Nature：喝多少水才算够？大脑原来是这样判断的

来源：科研圈

口渴的解除其实有着复杂的机制。借助光遗传学技术，研究人员发现口腔和咽喉的传感器会对摄入的饮料进行快速评估，但大脑需要结合来自肠胃的信号来进行最终决策。

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来源 UNIVERSITY OF CALIFORNIA - SAN FRANCISCO

翻译 郑逸娴

审校 戚译引

关于人应该喝多少水的建议无处不在。但是，大脑是如何判断你已经喝够了水，从而让你感觉不再口渴的？加州大学旧金山分校（UCSF）于 3 月 27 日在《自然》（Nature）期刊上发表的一项新研究可能会给我们答案。

直到不久前，科学家们还认为，当大脑中被称为下丘脑的区域检测到血液中水分含量下降时，它就对我们发出口渴的信号。但是，加州大学旧金山分校生理学副教授、霍华德休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）研究员、神经科学家 Zachary Knight 博士意识到，这不可能是完整的解释——特别是因为一杯清爽的饮料一入口，口渴的感觉几乎就会立即消失，尽管我们的身体还需要 10 分钟或更长的时间才能真正吸收水分。

在 2016 年的一项研究中，Knight 实验室的研究生 Christopher Zimmerman 帮助解释了这一现象。他观察到，当小鼠喝水时，口腔和喉咙的传感器能够向下丘脑中和口渴有关的神经元发送信号，关闭“口渴”的信息。这些传感器似乎能够根据动物吞咽的液体量来预测饮料补充水分的能力，并且它们对冷饮特别敏感，这或许可以解释为什么冰镇饮料如此令人精神焕发。

“这种来自口腔和喉咙的快速信号似乎能够追踪你喝了多少水，并与你身体所需要的水分的量进行对比，”Zimmerman 说，“但我们也知道这个快速信号并不是全部的解释。”

研究人员尤其想知道大脑如何准确判断每种饮料补充水分的能力。毕竟，海水并不能解渴，但在激活口腔和喉咙中的传感器方面，它的作用在很大程度上和冰水是一样的。

在他们的新研究中，Zimmerman 及其同事在小鼠的下丘脑附近植入柔性光纤，来观察它们喝盐水的时候和口渴有关的神经元的活动。与该团队早期的研究结果一致，一旦口渴的动物喝了水之后，这些神经元就会安静下来，但很快又重新活跃，好像有其他一些传感器正在测试动物刚喝下的水，并提醒大脑：“太咸了，保持口渴！”

为了观察这些信号是否来自肠胃，研究人员将液体直接注入口渴的小鼠的胃中，同时观察它们的相关神经元的活动。他们发现，注入淡水会使这些细胞停止活动，就像喝了水一样；但在注入盐水后，这些神经元仍保持活跃状态。当小鼠先被注入盐水、再喝淡水时，这些神经元在喝到水的时候先是安静下来，但很快又重新活跃，好像正在提醒小鼠需要多喝点水来稀释胃中被添加的盐。

这些结果表明，Zimmerman 在 2016 年发现的口腔和咽喉中的传感器负责让大脑暂时解渴，以奖励动物喝水这一动作；但和口渴有关的神经元将根据肠胃中的二级传感器来重新评估这一决定，它们预测摄入的饮料补充水分的效果，并告诉大脑是否需要继续喝水。（作者认为这些二级传感器可能位于小肠的前端。）

“有趣的是，盐水并没有驱使水分充足的小鼠饮水，而只会驱使已经口渴的老鼠去喝水，”Zimmerman 说，“这表明解渴需要收到来自肠道的信号，但实际上你需要先脱水才能触发口渴信号。”

下丘脑中与口渴有关的神经元（绿色和红色）根据来自肠道的信号，判断一份饮料能够补充多少水分。图片来源：Knight lab / UCSF。

研究人员证明，肠道的水分信号通过迷走神经传送，以激活与口渴有关的神经元，它们位于下丘脑的穹窿下器官（SFO）。借助光遗传学技术，即利用光束激活或关闭特定的神经元组，研究人员展示了这些神经元将信息传递到附近的正中视前核（MnPO）的过程，MnPO 可以通过驱动动物饮水并告知肾脏保留血液中的水来作出响应。

研究人员惊奇地发现，MnPO 中的一部分单个神经元似乎能够响应和整合来自口腔和咽喉的饮水信号、来自肠道的饱食信号以及来自血液的动物体内水分含量的信息。附近的其他细胞也参与编码其他信息，如动物的压力水平或水源的可利用性等。

Knight 说：“这是我们第一次能够实时观察这一现象，即单个神经元整合来自身体不同部位的信号，以控制喝水等行为。这将帮助我们进一步研究所有这些信号如何相互作用，例如血压或体温如何影响人们的口渴和食欲等感觉。”

除了研究 SFO 和 MnPO 中与口渴有关的神经元的正常功能外，研究人员希望利用这些知识了解这些神经元如何调节体内液体平衡以及调节过程是否存在缺陷，并可以用来解释高血压等疾病的起因。

“下丘脑是将人体生理状况保持在健康范围内的关键中心，无论是水分、食欲、维持合适的体温还是控制血压等，所有这些需求都会相互竞争、相互影响，”奈特说，“过去我们一直很难研究所有这些因素在活体动物的大脑中如何相互作用，但像这样的研究开始让我们得以探索这个关键问题。”

论文信息

【标题】A gut-to-brain signal of fluid osmolarity controls thirst satiation

【作者】Christopher A. Zimmerman, Erica L. Huey, Jamie S. Ahn, Lisa R. Beutler, Chan Lek Tan, Seher Kosar, Ling Bai, Yiming Chen, Timothy V. Corpuz, Linda Madisen, Hongkui Zeng & Zachary A. Knight

【日期】27 March 2019

【期刊】Nature

【DOI】10.1038/s41586-019-1066-x

【摘要】Satiation is the process by which eating and drinking reduce appetite. For thirst, oropharyngeal cues have a critical role in driving satiation by reporting to the brain the volume of fluid that has been ingested. By contrast, the mechanisms that relay the osmolarity of ingested fluids remain poorly understood. Here we show that the water and salt content of the gastrointestinal tract are precisely measured and then rapidly communicated to the brain to control drinking behaviour in mice. We demonstrate that this osmosensory signal is necessary and sufficient for satiation during normal drinking, involves the vagus nerve and is transmitted to key forebrain neurons that control thirst and vasopressin secretion. Using microendoscopic imaging, we show that individual neurons compute homeostatic need by integrating this gastrointestinal osmosensory information with oropharyngeal and blood-borne signals. These findings reveal how the fluid homeostasis system monitors the osmolarity of ingested fluids to dynamically control drinking behaviour.

【链接】https://www.nature.com/articles/s41586-019-1066-x