來源：brainnews

處理溫度信息的神經(jīng)環(huán)路在塑造軀體感覺感知、調節(jié)核心體溫以及避免傷害方面發(fā)揮著關鍵作用。與其他感覺系統(tǒng)相比，溫度感知的神經(jīng)環(huán)路機制尚不十分清楚，但近期研究已逐步揭示了其神經(jīng)連接方式、細胞編碼原理及其與感知的關聯(lián)。傳統(tǒng)上，溫度感知被視為一種較慢且起調節(jié)作用的感覺，如今則被認識到是一種快速而靈敏的感覺系統(tǒng)，具備多感官整合和感覺錯覺等復雜特征。近日，柏林夏里特醫(yī)學院James. F. A. Poulet，哥本哈根大學Mikkel Vestergaard，波爾多大學Mario Carta共同在Nature Reviews Neuroscience發(fā)表相關綜述。本文重點介紹近年來在無害性溫度信息處理與感知方面的研究進展，并嘗試歸納哺乳動物和昆蟲中溫度感知系統(tǒng)的神經(jīng)連接原則及溫度的細胞編碼機制。有趣的是，盡管“溫暖”與“涼爽”反映的是同一物理屬性（溫度），它們在神經(jīng)系統(tǒng)中的感知和編碼卻存在顯著差異。作者認為，溫度感知系統(tǒng)是深入理解感覺感知神經(jīng)機制及感覺引導行為的理想模型。

圖1 動物界中的溫度相關行為

溫度無處不在，從外部環(huán)境到體內組織，一切都有溫度。動物棲息在冷熱差異極大的環(huán)境中：哺乳動物通過內部調節(jié)維持恒定體溫（恒溫），而昆蟲體溫則隨環(huán)境劇烈波動（變溫）。這種多樣的熱環(huán)境不僅是生存挑戰(zhàn)，更是關鍵的感覺信息來源。準確感知溫度對避開極端環(huán)境、維持體溫穩(wěn)態(tài)、識別物體、覓食、社交行為乃至痛覺都至關重要。盡管如此，溫度感知的神經(jīng)機制長期被忽視，直到近年借助小鼠、果蠅等模型才逐步揭示其背后的腦區(qū)與細胞編碼策略�！皽囟认到y(tǒng)”指所有參與檢測和處理體內或環(huán)境溫度的神經(jīng)元，它不僅驅動個體趨避行為，也支持母子依偎、蜜蜂群體溫控等復雜社會行為，甚至演化出蛇類紅外捕食等特化機制。傳統(tǒng)上認為哺乳動物存在兩條通路：一條負責溫度感知，另一條負責體溫調節(jié)，但二者在解剖和功能上高度交織，共享溫度感受器輸入且相互影響。核心分子基礎是初級感覺神經(jīng)元表達的熱敏離子通道，尤其是瞬時受體電位（TRP）家族及其在昆蟲中的同源物，它們在特定冷熱范圍內被激活；利用基因敲除動物已極大推動了對溫度行為的理解�？傊�，溫度不僅是物理參數(shù)，更是大腦構建認知、指導適應性行為的重要維度，深入理解其神經(jīng)基礎有望揭示感覺整合與行為調控的新原理。

圖2 與環(huán)境的熱交互

生物體的熱環(huán)境指的是影響其與周圍進行熱交換的各種物理條件。皮膚作為主要的溫度感受器官，通過傳導、輻射和對流與環(huán)境互動。當皮膚接觸物體時，熱量會通過傳導在兩者之間流動，直到溫度平衡。如果物體比皮膚熱，我們會感到“暖”；如果更冷，則感到“涼”。皮膚溫度變化的幅度受多種因素影響，包括皮膚和物體的初始溫度、表面粗糙度、導熱性和熱容量。由于皮膚導熱性低但熱容量高，它其實是個不錯的“隔熱層”。研究認為，我們感知到的溫度并非來自皮膚最表層，而是來自溫度感受神經(jīng)末梢所在的深層（約100微米處）。緩慢的溫度變化能讓熱量均勻傳入深層，而快速變化則導致表層和深層溫差更大，可能影響冷暖判斷。此外，冷覺和溫覺的感受器在皮膚中的分布也不同：冷覺纖維多在較淺層，溫覺纖維則位于更深的真皮層，這也可能影響感知差異。值得注意的是，在室溫（約22°C）下，人和靈長類的手部溫度通常為30-34°C，高于大多數(shù)物體，因此接觸時常會散熱而感覺“涼”。而小鼠因體型小、皮膚薄、脂肪少、保溫能力弱，足墊溫度更容易受環(huán)境影響，往往更接近物體溫度，能更快達到熱平衡。這意味著小鼠和人類在溫度感知上可能存在根本差異。未來若能用熱納米傳感器直接在神經(jīng)末梢處測量溫度，將有助于真正弄清我們“感覺到的溫度”到底來自哪里。

圖3 哺乳動物溫度感知的細胞編碼原理

理解感覺感知的神經(jīng)機制，需要詳細了解感覺環(huán)路在宏觀與微觀尺度上的連接方式，以及信號在通路各階段的細胞編碼規(guī)律。溫度感知系統(tǒng)尤為復雜，它將初級傳入神經(jīng)元與高級腦區(qū)廣泛連接，并包含多個解剖上分離、功能各異的子環(huán)路。溫度信息進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)后，主要經(jīng)由兩條通路處理：一條通過外側臂旁核（PBN）投射至下丘腦視前區(qū)（POA）主導體溫調節(jié)；另一條經(jīng)丘腦上傳至皮層，負責主觀溫度感知。盡管傳統(tǒng)認為二者獨立，但它們共享外周輸入并在PBN等節(jié)點存在復雜交互。外周溫度感受器位于背根神經(jīng)節(jié)（身體）和三叉神經(jīng)節(jié)（頭面部），主要通過傳導快的Aδ纖維（多響應冷）和傳導慢的C纖維（響應冷或熱）將信號傳入脊髓或腦干，再經(jīng)丘腦中繼至皮層。長期以來，初級體感皮層（S1）被認為參與溫度感知，但其對溫熱反應微弱，更可能負責觸覺與溫度的整合（如金屬的“涼感”）；而島葉后部皮層（pIC）現(xiàn)被確認為溫度意識的核心區(qū)域：人類和小鼠研究均顯示，pIC具有軀體定位的冷熱表征且抑制其活動可直接阻斷溫度感知。在外周，溫度編碼以“標記線”為主（冷/熱由不同神經(jīng)元專一響應），但到丘腦和皮層，越來越多神經(jīng)元能整合冷熱信息。值得注意的是，冷信號始終占優(yōu)勢：冷敏神經(jīng)元數(shù)量更多、反應更快（常呈瞬時放電），而熱反應起始慢、持續(xù)時間長，這與行為上對冷更敏感的現(xiàn)象一致。溫度強度主要通過“幅度編碼”表示：刺激越強，神經(jīng)反應越強；但在常見皮膚溫度（約32°C）下，冷熱編碼呈不對稱性：冷刺激引發(fā)快速、早飽和的反應，熱刺激則緩慢漸進，這種差異貫穿整個通路。綜上，哺乳動物的溫度感知依賴多層次機制：外周分工明確，中樞逐步整合；S1側重多模態(tài)融合，pIC承載主觀感覺；冷信號更快更強，熱信號在高級腦區(qū)被增強。

圖4 熱觸覺感知

在自然環(huán)境中，大多數(shù)物體表面的溫度低于作者的皮膚溫度，這表明冷覺與觸覺的整合具有根本性意義。為探究冷覺與觸覺如何相互作用，一項近期研究訓練小鼠完成一項熱觸覺檢測任務。當對前爪同時施加冷卻和觸覺刺激時，感知效果優(yōu)于單獨呈現(xiàn)任一模態(tài)刺激。此外，電生理記錄顯示，初級體感皮層（S1）的前爪區(qū)域中，約30%的神經(jīng)元對皮膚的冷刺激和/或觸覺刺激有強烈反應，而僅有10%至15%的神經(jīng)元僅對冷或觸覺單一刺激有反應。聯(lián)合冷覺與觸覺刺激能激活一些在單獨接受冷或觸覺時“沉默”的神經(jīng)元，且其反應往往非線性：要么比兩者簡單相加更強（超加性），要么更弱（次加性）。其中，超加性反應通常持續(xù)更久并伴隨更多動作電位發(fā)放。有趣的是，這種增強效應僅見于冷+觸覺組合，溫熱+觸覺在S1中并未產(chǎn)生類似加性反應，說明冷覺在多感官整合中具有特殊地位。

人類研究還發(fā)現(xiàn)，由于溫度信號處理比觸覺慢，要讓兩者被感知為同時發(fā)生，溫度刺激需提前施加，冷卻需提前約幾十毫秒，溫熱則需更早。這說明大腦會自動校準不同感官的時間差，實現(xiàn)“主觀同步”。值得注意的是，哺乳動物沒有專門的濕度感受器，但能感知“濕”。這種濕感被認為源于皮膚水分蒸發(fā)引起的冷卻（通過TRPM8冷感受器）與液體流動產(chǎn)生的觸覺的整合。例如，緩慢冷卻就能讓人誤以為“皮膚濕了”；抑制TRPM8會削弱濕感判斷。動物甩水行為（如“濕狗抖動”）也依賴冷覺和觸覺共同驅動且涉及PBN。雖然濕感的高級通路尚不明確，但已有證據(jù)提示皮層參與：電刺激癲癇患者的體感皮層或島葉可誘發(fā)“涼液”感；多發(fā)性硬化癥患者常出現(xiàn)自發(fā)性濕感錯覺。此外，溫度還能直接調節(jié)觸覺神經(jīng)元的活動。例如，負責社交撫摸的無髓鞘C觸覺纖維在中性皮膚溫度（約32°C）下反應最強，過冷或過熱都會削弱其響應；而有髓鞘的普通觸覺纖維則對溫度變化不敏感。這表明C觸覺纖維可能特化用于在舒適溫度下傳遞社交觸覺信息�？傊�冷覺與觸覺的緊密整合不僅塑造了濕感等復雜感知，也揭示了大腦如何通過跨模態(tài)協(xié)作構建對物理世界的豐富體驗。

總結

這些研究揭示了趨同的神經(jīng)編碼策略，并提示在整個動物界可能存在溫度處理的基本原理。此外，它們也強調了在不久的將來有望迅速加深對溫度處理與感知的理解。

https://doi.org/10.1038/s41583-025-01001-5

參考文獻

Carta M, Vestergaard M, Poulet JFA. The neuronal circuits and cellular encoding of thermosensation. Nat Rev Neurosci. 2025 Dec 5. doi: 10.1038/s41583-025-01001-5. Epub ahead of print. PMID: 41350443.

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