(shí)即便是給予A氣味，小鼠也不會伸嘴喝水了，因?yàn)橐呀?jīng)達(dá)到了滿足的狀態(tài)。
與此同時(shí)，研究者對小鼠神經(jīng)細(xì)胞的電活動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)的記錄，他們在21只小鼠的34個(gè)腦區(qū)一共記錄了驚人的24000個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。
他們發(fā)現(xiàn)，每個(gè)腦區(qū)都有大量的神經(jīng)細(xì)胞的電活動(dòng)受到了調(diào)控（總共接近13000個(gè)）。其中有些細(xì)胞的電活動(dòng)和是否口渴的狀態(tài)有關(guān)；有些和不同的氣味線索有關(guān)，只對A或B起反應(yīng)；而有些細(xì)胞則是和飲水這一具體的行為有關(guān)的效應(yīng)細(xì)胞。
每個(gè)腦區(qū)都存在這3種類型的細(xì)胞，但所占的比例不同。這3類神經(jīng)細(xì)胞各司其職，相互配合和影響。當(dāng)狀態(tài)為口渴，并檢測到預(yù)測信號時(shí)（氣味A），便會激活效應(yīng)細(xì)胞，誘發(fā)出飲水行為。而當(dāng)喝足了水，或者預(yù)測信號顯示沒有水時(shí)（氣味B），效應(yīng)細(xì)胞不能被激活，也不會產(chǎn)生飲水行為。
圖注：一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的放電情況?？v坐標(biāo)代表放電程度，橫坐標(biāo)代表實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)。前面小鼠口渴，細(xì)胞放電弱，后面隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，小鼠喝到很多次水不再口渴，細(xì)胞的放電程度開始顯著增加。這說明這一細(xì)胞和口渴的狀態(tài)有關(guān)。
為了進(jìn)一步證明這些神經(jīng)活動(dòng)和飲水行為的因果關(guān)系，研究者通過光遺傳技術(shù)人為的控制神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)。對于已經(jīng)喝足了水的小鼠，當(dāng)激活一個(gè)已知的控制渴的腦區(qū)后，在行為上，小鼠開始重新啟動(dòng)飲水行為，而所有腦區(qū)的神經(jīng)放電活動(dòng)也開始向著口渴時(shí)的放電模式轉(zhuǎn)變。
圖注：一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的放電情況?？v坐標(biāo)代表放電程度，橫坐標(biāo)代表實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)。類似上圖，最左邊小鼠口渴，細(xì)胞放電弱；左中小鼠喝到很多次水不再口渴，細(xì)胞放電程度顯著加強(qiáng)；中間偏右，激活控制口渴的腦區(qū)，細(xì)胞類似于最左邊口渴時(shí)一樣放電弱；最右，停止激活，細(xì)胞放電重新增加。
通過對大量數(shù)據(jù)的分析，研究者增加了人們對于從渴到飲水這一過程的理解。讓人驚嘆的是，即便對于這樣一個(gè)簡單的行為，也牽涉到全腦的活動(dòng)和運(yùn)算。以往對一個(gè)行為的研究大部分集中于一個(gè)或少數(shù)的幾個(gè)腦區(qū)，其結(jié)果可能會管中窺豹，不能見到全貌。當(dāng)前的研究可以既見樹木，又見森林，從而比較全面的理解大腦如何編碼渴相關(guān)的行為。
參考資料
1. W. E. Allen et al., Science 10.1126/science.aav3932 (2019).
