Vasopressine et régulation de la soif

Abstract

Des expériences récentes utilisant des outils optogénétiques permettent l’identification et l’analyse fonctionnelle des neurones de la soif et des neurones producteurs de vasopressine. Deux avancées majeures fournissent une anatomie détaillée du goût pour l’eau et de la libération d’arginine-vasopressine (AVP) : (1) la soif et la libération d’AVP sont régulées non seulement par la rétroaction négative classique, homéostatique et inter-sensorielle de l’osmolalité plasmatique, mais aussi par des signaux nouveaux, exter-sensoriels et anticipatifs. Ces signaux d’anticipation de la soif et de la libération de vasopressine convergent vers les mêmes neurones homéostatiques des organes circumventriculaires qui surveillent la composition du sang ; (2) les cellules réceptrices du goût sensibles à l’acide (qui expriment la protéine polycystic kidney disease 2-like 1) sur la langue, qui ont été précédemment suggérées comme étant les capteurs du goût acide, médient également les réponses gustatives à l’eau. La langue a un goût pour l’eau. Le noyau préoptique médian (MnPO) de l’hypothalamus pourrait intégrer de multiples stimuli générateurs de soif, notamment des signaux cardiopulmonaires, l’osmolalité, l’angiotensine II, des signaux oropharyngés et gastriques, ces derniers pouvant représenter des signaux d’anticipation. La déshydratation est aversive et l’activité des neurones MnPO est proportionnelle à l’intensité de cet état aversif.

© 2018 The Author(s) Published by S. Karger AG, Bâle

Dans un précédent Annals of Nutrition and Metabolism , j’ai passé en revue les récentes expériences cellulaires et optogénétiques sur animaux démontrant que les capteurs de l’organe circumventriculaire du cerveau réagissant à la pression osmotique et à l’angiotensine II (AII) sous-tendent la genèse de la soif, la régulation du volume et les effets comportementaux de l’évitement de la soif.

Je décris maintenant une carte de câblage détaillée pour la soif (c’est-à-dire, y compris les signaux anticipés de la soif et la libération de vasopressine convergeant vers les mêmes neurones homéostatiques), les organes circumventriculaires qui surveillent la composition du sang , et l’identification des cellules gustatives spécifiques des récepteurs d’eau . Le noyau préoptique médian (MnPO) de l’hypothalamus pourrait intégrer de multiples stimuli générateurs de soif . Ces nouvelles données issues d’expériences optogénétiques réalisées chez les rongeurs expliquent les résultats obtenus chez l’homme à l’aide de signaux BOLD (blood oxygen level-dependent) démontrant que l’augmentation du signal BOLD de la lamina terminalis (LT) observée lors d’une perfusion de solution saline hypertonique est rapidement diminuée après la prise d’eau bien avant toute absorption d’eau dans le sang .

Régulation intéro-sensorielle et extéro-sensorielle de la soif et de la libération de vasopressine (Fig. 1)

Stimuli intéro-sensoriels : perception de l’osmolalité (augmentée avec la déshydratation intracellulaire) et, par l’intermédiaire de l’AII, du volume plasmatique et de la pression de perfusion (tous deux diminués avec la déshydratation extracellulaire). Importance des signaux de sodium x (Nax) pour distinguer les conditions de déplétion hydrique de celles de déplétion saline.

(a) Les cellules osmoréceptrices de l’organe sous-fornical (OFS) portent des récepteurs AII et se projettent vers les cellules productrices de vasopressine du noyau supraoptique (SON) et du noyau paraventriculaire (PVH).

Les neurones homéostatiques de l’OFS sont des cellules osmoréceptrices et, par l’intermédiaire de leurs récepteurs AII, perçoivent le volume plasmatique et la pression de perfusion vasculaire. Il s’agit de la régulation intero-sensorielle classique responsable de la perception consciente de la soif, puisque ces neurones se projettent vers le cortex cingulaire antérieur . Ces neurones de l’OFS sont également responsables de la libération de vasopressine puisqu’ils se projettent vers les neurones producteurs de vasopressine dans le SON et le PVH. L’hyperosmolalité du liquide extracellulaire stimule la sensation de soif pour favoriser l’absorption d’eau et la libération de vasopressine, ce qui augmente la réabsorption d’eau dans le rein. En revanche, l’hypo-osmolalité du liquide extracellulaire supprime la sécrétion basale de vasopressine. La soif et la libération de vasopressine apparaissent, jusqu’à présent, comme une réponse purement homéostatique aux déviations des stimuli intero-sensoriels : osmolalité, pression ou volume sanguin.

(b) Deux types de neurones excitateurs positifs au récepteur AII de type 1a- existent dans l’organe sous-fornical. Le Nax est exprimé dans les cellules gliales entourant les cellules de l’OFS et sert à distinguer les conditions de déplétion hydrique de celles de déplétion saline, toutes deux stimulées par l’AII.

L’AII entraîne à la fois la soif et l’appétit salin. Matsuda et al. ont montré que la soif et l’appétit salé sont dirigés par 2 groupes distincts de neurones AII (récepteur de type 1a-positif excitateur) dans l’organe sous-fornical. Les neurones qui se projettent vers l’organum vasculosum LT contrôlent la prise d’eau, tandis que ceux qui se projettent vers la partie ventrale du noyau du lit de la stria terminalis contrôlent la prise de sel. Les neurones qui contrôlent la soif sont supprimés dans des conditions de carence en sodium. En revanche, les neurones qui contrôlent l’appétit pour le sel sont supprimés dans des conditions de déshydratation par l’activation des neurones GABAergiques par des signaux Nax . Ces mécanismes distincts dans l’organe subfornical peuvent sous-tendre les apports sélectifs d’eau et/ou de sel et contribuer à l’homéostasie des fluides corporels (Fig. 2).

Les techniques utilisées dans les années 1960 et 1970 pour décrire ces stimuli intero-sensoriels ne permettaient pas de suivre les neurones de la soif du LT et les neurones de la vasopressine se projetant vers l’hypophyse postérieure en temps réel chez des animaux conscients, et ne pouvaient donc pas évaluer les informations extéro-sensorielles régulant ces processus.

La stimulation extéro-sensorielle anticipe la stimulation de la soif et la libération de vasopressine : Importance des récepteurs du goût de l’eau

Des expériences récentes utilisant des outils optogénétiques chez des animaux éveillés démontrent qu’une fraction substantielle du comportement normal de boire et de la libération de vasopressine n’est pas régulée directement par les changements dans le sang. Au contraire, ce comportement semble anticiper les changements homéostatiques avant qu’ils ne se produisent. Les signaux anticipant la soif et la libération de vasopressine convergent vers les mêmes neurones homéostatiques, les neurones de l’organe subfornical, qui surveillent la tonicité du sang. L’activité des neurones excitateurs de l’organe sous-fornical (SFONos1 ; Fig. 1), activés par la restriction hydrique, revient rapidement à la ligne de base après l’accès à l’eau, bien avant qu’un changement mesurable de l’osmolalité du plasma ne se produise. Cette réponse rapide et anticipée à la consommation d’eau a été suggérée par des mesures de la concentration d’oxygène dans le sang (c’est-à-dire le signal BOLD de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle) pendant la stimulation de la soif chez l’homme. Le signal BOLD de la zone du cortex cingulaire antérieur, connue pour être responsable de la perception consciente de la soif, diminue rapidement après la consommation d’eau, bien avant toute absorption systémique de l’eau. Il y a un délai d’environ 10 minutes entre l’ingestion de l’eau et son absorption complète dans la circulation sanguine. Ces nouvelles données expliquent comment le fait de boire peut étancher la soif en quelques secondes, bien avant que l’eau ingérée ne modifie le volume sanguin ou l’osmolalité. La réponse anticipative rapide à la consommation d’eau a au moins 2 composantes : un signal immédiat qui suit l’ingestion de liquide, et un signal retardé qui rend compte de la tonicité du liquide, peut-être généré par un osmosenseur œsophagien ou gastrique.

Les cellules réceptrices du goût de l’eau récemment décrites pourraient être ce signal immédiat qui suit l’ingestion de liquide . Oka et al. de l’Institut de technologie de Californie à Pasadena ont démontré que la langue a un goût pour l’eau : ils ont constaté que l’application d’eau déionisée sur la langue de souris provoquait l’activation de nerfs gustatifs spécifiques. Ce phénomène est dû à une modification du pH de la salive, diluée par l’eau. L’équipe a modifié des souris pour rendre leurs récepteurs du goût acide sensibles à la lumière. En réponse à une stimulation lumineuse, les souris ont continuellement essayé de boire dans une bouteille vide – mais seulement si elles avaient été privées d’eau auparavant. Cela suggère que l’activation de ces cellules de la langue est à l’origine du comportement de consommation lorsqu’un animal a soif. Les souris dépourvues de récepteurs gustatifs sensibles à l’acide ont perdu la capacité de distinguer l’eau des liquides non aqueux tels que l’huile.

Les capteurs œsophagiens et/ou gastriques pourraient également transmettre des informations spécifiques à un organe via le nerf vague sensoriel , d’une manière similaire au concept de contrôle de l’appétit suggéré par Andermann et Lowell . Cela implique un contrôle en amont de l’activité hypothalamique par le biais d’indices externes concernant l’heure des repas, la disponibilité de la nourriture et de l’eau ; cette activité régule l’alimentation et l’absorption d’eau afin de prévenir de futures perturbations homéostatiques. Ces signaux prédictifs rapides et bidirectionnels de rétroaction et d’anticipation sont omniprésents ; ils ont été décrits dans le contrôle de l’alimentation, des circuits d’eau et du système cardiovasculaire. Comme le commentent Andermann et Lowell en citant les travaux de Carpenter , « l’ensemble du cerveau peut être considéré comme un moyen d’aider l’hypothalamus à faire un meilleur travail, en faisant de meilleures prédictions de ce qui va se passer ensuite, et de ce qui est susceptible de découler d’un cours d’action plutôt qu’un autre. »

D’un point de vue darwinien, la prise rapide et volumétriquement exacte d’eau (c’est-à-dire, suite à la soif ou à une solution salée dans le cas d’une déplétion en sodium), présente un grand avantage pour la survie. Elle permet aux animaux de se rendre à une source d’eau ou de sel, de corriger rapidement le déficit et de quitter l’endroit, réduisant ainsi leur exposition aux prédateurs qui ont appris à attendre là .

Coordination de l’alimentation, de la boisson et de la libération de vasopressine

Manger augmente le besoin en eau pour 2 raisons : (1) il est nécessaire de remplacer le liquide utilisé pour la déglutition (salive) et la digestion (eau détournée de la circulation vers le tractus gastro-intestinal) ; et (2) pour contrecarrer l’augmentation de l’osmolalité du sang causée par l’absorption de sels et d’autres osmoles provenant des aliments. Comme nous l’avons décrit récemment dans une revue sur la soif, les signaux d’anticipation concernant l’ingestion de nourriture en cours sont communiqués aux LT par de multiples mécanismes. Par exemple, les signaux somatosensoriels de la cavité buccale signalent la déglutition des aliments ou ses effets sur la salive. En outre, plusieurs hormones associées à l’alimentation et à la satiété ont été proposées pour moduler les neurones de la soif et la libération de vasopressine, notamment l’amyline, la cholécystokinine, la ghréline, les histamines, l’insuline et la leptine. Certaines de ces hormones pourraient être élevées chez les patients atteints de diabète sucré et expliquer leur concentration plasmatique élevée de vasopressine.

Les réponses à la consommation de boisson et de nourriture sont bidirectionnelles, mais asymétriques. À l’aide d’enregistrements électrophysiologiques (c’est-à-dire de neurones de vasopressine (VPpp) projetant dans l’hypophyse du SON, génétiquement identifiés, chez des souris soumises à des restrictions d’eau), Mandelblat-Cerf et al. ont observé des diminutions rapides de l’activité des neurones dans les secondes suivant la présentation d’indices signalant la disponibilité de l’eau, avant l’ingestion d’eau. En revanche, l’ingestion d’aliments secs – un défi hyperosmotique – a provoqué une augmentation rapide de l’activité des neurones VPpp avant toute augmentation de l’osmolalité du plasma. Si la soif prandiale n’est pas étanchée par la boisson, la consommation ultérieure de nourriture est réduite ; connu sous le nom d’anorexie induite par la déshydratation, ce phénomène a pu être observé chez de jeunes patients atteints de diabète insipide néphrogénique congénital. Dans l’ensemble, ces nouvelles données expliquent la rapidité de l’apaisement de la soif, le fait que le refroidissement oral désaltère et la coordination généralisée de l’alimentation, de la boisson et de la libération de vasopressine. Les signaux d’anticipation de la soif ne fonctionnent pas en parallèle et ou à part des neurones homéostatiques de la soif, mais fonctionnent plutôt à travers les neurones homéostatiques.

Les signaux d’anticipation, d’alimentation de la soif et de la libération de vasopressine convergent vers les mêmes neurones homéostatiques détectant les signaux de rétroaction de l’osmolalité et de l’AII circulant comme le montre la figure 1. Les signaux d’anticipation expliquent la vitesse de la satiété de la soif et la coordination généralisée de l’alimentation, de la boisson et de la libération de vasopressine (figure modifiée de .

Une illustration des nouvelles données décrites dans cette revue sur les circuits neuronaux spécifiques du type cellulaire qui sous-tendent la soif et l’homéostasie des fluides dans le cerveau de la souris (modifiée de ; , et de Gizowski et Bourque ) est présentée dans la figure 2. Le LT est constitué de deux organes sensoriels circumventriculaires (le SFO et l’organum vasculosum du LT) et d’une structure intégrative (le MnPO). Les informations concernant l’osmolalité, le volume et la pression du plasma entrent dans le LT par l’intermédiaire de neurones interoceptifs spécialisés dans le SFO et l’OVLT, dont certains sont intrinsèquement osmosensibles et sensibles à l’AII (par exemple, les neurones SFOGLUT). Les noyaux des LT communiquent entre eux par un vaste réseau de projections bidirectionnelles qui n’a pas encore été entièrement cartographié avec une spécificité de type cellulaire. Autres voies : (1) à l’extérieur du LT, les neurones SFOGLUT se projettent vers le PVH, le SON et le noyau du lit ventral du LT (BNSTvl) ; (2) les projections du MnPO et de l’OVLT vers le PVH et le SON sont bien établies ; (3) les neurones à arginine-vasopressine (AVP) du noyau suprachiasmatique (neurones SCNAVP) se projettent vers l’OVLT et le SON pour médier la régulation circadienne de la soif et la sécrétion d’AVP, respectivement.

Les récepteurs du goût de l’eau sur les cellules fungiformes de la langue dirigent le comportement de consommation. L’information sur le sodium plasmatique entre dans le circuit par des neurones spécialisés sensibles à l’aldostérone dans le noyau du tractus solitaire (NTS) qui expriment la 11β-hydroxystéroïde déshydrogénase de type 2 (neurones NTSHSD2), qui favorisent l’appétit pour le sel et se projettent vers le prélocus coeruleus (pré-LC), le noyau parabrachial et le BNSTvl.

Déclaration de divulgation

D.G.B. a reçu des frais de déplacement et d’inscription de Danone Nutricia Research pour participer à la conférence scientifique 2017 Hydration for Health.

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