Durst und Wasseraufnahme
Wasserentzug löst das Durstgefühl aus, wenn bestimmte Gehirnzellen durch den osmotischen Wasserverlust um nur 1 oder 2 % dehydriert werden. Diese Zellen befinden sich im basalen Vorderhirn, unmittelbar rostral des dritten Hirnventrikels. Sie befinden sich außerhalb der Blut-Hirn-Schranke und reagieren daher leicht auf Veränderungen der Partikelkonzentration oder Osmolalität des Plasmas (pOsm). Sie reagieren zwar nicht so empfindlich auf Dehydrierung wie Netzhautzellen, die nur Photonen wahrnehmen, aber sie haben einzigartige synaptische Verbindungen zu anderen Neuronen im Gehirn, die den Durst anregen. Wenn die „Osmorezeptorzellen“ entweder durch experimentelle Läsionen oder durch eine Gehirnerkrankung beeinträchtigt sind, werden die Tiere blind für einen Anstieg des pOsm-Wertes und empfinden keinen normalen Durst.
Diese Anordnung, bei der die Osmorezeptorzellen kleine Erhöhungen des pOsm-Wertes erkennen und Durst und Wasseraufnahme auslösen, die folglich den pOsm-Wert senken und damit das erregende Signal für das Verhalten beseitigen, lässt die Möglichkeit zu, dass die Osmoregulation durch ein negatives Rückkopplungssystem mit einer Schleife gesteuert wird. Ein Haupthindernis für diese Möglichkeit ist jedoch, dass das aufgenommene Wasser erst nach der Entleerung des Magens mit den Körperflüssigkeiten ins Gleichgewicht kommt und daher keine schnelle Rehydrierung und negative Rückkopplung bei der Steuerung der Wasseraufnahme bewirken kann. Obwohl man erwarten würde, dass diese Verzögerung zu einer fortgesetzten Aufnahme großer Wassermengen führt, die über die für die Rehydrierung erforderlichen Mengen hinausgehen, gibt es zahlreiche Hinweise darauf, dass ein solcher übermäßiger Wasserkonsum bei dehydrierten Tieren nicht vorkommt und dass viele Tierarten, einschließlich des Menschen, Wasserdefizite ausgleichen, indem sie sehr schnell große Mengen Wasser trinken und dann abrupt damit aufhören. Es muss also ein frühes Signal geben, das den Durst hemmt. Tatsächlich wurde ein entsprechendes Signal identifiziert, das im Oropharynx entsteht und vom schnellen Schlucken von Flüssigkeiten abgeleitet ist. Diese Schlussfolgerung wird durch die Erkenntnisse gestützt, dass (1) dehydrierte Hunde ihren Durst reduzieren, lange bevor eine Abnahme des systemischen pOsm-Wertes beobachtet werden kann; (2) die rasche Beendigung des Durstes auch dann eintritt, wenn aufgenommenes Wasser durch eine offene Magenfistel abfließt, bevor es den Dünndarm erreicht, und wenn dehydrierte Hunde isotonische Kochsalzlösung trinken; und (3) keine Auswirkung auf den Durst festgestellt wird, wenn Wasser direkt in den Magen infundiert wird, unter Umgehung des Oropharynx, bis die verabreichte Flüssigkeit den systemischen pOsm-Wert senkt. Diese auffälligen Beobachtungen stützen den Vorschlag, dass eine Komponente des Trinkvorgangs, wie z. B. das schnelle Schlucken, einen frühen Reiz erzeugt, der die Wasseraufnahme bei Hunden hemmt.
Diese bahnbrechenden Ergebnisse wurden wiederholt und auf andere Spezies, einschließlich Affen, Schafe und Menschen, ausgedehnt. Die wiederholten Bestätigungen implizierten, dass volumenabhängige oropharyngeale Signale ein allgemeines Merkmal der Dursthemmung bei Tieren sind. Bei den meisten Untersuchungen zur zentralen Steuerung der Flüssigkeitshomöostase werden jedoch heute Laborratten als Versuchspersonen verwendet, und während dehydrierte Ratten auch präsystemische Signale zur Modulation des Dursts nutzen, sind die Signale bei Ratten nicht oropharyngeal. Darüber hinaus können im System der Nagetiere frühe Signale sowohl eine Stimulation als auch eine Hemmung des Durstes bewirken, und die frühen Signale stehen sowohl mit dem Volumen als auch mit der Konzentration der aufgenommenen Flüssigkeit in Verbindung.
Doch selbst mit der Einbeziehung präsystemischer Signale ist unsere Betrachtung des Durstes nicht vollständig; es gibt mehrere Durstsignale, nicht nur solche, die sich aus osmoregulatorischen Bedürfnissen ergeben. Tiere, denen Trinkwasser entzogen wird, verlieren neben dem Wasser aus den Zellen auch Wasser aus dem Plasma, und der Verlust des Plasmavolumens (Hypovolämie) ist selbst ein Stimulus für Durst. Tatsächlich kann Durst auch dann ausgelöst werden, wenn kein Anstieg des pOsm-Wertes auftritt, wie z. B. nach einer Hämorrhagie. Tiere erkennen Defizite im Blutvolumen durch Dehnungsrezeptoren in den dehnbaren Wänden der unteren Hohlvene (die einen Großteil des venösen Rückflusses zum Herzen liefert) und des rechten Vorhofs. Die Dehnung der Gefäße ist proportional zum darin enthaltenen Volumen, so dass die sensorischen Neuronen bei niedrigem Blutvolumen ein afferentes Signal der Hypovolämie an den kaudalen Hirnstamm senden, der diese Nachricht dann an das Vorderhirn weiterleitet, um den Durst zu stimulieren.
Ein Problem bei dieser Anordnung ist jedoch, dass aufgenommenes Wasser, wenn es absorbiert wird, nicht das Defizit des Plasmavolumens ausgleicht, das den Durst stimuliert. Stattdessen wandern etwa zwei Drittel des Wassers durch Osmose in die Zellen. Dieses Ergebnis ist wünschenswert, wenn der Durst mit einem erhöhten pOsm-Wert und einer zellulären Dehydratation einhergeht, aber nicht, wenn das Plasmavolumen verringert und der pOsm-Wert nicht erhöht ist; in diesem Fall bewirkt der Wasserkonsum lediglich eine osmotische Verdünnung, ohne die Hypovolämie wesentlich zu korrigieren. Daher sollte es nicht überraschen, dass eine osmotische Verdünnung von nur 3-5 % einen starken Stimulus für die Hemmung des Durstgefühls darstellt, selbst wenn eine ausgeprägte Hypovolämie vorhanden ist. Diese Hemmung des hypovolämischen Dursts durch osmotische Verdünnung kann mit der Sättigung des osmoregulatorischen Dursts verglichen werden, die auftritt, wenn angemessene Wassermengen konsumiert werden.
Die Hemmung der Wasseraufnahme trotz Hypovolämie verhindert sinnvollerweise, dass die osmotische Verdünnung schwerwiegend wird, aber sie repariert nicht die Defizite des Plasmavolumens, die den Durst überhaupt erst stimuliert haben. Um dieses Volumen wiederherzustellen, müssen die Tiere Plasma oder eine äquivalent verdünnte NaCl-Lösung zu sich nehmen. Nachdem sie aufgrund ihres Durstes zunächst Wasser getrunken haben, müssen sie anschließend Salz zu sich nehmen. Es hat sich gezeigt, dass Ratten Wasser und konzentrierte NaCl-Lösung in angemessenen Mengen trinken und dabei zwischen den beiden Lösungen hin- und herwechseln, um die isotonische NaCl-Mischung zu erzeugen, die für die Wiederherstellung des Plasmavolumens ideal ist. Aus Platzgründen ist es nicht möglich, die zentralen Mechanismen für diese Kontrolle des Durstes und des Salzappetits während der Hypovolämie zu beschreiben, obwohl viele dieser Informationen inzwischen bekannt sind.
Es ist wichtig festzustellen, dass der Durst als Reaktion auf das Defizit des Plasmavolumens nach der Zerstörung der Stellen im kaudalen Hirnstamm, die neuronale Projektionen von den kardiovaskulären Dehnungsrezeptoren erhalten, die die Hypovolämie erkennen, nicht beseitigt wird. Dieser Befund deutet darauf hin, dass es während der Hypovolämie einen weiteren Durstreiz gibt. Dieses Signal wird wahrscheinlich von Angiotensin geliefert, einem Peptidhormon, das im Blut nach der Sekretion des Enzyms Renin durch die Nieren gebildet wird. Angiotensin stimuliert auch den Salzappetit sowie die Hormone, die die Wasser- und Natriumretention im Urin ermöglichen, und es ist auch ein sehr starker Vasokonstriktor (der den Blutdruck bei Hypovolämie unterstützt). Da Angiotensin so viele funktionell zusammenhängende Wirkungen hat, sorgt es dafür, dass verschiedene verhaltensmäßige und physiologische Reaktionen auf Hypovolämie gleichzeitig auftreten. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Durstreiz auch aus einem akuten Abfall des arteriellen Blutdrucks resultiert und dass die Vermittlung dieses Durstes durch Angiotensin, die früher umstritten war, inzwischen nachgewiesen ist.
Das zirkulierende Angiotensin wirkt im Gehirn am subfornischen Organ, das sich im dorsalen Teil des dritten Hirnventrikels befindet. Lokale Angiotensinrezeptoren können auf Erhöhungen des systemischen Hormonspiegels reagieren, da das subfornische Organ keine Blut-Hirn-Schranke besitzt, so dass Angiotensin in diese Hirnregion diffundieren kann. Die chirurgische Zerstörung dieser Hirnstruktur beseitigt den durch Angiotensin stimulierten Durst und Salzappetit. Dies deutet darauf hin, dass redundante Mechanismen eingesetzt werden können, um den Verlust des Plasmavolumens zu erkennen und entsprechende Verhaltensreaktionen auszulösen. Eine solche Redundanz sollte angesichts der großen Bedeutung eines ausreichenden Blutvolumens für das Leben nicht überraschen.