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【Inscopix应用】Nature:你喝了足够的水么?肠道会“操控”我们补水

时间:2019-11-25     【原创】   阅读

从小鼠的在体超微显微成像研究表明,肠道感应器会检测每一种饮料的含水程度!

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在一项新的研究中,来自加州大学旧金山分校(University of California, San Francisco)和霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute,HHMI)的研究人员在小鼠上发现,肠道中的传感器可以检测液体的含水程度,而不仅仅是其体积,并向大脑报告是否需要继续喝水。这项研究的成果发表在Nature上,论文标题为“A gut-to-brain signal of fluid osmolarity controls thirst satiation”。该论文通过使用美国Inscopix公司的nVista自由活动超微显微成像方法监测了口渴的小鼠在饮用不同液体时下丘脑的神经元活动情况,发现下丘脑内中位视前核的单个神经元从肠道、喉咙和血液中获取输入,并计算动物是否口渴,最终可以帮助科学家找到更复杂的系统,比如喂食和调节体温。

 

 文章简读

众所周知,口渴了需要喝水。在生活中也随时可以见到每天要饮用多少水的温馨提示。但是,你的大脑怎么知道什么时候已经喝了足够的水,并停止口渴呢?一个多世纪以来,科学家们一直试图了解我们的身体是如何调节口渴的。早期对动物的研究表明,来自身体的信号(例如,喉咙干燥、血液中盐和水的含量等)可以在大脑中发出口渴的警报。但加州大学旧金山分校的神经学家Zachary Knight博士意识到这并不是全部。研究人员解释说,饮水不仅会影响血液的组成,还会影响血液的体积,而饮用水和盐则会对液体平衡产生相反的影响。这就引发了一个问题,那就是大脑如何监控我们所喝的是纯净水,还是可能含有盐。例如,虽然喝一杯饮料可以很快缓解我们对饮水的需求,但实际上需要10分钟或更长时间才能使身体的水化水平增加。

在2016年的一项研究中,Knight实验室的研究生Christopher Zimmerman在小鼠上进行的实验表明,饮水会触发口腔和喉咙的感应器,从而发出信号关闭下丘脑中的口渴神经元。通过植入大脑中的lens,研究人员看到了口渴的老鼠在嘴里和喉咙里喝水时神经元的失活。较冷的液体会让这些干渴神经元快速关闭。“经典的实验表明,即使摄入的水立即从食道排出,饮用也能暂时地满足口渴,”文章中写道。“…最近的工作已经确定了在饮水期间接受这种快速口咽信号的前脑神经元的特定群体。”

而这些口腔和喉咙感应器似乎是在监测被吞咽液体的体积,而不是它的成分。Zimmerman说:“这个来自口腔和喉咙的快速信号似乎可以追踪你喝了多少水,并与你的身体需求相匹配。”“但我们也知道,这个快速信号不能解释一切。”事实上,在Zimmerman最初的实验中,当老鼠喝盐水时,同样的神经元会被关闭,但只是暂时的。Knight评论道:“就像有另一个信号告诉饥渴的神经元,‘这不是在给你补水。’”

近几年的研究表明,胃肠道可能在监测和报告大脑摄入的液体浓度方面起着重要作用。“但肠道如何调节口渴一直是个谜——如果它真的在做什么的话,” Knight说。研究人员将美国Inscopix公司的nVista自由活动超微显微成像的Lens植入小鼠的下丘脑区域,并监测了口渴小鼠饮用纯净水或咸水或将液体直接注入胃时口渴神经元的活动。他们解释说:“为了深入了解这些长期存在的问题,我们开始直接监测大脑中促进口渴的神经元的动态,同时控制摄入或注入外周组织的液体。”

结果表明,直接向胃内注入淡水,绕过口腔和喉咙,也能使口渴神经元细胞失活,就像喝一杯饮料一样。“这表明胃肠道渗透压的变化(但不是扩张)足以满足口渴,相反,口咽信号是不需要的,”作者说。

相反,当盐水注入胃时,口渴神经元仍保持活跃。当小鼠被喂食盐,然后被允许饮用纯净水时,它们的口渴神经元最初在饮水时就会停止,但随后又重新激活,就好像需要继续饮用以平淡所添加的盐一样。

动物在喝东西的时候,口腔和喉咙的感应器会触发大脑认为由于饮水而止渴的时候,肠道中的第二组感应器在预测到这种饮料不会给动物带来水分时会。Zimmerman说:“有趣的是,盐水并没有驱动那些水充足的老鼠喝水,只在那些已经口渴的老鼠身上。”“这表明,需要肠道发出信号来解渴,但实际上,你首先需要脱水才能引发口渴。这一发现的惊人之处在于,肠道能够如此精确地测量盐浓度。”正如研究小组总结的那样,“这些数据显示,渗透压是在胃肠道内精确测量的,然后与大脑中的口渴神经元进行交流。”


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图1 单个谷氨酸能MnPO神经元整合来自口咽、胃肠道和血液的信息


进一步的研究表明,肠道信号通过迷走神经来激活口渴神经元。光遗传试验表明,这些细胞位于下丘脑穹窿下器官(SFO)附近,然后向中位视前核(MnPO)发出信号,从而产生口渴感,并指示肾脏保存血液中的水分。看来,MnPO中的单个细胞能够响应和协调来自口腔和喉咙的信号,以及来自肠道的信号,以及有关血流水化的信息。作者总结道:“我们在此证明,MnPO中个体的、遗传定义的口渴神经元整合了来自口咽、胃肠道和血液的液体平衡信息。”

研究人员认为,整个信号机制发生在三个阶段。“首先,检测口腔中的液体会产生一个快速信号,报告摄入的液体量。”这个早期的体积估计会暂时关闭口渴神经元。“接下来,胃肠道的检测会产生第二个信号,报告被摄入的液体的渗透压。”这种对液体渗透压的早期估计作用是,如果所摄入的液体是水,就会使口渴神经元停止活动,但如果液体中含有浓缩于血液中的物质,则会使其恢复活力。最后,吸收血液中的水会改变整个身体的液体平衡,从而导致由大脑直接监测的特征良好的信号(如血液渗透压)的持续变化。

研究人员希望利用对MnPO和SFO神经元作用的新洞察,来了解身体液体平衡调节缺陷是否也可以解释高血压等疾病的基础。他们使用美国Inscopix公司的nVista自由活动超微显微成像方法对MnPO的神经元进行了采集。

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图2 GABA能MnPO神经元双向编码液体摄取

“这是我们第一次能够实时观察单个神经元整合来自身体不同部位的信号来控制像饮水这样的行为,” Knight说。“这为研究所有这些信号是如何相互作用的,例如压力或体温如何影响口渴和食欲打开了大门。”


参考文献

Christopher A., et al., A gut-to-brain signal of fluid osmolarity controls thirst satiation. Nature, volume 568, pages98–102(2019)


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