Vasopressin and the Regulation of Thirst

Abstract

Ostatnie eksperymenty z wykorzystaniem narzędzi optogenetycznych pozwalają na identyfikację i analizę funkcjonalną neuronów pragnienia i neuronów produkujących wazopresynę. Dwa główne postępy dostarczają szczegółowej anatomii smaku wody i uwalniania argininy-wazopresyny (AVP): (1) pragnienie i uwalnianie AVP są regulowane nie tylko przez klasyczne homeostatyczne, międzyzmysłowe ujemne sprzężenie zwrotne osmolalności osocza, ale także przez nowe, zewnątrzzmysłowe, antycypacyjne sygnały. Te antycypacyjne sygnały pragnienia i uwalniania wazopresyny zbiegają się w tych samych homeostatycznych neuronach narządów okalających, które monitorują skład krwi; (2) komórki receptorów smaku wyczuwające kwas (które wyrażają białko 2-podobne do białka w policystycznej chorobie nerek 1) na języku, które wcześniej sugerowano jako czujniki smaku kwaśnego, pośredniczą również w odpowiedzi smakowej na wodę. Język ma smak wody. Przyśrodkowe jądro przedwzrokowe (MnPO) podwzgórza może integrować wiele bodźców wywołujących pragnienie, w tym sygnały sercowo-płucne, osmolalność, angiotensynę II, sygnały ustno-gardłowe i żołądkowe, przy czym te ostatnie mogą reprezentować sygnały antycypacyjne. Odwodnienie jest awersyjne, a aktywność neuronów MnPO jest proporcjonalna do intensywności tego awersyjnego stanu.

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

W poprzednim Annals of Nutrition and Metabolism , dokonałem przeglądu ostatnich komórkowych i optogenetycznych eksperymentów zwierzęcych wykazujących, że czujniki narządu okalającego mózgu reagujące na ciśnienie osmotyczne i angiotensynę II (AII) podporządkowują się genezie pragnienia, regulacji objętości i behawioralnym efektom unikania pragnienia.

Opisuję teraz szczegółową mapę okablowania dla pragnienia (tj, w tym antycypacyjne sygnały pragnienia i uwalniania wazopresyny zbiegające się do tych samych neuronów homeostatycznych), narządy okalające, które monitorują skład krwi, oraz identyfikację specyficznych komórek smakowych receptorów wody. Przyśrodkowe jądro przedwzrokowe (MnPO) podwzgórza może integrować wiele bodźców wywołujących pragnienie. Te nowe dane z eksperymentów optogenetycznych przeprowadzonych na gryzoniach wyjaśniają wyniki uzyskane u ludzi przy użyciu sygnałów zależnych od poziomu tlenu we krwi (BOLD), wykazując, że wzrost sygnału BOLD w lamina terminalis (LT) obserwowany podczas wlewu hipertonicznego roztworu soli gwałtownie zmniejsza się po spożyciu wody, na długo przed jakąkolwiek absorpcją wody we krwi.

Wewnątrzzmysłowa i zewnątrzzmysłowa regulacja pragnienia i uwalniania wazopresyny (ryc. 1)

Bodźce wewnątrzzmysłowe: percepcja osmolalności (zwiększona przy odwodnieniu wewnątrzkomórkowym) oraz, poprzez AII, objętość osocza i ciśnienie perfuzji (oba zmniejszone przy odwodnieniu zewnątrzkomórkowym). Znaczenie sygnałów sodu x (Nax) dla odróżnienia warunków pozbawionych wody od warunków pozbawionych soli.

(a) Komórki osmoreceptorowe narządu podoczodołowego (SFO) posiadają receptory AII i rzutują do komórek produkujących wazopresynę w jądrze nadoptycznym (SON) i jądrze przyśrodkowym (PVH).

Homeostatyczne neurony SFO są komórkami osmoreceptorowymi i poprzez swoje receptory AII odbierają objętość osocza i ciśnienie perfuzji naczyniowej. Jest to klasyczna regulacja intero-sensoryczna odpowiedzialna za świadome odczuwanie pragnienia, ponieważ neurony te rzutują do przedniej kory zakrętu obręczy. Te neurony SFO są również odpowiedzialne za uwalnianie wazopresyny, ponieważ rzutują do neuronów produkujących wazopresynę w SON i PVH. Hiperosmolarność płynu pozakomórkowego stymuluje uczucie pragnienia, aby promować pobieranie wody i uwalnianie wazopresyny, która zwiększy reabsorpcję wody w nerkach. Z kolei hipoosmolalność płynu pozakomórkowego hamuje podstawowe wydzielanie wazopresyny. Pragnienie i uwalnianie wazopresyny wydają się, jak dotąd, czysto homeostatyczną odpowiedzią na odchylenia w bodźcach intero-sensorycznych: osmolalności krwi, ciśnieniu lub objętości.

(b) W narządzie podoczodołowym istnieją dwa typy neuronów pobudzających receptora AII typu 1a-dodatniego. Nax ulega ekspresji w komórkach glejowych otaczających komórki SFO i służy do odróżniania warunków pozbawionych wody od warunków pozbawionych soli, w obu przypadkach stymulowanych przez AII.

AII napędza zarówno pragnienie, jak i apetyt na sól. Matsuda i wsp. wykazali, że pragnienie i apetyt na sól są napędzane przez 2 odrębne grupy neuronów AII (receptor typu 1a-dodatni pobudzający) w narządzie podoczodołowym. Neurony projekujące do organum vasculosum LT kontrolują pobieranie wody, podczas gdy te projekujące do brzusznej części jądra łożyskowego prążkowia końcowego kontrolują pobieranie soli. Neurony napędzające pragnienie są tłumione w warunkach niedoboru sodu. Z kolei neurony pobudzające apetyt na sól są tłumione w warunkach odwodnienia poprzez aktywację neuronów GABAergicznych sygnałami Nax. Te odrębne mechanizmy w narządzie podoczodołowym mogą leżeć u podstaw selektywnego przyjmowania wody i/lub soli i mogą przyczyniać się do homeostazy płynów ustrojowych (ryc. 2).

Technikom stosowanym w latach 60. i 70. do opisania tych bodźców intero-sensorycznych brakowało możliwości śledzenia neuronów pragnienia LT i neuronów wazopresyny rzutujących do tylnej przysadki w czasie rzeczywistym u przytomnych zwierząt, a więc nie mogły one ocenić informacji egztero-sensorycznej regulującej te procesy.

Extero-Sensory Stimulation Anticipates Thirst Stimulation and Vasopressin Release: Importance of Taste Water Receptors

Ostatnie eksperymenty z użyciem narzędzi optogenetycznych u obudzonych zwierząt pokazują, że znaczna część normalnych zachowań związanych z piciem i uwalnianiem wazopresyny nie jest regulowana bezpośrednio przez zmiany we krwi. Zamiast tego, zachowanie to wydaje się przewidywać zmiany homeostatyczne przed ich wystąpieniem. Sygnały antycypacyjne dla pragnienia i uwalniania wazopresyny zbiegają się do tych samych neuronów homeostatycznych, neuronów narządu podoczodołowego, które monitorują toniczność krwi. Aktywność neuronów pobudzających narządu podoczodołowego (SFONos1; ryc. 1), aktywowanych przez ograniczenie dostępu do wody, szybko powraca do poziomu podstawowego po uzyskaniu dostępu do wody, na długo przed wystąpieniem jakiejkolwiek mierzalnej zmiany w osmolalności osocza. Ta szybka antycypacyjna odpowiedź na picie została zasugerowana przez zależne od poziomu tlenu we krwi (tj. sygnał BOLD funkcjonalnego rezonansu magnetycznego) pomiary podczas stymulacji pragnienia u ludzi. Sygnał BOLD z obszaru przedniej kory zakrętu obręczy, znanego jako odpowiedzialny za świadomą percepcję pragnienia, zmniejszył się gwałtownie po spożyciu wody, na długo przed jakimkolwiek ogólnoustrojowym wchłonięciem wody. Istnieje około 10-minutowe opóźnienie pomiędzy spożyciem wody a jej pełną absorpcją do krwiobiegu. Te nowe dane wyjaśniają, w jaki sposób picie może ugasić pragnienie w ciągu kilku sekund, na długo zanim spożyta woda zmieni objętość krwi lub osmolalność. Szybka odpowiedź antycypacyjna na picie ma co najmniej 2 składniki: natychmiastowy sygnał, który śledzi spożycie płynu i opóźniony sygnał, który informuje o tonalności płynu, prawdopodobnie generowany przez przełykowy lub żołądkowy osmosensor.

Ostatnio opisane komórki receptora smaku wody mogą być tym natychmiastowym sygnałem śledzącym spożycie płynu. Oka i wsp. z California Institute of Technology w Pasadenie wykazali, że język ma smak wody: odkryli, że nałożenie dejonizowanej wody na języki myszy spowodowało zapalenie się specyficznych nerwów smakowych. Było to spowodowane zmianą pH śliny, która została rozcieńczona przez wodę. Zespół zaprojektował myszy tak, aby ich receptory kwaśnego smaku (wyczuwające kwas) były wrażliwe na światło. W odpowiedzi na stymulację światłem myszy nieustannie próbowały pić z pustej butelki – ale tylko wtedy, gdy wcześniej pozbawiono je wody. Sugeruje to, że aktywacja tych komórek języka napędza zachowania związane z piciem, gdy zwierzę jest spragnione. Myszy pozbawione receptorów smaku wyczuwających kwas straciły zdolność odróżniania wody od cieczy niewodnych, takich jak olej.

Czujniki przełyku i/lub żołądka mogą również przekazywać informacje specyficzne dla danego narządu za pośrednictwem czuciowego nerwu błędnego, w sposób podobny do koncepcji kontroli apetytu zaproponowanej przez Andermanna i Lowella . Obejmuje to kontrolę aktywności podwzgórza poprzez zewnętrzne wskazówki dotyczące pory posiłków, dostępności żywności i wody; aktywność ta reguluje karmienie i wchłanianie wody, aby zapobiec przyszłym perturbacjom homeostatycznym. Te szybkie, dwukierunkowe sygnały zwrotne i wyprzedzające są wszechobecne; zostały one opisane w kontroli karmienia, obiegu wody i w układzie sercowo-naczyniowym. Jak skomentował Andermann i Lowell powołując się na pracę Carpenter , „cały mózg może być postrzegane jako sposób pomocy podwzgórza zrobić lepszą pracę, przez lepsze przewidywania tego, co będzie się działo dalej, i co jest prawdopodobne, aby wynikać z jednego kursu działania, a nie innego.”

Z darwinowskiego punktu widzenia, szybkie, volumetrically dokładne spożycie wody (tj, w następstwie pragnienia lub roztworu soli w przypadku wyczerpania sodu), niesie wysoką korzyść z przeżycia. To pozwala zwierzętom iść do wody lub źródła soli, szybko skorygować deficyt i opuścić miejsce, zmniejszając ich ekspozycję na drapieżniki, które nauczyły się czekać tam .

Coordination of Eating, Drinking, and Vasopressin Release

Jedzenie zwiększa zapotrzebowanie na wodę z 2 powodów: (1) istnieje potrzeba zastąpienia płynu wykorzystywanego do połykania (ślina) i trawienia (woda kierowana z krążenia do przewodu pokarmowego); oraz (2) przeciwdziałania wzrostowi osmolalności krwi spowodowanemu wchłanianiem soli i innych osmoli z pożywienia. Jak opisano ostatnio w przeglądzie poświęconym pragnieniu, antycypacyjne sygnały o trwającym przyjmowaniu pokarmu są przekazywane do LT za pomocą wielu mechanizmów. Na przykład, sygnały somatosensoryczne z jamy ustnej informują o połykaniu pokarmu lub jego wpływie na ślinę. Ponadto zaproponowano, aby kilka hormonów związanych z jedzeniem i sytością modulowało neurony pragnienia i uwalnianie wazopresyny, w tym amylina, cholecystokinina, grelina, histaminy, insulina i leptyna. Niektóre z tych hormonów mogą być podwyższone u pacjentów z cukrzycą i mogą tłumaczyć ich wysokie stężenie wazopresyny w osoczu .

Reakcje na picie i karmienie są dwukierunkowe, ale asymetryczne. Wykorzystując zapisy elektrofizjologiczne (tj. genetycznie zidentyfikowanych neuronów SON przysadki mózgowej wydzielających wazopresynę (VPpp) u myszy z ograniczeniami wodnymi), Mandelblat-Cerf i wsp. zaobserwowali szybkie spadki aktywności neuronów w ciągu kilku sekund od prezentacji wskazówek sygnalizujących dostępność wody, przed jej spożyciem. W przeciwieństwie do tego, spożycie suchego pokarmu – wyzwanie hiperosmotyczne – wywoływało szybki wzrost aktywności neuronów VPpp przed jakimkolwiek wzrostem osmolalności osocza. Jeśli pragnienie prandialne nie zostanie zaspokojone przez picie, wówczas dalsze spożywanie pokarmu zostaje ograniczone; zjawisko to, znane jako anoreksja indukowana odwodnieniem, można zaobserwować u młodych pacjentów z wrodzoną nefrogenną cukrzycą. W sumie, te nowe dane wyjaśniają szybkość nasycania się pragnienia, fakt, że doustne chłodzenie gasi pragnienie, oraz powszechną koordynację jedzenia, picia i uwalniania wazopresyny. Sygnały wyprzedzające dla pragnienia nie działają równolegle i lub oddzielnie od homeostatycznych neuronów pragnienia, ale zamiast tego działają przez neurony homeostatyczne.

Przewidywalne, sygnały wyprzedzające dla pragnienia i uwalniania wazopresyny zbiegają się na tych samych neuronach homeostatycznych wykrywających sygnały zwrotne osmolalności i krążącego AII, jak pokazano na rysunku 1. Sygnały antycypacyjne wyjaśniają szybkość nasycania się pragnienia i powszechną koordynację jedzenia, picia i uwalniania wazopresyny (zmodyfikowana rycina z .

Ilustracja nowych danych opisanych w tym przeglądzie na temat specyficznych dla danego typu komórek obwodów neuronalnych, które leżą u podstaw pragnienia i homeostazy płynów w mózgu myszy (zmodyfikowana z ; , i z Gizowski i Bourque ) jest pokazana na rycinie 2. LT składa się z 2 czuciowych narządów okalających (SFO i organum vasculosum LT ) oraz struktury integracyjnej (MnPO). Informacje o osmolalności, objętości i ciśnieniu osocza docierają do LT przez wyspecjalizowane neurony interoceptywne w SFO i OVLT, z których niektóre są wewnętrznie wrażliwe na osmozę i AII (np. neurony SFOGLUT). Jądra LT komunikują się ze sobą poprzez rozległą sieć dwukierunkowych projekcji, która nie została jeszcze w pełni zmapowana z uwzględnieniem specyfiki typów komórek. Inne szlaki: (1) poza LT neurony SFOGLUT rzutują do PVH, SON i jądra brzusznego podścieliska LT (BNSTvl); (2) projekcje z MnPO i OVLT do PVH i SON są dobrze poznane; (3) neurony argininowo-wazopresyny (AVP) w jądrze nadskrzyżowaniowym (neurony SCNAVP) rzutują do OVLT i SON, aby pośredniczyć w okołodobowej regulacji odpowiednio pragnienia i wydzielania AVP.

Receptory smaku wody na komórkach grzybowatych języka napędzają zachowania związane z piciem. Informacja o sodzie w osoczu krwi wchodzi do obwodu przez wyspecjalizowane neurony wrażliwe na aldosteron w jądrze drogi samotnej (NTS), które wykazują ekspresję dehydrogenazy 11β-hydroksysteroidowej typu 2 (neurony NTSHSD2), które promują apetyt na sól i rzutują do przedniego ogniska koercji (pre-LC), jądra parabrachialnego i BNSTvl.

Oświadczenie o ujawnieniu informacji

D.G.B. otrzymał koszty podróży i opłatę rejestracyjną od Danone Nutricia Research, aby wziąć udział w konferencji naukowej 2017 Hydration for Health.

Kontakty z autorami

Article / Publication Details