關于人應該喝多少水的建議無處不在。但是,大腦是如何判斷你已經喝夠了水,從而讓你感覺不再口渴的?加州大學舊金山分校(UCSF)于 3 月 27 日在《自然》(Nature)期刊上發表的一項新研究可能會給我們答案。
直到不久前,科學家們還認為,當大腦中被稱為下丘腦的區域檢測到血液中水分含量下降時,它就對我們發出口渴的信號。但是,加州大學舊金山分校生理學副教授、霍華德休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute)研究員、神經科學家 Zachary Knight 博士意識到,這不可能是完整的解釋——特別是因為一杯清爽的飲料一入口,口渴的感覺幾乎就會立即消失,盡管我們的身體還需要 10 分鐘或更長的時間才能真正吸收水分。
在 2016 年的一項研究中,Knight 實驗室的研究生 Christopher Zimmerman 幫助解釋了這一現象。他觀察到,當小鼠喝水時,口腔和喉嚨的傳感器能夠向下丘腦中和口渴有關的神經元發送信號,關閉“口渴”的信息。這些傳感器似乎能夠根據動物吞咽的液體量來預測飲料補充水分的能力,并且它們對冷飲特別敏感,這或許可以解釋為什么冰鎮飲料如此令人精神煥發。
“這種來自口腔和喉嚨的快速信號似乎能夠追蹤你喝了多少水,并與你身體所需要的水分的量進行對比,”Zimmerman 說,“但我們也知道這個快速信號并不是全部的解釋。”
研究人員尤其想知道大腦如何準確判斷每種飲料補充水分的能力。畢竟,海水并不能解渴,但在激活口腔和喉嚨中的傳感器方面,它的作用在很大程度上和冰水是一樣的。
在他們的新研究中,Zimmerman 及其同事在小鼠的下丘腦附近植入柔性光纖,來觀察它們喝鹽水的時候和口渴有關的神經元的活動。與該團隊早期的研究結果一致,一旦口渴的動物喝了水之后,這些神經元就會安靜下來,但很快又重新活躍,好像有其他一些傳感器正在測試動物剛喝下的水,并提醒大腦:“太咸了,保持口渴!”
為了觀察這些信號是否來自腸胃,研究人員將液體直接注入口渴的小鼠的胃中,同時觀察它們的相關神經元的活動。他們發現,注入淡水會使這些細胞停止活動,就像喝了水一樣;但在注入鹽水后,這些神經元仍保持活躍狀態。當小鼠先被注入鹽水、再喝淡水時,這些神經元在喝到水的時候先是安靜下來,但很快又重新活躍,好像正在提醒小鼠需要多喝點水來稀釋胃中被添加的鹽。
這些結果表明,Zimmerman 在 2016 年發現的口腔和咽喉中的傳感器負責讓大腦暫時解渴,以獎勵動物喝水這一動作;但和口渴有關的神經元將根據腸胃中的二級傳感器來重新評估這一決定,它們預測攝入的飲料補充水分的效果,并告訴大腦是否需要繼續喝水。(作者認為這些二級傳感器可能位于小腸的前端。)
“有趣的是,鹽水并沒有驅使水分充足的小鼠飲水,而只會驅使已經口渴的老鼠去喝水,”Zimmerman 說,“這表明解渴需要收到來自腸道的信號,但實際上你需要先脫水才能觸發口渴信號。”
下丘腦中與口渴有關的神經元(綠色和紅色)根據來自腸道的信號,判斷一份飲料能夠補充多少水分。圖片來源:Knight lab / UCSF。
研究人員證明,腸道的水分信號通過迷走神經傳送,以激活與口渴有關的神經元,它們位于下丘腦的穹窿下器官(SFO)。借助光遺傳學技術,即利用光束激活或關閉特定的神經元組,研究人員展示了這些神經元將信息傳遞到附近的正中視前核(MnPO)的過程,MnPO 可以通過驅動動物飲水并告知腎臟保留血液中的水來作出響應。
研究人員驚奇地發現,MnPO 中的一部分單個神經元似乎能夠響應和整合來自口腔和咽喉的飲水信號、來自腸道的飽食信號以及來自血液的動物體內水分含量的信息。附近的其他細胞也參與編碼其他信息,如動物的壓力水平或水源的可利用性等。
Knight 說:“這是我們第一次能夠實時觀察這一現象,即單個神經元整合來自身體不同部位的信號,以控制喝水等行為。這將幫助我們進一步研究所有這些信號如何相互作用,例如血壓或體溫如何影響人們的口渴和食欲等感覺。”
除了研究 SFO 和 MnPO 中與口渴有關的神經元的正常功能外,研究人員希望利用這些知識了解這些神經元如何調節體內液體平衡以及調節過程是否存在缺陷,并可以用來解釋高血壓等疾病的起因。
“下丘腦是將人體生理狀況保持在健康范圍內的關鍵中心,無論是水分、食欲、維持合適的體溫還是控制血壓等,所有這些需求都會相互競爭、相互影響,”奈特說,“過去我們一直很難研究所有這些因素在活體動物的大腦中如何相互作用,但像這樣的研究開始讓我們得以探索這個關鍵問題。”
·研究人員在論文中表示,用深部腦刺激激活外側下丘腦的神經元能有助于恢復一些嚴重脊髓損傷患者的部分運動能力,但還需更大規模的研究對更多患者進行測試以評估其安全性。當地時間2024年12月3日,《自然-醫......
翻開任何一本神經科學教科書,對神經元的描述都大致相同——一個像變形蟲一樣的斑點狀細胞體延伸出一條又長又粗的鏈。這條鏈就是軸突,它將電信號傳遞到細胞與其他神經元通信的終端。軸突一直被描繪成光滑的圓柱體,......
據最新一期《自然》雜志報道,借助由腦組織創建的神經元及其連接圖——“連接組”,再結合人工智能(AI),美國與德國科學家達成了此前從未實現的突破:無需對活體大腦進行任何檢測,便能預測單個神經元的活動。數......
科技日報訊 (記者張夢然)據最新一期《自然》雜志報道,借助由腦組織創建的神經元及其連接圖——“連接組”,再結合人工智能(AI),美國與德國科學家達成了此前從未實現的突破:無需對活體大腦進行任......
圖上的線條代表大腦皮層中與語言處理相關的各個區域之間的連接。當閱讀時,這些區域的神經元會以精確同步的方式激發,這種現象被稱為共同漣漪。圖片來源:加州大學圣迭戈分校大腦各區域是如何交流、整合信息,最終形......
圖上的線條代表大腦皮層中與語言處理相關的各個區域之間的連接。當閱讀時,這些區域的神經元會以精確同步的方式激發,這種現象被稱為共同漣漪。圖片來源:加州大學圣迭戈分校科技日報訊(記者張夢然)大腦各區域是如......
構建更加通用的人工智能,讓模型具有更加廣泛和通用的認知能力,是當前人工智能(AI)領域發展的最大目標。目前流行的大模型路徑是基于“尺度定律”(ScalingLaw)去構建更大、更深和更寬的神經網絡,可......
寄生蟲弓形蟲因為可以侵入人體中樞神經系統而一直被“人人喊打”,但科學家決定利用這一特征讓它充當治療工具。《自然·微生物學》29日報告了一個在動物模型中改造弓形蟲的方法,使其可穿過血腦屏障,向寄主神經元......
寄生蟲弓形蟲因為可以侵入人體中樞神經系統而一直被“人人喊打”,但科學家決定利用這一特征讓它充當治療工具。《自然·微生物學》29日報告了一個在動物模型中改造弓形蟲的方法,使其可穿過血腦屏障,向寄主神經元......
諸如創傷、中風、癲癇和多種神經變性疾病等人類神經系統疾病通常會導致神經元的永久性喪失,且會引起大腦功能的嚴重損傷;目前的療法選擇非常有限,主要是由于更換丟失的神經元的挑戰。直接對神經元進行編程或許能提......