渴、渴、渴，口渴的神經(jīng)基礎(chǔ)被發(fā)現(xiàn) | 前沿
? 渴的神經(jīng)機(jī)制是什么，為何缺水越嚴(yán)重，想喝水的欲望越強(qiáng)，圖片來自faithrxd.org
撰文 | 張 濤
責(zé)編 | 葉水送
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每當(dāng)我們身體缺水時，就會感到口渴，缺水越嚴(yán)重，想喝水的欲望越強(qiáng)，當(dāng)我們終于能飲上一口甘泉，所有的煩躁就都煙消云散了。
而當(dāng)神經(jīng)科學(xué)家談到渴時，就會產(chǎn)生一種“渴望”：大腦是如何編碼渴覺的？9月15日，《科學(xué)》雜志介紹了著名華人神經(jīng)生物學(xué)家駱利群和光遺傳學(xué)的開拓者Karl Deisseroth在這一領(lǐng)域的最新發(fā)現(xiàn)。
? 駱利群教授和Deisseroth共同揭示渴的神經(jīng)機(jī)制，圖片截至sciencemag.org
為何會從事這樣的研究？駱利群向《知識分子》表示，“我們原來主要做神經(jīng)發(fā)育，現(xiàn)在主要偏向做系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)，這就會涉及很多行為實驗，要對小鼠進(jìn)行訓(xùn)練，如不給它們喝水，或不給它們食物，作為動物行為實驗的獎罰。用水會相對容易一些，因為水的量比較容易控制。我們在做的時候，發(fā)現(xiàn)只要給小鼠水喝，它們的動機(jī)和學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)，一旦喝足，這些行為的動機(jī)就會降低。于是我們在想，怎樣把動物的本能變成動機(jī)，讓它進(jìn)行各種學(xué)習(xí)。由此，開始了這些動機(jī)背后的神經(jīng)機(jī)制研究?！?/p>
? 通過光刺激小鼠大腦的渴覺中心，可刺激其飲水止渴，視頻來自Allen WE et al. science. 2017.
人的大腦中有千億數(shù)量級的神經(jīng)元，小鼠腦內(nèi)也有七八千萬，這些神經(jīng)元像電路一樣錯綜復(fù)雜的聯(lián)結(jié)在一起，每當(dāng)有一個行為，負(fù)責(zé)這種行為的神經(jīng)元就會被激活，把一種行為所對應(yīng)的神經(jīng)元挑選出來，聽上去就像是大海撈針。
2013年，駱利群實驗室發(fā)明了一種新的技術(shù)，這種技術(shù)利用精巧的基因操作，可使負(fù)責(zé)某種行為的神經(jīng)元在人為的控制下永久地帶上顏色。在這篇論文中，研究者連續(xù)48小時不給小鼠水喝，最終使老鼠腦內(nèi)負(fù)責(zé)渴的神經(jīng)元變成了紅色。
其中，研究者最關(guān)注一個叫做正中視前核（MnPO）的腦區(qū)，在分析之前的研究后，他們認(rèn)為這個位置可能是渴的大腦環(huán)路中的重要的一環(huán)。一旦讓這些“渴神經(jīng)元”帶上了顏色，便能夠利用其波長的特征，將它們分離出來。對從MnPO分離出的神經(jīng)元的基因轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析，研究者發(fā)現(xiàn)，這一區(qū)域負(fù)責(zé)渴的神經(jīng)元是谷氨酸能的興奮性神經(jīng)元。
? 大腦的正中視前核的腦區(qū)影響動物的渴覺，圖片來自sciencemag.org
駱利群的實驗室發(fā)明過很多巧妙的技術(shù)，幫助神經(jīng)科學(xué)家進(jìn)行神經(jīng)環(huán)路的研究。在這篇論文里，他們便利用和讓神經(jīng)元帶上顏色類似的方法，和光遺傳以及鈣成像結(jié)合起來。從而能夠通過光來操作MnPO和渴相關(guān)的神經(jīng)元，以及通過鈣信號來記錄它們的狀態(tài)。
研究者發(fā)現(xiàn)只要激活MnPO內(nèi)的渴神經(jīng)元，不口渴的老鼠也會開始喝水，而如果將口渴的老鼠MnPO內(nèi)的渴神經(jīng)元抑制住，口渴的老鼠就不再那么渴望喝水了。更神奇的是，這些神經(jīng)元還會激發(fā)老鼠去“贏得”水。他們訓(xùn)練老鼠，每按1次（或者6次）按鈕就會有一滴水的獎勵，當(dāng)激活這些神經(jīng)元時，老鼠按按鈕的次數(shù)也會增加，而且是成比例增加的。相反，如果通過按按鈕可以讓這些神經(jīng)元不被激活，老鼠就會一直按下去。這說明，這些神經(jīng)元的激活代表一種負(fù)面的情緒，是老鼠想要努力避免的。
那么喝了水之后會如何呢？通過對這些渴神經(jīng)元進(jìn)行鈣成像記錄，研究者發(fā)現(xiàn)在喝水的過程中，MnPO的渴神經(jīng)元的活動性就降低了，而且是在獲得水的過程中逐步降低的，而不是在最開始，以及全部喝完后猛的降下來。這說明，MnPO和渴相關(guān)的谷氨酸能的神經(jīng)元編碼了渴的程度，它們的活動性越強(qiáng)，機(jī)體就越渴，而當(dāng)喝了水之后，它們的活動性便逐步降了下來。
同期雜志的一篇專門的評論文章認(rèn)為，這項研究大大推動了對渴的神經(jīng)生物學(xué)的研究。同時，也有很多問題有待接下來進(jìn)一步地研究，例如，MnPO的渴神經(jīng)元活動性是如何刺激渴這種感覺的產(chǎn)生的，皮層內(nèi)的一些腦區(qū)是否參與這個過程？
? 這項研究的兩位通訊作者，駱利群和Desseroth教授
駱利群也表示，“盡管我們找到渴的神經(jīng)中樞，但是渴的信號怎樣傳到不同的腦區(qū)，怎樣跟動機(jī)結(jié)合起來，并且在渴的刺激下，如何引導(dǎo)特異性的行為產(chǎn)生，目前這些仍不是很清楚。所以我的學(xué)生將在全腦范圍里面，去找影響渴的行為動機(jī)的神經(jīng)信號?！?/p>
最后，駱利群總結(jié)道，“這篇論文的第一作者是我和Deisseroth共同指導(dǎo)，他在兩個實驗室學(xué)到了不同的方法，然后結(jié)合起來，完成了這項研究。交叉學(xué)科帶來了諸多優(yōu)勢，在研究中，有了更多的新發(fā)現(xiàn)?！?img src="http://pic.zhishifenzi.com/s/d5/zsfz1531326457.5263133.png" class=""/>
參考資料
Allen WE et al. Thirst-associated preoptic neurons encode an aversive motivational drive. 2017. Science.
