Nature|口渴是一種多模式multimodal生理狀態

2842 人參與      分類 : 科學  

撰文 | Qi

責編 | 兮


喝「水」是一種先天性行為,主要由兩種不同的口渴類型引起,一種是由於血液滲透壓升高導致滲透壓渴覺(osmotic thirst),驅使動物飲用純水;另一種是體液流失引起的低血容量性渴覺(hypovolemic thirst),動物則會同時尋求水和礦物質(鹽)以恢復血容量【1】。先前研究已經表明,終板(lamina terminalis, LT)的室周器官(Circumventricular organs, CVOs)是感知兩種致渴刺激的關鍵部位,其中,穹窿下器官(subfornical organ, SFO)和下丘腦終板血管區(organum vasculosum laminae terminalis, OVLT)是前腦CVOs,它們通過其下游腦靶來感知內部液體狀態並調節液體攝入行為。這些CVOs中的大多數興奮性神經元在脫水條件下被激活,並且對同一群體的急性刺激會立即導致口渴,這些研究成果突顯了SFO和OVLT興奮性神經元與口渴之間的因果關係【2-4】。過去幾十年的研究雖詳細闡明個體口渴刺激的組織學和行為學表現,然而,不同口渴模式的神經學基礎尚待探索。


2020年10月14日,來自美國加州理工學院的Yuki Oka課題組在Nature雜誌上發表了文章「The cellular basis of distinct thirst modalities」。在這項研究中,作者主要通過單細胞轉錄組學和光遺傳學手段,證明不同致渴刺激(dipsogenic stimulus)由LT和CVO神經元的獨特組合參與調節,對這些特異性細胞類型的光遺傳操縱概括了由兩種不同致渴刺激引起的水特異性和非特異性流體偏好。總之,作者闡明口渴是一種多模式(multimodal)生理狀態,由哺乳動物大腦中特定類型神經元所介導。


Nature|口渴是一種多模式multimodal生理狀態


首先,作者觀察到血液滲透壓的升高和/或體液丟失會引起SFO和OVLT中FOS(代表神經元激活)的強健表達,並且在不同致渴刺激下,小鼠對水和鹽的選擇性消耗。那麼,小鼠對滲透壓升高和血容量不足的感知是否是通過COVs中的相同神經元呢?為了測試這一點,作者採用了一種活性依賴的遺傳學標記策略, FOS陽性神經元能夠被永久標記。在測試中,作者發現高滲生理鹽水的注射可使SFO和OVLT中被標記(Osm-TRAP),這些Osm-TRAP神經元大部分與高滲性誘導的急性FOS表達重疊,而與低血容量誘導的FOS標記細胞重疊更少。這些結果表明,滲透性致渴和低血容量性致渴激活了CVO中獨特的細胞群組。


接下來,作者將新鮮分離的SFO和OVLT組織細胞懸液分別生成了具有7950和6161個單細胞轉錄組的scRNA-seq文庫,並鑒定出SFO和OVLT中分別有12種和13種主要細胞類型。進一步的分析發現SFO中存在五種興奮性和三種抑制性神經元,而OVLT中存在六種興奮性和兩種抑制性神經元,且所有SFO興奮性神經元類型和五種OVLT興奮性神經元中均表達Etv1,Etv1是對脫水敏感神經元的遺傳標記。


Nature|口渴是一種多模式multimodal生理狀態

圖1,不同致渴刺激下的液體消耗,生理變化和神經激活模式


為了確定參與不同口渴模式的特定細胞類型,作者通過即刻早期基因(immediate early gene, IEG)表達定位了口渴激活的神經元【5】。作者在存在轉錄阻斷劑的四種不同條件(飽足,滲透壓應激,血容量不足和水剝奪)下進行scRNA-seq實驗。在飽足動物的任何神經元類型中幾乎都沒有觀察到IEG表達,而在缺水後大多數興奮性神經元表現出強健的Fos表達。有趣的是,在滲透性應激和血容量不足的情況下激活了不同類型的神經元。每個結構中都有一種興奮性神經元類型(SFO:Glut1–Htr7;OVLT:Glut1–Bmp3)在低血容量性口渴被強烈激活。而相反,其他神經元類型被滲透壓應激選擇性激活(SFO:Glut5-Rxfp3;OVLT:Glut4-Fam126a和Glut5-Rxfp1)。此外,作者還發現一些在滲透壓應激和低血容量壓力下均被激活的細胞類型(SFO:Glut4–Il1rapl2;OVLT:Glut2–Lypd6)。重要的是,自然缺水會同時激活滲透壓和低血容量敏感型神經元。隨後作者通過熒光原位雜交確認了上述轉錄組聚類分析,綜上所述,這些數據表明,(1)每個感覺核包含多種類型的口渴神經元,(2)不同的致渴刺激刺激了CVO中不同神經元類型的獨特組合。

那麼,轉錄組學分析鑒定的細胞類型活動與行為後果之間存在因果關係嗎?作者首先經過分析發現Rxfp1和Pdyn的表達分別與滲透性和低容量性口渴下的神經激活模式密切相關,且這兩個基因的表達在SFO和OVLT中基本不重疊。如果對滲透壓敏感的RXFP1神經元(SFO:Glut4–Glut5;OVLT:Glut5)確實介導了滲透性口渴,那麼可以推斷對這類神經元的刺激會推動小鼠對純水的消耗。


為了驗證這一假設,作者構建了Rxfp1-Cre小鼠,並將表達Cre依賴性光敏感通道蛋白的腺相關病毒(AAV-DIO-ChR2-EYFP)注射至Rxfp1-Cre小鼠的COV中,經藍光刺激RXFP1神經元後,飽足的動物對純水表現出強烈的需求。類似的,Pdyn的表達(SFO:Glut1-Glut3; OVLT:Glut1和Glut3)與低血容量敏感的神經元相關,而對SFO和OVLT中PDYN神經元的光遺傳學刺激引發了小鼠對水和高滲鹽溶液的非特異性攝入行為(見圖2)


Nature|口渴是一種多模式multimodal生理狀態

圖2,光遺傳學手段激活特定類型神經元可以引發特定類型液體攝入行為


我們都知道周圍感覺系統的共同功能之一是區分不同的刺激,例如甜味與苦味,這使動物能夠對不同的刺激做出適當反應,這項研究表明該原理對於中樞感覺系統也同樣適用。作者通過對檢測體液平衡的兩個關鍵感覺器官SFO和OVLT的單細胞轉錄組分析,以及光遺傳學手段驗證,揭示出其中至少包含兩個功能上有區分的組件:一個負責對純水的特異性攝入偏好,而另一個則用於非特異性的液體攝入偏好。這些結果強調了單細胞轉錄組學在解析神經迴路功能上的重要性,且功能定義的神經元組通常包含亞群,這些亞群具有實現特定行為的相關但又截然不同的功能。


原文鏈接

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2821-8


參考文獻

1, Augustine,V., Lee, S. & Oka, Y. Neural control and modulation of thirst, sodiumappetite, and hunger. Cell 180, 25–32 (2020).

2, Augustine,V. et al. Hierarchical neural architecture underlying thirst regulation.Nature555, 204–209 (2018).

3, Leib, D. E.et al. The forebrain thirst circuit drives drinking through negativereinforcement. Neuron 96, 1272–1281.e4 (2017).

4, Oka, Y., Ye,M. & Zuker, C. S. Thirst driving and suppressing signals encoded bydistinct neural populations in the brain. Nature 520, 349–352 (2015).

5, Hrvatin, S.et al. Single-cell analysis of experience-dependent transcriptomic states inthe mouse visual cortex. Nat. Neurosci. 21, 120–129 (2018).