Fluid Osmolality and Na+ Concentration
Od dawna wiadomo, że pragnienie jest stymulowane przez wzrost zewnątrzkomórkowego stężenia osmolitów nieprzepuszczalnych, takich jak Na+, które powodują osmotyczny ruch wody z komórek ciała. Dlatego hiperosmotyczne roztwory glukozy i mocznika nie zwiększają poboru wody, ale hipertoniczne roztwory NaCl lub sorbitolu już tak. Ten wzrost efektywnej osmolalności osocza (pOsm) stymuluje mózgowe osmoreceptory zlokalizowane w narządzie naczyniowym blaszki właściwej (OVLT), strukturze w podstawnej części przodomózgowia, która nie posiada bariery krew-mózg i dlatego może łatwo reagować na zmiany pOsm. W rzeczywistości, wzrost pOsm o zaledwie 1-2% stymuluje pragnienie u zwierząt, a dalszy wzrost wywołuje proporcjonalny wzrost spożycia wody. Pragnienie jest stymulowane, gdy projekcje z OVLT aktywują neurony w przyśrodkowej okolicy przedoptycznej w lamina terminalis ventralnie do przecinki przedniej, chociaż dalsze obwody neuronalne, które pośredniczą w pragnieniu i zachowaniach związanych z piciem, nie zostały określone. Inne projekcje z OVLT do jąder paraventricular i supraoptic podwzgórza stymulują wydzielanie VP. Chirurgiczne zniszczenie OVLT eliminuje zarówno picie wody, jak i neurohipofizjologiczne wydzielanie VP w odpowiedzi na zwiększony pOsm.
Dzięki temu układowi osmoregulacja była początkowo wyobrażana jako jednopętlowy system ujemnego sprzężenia zwrotnego, w którym odwodnienie zwiększa pOsm i tym samym dostarcza bodźca do pragnienia, podczas gdy spożycie wody służy do zmniejszenia pOsm z powrotem do normy i tym samym powoduje sytość poprzez usunięcie sygnału pobudzającego pragnienie. Jednak system kontroli pragnienia osmoregulacyjnego nie może być tak prosty w organizacji, ponieważ pomiędzy momentem spożycia wody a pojawieniem się jej w krążeniu (skąd może wpływać na pOsm i osmoreceptory mózgowe) występuje znaczne opóźnienie. Zarówno u psów, jak i u ludzi, potrzeba 10-20 min, aby spożyta woda spowodowała znaczne obniżenie pOsm, podczas gdy pragnienie i pobór wody kończą się znacznie szybciej (podobnie jak wydzielanie VP). Tak więc musi wystąpić wczesny bodziec, który sygnalizuje mózgowi oczekiwanie na późniejsze nawodnienie. Taki efekt przypomina feed-forward odruchy znalezione w kontroli licznych funkcji autonomicznych (np. wydzielanie insuliny w odpowiedzi na smak żywności przed jego trawienia i asymilacji).
Ten antycypacyjny element w kontroli spożycia wody został wyjaśniony przez serię eleganckich badań zgłoszonych przez Ramsay i współpracowników. Ich badania wykorzystały psy jako obiekty doświadczalne, chociaż późniejsza praca rozszerzyła ich ustalenia na ludzi i naczelne. Krótko mówiąc, zaobserwowano, że odwodnione psy piły wodę szybko, ale przestawały po kilku minutach, zanim rozcieńczenie osocza krwi stało się oczywiste. To wczesne zahamowanie pragnienia (i wydzielania VP) wystąpiło nawet wtedy, gdy psy zostały zaopatrzone w przetokę żołądkową, która odprowadzała połkniętą wodę z żołądka i w ten sposób uniemożliwiała ponowne nawodnienie. Te same szybkie efekty wystąpiły, gdy psy piły hipertoniczny roztwór NaCl (chociaż ostatecznie, gdy sól fizjologiczna została wchłonięta i pOsm został podniesiony, psy stały się jeszcze bardziej spragnione i wydzielały więcej VP niż wcześniej, jak można się było spodziewać). Obserwacje te podkreślają znaczenie wczesnego sygnału hamującego w kontroli przyjmowania wody i sugerują jego podłoże: neuronalne wejście do mózgu z gardła, związane z szybkim połykaniem podczas aktu picia, które pozwalało psom mierzyć ilość przyjmowanej wody. Sygnał ten miał szybki, ale tymczasowy efekt hamujący na pragnienie i wydzielanie VP. Kiedy spożyta woda była następnie wchłaniana, a pOsm rozcieńczany do normalnego poziomu, w wyniku nawodnienia następowało trwalsze zahamowanie pragnienia i wydzielania VP. Ten hipotetyczny układ jest zgodny z odkryciem, że szybkie zahamowanie pragnienia i wydzielania VP nie było obserwowane u odwodnionych psów, gdy objętość wody porównywalna do spożytej została zaintubowana do ich żołądków, omijając ich gardło.
Szczury również wykorzystują wczesne sygnały zwrotne z picia, chociaż poprzez inny mechanizm. Kiedy szczurom podawano dożylnie hipertoniczny roztwór NaCl w celu stymulacji wydzielania VP, 5 min przyjmowania wody powodowało szybki spadek poziomu VP w osoczu bez zauważalnych zmian w pOsm. Efekty te nie były związane z czynnością picia, ponieważ spożycie tej samej objętości izotonicznego roztworu soli nie miało wpływu na poziom VP w osoczu. Tak więc, zwierzęta wydawały się reagować na skład spożywanego płynu, a nie na jego objętość. Ponadto, wcześniejsze ustalenia wskazywały, że spragnione szczury piły zwiększone ilości wody, gdy podwiązano zwieracz odźwiernika (zapobiegając w ten sposób opróżnianiu żołądka), oraz że obciążenie żołądka wodą u szczurów powodowało szybki spadek poziomu VP w osoczu, zanim nastąpiło znaczne obniżenie pOsm. Obserwacje te wspólnie sugerują istnienie trzewnego osmo- lub Na+ receptora, który wykrywa spożytą wodę po tym, jak płyn opuszcza żołądek i zanim dostanie się do krążenia ogólnego.
Włókna nerwu błędnego rzutują z trzewi brzusznych do obszaru postrema i przyległego jądra drogi samotnej (AP/NTS) w pniu mózgu. Zgodnie z możliwością, że włókna te służą do pośredniczenia we wczesnych efektach spożytej wody, znaczne nadmierne picie wystąpiło u spragnionych szczurów, gdy te czuciowe włókna nerwowe zostały zniszczone przez systemowe wstrzyknięcie neurotoksyny kapsaicyny. Nadmierne picie wody obserwowano również w przypadku eliminacji miejsc projekcji poprzez uszkodzenie AP/NTS. W obu przypadkach zwierzęta zachowywały się tak, jakby nie otrzymywały już wczesnej informacji o tym, że woda została spożyta, czyli piły dalej. Dopiero później, gdy spożyta woda została wchłonięta i rozcieńczona w krążącym osoczu, nastąpił wpływ na osmoreceptory OVLT i zmniejszenie pragnienia. O działaniu trzewnych osmoreceptorów lub receptorów Na+ świadczą również wyniki badań, w których stwierdzono, że pragnienie może być stymulowane przez żołądkowe ładunki hipertonicznego roztworu NaCl, zanim zostanie wykryty ogólnoustrojowy wzrost pOsm. Podobnie, pragnienie wynikające z nocnej deprywacji wody jest znacznie zwiększone przez żołądkowe obciążenie hipertonicznym roztworem soli.
Szczury z uszkodzeniami AP/NTS mają inne cechy zaburzonej osmoregulacji. Oprócz picia nadmiernych ilości wody, gdy są spragnione, mają również stępione wydzielanie VP w odpowiedzi na hipertoniczną sól fizjologiczną podawaną dożylnie i upośledzone wydalanie z moczem podawanego ładunku NaCl. Co więcej, piją one hipertoniczny roztwór NaCl w niezwykle dużych porcjach, tak jakby nie odbierały wczesnych sygnałów o odwadniającym roztworze z trzewnych receptorów Na+. Wyniki te sugerują ważną rolę AP/NTS w osmoregulacji u szczurów. Ponieważ AP nie posiada bariery krew-mózg, możliwe jest, że bezpośrednio wykrywa jakąś istotną cechę składu płynów ustrojowych, oprócz odbioru sygnałów z trzewi. Obserwacje, że szczury z uszkodzeniem AP/NTS wydzielają VP normalnie w odpowiedzi na hipertoniczny roztwór mannitolu, ale nie w odpowiedzi na równomolowy roztwór soli, dostarczają dalszych informacji, że ten obszar pnia mózgu odgrywa rolę raczej w regulacji Na+ niż w osmoregulacji.
Podsumowując, dobrze ustalono, że mózgowe osmoreceptory pośredniczą w pragnieniu i wydzielaniu VP w odpowiedzi na wzrost pOsm. Jednak inne czynniki są również ważne, ponieważ picie i wydzielanie neurohipofizjologiczne mogą być pod wpływem nawet wtedy, gdy nie widać zmian w krążącym pOsm. Na przykład, „sygnał wyprzedzający” z trzewnych receptorów osmo- lub Na+ ma istotny udział w tych regulacyjnych reakcjach u szczurów. Receptory te rzutują się do AP/NTS, sugerując rolę tych struktur pnia mózgu w regulacji Na+, co jest zgodne z innymi odkryciami, w których AP/NTS zostały chirurgicznie zniszczone. Organizacja odpowiednich obwodów neuronalnych, które kontrolują pobieranie wody i neurofizjologiczne wydzielanie VP, pozostaje do wyjaśnienia, podobnie jak różnica w ich działaniu w odpowiedzi na ładunki NaCl i ładunki osmotyczne niezawierające Na+, a także ich odrębny wkład w kontrolę apetytu na NaCl, pragnienia i wydzielania VP.
.