Não nhận biết cơ thể khát nước bằng cách nào

 

 

Bộ não biết cơ thể khát nước bằng cách nào?

Nước là nhu cầu cơ bản nhất đối với mọi sự sống trên Trái Đất. Không phải sinh vật nào cũng cần oxy, và nhiều loài có thể tự tổng hợp năng lượng cho mình. Nhưng đối với mọi sinh vật, từ các vi sinh vật dưới đáy biển sâu và nấm nhầy cho đến cây cối và con người, nước là thiết yếu. Sự sống khởi đầu bằng việc tích lũy nước bên trong màng tế bào, và sau đó, các tế bào phải luôn được "dưỡng ẩm" để tồn tại.

Nước là môi trường diễn ra mọi phản ứng hóa học bên trong sinh vật, và những phản ứng đó được tinh chỉnh chặt chẽ trong một phạm vi hẹp về tỷ lệ giữa nước và muối, một thành phần hóa học thiết yếu khác của sự sống.

Các tế bào có tính thấm nước. Vì vậy, nếu sự cân bằng nước - muối của các loại dịch trong cơ thể, từ máu, bạch huyết đến dịch não tủy, nằm ngoài giới hạn khỏe mạnh, các tế bào có thể co lại hoặc phồng lên, thậm chí teo đi hoặc vỡ ra. Sự mất cân bằng này có thể khiến các tế bào não hoạt động sai lệch, làm rối loạn sự phân bố của các ion natri (Na⁺), kali (K⁺) và canxi (Ca²⁺) ở hai bên màng tế bào, từ đó ảnh hưởng đến khả năng phát và truyền tín hiệu của tế bào thần kinh.

Mặc dù mọi tế bào trong cơ thể đều cảm nhận được những tác động của tình trạng thiếu nước, nhưng bản thân các tế bào không thể tự "kêu cứu". Thay vào đó, chính bộ não mới là cơ quan theo dõi lượng nước của cơ thể và tạo ra trạng thái khát - lưỡi khô, họng nóng và cảm giác khó chịu ập đến nhanh chóng - từ đó thúc đẩy một hành vi: đi tìm nước.

"Đường truyền tín hiệu thần kinh kiểm soát cơn đói hay cơn khát nằm sâu trong các cấu trúc não nguyên thủy là vùng dưới đồi và thân não," theo Zachary Knight, nhà khoa học thần kinh tại Đại học California, San Francisco (UCSF). Ông là đồng tác giả một bài báo tổng quan về sinh học thần kinh của trạng thái khát, được đăng gần đây trên tạp chí Neuron.

Những vùng não này rất khó nghiên cứu - không chỉ do vị trí của chúng, mà còn do được hợp thành bởi nhiều loại tế bào khác nhau và chứa mạng lưới thần kinh đan xen phức tạp. Vì thế, dù đã có nhiều tiến bộ trong việc hiểu về mạng lưới thần kinh hoạt động, nhưng chỉ một thập kỷ trở lại đây, các nhà khoa học thần kinh mới bắt đầu hiểu được bản chất của trạng thái khát.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, các thụ thể cảm giác là các tế bào hoặc đầu mút thần kinh chuyên cung cấp tín hiệu đầu vào cho não về lượng nước hoặc muối mà một sinh vật cần tiêu thụ. Câu hỏi về cách thức hoạt động của các thụ thể này, hay thậm chí chúng là gì, vẫn tiếp tục làm khó các nhà khoa học. Nhưng sự tồn tại của chúng mang đến một góc nhìn thú vị: Nước là điều kiện thiết yếu của sự sống, nhưng cảm giác khát không đơn giản là dấu hiệu cho thấy cơ thể đang thiếu nước. Đó là kết quả của cơ chế phản hồi và xử lý các tín hiệu từ cơ thể của thần kinh.

Những cảm biến sinh học tinh vi

Để hiểu cơn khát ở động vật có vú, hãy hình dung rằng não không chỉ tiếp nhận thông báo từ cơ thể rằng "tôi đang cần nước". Thay vào đó, não liên tục theo dõi những tín hiệu từ cơ thể để xác định khi nào cần uống nước.

Trong hầu hết mọi trường hợp, "hàng rào máu - não" bảo vệ bộ não khỏi vi khuẩn, virus hoặc các tác nhân có hại khác lưu thông trong máu. Nhưng có vài vị trí ngoại lệ nơi bộ não tương tác trực tiếp với máu, bao gồm cả các cơ quan quanh não thất, nằm sâu trong não gần vùng dưới đồi (một cấu trúc nhỏ bằng quả hạnh nhân nằm ở đáy não).

Hai trong số các cơ quan quanh não thất - cơ quan mạch máu Lamina Terminalis (OVLT) và cơ quan dưới vòm (Sub-fornical Organ SFO) - tạm gọi là hai "trạm quan trắc" nằm sâu trong não, gần vùng dưới đồi, nơi giữ vai trò quan trọng trong việc điều hòa cơn khát. Đây là những cơ quan cảm giác không khác gì mũi hay tai. Các thụ thể tại đây cảm nhận thông qua tiếp xúc với dòng máu để truyền tín hiệu thần kinh về những vùng sâu hơn trong não, suy luận nhu cầu muối và nước của cơ thể, để kích hoạt trạng thái được gọi là cơn khát - cảm giác ngứa họng, khô miệng và đầu óc mụ mẫm muốn đi tìm nước.

Các "trạm quan trắc" này "đo đạc" cả lượng nước lẫn nồng độ muối. Nồng độ muối trong dịch cơ thể được duy trì trong một khoảng hẹp - ở mức gần như tương đương với nồng độ tại các vùng nước lợ gian triều (độ mặn bằng khoảng một phần ba so với nước biển), vùng đất nơi các loài động vật có xương sống lần đầu tiên tiến hóa.

Cơ thể con người chứa trung bình khoảng 60% là nước, mặc dù con số này khác nhau tùy từng mô (31% ở xương, 73% ở não hay 83% ở phổi). Chỉ cần hàm lượng nước trong máu giảm nhẹ từ 1% đến 3% so với mức bình thường là đã đủ để "trạm quan trắc" OVLT và SFO khởi tạo những cảm giác khó chịu quen thuộc nhằm thúc đẩy một hành vi: đi tìm nước để uống.

Tuy nhiên, có sự chênh lệch thời gian giữa việc uống nước và việc điều chỉnh lại sự cân bằng nước-muối. Phải mất từ 30 đến 60 phút để nước đi vào máu sau khi được tiêu thụ, và não không thể đợi lâu như vậy để nhận biết liệu cơ thể đã có đủ lượng nước cần thiết hay chưa. Nó phải đưa ra quyết định gần như ngay lập tức.

Vì vậy, não phải phán đoán. Nhiều thụ thể cảm giác bí ẩn hơn bắt đầu hoạt động. Một loại thụ thể ước tính sơ bộ thể tích nước đi qua miệng và họng rồi gửi một tín hiệu đến não. Một loại tín hiệu khác đến từ đường tiêu hóa – nơi các tế bào cảm nhận nước và các tế bào cảm nhận sự căng giãn của dạ dày phát hiện nước vừa đi vào cơ thể. Trong vòng một phút, những tín hiệu này đến não và ức chế các tế bào thần kinh ở các "trạm quan trắc" OVLT và SFO. Phản ứng khát bị chấm dứt: cổ họng dịu mát lại và miệng trở nên ẩm ướt trở lại.

Dù vậy, trạng thái khát [do giảm hàm lượng nước trong dịch cơ thể] chỉ đại diện cho một khía cạnh của việc duy trì cân bằng nội môi. Muối - cụ thể hơn là natri – cũng là một trong những thứ quan trọng nhất mà động vật tiêu thụ. Động vật cần natri để các tế bào thần kinh phát sinh điện thế hoạt động, để các protein giữ được hình dạng và chức năng của chúng, và để các phản ứng hóa học diễn ra bên trong tế bào - những hoạt động sống thường ngày. Chúng ta cần duy trì một nồng độ ion natri nhất định trong các dịch cơ thể để cho phép tất cả các chức năng đó diễn ra. Đó chính là mặt còn lại của trạng thái khát.

"Chỉ có một vài thứ thiết yếu đối với cơ thể bạn đến mức tồn tại một động lực hoàn toàn bản năng phải đạt được nó, không thể bị thiếu hụt," Zachary Knight nói. "Đó là oxy, thức ăn, nước và natri."

Tuy nhiên, những loài động vật như chúng ta không trải qua sự thèm muối như một động lực mạnh mẽ, mang tính kiểm soát giống như với oxy, thức ăn và nước.

Ngoài các thụ thể báo hiệu nồng độ muối cho não ở các cơ quan cảm giác OVLT và SFO, các thụ thể trong tim cũng phát hiện sự căng giãn của tâm nhĩ và tâm thất. Nhưng không có một cơn cồn cào vì muối nào khi chúng ta cần nó, theo cách mà dạ dày quặn thắt đòi thức ăn hay một cái họng ngứa ngáy đòi uống nước.

Thay vào đó, nhu cầu tiêu thụ muối được điều hòa thông qua vị giác và cơ chế phần thưởng cho não [thông qua đường truyền tín hiệu dopamine]. "Vị của muối mang tính hai mặt," Knight cho biết. "Nó có vị ngon ở liều lượng thấp; nhưng ở liều lượng cao, nó có vị rất khó chịu, giống như uống nước biển vậy."

Hãy tưởng tượng sự thôi thúc muốn ăn một gói khoai tây chiên thật lớn. Nếu cơ thể cần muối, những miếng khoai tây chiên đó sẽ gây ra một đợt bùng phát dopamine mang lại khoái cảm tràn ngập bộ não; còn nếu cơ thể không cần muối, sự giải phóng dopamine đó sẽ biến mất - Yuki Oka, nhà sinh học thần kinh tại CalTech, chuyên nghiên cứu cơ chế duy trì cân bằng nội môi, giải thích.

Mỗi loài khát theo một cách riêng

Các nhà sinh thái giám sát nguồn nước sông hồ thông qua dữ liệu quan trắc và có quyền lựa chọn hành động hay không. Tương tự, việc bộ não đo lường nồng độ natri trong máu không có nghĩa là nó bắt buộc phải hành động dựa trên thông tin đó.

Elena Gracheva, nhà sinh lý thần kinh tại Trường Y thuộc Đại học Yale, nghiên cứu những loài gặm nhấm có nguồn gốc từ đồng cỏ Bắc Mỹ để hiểu cách các vùng não cụ thể kiểm soát cơn khát. Sóc đất 13 sọc (Ictidomys tridecemlineatus) là một mô hình lý tưởng cho việc này, cô nói, bởi vì nó ngủ đông trong hơn nửa năm trời mà không cần ăn uống.

"Chúng giống như những nhà sư vậy," Gracheva chia sẻ. "Chúng không ra ngoài trong suốt tám tháng. Chúng không có nước khi ngủ trong hang." Làm thế nào mà chúng không bị khát?

Không phải là những con sóc này không cần nước. Cơ thể của chúng vẫn "kêu gào" đòi nước. Nhưng theo nghiên cứu của Gracheva, trong quá trình ngủ đông, não của chúng lạnh lùng phớt lờ các tín hiệu của cơ thể.

Ở động vật có vú, sự sụt giảm lượng nước trong máu (đồng nghĩa với sự gia tăng nồng độ muối cùng lúc, nếu các yếu tố khác không đổi) sẽ kích hoạt hai quá trình đi đôi với nhau. Vùng dưới đồi tiết ra hormone vasopressin, ra lệnh cho thận giữ lại nước thay vì thải ra ngoài dưới dạng nước tiểu, và "trạm quan trắc" SFO khởi động cơn thèm khát để khiến con vật phải đi tìm nước để uống.

Tuy nhiên, khi sóc đất ngủ đông, "con đường tín hiệu đối với vasopressin vẫn bình thường [và thận hầu như ngừng bài tiết nước tiểu], trong khi các tế bào thần kinh gây khát đã bị giảm biểu hiện." Hai quá trình này đã bị tách biệt: cơ thể vẫn cố gắng giữ lại lượng nước nhưng lại không hành động để bổ sung nước. "Cơ chế này rất mạnh, ngay cả khi bạn đánh thức chúng dậy giữa lúc đang ngủ đông, chúng cũng sẽ không uống nước," Gracheva khẳng định.

Cơ chế thần kinh mà Gracheva nghiên cứu ở loài sóc mang tính phổ quát ở các loài động vật có vú, bao gồm cả con người. Tuy nhiên, cơ chế tương đồng không phải luôn dẫn đến những hành vi giống nhau.

Con người uống một cốc nước khi thấy khát. Mèo và thỏ chủ yếu lấy nước từ nguồn thức ăn của chúng. Lạc đà có thể đốt cháy các kho dự trữ mỡ để lấy nước (quá trình này tạo ra carbon dioxide và nước), nhưng chúng cũng tiêu thụ hàng chục lít nước và tích trữ trong dạ dày để dùng cho lúc cần sau này. Rái cá biển có thể uống nước biển mặn chát và bài tiết ra nước tiểu thậm chí còn mặn hơn, và chúng là loài động vật có vú ở biển duy nhất có khả năng cô đặc nước tiểu hiệu quả như vậy.

Cách mỗi loài động vật quản lý nước và muối được chuyên biệt hóa để phù hợp với hệ sinh thái, lối sống và áp lực chọn lọc tiến hóa của riêng chúng. Câu hỏi "Khát nước có nghĩa là gì?" không có một câu trả lời duy nhất: mỗi loài đều trải nghiệm cơn khát theo một cách riêng.

Cao Hồng Chiến dịch