渴、渴、渴,口渴的神经基础被发现|前沿 原创2017-09-15张涛知识分子 渴的神经机制是什么,为何缺水越严重,想喝水的欲望越强,图片来自 faithrxd.org 撰文|张涛 责编|叶水送 每当我们身体缺水时,就会感到口渴,缺水越严重,想喝水的欲望越强,当我们 终于能饮上一口甘泉,所有的烦躁就都烟消云散了。 而当神经科学家谈到渴时,就会产生一种“渴望”:大脑是如何编码渴觉的?9月 15日,《科学》杂志介绍了著名华人神经生物学家骆利群和光遗传学的开拓者 Karl Deisseroth在这一领域的最新发现。 骆利群教授和 Deisseroth共同揭示渴的神经机制,图片截至 sciencemag.org 为何会从事这样的研究?骆利群向《知识分子》表示,“我们原来主要做神经发 育,现在主要偏向做系统神经生物学,这就会涉及很多行为实验,要对小鼠进行 训练,如不给它们喝水,或不给它们食物,作为动物行为实验的奖罚。用水会相 对容易一些,因为水的量比较容易控制。我们在做的时候,发现只要给小鼠水喝, 它们的动机和学习能力很强,一旦喝足,这些行为的动机就会降低。于是我们在 想,怎样把动物的本能变成动机,让它进行各种学习。由此,开始了这些动机背 后的神经机制研究
渴、渴、渴，口渴的神经基础被发现 | 前沿 原创2017-09-15张涛知识分子 ► 渴的神经机制是什么，为何缺水越严重，想喝水的欲望越强，图片来自 faithrxd.org 撰文 | 张 涛 责编 | 叶水送 ● ● ● 每当我们身体缺水时，就会感到口渴，缺水越严重，想喝水的欲望越强，当我们 终于能饮上一口甘泉，所有的烦躁就都烟消云散了。 而当神经科学家谈到渴时，就会产生一种“渴望”：大脑是如何编码渴觉的？9 月 15 日，《科学》杂志介绍了著名华人神经生物学家骆利群和光遗传学的开拓者 Karl Deisseroth 在这一领域的最新发现。 ► 骆利群教授和 Deisseroth 共同揭示渴的神经机制，图片截至 sciencemag.org 为何会从事这样的研究？骆利群向《知识分子》表示，“我们原来主要做神经发 育，现在主要偏向做系统神经生物学，这就会涉及很多行为实验，要对小鼠进行 训练，如不给它们喝水，或不给它们食物，作为动物行为实验的奖罚。用水会相 对容易一些，因为水的量比较容易控制。我们在做的时候，发现只要给小鼠水喝， 它们的动机和学习能力很强，一旦喝足，这些行为的动机就会降低。于是我们在 想，怎样把动物的本能变成动机，让它进行各种学习。由此，开始了这些动机背 后的神经机制研究
通过光刺激小鼠大脑的渴觉中心,可刺激其饮水止渴,视频来自 Allen We et a!. science 2017 人的大脑中有千亿数量级的神经元,小鼠脑内也有七八千万,这些神经元像电路 样错综复杂的联结在一起,每当有一个行为,负责这种行为的神经元就会被激 活,把一种行为所对应的神经元挑选出来,听上去就像是大海捞针。 2013年,骆利群实验室发明了一种新的技术,这种技术利用精巧的基因操作, 可使负责某种行为的神经元在人为的控制下永久地带上颜色。在这篇论文中,研 究者连续48小时不给小鼠水喝,最终使老鼠脑内负责渴的神经元变成了红色。 其中,研究者最关注一个叫做正中视前核(MnPO)的脑区,在分析之前的研究 后,他们认为这个位置可能是渴的大脑环路中的重要的一环。一旦让这些“渴神 经元”带上了颜色,便能够利用其波长的特征,将它们分离出来。对从MnPO分 离出的神经元的基因转录组进行分析,研究者发现,这一区域负责渴的神经元是 谷氨酸能的兴奋性神经元。 大脑的正中视前核的脑区影响动物的渴觉,图片来自 sciencemag.org 骆利群的实验室发明过很多巧妙的技术,帮助神经科学家进行神经环路的研究。 在这篇论文里,他们便利用和让神经元带上颜色类似的方法,和光遗传以及钙成 像结合起来。从而能够通过光来操作MnPO和渴相关的神经元,以及通过钙信 号来记录它们的状态。 研究者发现只要激活MnPO内的渴神经元,不口渴的老鼠也会开始喝水,而如 果将口渴的老鼠MnPO内的渴神经元抑制住,口渴的老鼠就不再那么渴望喝水 了。更神奇的是,这些神经元还会激发老鼠去“赢得”水。他们训练老鼠,每按1 次(或者6次)按钮就会有一滴水的奖励,当激活这些神经元时,老鼠按按钮的
► 通过光刺激小鼠大脑的渴觉中心，可刺激其饮水止渴，视频来自 Allen WE et al. science. 2017. 人的大脑中有千亿数量级的神经元，小鼠脑内也有七八千万，这些神经元像电路 一样错综复杂的联结在一起，每当有一个行为，负责这种行为的神经元就会被激 活，把一种行为所对应的神经元挑选出来，听上去就像是大海捞针。 2013 年，骆利群实验室发明了一种新的技术，这种技术利用精巧的基因操作， 可使负责某种行为的神经元在人为的控制下永久地带上颜色。在这篇论文中，研 究者连续 48 小时不给小鼠水喝，最终使老鼠脑内负责渴的神经元变成了红色。 其中，研究者最关注一个叫做正中视前核（MnPO）的脑区，在分析之前的研究 后，他们认为这个位置可能是渴的大脑环路中的重要的一环。一旦让这些“渴神 经元”带上了颜色，便能够利用其波长的特征，将它们分离出来。对从 MnPO 分 离出的神经元的基因转录组进行分析，研究者发现，这一区域负责渴的神经元是 谷氨酸能的兴奋性神经元。 ► 大脑的正中视前核的脑区影响动物的渴觉，图片来自 sciencemag.org 骆利群的实验室发明过很多巧妙的技术，帮助神经科学家进行神经环路的研究。 在这篇论文里，他们便利用和让神经元带上颜色类似的方法，和光遗传以及钙成 像结合起来。从而能够通过光来操作 MnPO 和渴相关的神经元，以及通过钙信 号来记录它们的状态。 研究者发现只要激活 MnPO 内的渴神经元，不口渴的老鼠也会开始喝水，而如 果将口渴的老鼠 MnPO 内的渴神经元抑制住，口渴的老鼠就不再那么渴望喝水 了。更神奇的是，这些神经元还会激发老鼠去“赢得”水。他们训练老鼠，每按 1 次（或者 6 次）按钮就会有一滴水的奖励，当激活这些神经元时，老鼠按按钮的
次数也会增加,而且是成比例增加的。相反,如果通过按按钮可以让这些神经元 不被激活,老鼠就会一直按下去。这说明,这些神经元的激活代表一种负面的情 绪,是老鼠想要努力避免的。 那么喝了水之后会如何呢?通过对这些渴神经元进行钙成像记录,研究者发现在 喝水的过程中,MnPO的渴神经元的活动性就降低了,而且是在获得水的过程中 逐步降低的,而不是在最开始,以及全部喝完后猛的降下来。这说明,MnPO和 渴相关的谷氨酸能的神经元编码了渴的程度,它们的活动性越强,机体就越渴, 而当喝了水之后,它们的活动性便逐步降了下来。 同期杂志的一篇专门的评论文章认为,这项研究大大推动了对渴的神经生物学的 研究。同时,也有很多问题有待接下来进一步地研究,例如,MnPO的渴神经元 活动性是如何刺激渴这种感觉的产生的,皮层内的一些脑区是否参与这个过程? 这项研究的两位通讯作者,骆利群和 Desseroth教授 骆利群也表示,“尽管我们找到渴的神经中枢,但是渴的信号怎样传到不同的脑 区,怎样跟动机结合起来,并且在渴的刺激下,如何引导特异性的行为产生,目 前这些仍不是很清楚。所以我的学生将在全脑范围里面,去找影响渴的行为动机 的神经信号。 最后,骆利群总结道,“这篇论文的第一作者是我和 Deisseroth共同指导,他在 两个实验室学到了不同的方法,然后结合起来,完成了这项研究。交叉学科带来 了诸多优势,在研究中,有了更多的新发现。 参考资料
次数也会增加，而且是成比例增加的。相反，如果通过按按钮可以让这些神经元 不被激活，老鼠就会一直按下去。这说明，这些神经元的激活代表一种负面的情 绪，是老鼠想要努力避免的。 那么喝了水之后会如何呢？通过对这些渴神经元进行钙成像记录，研究者发现在 喝水的过程中，MnPO 的渴神经元的活动性就降低了，而且是在获得水的过程中 逐步降低的，而不是在最开始，以及全部喝完后猛的降下来。这说明，MnPO 和 渴相关的谷氨酸能的神经元编码了渴的程度，它们的活动性越强，机体就越渴， 而当喝了水之后，它们的活动性便逐步降了下来。 同期杂志的一篇专门的评论文章认为，这项研究大大推动了对渴的神经生物学的 研究。同时，也有很多问题有待接下来进一步地研究，例如，MnPO 的渴神经元 活动性是如何刺激渴这种感觉的产生的，皮层内的一些脑区是否参与这个过程？ ► 这项研究的两位通讯作者，骆利群和 Desseroth 教授 骆利群也表示，“尽管我们找到渴的神经中枢，但是渴的信号怎样传到不同的脑 区，怎样跟动机结合起来，并且在渴的刺激下，如何引导特异性的行为产生，目 前这些仍不是很清楚。所以我的学生将在全脑范围里面，去找影响渴的行为动机 的神经信号。” 最后，骆利群总结道，“这篇论文的第一作者是我和 Deisseroth 共同指导，他在 两个实验室学到了不同的方法，然后结合起来，完成了这项研究。交叉学科带来 了诸多优势，在研究中，有了更多的新发现。” 参考资料
Allen WE et al. Thirst-associated preoptic neurons encode an aversive motivational drive 2017. Science
Allen WE et al. Thirst-associated preoptic neurons encode an aversive motivational drive. 2017. Science