Nature約稿專刊| 當你口渴時，你的腦子在幹什麼

撰文| @Platinum 王鉑

編輯| @insoulter

導語：約稿專刊是行為與認知神經科學專欄下的一個新欄目，邀請在神經科學領域高水平期刊上發表文章的作者介紹自己或主要參與的工作。2018年2月28日Nature在線發表了美國加州理工生物與生物工程部Yuki Oka實驗室的工作，報道了小鼠腦內控制「渴覺」的神經環路。本文由同院系的加州理工博士後王鉑撰寫。

第一次跟Yuki和Vinny見面是在2017年春天的一個早晨。Yuki帶著典型日本人的謙遜，而Vinny是一個極為安靜的印度留學生。他們正在研究動物口渴感覺和飲水行為的中樞神經環路機制，當時正需要一些腦片電生理的實驗來驗證他們的新發現。苦於一時沒有招募到合適的實驗人員，Yuki找到了Carlos和我。Yuki講到了他們新發現的從MnPO抑制性神經元到SFO興奮性神經元的反饋抑制環路。當時的我根本沒興趣記住這幾個前所未聞的核團名字，只知道在腦片當中記錄被紅色熒光蛋白標記的神經元，同時用藍光刺激它們周圍那些被ChR2和綠色熒光蛋白標記的神經纖維們，驗證它們之間存在跨越單個突觸的GABA能突觸連接。這個實驗簡直是小菜一碟，幾天時間就全部搞定。直到幾個月後他們的論文被Nature接收，我才發現那幾天的工作居然（悲催地）成為了本人整個2017年最有成效的幾天…於是我…不得不對他們的研究領域燃起了濃厚興趣。

如果身體缺水，我們會感覺口渴（不是因為喉嚨發乾），這種感覺不太美好，所以能驅使我們喝水以補充身體所需。這是所有動物的共同本能。近年來，一連串與口渴和喝水相關的神經科學謎團正吸引著越來越多的科學家們嘗試去破解。首當其衝的便是解答缺水如何產生口渴這個謎題。除此之外，缺水還能夠引起血壓升高、神經內分泌改變等生理活動，這顯然需要一個相對複雜的多模塊神經網路來讓不同的生理功能相互協同，共同完成身體水鹽平衡的調控。其中包含的神經環路機制又是什麼？試想一下，喝下一杯白開水，體內體液滲透壓恢復到合適的水平，這需要一些時間，也許是十幾秒或幾十秒鐘。在這段時間內，如果口渴（或者叫對水的渴求）沒有被及時終止，我們就很可能會喝下過多的水，從而給身體造成新的危機；又是什麼樣的生理機制及時終止了口渴？

大腦中與水鹽調節直接相關的腦區

哺乳動物的大腦內部有一個被稱為終板（lamina terminalis ，LT）的腦區與體液水鹽平衡的調節直接相關，位於第三腦室前壁正中的位置，是條狀分布的一層神經元。SFO，OVLT和MnPO則是組成LT的三個重要核團，SFO靠近背側在穹窿下方，OVLT居於腹側，MnPO則位於二者之間。SFO和OVLT區域缺乏中樞神經系統中普遍存在的血腦屏障結構，因此其中一部分神經元能夠直接感受血液滲透壓和血壓。MnPO雖然不能直接感知血液狀態，但是它與SFO和OVLT緊密相連。我們可以將SFO和OVLT比作大腦伸向體液的兩個「觸角」，MnPO比作「觸角」信息匯總裝置。當身體缺水的時候，血液滲透壓升高或者血壓降低（血量減少）會讓這三個核團都興奮起來，就像大腦的缺水報警器亮起了紅燈。然後它們下游的神經結構在「看到」這個紅燈以後就會做出應對，包括：增加對水的需求（口渴）、削弱對鹽的食慾、減少尿液的產生和升高血壓，很顯然這些生理變化都是為了保證身體的水鹽平衡。科學家們很早就開始嘗試各種辦法，特別是越來越強大的光遺傳學工具，來製造身體缺水的「假警報」：在並不缺水的實驗動物大腦當中選擇性地激活這三個核團。他們發現，激活SFO、OVLT和MnPO三者中任何一個或多個核團中的興奮性神經元，都可以讓本不缺水的實驗動物開始大量飲水；而選擇性地刺激抑制性神經元（進而抑制整個核團）則可以讓本已缺水的小鼠對喝水不感興趣。這些實驗證明了LT是大腦的缺水報警器，對口渴感覺的產生是充分且必要的。

大腦中的口渴警報

關於LT內部及其與下游結構更詳細的神經連接模式和生理功能，目前已為人知所的部分並不多，科學家們正在積極地研究。MnPO這個核團本身並沒有直接感受體液水鹽狀態的能力，但科學家們發現，當MnPO被抑制時，激活SFO或者OVLT，或者給實驗動物斷水都不能讓小鼠產生喝水的動力；而另一方面，抑制SFO和OVLT，使動物沒有辦法感受體液水鹽變化時，還是能夠通過實驗手段直接激活MnPO，使小鼠感到口渴並開始喝水（如下圖）。這些實驗結果證明，SFO和OVLT感受到體液水鹽狀態變化後，必須通過MnPO才能把需要喝水的「警報」傳遞出去。在功能上，它們是上下游的關係。

實驗設計如左側示意圖。通過注射病毒感染表達Casp3引起興奮性神經元（nNOS陽性細胞）凋亡，讓特定的核團失去功能。同時利用光遺傳學（ChR2）手段激活其他核團。實驗結果表明，失去MnPO正常功能的情況下（MnPOx），刺激SFO不能讓小鼠喝水。但是在失去SFO或OVLT的情況下（SFOx/OVLTx），刺激MnPO依然能讓小鼠大量飲水。(Augustine et al. Nature 2018)

當MnPO發出缺水「警報」之後又會激活哪些下游結構，產生應對措施從而解除警報？目前已知與MnPO直接連接的結構有不少，包括PVH、SON和PVT等等，這些結構的具體分工有所區別但並不十分明確，其中PVH能夠調控交感神經系統活動，加速心跳提升血壓；SON能夠分泌血管升壓素（arginine vasopressin，AVP），減少排尿；PVT則跟多種壓力信息的整合有關，缺水大概應 該也是壓力的一種吧。有意思的是，儘管MnPO的多條輸出通路各有各的「分工」，但產生「口渴」感覺的功能則是相似的。激活MnPO到其下游多條通路中的任意一個都能夠讓小鼠開始喝水。這一現象有些複雜，究竟有沒有哪一條唯一的神經通路對動物感到「口渴」是充分且必要的？或者是多通路並行傳遞（增加冗餘程度以提高可靠性）？這個問題還需要更多的研究來給予答案。

除此之外，科學家們還發現，雖然MnPO控制了動物對水的需求，但是似乎並不參與動物對鹽分需求的調控。鹽分需求的調控依賴於從SFO直接到另外一個被稱為vBNST的結構之間的神經連接。直接刺激SFO中所有興奮性神經元，既能夠增加小鼠喝水也能增加吃鹽。但攝水和攝鹽對於體液水鹽狀態的作用相反，一同增加與正常的生理需求是矛盾的。目前的研究結果指向這樣的可能性： SFO中有至少兩種功能相左的興奮性神經元，一種與MnPO連接，在缺水的情況下激活，促進喝水；另外一種與vBNST相連，在水多缺鹽的情況下激活，促進吃鹽。兩種興奮性神經元之間或許通過中間神經元相互抑制。（目前尚沒有辦法將SFO的不同神經元類群區分開來，所以還無法證實SFO如何雙向調節攝水攝鹽。）

大腦不喜歡「口渴」

經典理論認為，動物的行為模式都是基於對懲罰和厭惡情緒的躲避以及對獎賞和欣快情緒的追求。但是如何證明MnPO產生的口渴「警報」實際上是催生了一個令人生厭的信號，動物是為了躲避這種討厭的情緒去喝水，而不是被MnPO直接驅動喝水行為？小鼠不會說話，也不告訴我們它高不高興，但科學家們想到了用其他行為範式來替代喝水的方法：首先用光遺傳學的手段持續激活小鼠的MnPO核團，但是並不給它提供水，而是給它一個操作桿，只要小鼠去按壓這個操作桿就會暫停光激活信號。實驗發現，小鼠會持續不斷地按壓操作桿，樂此不疲。也就是說，只要可以降低MnPO被激活帶來的不爽，小鼠並不在意喝不喝水，從而證明MnPO並不直接驅動喝水行為，而是使動物感到不爽。

大腦如何避免飲水過量

在正常生理情況下，喝水之後身體的水分得到 補充，SFO和OVLT的興奮程度降低，就能終止MnPO的口渴「警報」。但是，相對於動物喝水的速度而言，體液水鹽平衡的恢復要慢一些，於是大腦有必要「預測」即將到來的水分補充，防止口渴信號消除滯後而導致飲水過量。的確，SFO興奮性神經元的活動程度在動物剛一喝水的時候就開始降低，證明SFO不僅實時監測體液水鹽狀態還能夠「預測」即將增加的水分。事實上，SFO的興奮性神經元接受到來自MnPO中一群抑制性神經元的強烈抑制，這群MnPO抑制性神經元會即時地被喝水時的吞咽動作所激活。也就是說，當動物喝水時，吞咽的動作能夠激活MnPO的抑制性神經元，從而降低SFO中興奮性神經元的興奮性，MnPO的口渴警報就會解除，動物便能適量飲水。有趣的是，喝油、喝鹽水也有同樣的作用，但是給小鼠吃水凝膠（含水量超過99%的固體）則不能產生同樣的作用（如下圖）。這說明「喝」這個動作本身是特殊的——大概是因為「吃」的動作通常攝入速度都要慢一些，而「喝」才有短時間攝入過量的危險吧。也許你有同樣的經歷：即使特別渴，也無法連續大口喝下特別多的水，而是要在中間稍微「休息」一下，分多次喝下。

通過在體光纖記錄的手段測量MnPO中抑制性神經元（GLP1R陽性細胞）的活動程度，發現在小鼠開始喝水時這群神經元活動增加（紅色熒光強度曲線），在開始吃水凝膠的時候則沒有活動變化（黑色熒光強度曲線）。(Augustine et al. Nature 2018)

到目前為止，科學家們已經找到了神經系統中的水鹽調節中樞，終板，也基本了解了其中各個核團之間的相互關係。但整體來看，我們所了解的還只是水鹽平衡相關神經環路的一小部分。這裡面還有太多的問題有待解答。比如說，上文提到的，MnPO下游多個通路的詳細生理功能都是什麼?為何它們都能表達「口渴」？再比如，喝水時的吞咽動作通過怎樣的信息傳遞激活MnPO中的抑制性神經元進而及時終止口渴警報？喝水調節和吃鹽調節如何相互作用？和進食調節如何相互作用？……

Yuki Oka博士和Vineet(Vinny) Augustine最近剛剛在Nature發表的論文主要探討了LT三個核團之間的上下游關係和MnPO到SFO的抑制性連接，詳見參考文獻7。雖然我說Vinny是一個極度安靜的學生，但慢慢熟悉起來之後感覺還是很能聊得來的，他非常聰明。當然，作Caltech的學生，這是毋庸置疑的。聖誕節前的某一天，跟他感慨了一下這個研究領域競爭之激烈。Vinny說，等著吧，很快我們就能看到越來越多關於水鹽平衡調節相關神經環路的研究工作被發表出來，也相信會有越來越多的科學家開始從事相關的研究工作，也許不出多久就能告訴你們，口渴的「感受」到底在哪裡。

Yuki Oka?

www.okalab.caltech.edu

參考文獻 1–7

（如有興趣深入了解，推薦閱讀參考文獻6所列綜述）

1. Oka,Y., Ye, M. & Zuker, C. S. Thirst driving and suppressing signals encoded bydistinct neural populations in the brain. Nature520, 349–352 (2015).

2. Zimmerman,C. A. et al. Thirst neurons anticipate thehomeostatic consequences of eating and drinking. Nature537, 680–684 (2016).

3. Allen,W. E. et al. Thirst-associated preoptic neuronsencode an aversive motivational drive. Science357, 1149–1155 (2017).

4. Matsuda,T. et al. Distinct neural mechanisms for thecontrol of thirst and salt appetite in the subfornical organ. Nat.Neurosci.20, 230–241 (2017).

5. Leib,D. E. et al. The Forebrain Thirst Circuit DrivesDrinking through Negative Reinforcement. Neuron96, 1272–1281.e4 (2017).

6. Zimmerman,C. A., Leib, D. E. & Knight, Z. A. Neural circuits underlying thirst andfluid homeostasis. Nat.Rev. Neurosci.18, 459–469 (2017).

7. Augustine,V. et al. Hierarchical neural architectureunderlying thirst regulation. Nature (2018). doi:10.1038/nature25488

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