Dorst en wateropname
Waterdeprivatie wekt het gevoel van dorst op wanneer bepaalde hersencellen uitgedroogd raken met slechts 1% of 2% door het osmotische verlies van water. Deze cellen bevinden zich in de basale voorhersenen, juist rostraal van het derde cerebrale ventrikel. Zij bevinden zich buiten de bloed-hersenbarrière en reageren bijgevolg gemakkelijk op veranderingen in de deeltjesconcentratie, of osmolaliteit, van het plasma (pOsm). Hoewel zij niet uniek gevoelig zijn voor uitdroging, zoals netvliescellen die alleen fotonen waarnemen, hebben zij wel unieke synaptische verbindingen met andere neuronen in de hersenen die de dorst stimuleren. Wanneer de ‘osmoreceptor cellen’ zijn aangetast, hetzij door experimentele laesies of door een hersenziekte, worden dieren blind voor verhogingen in pOsm en ervaren ze niet normaal dorst.
Deze regeling waarbij osmoreceptor cellen kleine verhogingen in pOsm detecteren en dorst en waterinname in gang zetten, die bijgevolg het pOsm verlagen en daardoor het stimulerende signaal voor gedrag opheffen, maakt het mogelijk dat osmoregulatie wordt gecontroleerd door een single-loop negatief terugkoppelingssysteem. Een belangrijk obstakel voor deze mogelijkheid is echter dat ingenomen water pas in evenwicht komt met lichaamsvloeistoffen nadat het uit de maag is geleegd, en daarom kan het niet zorgen voor een snelle rehydratie en negatieve terugkoppeling in de controle van de waterinname. Hoewel men zou verwachten dat deze vertraging zou leiden tot een voortdurende consumptie van grote hoeveelheden water die groter is dan de hoeveelheden die nodig zijn voor rehydratie, zijn er voldoende aanwijzingen dat een dergelijke overconsumptie van water door gedehydrateerde dieren niet voorkomt, en dat veel diersoorten, waaronder de mens, watertekorten aanvullen door zeer snel grote hoeveelheden water te drinken en daar dan abrupt mee te stoppen. Er moet dus een vroeg signaal zijn dat de dorst remt. In feite is een geschikt signaal geïdentificeerd, dat zijn oorsprong vindt in de oropharynx en afkomstig is van het snel inslikken van vloeistoffen. Ter ondersteuning van deze conclusie zijn bevindingen dat (1) uitgedroogde honden hun dorst verminderen lang voordat dalingen in systemische pOsm kunnen worden waargenomen; (2) de snelle stopzetting van de dorst ook optreedt wanneer ingenomen water wordt afgevoerd via een open maag fistel voordat het de dunne darm bereikt en wanneer uitgedroogde honden isotone zoutoplossing drinken; en (3) geen effect op de dorst wordt gevonden wanneer water rechtstreeks in de maag wordt toegediend, waarbij de oropharynx wordt omzeild, totdat de toegediende vloeistof de systemische pOsm verlaagt. Deze opvallende waarnemingen vormen samen een sterke ondersteuning voor het voorstel dat een component van de drinkdaad, zoals snel slikken, een vroege stimulus genereert die de wateropname bij honden remt.
Deze baanbrekende bevindingen werden herhaald en uitgebreid naar andere diersoorten, waaronder apen, schapen, en mensen. De herhaalde bevestigingen impliceerden dat volume-afhankelijke oropharyngeale signalen een algemeen kenmerk waren in de inhibitie van dorst bij dieren. De meeste onderzoeken naar de centrale controle van de vochthuishouding gebruiken nu echter laboratoriumratten als proefpersonen, en hoewel uitgedroogde ratten ook presystemische signalen gebruiken om de dorst te moduleren, zijn de signalen bij ratten niet oropharyngeaal. Bovendien, in het knaagdier systeem kunnen vroege signalen zowel stimulatie als remming van dorst geven, en de vroege signalen zijn geassocieerd met zowel het volume als de concentratie van de ingenomen vloeistof.
Hoewel, zelfs met het opnemen van presystemische signalen, is onze beschouwing van dorst niet compleet; er zijn meerdere signalen van dorst, niet alleen die welke voortvloeien uit osmoregulatoire behoeften. Dieren die verstoken blijven van drinkwater verliezen water uit plasma naast water uit cellen, en het verlies van plasma volume (hypovolemie) is zelf een stimulans voor dorst. Dorst kan zelfs worden opgewekt wanneer er geen verhoging van het pOsm optreedt, zoals na een bloeding. Dieren detecteren tekorten in bloedvolume door rekreceptoren die ingebed zijn in de distensibele wanden van de vena cava inferior (die een groot deel van de veneuze terugstroom naar het hart levert) en van de rechter atrium. De rek van de vaten is evenredig met het daarin aanwezige volume, dus wanneer het bloedvolume laag is, zenden de sensorische neuronen een afferent signaal van hypovolemie naar de caudale hersenstam, die dat bericht vervolgens doorstuurt naar de voorhersenen voor stimulatie van de dorst.
Een probleem met deze regeling is echter dat ingenomen water, wanneer het wordt geabsorbeerd, niet het plasma volumetekort herstelt dat de dorst heeft gestimuleerd. In plaats daarvan gaat ongeveer tweederde van het water door osmose de cellen in. Dit resultaat is wenselijk wanneer dorst gepaard gaat met een verhoogd pOsm en cellulaire dehydratie, maar niet wanneer het plasma volume is afgenomen en het pOsm niet verhoogd is; dan veroorzaakt waterconsumptie alleen osmotische verdunning zonder veel correctie van hypovolemie. Het mag dan ook niet verbazen dat slechts 3-5% osmotische verdunning een krachtige stimulans is om de dorst te remmen, zelfs in aanwezigheid van duidelijke hypovolemie. Deze remming van hypovolemische dorst door osmotische verdunning kan worden gecontrasteerd met de verzadiging van osmoregulatoire dorst die optreedt wanneer de juiste hoeveelheden water worden geconsumeerd.
Het remmen van de waterinname ondanks hypovolemie voorkomt op nuttige wijze dat osmotische verdunning ernstig wordt, maar het herstelt niet de plasma volumetekorten die de dorst in de eerste plaats stimuleerden. Om deze volumes te herstellen, moeten de dieren plasma of een gelijkwaardig verdunde NaCl-oplossing innemen. Nadat zij eerst water hebben gedronken vanwege de dorst, moeten zij vervolgens zout consumeren. Het is aangetoond dat ratten water en geconcentreerde NaCl-oplossing in de juiste hoeveelheden drinken, waarbij ze heen en weer bewegen tussen de twee oplossingen, om het isotone NaCl-mengsel te creëren dat ideaal is voor het herstel van het plasmavolume. De ruimte laat geen beschrijving toe van de centrale mechanismen voor deze controle van dorst en zoutlust tijdens hypovolemie, hoewel veel van deze informatie nu bekend is.
Het is belangrijk op te merken dat dorst als reactie op plasma volumetekorten niet wordt geëlimineerd na vernietiging van de plaatsen in de caudale hersenstam die neuronale projecties ontvangen van de cardiovasculaire stretch receptoren die hypovolemie detecteren. Deze bevinding wijst erop dat er nog een andere dorstprikkel bestaat tijdens hypovolemie. Dit signaal wordt waarschijnlijk geleverd door angiotensine, een peptide hormoon dat in het bloed wordt gevormd na uitscheiding van het enzym renine uit de nieren. Angiotensine stimuleert ook de zoutlust en de hormonen die ervoor zorgen dat water en natrium in de urine worden vastgehouden, en het is ook een zeer krachtig vasoconstrictor-middel (waardoor het de bloeddruk helpt ondersteunen tijdens hypovolemie). Doordat angiotensine zoveel functies heeft die met elkaar verband houden, zorgt het ervoor dat verschillende gedrags- en fysiologische reacties op hypovolemie gelijktijdig optreden. Merk op dat een dorstprikkel ook het gevolg is van acute verlagingen van de arteriële bloeddruk, en dat bemiddeling van deze dorst door angiotensine, ooit controversieel, is vastgesteld.
Circulerend angiotensine werkt in de hersenen in het subfornicale orgaan, dat zich bevindt in het dorsale deel van het derde cerebrale ventrikel. Lokale angiotensinereceptoren kunnen reageren op verhogingen van de systemische niveaus van het hormoon omdat het subfornicale orgaan geen bloed-hersenbarrière heeft, waardoor angiotensine in dat deel van de hersenen kan diffunderen. Chirurgische vernietiging van deze hersenstructuur elimineert de door angiotensine gestimuleerde dorst en zoutlust. Deze twee effecten van hypovolemie worden echter niet opgeheven, wat erop wijst dat redundante mechanismen kunnen worden gebruikt om het verlies van plasmavolume te detecteren en de juiste gedragsreacties te activeren. Een dergelijke redundantie hoeft niet te verbazen gezien het grote belang van voldoende bloedvolume voor het leven.