Nature:为什么睡前总是想喝水?原来是生物钟“作祟”
2016/09/30
近日,来自麦克吉尔大学的健康中心研究所的研究人员揭示了动物在睡前往往会摄水量激增的分子生物学机制——大脑生物钟刺激着我们在睡前几小时出现口渴的感觉。这项研究发表于9月28日的Nature杂志上。


尽管可能会面临着起夜或第二天浮肿的困扰,许多人仍然有在晚上睡觉前喝水的习惯。来自麦克吉尔大学的健康中心研究所的研究人员发现了这种行为背后的分子生物学机制——大脑生物钟刺激着我们在睡前几小时出现口渴的感觉。这项研究发表于9月28日的Nature杂志上。

哺乳动物的大脑中存在一个生物节律的起搏器,它位于下丘脑前部的视交叉上核(SCN),视上核受到光暗周期的影响从而发出信号调控机体的生理活动。虽然科学家对建立在SCN生物钟神经元基础之上的分子机制已经有较多的了解。但是生物钟如何驱动行为节律的具体过程仍然不清楚。

小鼠睡前饮水激增并非出于当时的生理需求

科学家们已经知道,小鼠在睡前两个小时内饮水量会激增。研究人员发现这一过程并非出于生理需要(比如血清高渗透压、核心体温增加、血容量降低等等),而是完全由中央生物钟驱动。当研究人员限制小鼠在这一阶段摄取水时将会导致它们在睡眠周期末出现明显的脱水现象。因此,小鼠在睡觉前饮水量激增更像是一种未雨绸缪,有备无患的行为,以避免之后出现脱水,并保持健康。

刺激大脑生物钟促进SCN释放血管加压素

接下来,科学家们研究了这种口渴反应的具体机制。该机制建立在大脑渴觉感受器内的渴觉神经元之上。研究人员想要知道,SCN脑区是否可以与这些渴觉神经元相互交流。研究人员推测血管加压素——一种由SCN产生的神经肽,或许在这一过程中发挥着重要作用。为了证实他们的猜想,研究人员设计了一种遇到血管加压素会产生荧光的“嗅探细胞”。他们将这些细胞应用到小鼠大脑组织中,再用电刺激SCN脑区,结果发现嗅探细胞的荧光信号显著增加,这意味着刺激生物钟导致了该区域的血管加压素释放。

血管加压素作用于渴觉神经元引发口渴感觉

为了探究血管加压素是否可以刺激渴觉神经元,研究人员用光遗传学技术,开启或关闭血管加压素神经元。利用基因工程技术让小鼠的血管加压素神经元包含一个可被光激活的分子,研究人员就可以观察血管加压素是否确实启动了渴觉神经元。研究人员发现,SCN内的血管加压素神经元会投射到终板血管器(organum vasculosum of lamina terminalis,OVLT)区域,后者与渴觉产生有关。利用光遗传学诱导血管加压素的释放可以兴奋OVLT神经元并促进饮水行为。而抑制血管加压素的释放就阻止饮水行为发生。

科学家表示,虽然这项研究是在啮齿类动物中完成的,但是研究结果也可以解释为什么我们在睡前常常会感到口渴,并且需要摄取水或者牛奶等液体来解渴。更重要的是,这项研究有助于科学家更深入地理解生物钟如何行使节律调控的功能,并将其应用于时差或者轮班工作的情形中。

我们所有的器官都遵循一个生物节律,生物节律优化着这些器官行使功能的过程。轮班工作破坏了人们的自然生物节律,这必然会对健康造成影响。因此,了解生物钟如何工作有利于我们人为地调节这个系统。

参考资料:

Clock-driven vasopressin neurotransmissionmediates anticipatory thirst prior to sleep

Brain's biological clock stimulates thirst before sleep

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  • Clock-driven vasopressin neurotransmission mediates anticipatory thirst prior to sleep

    Circadian rhythms have evolved to anticipate and adapt animals to the constraints of the earth’s 24-hour light cycle1. Although the molecular processes that establish periodicity in clock neurons of the suprachiasmatic nucleus (SCN) are well understood, the mechanisms by which axonal projections from the central clock drive behavioural rhythms are unknown2, 3, 4. Here we show that the sleep period in mice (Zeitgeber time, ZT0–12) is preceded by an increase in water intake promoted entirely by the central clock, and not motivated by physiological need. Mice denied this surge experienced significant dehydration near the end of the sleep period, indicating that this water intake contributes to the maintenance of overnight hydromineral balance. Furthermore, this effect relies specifically on the activity of SCN vasopressin (VP) neurons that project to thirst neurons in the OVLT (organum vasculosum lamina terminalis), where VP is released as a neurotransmitter. SCN VP neurons become electrically active during the anticipatory period (ZT21.5–23.5), and depolarize and excite OVLT neurons through the activation of postsynaptic VP V1a receptors and downstream non-selective cation channels. Optogenetic induction of VP release before the anticipatory period (basal period; ZT19.5–21.5) excited OVLT neurons and prompted a surge in water intake. Conversely, optogenetic inhibition of VP release during the anticipatory period inhibited the firing of OVLT neurons and prevented the corresponding increase in water intake. Our findings reveal the existence of anticipatory thirst, and demonstrate this behaviour to be driven by excitatory peptidergic neurotransmission mediated by VP release from central clock neurons.

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