Nature：不同渴感的神经生物学基础

来源：BioArt

喝“水”是一种先天性行为，主要由两种不同的口渴类型引起，一种是由于血液渗透压升高导致渗透压渴觉（osmotic thirst），驱使动物饮用纯水；另一种是体液流失引起的低血容量性渴觉（hypovolemic thirst），动物则会同时寻求水和矿物质（盐）以恢复血容量【1】。先前研究已经表明，终板（lamina terminalis, LT）的室周器官（Circumventricular organs, CVOs）是感知两种致渴刺激的关键部位，其中，穹窿下器官（subfornical organ, SFO）和下丘脑终板血管区（organum vasculosum laminae terminalis, OVLT）是前脑CVOs，它们通过其下游脑靶来感知内部液体状态并调节液体摄入行为。这些CVOs中的大多数兴奋性神经元在脱水条件下被激活，并且对同一群体的急性刺激会立即导致口渴，这些研究成果突显了SFO和OVLT兴奋性神经元与口渴之间的因果关系【2-4】。过去几十年的研究虽详细阐明个体口渴刺激的组织学和行为学表现，然而，不同口渴模式的神经学基础尚待探索。

2020年10月14日，来自美国加州理工学院的Yuki Oka课题组在Nature杂志上发表了文章“The cellular basis of distinct thirst modalities”。在这项研究中，作者主要通过单细胞转录组学和光遗传学手段，证明不同致渴刺激（dipsogenic stimulus）由LT和CVO神经元的独特组合参与调节，对这些特异性细胞类型的光遗传操纵概括了由两种不同致渴刺激引起的水特异性和非特异性流体偏好。总之，作者阐明口渴是一种多模式（multimodal）生理状态，由哺乳动物大脑中特定类型神经元所介导。

首先，作者观察到血液渗透压的升高和/或体液丢失会引起SFO和OVLT中FOS（代表神经元激活）的强健表达，并且在不同致渴刺激下，小鼠对水和盐的选择性消耗。那么，小鼠对渗透压升高和血容量不足的感知是否是通过COVs中的相同神经元呢？为了测试这一点，作者采用了一种活性依赖的遗传学标记策略， FOS阳性神经元能够被永久标记。在测试中，作者发现高渗生理盐水的注射可使SFO和OVLT中被标记（Osm-TRAP），这些Osm-TRAP神经元大部分与高渗性诱导的急性FOS表达重叠，而与低血容量诱导的FOS标记细胞重叠更少。这些结果表明，渗透性致渴和低血容量性致渴激活了CVO中独特的细胞群组。

接下来，作者将新鲜分离的SFO和OVLT组织细胞悬液分别生成了具有7950和6161个单细胞转录组的scRNA-seq文库，并鉴定出SFO和OVLT中分别有12种和13种主要细胞类型。进一步的分析发现SFO中存在五种兴奋性和三种抑制性神经元，而OVLT中存在六种兴奋性和两种抑制性神经元，且所有SFO兴奋性神经元类型和五种OVLT兴奋性神经元中均表达Etv1，Etv1是对脱水敏感神经元的遗传标记。

图1，不同致渴刺激下的液体消耗，生理变化和神经激活模式

为了确定参与不同口渴模式的特定细胞类型，作者通过即刻早期基因（immediate early gene, IEG）表达定位了口渴激活的神经元【5】。作者在存在转录阻断剂的四种不同条件（饱足，渗透压应激，血容量不足和水剥夺）下进行scRNA-seq实验。在饱足动物的任何神经元类型中几乎都没有观察到IEG表达，而在缺水后大多数兴奋性神经元表现出强健的Fos表达。有趣的是，在渗透性应激和血容量不足的情况下激活了不同类型的神经元。每个结构中都有一种兴奋性神经元类型（SFO：Glut1–Htr7；OVLT：Glut1–Bmp3）在低血容量性口渴被强烈激活。而相反，其他神经元类型被渗透压应激选择性激活（SFO：Glut5-Rxfp3；OVLT：Glut4-Fam126a和Glut5-Rxfp1）。此外，作者还发现一些在渗透压应激和低血容量压力下均被激活的细胞类型（SFO：Glut4–Il1rapl2；OVLT：Glut2–Lypd6）。重要的是，自然缺水会同时激活渗透压和低血容量敏感型神经元。随后作者通过荧光原位杂交确认了上述转录组聚类分析，综上所述，这些数据表明，（1）每个感觉核包含多种类型的口渴神经元，（2）不同的致渴刺激刺激了CVO中不同神经元类型的独特组合。

那么，转录组学分析鉴定的细胞类型活动与行为后果之间存在因果关系吗？作者首先经过分析发现Rxfp1和Pdyn的表达分别与渗透性和低容量性口渴下的神经激活模式密切相关，且这两个基因的表达在SFO和OVLT中基本不重叠。如果对渗透压敏感的RXFP1神经元（SFO：Glut4–Glut5；OVLT：Glut5）确实介导了渗透性口渴，那么可以推断对这类神经元的刺激会推动小鼠对纯水的消耗。

为了验证这一假设，作者构建了Rxfp1-Cre小鼠，并将表达Cre依赖性光敏感通道蛋白的腺相关病毒（AAV-DIO-ChR2-EYFP）注射至Rxfp1-Cre小鼠的COV中，经蓝光刺激RXFP1神经元后，饱足的动物对纯水表现出强烈的需求。类似的，Pdyn的表达（SFO：Glut1-Glut3; OVLT：Glut1和Glut3）与低血容量敏感的神经元相关，而对SFO和OVLT中PDYN神经元的光遗传学刺激引发了小鼠对水和高渗盐溶液的非特异性摄入行为（见图2）。

图2，光遗传学手段激活特定类型神经元可以引发特定类型液体摄入行为

我们都知道周围感觉系统的共同功能之一是区分不同的刺激，例如甜味与苦味，这使动物能够对不同的刺激做出适当反应，这项研究表明该原理对于中枢感觉系统也同样适用。作者通过对检测体液平衡的两个关键感觉器官SFO和OVLT的单细胞转录组分析，以及光遗传学手段验证，揭示出其中至少包含两个功能上有区分的组件：一个负责对纯水的特异性摄入偏好，而另一个则用于非特异性的液体摄入偏好。这些结果强调了单细胞转录组学在解析神经回路功能上的重要性，且功能定义的神经元组通常包含亚群，这些亚群具有实现特定行为的相关但又截然不同的功能。

参考文献

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).