來源：公眾號“科研圈”
撰文：戚譯引
審校：王童彤，研究第二作者
圖片 | 王童彤
為什么我們吃了薯片、咸菜想喝水，大量出汗之后卻想喝點(diǎn)功能飲料、綠豆湯？不同場景下喝不同的飲料，不光是因?yàn)槲幕挠绊?，也受到生理本能的支配。近日?Nature 發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，哺乳動物有兩種不同類型的渴覺及相應(yīng)的液體攝入模式：當(dāng)體液滲透壓升高時(shí)，我們會尋求純凈水來稀釋血液；當(dāng)我們因?yàn)槌龊沟仍蛄魇w液時(shí)，我們會同時(shí)尋求水和鹽（礦物質(zhì)）以維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。自然條件下的口渴通常是兩種因素共同作用的結(jié)果。
該研究題為“不同渴覺形態(tài)的細(xì)胞基礎(chǔ)”（The cellular basis of distinct thirst modalities），由美國加州理工學(xué)院 Dr. Yuki Oka 實(shí)驗(yàn)室完成，第一作者、加州理工學(xué)院博后 Allan-Hermann Pool 主導(dǎo)完成了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序方法的優(yōu)化，南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 2016 級生物伯苓班王童彤為本研究的第二作者，兩人共同完成了本研究的實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、繪圖、文章的投稿與發(fā)表全過程。加州大學(xué)伯克利分校 Dr. John Ngai 實(shí)驗(yàn)室合作構(gòu)建了文章中重要的 Rxfp1-Cre 轉(zhuǎn)基因鼠系。
“這項(xiàng)工作首次闡明了大腦是如何區(qū)分并調(diào)節(jié)這兩種渴覺狀態(tài)的，通過優(yōu)化的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序方法首次揭示了具有特定調(diào)控功能的神經(jīng)元類群，進(jìn)一步成功通過光遺傳學(xué)特異性激活的方法復(fù)現(xiàn)了液體攝入模式，”王童彤介紹。
“油門”與“剎車”
口渴了就喝水仿佛是一種十分自然的本能行為，但它其實(shí)有著復(fù)雜的機(jī)制?！皺C(jī)體的水鹽平衡受到許多因素的干擾（排汗、呼吸、進(jìn)食、飲水、出血等）。動物演化出了復(fù)雜的系統(tǒng)（例如我們描述的不同類型的口渴，或不同的飽足機(jī)制），以便恰當(dāng)應(yīng)對種種挑戰(zhàn)，讓我們的體內(nèi)環(huán)境保持相對恒定，以維系我們的生存?！闭撐牡谝蛔髡?Pool 博士接受科研圈郵件采訪時(shí)介紹。
“渴覺的調(diào)控涉及許多腦環(huán)路，在這個(gè)層面上，我同意渴覺是復(fù)雜的，但是這其中所有的環(huán)路邏輯上都是為了實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)乃謹(jǐn)z入。例如，汽車有油門也有剎車，兩者對于駕駛都是必須的。同樣的原理也適用于渴覺調(diào)控，它有一個(gè)油門（驅(qū)動神經(jīng)元），在需要水分的時(shí)候驅(qū)動我們喝水；它也有一個(gè)剎車（飽足神經(jīng)元），在水分充足的時(shí)候讓我們停下來。”加州理工學(xué)院生物學(xué)系教授、陳天橋雒芊芊腦科學(xué)研究院研究員、本研究通訊作者 Yuki Oka 接受科研圈郵件采訪表示。
在 2018 年發(fā)表的另一篇《自然》論文（doi: 10.1038/nature25488）中，Oka 實(shí)驗(yàn)室識別出小鼠大腦中負(fù)責(zé)感知血液濃度、調(diào)控水分?jǐn)z入的區(qū)域。最新研究主要關(guān)注其中的“油門”，即驅(qū)動飲水的神經(jīng)元。王童彤介紹：“大腦中的穹窿下器官（subfornical organ, SFO）和下丘腦終板血管區(qū)（organum vasculosum lamina terminalis, OVLT）接鄰第三腦室，血腦屏障較薄，是感受體液信號的關(guān)鍵腦區(qū)。以往研究發(fā)現(xiàn)，通過光遺傳激活小鼠該腦區(qū)全部的興奮性神經(jīng)元，會引起強(qiáng)烈的液體攝入行為。”
那么，在口渴的時(shí)候，我們?nèi)绾闻袛嘧约合牒仁裁?？?dāng)同時(shí)為小鼠提供純水和礦物質(zhì)溶液，是什么驅(qū)動它們作出不同的選擇？
你的口渴是哪種渴？
為了更好地鑒定調(diào)控不同類型渴覺的神經(jīng)元，研究采用了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序方法。簡單來說，這種方法就是將目標(biāo)組織制備成單細(xì)胞懸液，經(jīng)過液滴微流控分選細(xì)胞，最后對每個(gè)細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序，從而了解細(xì)胞中不同基因的表達(dá)水平。
王童彤介紹，為了鑒定出在不同生理狀態(tài)下被激活的細(xì)胞，研究團(tuán)隊(duì)對轉(zhuǎn)錄組測序方法進(jìn)行了優(yōu)化?！皞鹘y(tǒng)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序方法，在裂解細(xì)胞的過程會引發(fā)高水平的早期基因（immediate early genes, IEGs）的表達(dá)，因?yàn)榱呀膺@個(gè)步驟對細(xì)胞自身來說是一個(gè)很強(qiáng)的刺激，也就是應(yīng)激反應(yīng)。早期基因是神經(jīng)科學(xué)中常用來判斷神經(jīng)元是否被激活的一類標(biāo)志基因。”也就是說，經(jīng)過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序操作之后，研究者難以判斷這些早期基因的表達(dá)究竟是正常的細(xì)胞生理過程，還是由實(shí)驗(yàn)操作引起的。
為了解決這個(gè)問題，文章第一作者 Pool 博士優(yōu)化了轉(zhuǎn)錄測序的方法。王童彤說：“最主要的一個(gè)改變，簡單來說是我們使用了一種化學(xué)試劑，它就是放線菌素 D（actinomycin D），可以抑制轉(zhuǎn)錄，把每個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組‘凍存’起來。”
借助這種方式，研究團(tuán)隊(duì)得以更好地了解細(xì)胞原本的生理狀態(tài)，從而鑒定出在失水狀態(tài)下激活的兩類神經(jīng)元，分別對應(yīng)高滲透壓的情況（如攝入鹽分）和低血容量的情況（例如體液流失）。
在飽足、滲透壓應(yīng)激、血容量不足和水分剝奪四種不同狀態(tài)下，小鼠大腦中 SFO、OVLT 兩個(gè)區(qū)域的 Fos 蛋白表達(dá)。| Nature
驗(yàn)證口渴“開關(guān)”
接下來，研究團(tuán)隊(duì)使用光遺傳學(xué)技術(shù)，對鑒定出的兩類神經(jīng)元進(jìn)行功能性驗(yàn)證?！耙酝x調(diào)控渴覺的興奮性神經(jīng)元細(xì)胞，基于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：一是神經(jīng)元在動物失水條件下被激活；二是激活這些神經(jīng)元會導(dǎo)致動物的飲水行為?！蓖跬榻B。
光遺傳學(xué)技術(shù)目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于行為學(xué)研究中。其原理簡單來說，就是借助病毒將光敏感離子通道表達(dá)于特定細(xì)胞的細(xì)胞膜上，然后就能使用光激活特定神經(jīng)元。在這項(xiàng)研究中，“研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了能較全面標(biāo)記在特定口渴狀態(tài)下被激活神經(jīng)元的轉(zhuǎn)基因 Cre 鼠，來進(jìn)行神經(jīng)元類群的功能性驗(yàn)證。一方面，通過光遺傳激活特定神經(jīng)元類群，復(fù)現(xiàn)了相應(yīng)生理狀態(tài)下的液體攝入模式；另一方面，通過化學(xué)遺傳抑制特定神經(jīng)元類群，相應(yīng)生理狀態(tài)下的行為受到了損傷。本研究從激活和抑制兩個(gè)方面，驗(yàn)證了神經(jīng)元類群功能和行為之間的因果關(guān)系?！蓖跬榻B。
RXFP1 神經(jīng)元的激活使飽足動物對純水產(chǎn)生強(qiáng)烈需求。| Nature
PDYN 神經(jīng)元的激活引發(fā)對水和高滲鹽溶液的非特異性攝入行為。| Nature
盡管光遺傳學(xué)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但王童彤表示，這方面的研究仍然受到轉(zhuǎn)基因小鼠的局限。構(gòu)建轉(zhuǎn)基因 Cre 鼠需要一到兩年，也不是所有基因都能成功構(gòu)建 Cre 鼠，“已經(jīng)有一些實(shí)驗(yàn)室在從事技術(shù)研發(fā)，包括基于 CRISPR 基因編輯技術(shù)，希望可以實(shí)現(xiàn)高效靶向普通小鼠的特定細(xì)胞類型，我們就可以通過光遺傳技術(shù)特異性地激活轉(zhuǎn)錄組（測序）揭示的每一種細(xì)胞類型，直接地看看每一種細(xì)胞類型分別有什么樣的功能?！?/p>
大腦如何解碼渴覺信號？
得益于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，近年來學(xué)界對渴覺的理解不斷深入，多項(xiàng)相關(guān)研究在 Nature、Cell 發(fā)表。2019 年 4 月，加州大學(xué)舊金山分校的 Zachary Knight 教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表的《自然》論文探討了大腦如何判斷喝下的飲料是否解渴（doi：10.1038/s41586-019-1066-x）。簡單來說，口腔和喉嚨的傳感器能夠向大腦發(fā)送信號，表示“喝過水了”；而位于腸胃部的傳感器會再次確認(rèn)機(jī)體的狀態(tài)，告訴大腦是否喝夠了。這解釋了為什么喝水解渴的效果立竿見影，盡管水分實(shí)際上要過大約 10 分鐘才能真正被吸收。
Oka 教授認(rèn)為：“渴覺是所有機(jī)體的一種基礎(chǔ)的本能。理解渴覺回路將幫助我們理解大腦如何探測內(nèi)環(huán)境、處理信號和驅(qū)動刻板行為（stereotyped behavior）?！苯酉聛?，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃研究更高級的大腦中樞如何解碼渴覺感受神經(jīng)元發(fā)出的信號，引發(fā)飲水行為。
Pool 博士表示：“我們還希望理解不同的激勵(lì)系統(tǒng)（motivational system）之間如何互相競爭（如饑餓、口渴和疼痛），以主導(dǎo)行為?！?/p>
王童彤補(bǔ)充：“對于哺乳動物來說，不管是哪一種功能，從廣義的邏輯角度上來說是有一些相似性的，分為促進(jìn)和抑制兩方面?！崩?，促進(jìn)產(chǎn)熱和抑制產(chǎn)熱的機(jī)制存在于體溫調(diào)節(jié)的過程中，“所以我們理解了渴覺的調(diào)控機(jī)制，對于理解其他的生理功能有很大的幫助?！?/p>
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