Nat Neurosci｜美国潘宁顿生物医学研究中心何彦林合作揭示白脂素通过小脑浦肯野神经元参与调节动物口渴与饮水等行为的机制

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末

撰文︱七  七

责编︱王思珍

体内平衡的恢复是生命形式最显著的特性之一，一个很好的例证是通过调节口渴来维持体液平衡，这是维持生命所必需的一种功能。典型的口渴调节回路位于下丘脑和大脑皮层[1-3]。具体来说，终末板的心室周围器官(CVO)是负责感知和调节内部水平衡的主要脑结构。除了下丘脑和皮层回路，岛叶皮层和杏仁核也参与口渴的调节[4-5]。这种复杂的回路涉及大脑的多个区域，协调地调节液体和电解质的平衡。小脑是一个系统发育上古老的大脑区域，长期以来一直被严格认为是一个运动控制结构。最近的研究表明，小脑与认知、感觉、情绪和自主神经功能有关，但其在调节体液稳态中的作用却鲜为人知。

近期，美国潘宁顿生物医学研究中心何彦林课题组与凯斯西储大学Atul Chopra课题组合作在Nature Neuroscience上发表了题为“The cerebellum modulates thirst”的文章。作者表明，小鼠小脑浦肯野神经元被白脂素（asprosin）激活，导致口渴。浦肯野神经元的光遗传或化学遗传激活诱导饮水行为。浦肯野神经元特异性asprosin受体（Ptprd）缺失导致水摄入量减少并消除asprosin的致渴效应。浦肯野神经元介导的运动学习和协调不受这些操作的影响，这表明浦肯野神经元独立控制两个不同的功能。作者的研究结果表明，小脑是一个口渴调节的大脑区域，asprosin-Ptprd信号可能是治疗口渴障碍的潜在治疗靶点。（拓展阅读：何彦林课题组相关研究进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Nat Neurosci︱何彦林/徐勇团队合作报道神经性厌食症发生的新机制；Sci Adv︱徐勇/徐平稳/何彦林合作发现雌激素受体神经元调节体温和运动的神经环路机制） 

作者发现缺乏asprosin或其受体Ptprd基因的小鼠，表现出体重偏低、食欲减低和抗肥胖的特点，同时也出现了明显的饮水减少。这些小鼠尿量减少、尿渗透压升高，但血浆渗透压未变，表明其试图通过保水来维持体内渗透压稳定。在正常体重的野生型小鼠中使用抗asprosin单克隆抗体，发现同样可以降低饮水量和尿量，证实了asprosin对水代谢的直接调控作用。进一步的实验表明，外源性补充asprosin可诱导小鼠饮水增加，而Ptprd基因缺失小鼠对asprosin诱导的饮水增加无反应，说明Ptprd是asprosin调节饮水行为的关键受体。在小鼠禁水过夜后，其血浆asprosin水平较对照组显著升高，提示缺水刺激可诱导asprosin分泌增加，从而促进补水行为。总之，这些发现表明，asprosin通过Ptprd受体直接参与体液平衡的调控，是一个新发现的促饮水因子。

图1 asprosin以Ptprd依赖的方式调节水分摄入

作者发现，Ptprd受体广泛表达于大脑多个区域，特别是小脑中浦肯野神经元和颗粒神经元中表达丰富。进一步实验证明，异位表达的asprosin可以直接结合小脑Ptprd受体并激活浦肯野神经元，使其放电频率和静息膜电位显著升高，这种效应在不同小脑叶区和两性小鼠中均有体现，具有泛小脑特性。通过化学遗传学和光遗传学实验手段，选择性激活浦肯野神经元可以诱发小鼠饮水量增加，而抑制其活性则导致饮水减少，但对食欲和体重无影响。总之，这些结果表明，asprosin通过直接作用于小脑浦肯野神经元，参与调控机体水代谢平衡。

图2 asprosin激活小脑浦肯野神经元并增加小鼠饮水量

作者发现，通过Pcp2-cre系统特异性敲除浦肯野神经元中的Ptprd基因，可以成功地将Ptprd从浦肯野神经元中清除。Ptprd基因缺失并未影响浦肯野神经元的形态，包括细胞数量、细胞体直径、神经纤维长度、突触密度和树突密度等指标。进一步实验显示，Ptprd缺失小鼠表现出明显的饮水减少症状，每日水摄入量显著低于对照组。同时，这种小鼠尿量降低、尿渗透压升高，但血浆渗透压未发生改变，提示其试图通过保水来维持体内渗透压平衡。需要注意的是，这些小鼠在禁水后被给予用水时，其舔水频率并无差异，表明其并非由于缺陷性的节奏性口腔运动所致。有趣的是，Ptprd敲除小鼠不仅表现出对水的摄入减少，对等渗性和高渗性盐水的摄入也明显降低。总的来说，这些结果表明，浦肯野神经元上的Ptprd受体在调控机体整体体液平衡中发挥关键作用。

图3浦肯野神经元特异性Ptprd缺失导致饮水量减少

禁水导致血浆asprosin升高可以增强浦肯野神经元的活性，而浦肯野神经元特异性敲除Ptprd基因则完全抑制了这种asprosin诱导的浦肯野神经元活化效应。体外电生理实验也证实，浦肯野神经元特异性缺失Ptprd，完全阻断了外源性asprosin对浦肯野神经元的激活作用。通过体内GCaMP成像，进一步证实asprosin可以直接作用于浦肯野神经元并诱发其活性增加，这种效应在浦肯野神经元特异性缺失Ptprd的小鼠中完全消失。同时，asprosin也能诱发这些小鼠的饮水增加。与传统的渗透压和体积受体CVO区域不同， 浦肯野神经元对高渗盐水或渗透压刺激均不敏感，提示其在体液平衡调控中发挥独特的机制，即主要依赖于对外周信号因子asprosin的响应。总之，这些结果进一步证实了asprosin通过直接作用于浦肯野神经元上的Ptprd受体参与体液平衡调控的重要性，为阐明中枢神经系统调控水代谢的分子机制提供了新的视角。

图4 浦肯野特异性的Ptprd缺失使小鼠对asprosin的致渴作用无反应

图5 浦肯野神经元调节口渴

文章结论与讨论，启发与展望

在这里，作者揭示了小脑浦肯野神经元被外周产生的asprosin激活，浦肯野神经元的活动对口渴的产生是必要和充分的。浦肯野神经元中asprosin信号的抑制虽然会导致饮水减少，但不会影响浦肯野神经元介导的运动协调和学习。总的来说，作者的研究结果定义了小脑中一个保守的口渴调节中心，该中心响应外周产生的激素信号，以调节生物需要的口渴行为，这有可能成为治疗口渴障碍的重要治疗靶点。受血脑屏障保护的浦肯野神经元活动是由中枢神经系统外产生的激素信号触发的，这些信号会穿过血脑屏障，而不是来源于血浆信号。负责口渴产生的平行内分泌-小脑系统与通过血浆信号诱导口渴的传统系统之间的交集是一个值得进一步研究的课题。

原文链接：DOI: 10.1038/s41593-024-01700-9

转载须知：“逻辑神经科学”团队原创性内容，著作权归“逻辑神经科学”所有，欢迎个人转发分享，未经授权禁止转载，违者必究。

     

     【神经科学前沿技术培训系列】

【光遗传学与遗传编码钙探针和神经递质探针工作原理及应用】和【在体成像技术在神经科学研究的基础与应用】（第七期）。时间 2024年7月27-29日（周六至周一）；地点 南京。

【脑片膜片钳记录系统的操作和应用】（第五期）。时间 2024年8月16-18日（周五至周日）；地点 南通。

【小动物脑电原理和技术应用及癫痫与睡眠研究案例】（第一期），时间 2024年8月10-12日（周六至周一）；地点 南京。

【新课发布︱全国前沿组织透明化与三维成像理论和技能培训班】（第一期），时间 2024年8月19-21日（周一至周三）；地点 武汉。

【疾病研究与动物行为学系列】

阿尔兹海默症最新研究进展和热点与动物行为学实验设计思路和数据分析（第一期）。时间 2024年8月11日（星期天），地点 线上。

“理论知识，操作技能，科研思维”报名方式：15108204441（电话），Wang_Sizhen（微信）（点击标题阅读全文）

“逻辑神经科学”微信群：文献学习

扫码添加微信，并备注：逻辑-文献-姓名-单位-研究领域-学位/职称（注：不按要求格式备注，则不通过好友申请）     

参考文献

1 Zimmerman, C. A., Leib, D. E. & Knight, Z. A. Neural circuits underlying thirst and fluid homeostasis. Nat. Rev. Neurosci. 18,459–469 (2017).

2 Leib, D. E., Zimmerman, C. A. & Knight, Z. A. Thirst. Curr. Biol. 26,R1260–R1265 (2016).

3 Augustine, V. et al. Temporally and spatially distinct thirst satiation signals. Neuron 103, 242–249.e4 (2019).

4 Becker, C. A. et al. From thirst to satiety: the anterior mid-cingulate cortex and right posterior insula indicate dynamic changes in incentive value. Front Hum. Neurosci. 11, 234 (2017).

5 Saker, P. et al. Regional brain responses associated with drinking water during thirst and after its satiation. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 5379–5384 (2014).

编辑︱王思珍
本文完