Ερευνητές του Ινστιτούτου Ιατρικών Ερευνών Howard Hughes (HHMI) εντόπισαν το εγκεφαλικό κύκλωμα που ρυθμίζει τη δίψα. Όταν μια υποομάδα κυττάρων σε αυτό το κύκλωμα ενεργοποιείται, τα ποντίκια αρχίζουν αμέσως να πίνουν νερό, ακόμη και αν είναι πλήρως ενυδατωμένα. Ένα δεύτερο σύνολο κυττάρων καταστέλλει την επιθυμία για κατανάλωση νερού.
Το κύκλωμα που ρυθμίζει τη δίψα βρίσκεται σε μια περιοχή του εγκεφάλου που ονομάζεται υποφαινικό όργανο (subfornical organ, SFO). «Θεωρούμε το SFO ως ένα εξειδικευμένο κύκλωμα που έχει δύο στοιχεία τα οποία πιθανώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για να διατηρούν την τέλεια ισορροπία, έτσι ώστε να πίνεις όταν πρέπει και να μην πίνεις όταν δεν το χρειάζεσαι», λέει ο Charles Zuker, ερευνητής του HHMI στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας. Με αυτόν τον τρόπο, το κύκλωμα διασφαλίζει ότι τα ζώα προσλαμβάνουν τη σωστή ποσότητα υγρών για να διατηρούν την αρτηριακή πίεση, την ισορροπία ηλεκτρολυτών και τον όγκο των κυττάρων. Αυτή η εργασία, με επικεφαλής τον μεταδιδακτορικό συνεργάτη Yuki Oka, δημοσιεύθηκε στις 26 Ιανουαρίου 2015 στο περιοδικό Nature.
Το εργαστήριο του Zuker ενδιαφέρεται κυρίως για τη βιολογία της γεύσης. Οι μελέτες του έχουν ταυτοποιήσει τους υποδοχείς για τις πέντε βασικές γεύσεις (γλυκό, ξινό, πικρό, ουμάμι και αλάτι) και έχουν δείξει ότι το νευρικό σύστημα αφιερώνει πολλαπλές οδούς για την ανίχνευση και την απόκριση στο αλάτι. Αυτά τα κυκλώματα διασφαλίζουν ότι το αλάτι είναι ελκυστικό για τους ανθρώπους σε χαμηλές συγκεντρώσεις, αλλά όχι σε υψηλές. «Έτσι το γευστικό σύστημα ρυθμίζει την πρόσληψη αλατιού, κάτι που είναι πολύ σημαντικό για την ομοιόσταση του αλατιού στο σώμα», λέει ο Oka. «Αλλά αυτή είναι μόνο η μία πλευρά του νομίσματος. Η πρόσληψη αλατιού πρέπει να εξισορροπείται από την πρόσληψη νερού».
Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι ένας διαφορετικός μηχανισμός πρέπει να είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο της πρόσληψης νερού από ένα ζώο. «Δεν υπάρχουν αλλαγές στη συγκέντρωση του νερού — το νερό είναι νερό», λέει ο Oka. «Αλλά όταν διψάς, το νερό είναι πραγματικά ελκυστικό». Ο Zuker και ο Oka ξεκίνησαν να προσδιορίσουν πώς ο εγκέφαλος ρυθμίζει την επιθυμία για κατανάλωση νερού.
Ξεκίνησαν την έρευνά τους στην περιοχή του εγκεφάλου γνωστή ως SFO, η οποία εμφανίζει αυξημένη δραστηριότητα σε αφυδατωμένα ζώα. Το SFO είναι μία από τις λίγες περιοχές του εγκεφάλου που βρίσκονται εκτός του αιματοεγκεφαλικού φραγμού, που σημαίνει ότι έχει άμεση επαφή με τα σωματικά υγρά. «Αυτά τα κύτταρα μπορεί τότε να έχουν την ευκαιρία να ανιχνεύουν άμεσα την ισορροπία ηλεκτρολυτών στα σωματικά υγρά», επισημαίνει ο Zuker.
Προηγούμενα πειράματα στα οποία οι ερευνητές είχαν ηλεκτρικά διεγείρει διάφορα περικοιλιακά όργανα στον εγκέφαλο ποντικών, συμπεριλαμβανομένου του SFO, είχαν δώσει ασυνεπή αποτελέσματα. Ο Oka ήθελε να μάθει αν υπήρχαν συγκεκριμένα κύτταρα στο SFO που πυροδοτούσαν τη συμπεριφορά κατανάλωσης νερού. Αναλύοντας γενετικούς δείκτες, εντόπισε τρεις διακριτούς τύπους κυττάρων στο SFO: ένα σύνολο διεγερτικών κυττάρων, ένα σύνολο ανασταλτικών κυττάρων και έναν τρίτο πληθυσμό υποστηρικτικών κυττάρων γνωστών ως αστροκύτταρα.
«Αν αυτοί οι νευρώνες πραγματικά διαμεσολαβούσαν βασικές πτυχές στην καθοδήγηση της επιθυμίας για κατανάλωση νερού, τότε η ενεργοποίησή τους θα έπρεπε να πυροδοτεί ενεργή κατανάλωση νερού, ανεξάρτητα από τον βαθμό κορεσμού υγρών», λέει ο Zuker. «Και αν σιγήσεις αυτούς τους πληθυσμούς, θα έπρεπε να καταστείλεις την επιθυμία για κατανάλωση νερού, ακόμη και αν είσαι εξαιρετικά διψασμένος».
Για να δοκιμάσουν αυτές τις προβλέψεις, ο Oka εισήγαγε μια πρωτεΐνη ευαίσθητη στο φως σε κύτταρα του SFO, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ενεργοποιούν επιλεκτικά αυτά τα κύτταρα στους ποντικούς. Χρησιμοποιώντας μπλε φως από λέιζερ, ενεργοποίησαν τα διεγερτικά κύτταρα στο SFO ποντικών που είχαν ήδη πιει άφθονο νερό. Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά.
«Υπάρχει ένα ζώο που περιφέρεται χαρούμενα, με μηδενικό ενδιαφέρον για κατανάλωση νερού. Ενεργοποιείς αυτή την ομάδα διεγερτικών νευρώνων και κατευθύνεται κατευθείαν στο στόμιο του νερού», λέει ο Zuker. «Όσο το φως είναι αναμμένο, αυτό το ποντίκι συνεχίζει να πίνει». Τα ζώα δεν ενδιαφέρονταν για άλλα υγρά, αλλά έπιναν με ανυπομονησία νερό για παρατεταμένες περιόδους, καταναλώνοντας έως και 8% του σωματικού τους βάρους. Για τους ανθρώπους, αυτό θα αντιστοιχούσε σε περίπου 1,5 γαλόνια νερού (5,7 λίτρα), επισημαίνει ο Oka.
Αυτή η εικόνα του εγκεφάλου ποντικού δείχνει τους δύο νευρώνες, CAMKII (με κόκκινο) που πυροδοτεί τη δίψα και VGAT (με πράσινο) που την αναστέλλει. Πίστωση: Charles Zuker
«Είναι πολύ συναρπαστικό», λέει ο Zuker. «Αυτό το κύκλωμα ενημερώνει και κατευθύνει το ποντίκι σε ένα σύνθετο πρόγραμμα ενεργειών και συμπεριφορών: “Διψάω. Πρέπει να βρω μια πηγή νερού. Πρέπει να πάω εκεί που είναι το νερό. Πρέπει να αρχίσω να καταναλώνω αυτό το νερό και πρέπει να συνεχίσω μέχρι να κατασταλεί αυτό το σήμα”».
Το επόμενο βήμα ήταν να δοκιμαστεί η επίδραση των ανασταλτικών νευρώνων στο SFO. Όταν ο Oka ενεργοποίησε αυτά τα κύτταρα σε διψασμένα ζώα, τα ποντίκια μείωσαν την πρόσληψη νερού κατά περίπου 80 τοις εκατό. Η ενεργοποίηση των ανασταλτικών κυττάρων δεν επηρέασε το ενδιαφέρον των ζώων για φαγητό ή αλάτι, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι νευρώνες ρυθμίζουν ειδικά την κατανάλωση νερού.
Οι δύο ομάδες κυττάρων φαίνεται να συνεργάζονται για να ανταποκρίνονται στις μεταβαλλόμενες συνθήκες ενυδάτωσης και να διατηρούν την ισορροπία υγρών, λένε οι επιστήμονες. «Μπορείτε να φανταστείτε ότι αυτός πρέπει να είναι ένας πολύ αυστηρά ελεγχόμενος βρόχος ανάδρασης», λέει ο Zuker. «Καθώς καταναλώνεται υγρό, η ισορροπία ηλεκτρολυτών αλλάζει και αυτό ανιχνεύεται».
Ο Zuker επισημαίνει επίσης ότι «η συμπεριφορά του ποντικιού είναι ανεξάρτητη από μάθηση, εμπειρία ή πλαίσιο», γεγονός που υποδηλώνει ότι το κύκλωμα που ρυθμίζει τη δίψα είναι ενσωματωμένο στον εγκέφαλο. Ο Mingyu Ye, άλλος μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο εργαστήριο του Zuker, συμμετείχε επίσης στη μελέτη. Ο Yuki Oka δέχτηκε πρόσφατα θέση επίκουρου καθηγητή στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια.
Λεπτομέρειες δημοσίευσης: Thirst Driving and Suppressing Signals Encoded by Distinct Neural Populations in the Brain, Nature, 2015. DOI: 10.1038/nature14108.
