Nat Rev Neurosci 深度解密大腦里的“溫度解碼器”——我們如何感知“溫暖”與“涼爽”？

來源：brainnews

處理溫度信息的神經環路在塑造軀體感覺感知、調節核心體溫以及避免傷害方面發揮著關鍵作用。與其他感覺系統相比，溫度感知的神經環路機制尚不十分清楚，但近期研究已逐步揭示了其神經連接方式、細胞編碼原理及其與感知的關聯。傳統上，溫度感知被視為一種較慢且起調節作用的感覺，如今則被認識到是一種快速而靈敏的感覺系統，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的神經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），它們在神經系統中的感知和編碼卻存在顯著差異。作者認為，溫度感知系統是深入理解感覺感知神經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境中：哺乳動物通過內部調節維持恒定體溫（恒溫），而昆蟲體溫則隨環境劇烈波動（變溫）。這種多樣的熱環境不僅是生存挑戰，更是關鍵的感覺信息來源。準確感知溫度對避開極端環境、維持體溫穩態、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與細胞編碼策略。“溫度系統”指所有參與檢測和處理體內或環境溫度的神經元，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，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。總之，溫度不僅是物理參數，更是大腦構建認知、指導適應性行為的重要維度，深入理解其神經基礎有望揭示感覺整合與行為調控的新原理。

圖2 與環境的熱交互

生物體的熱環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機制，需要詳細了解感覺環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律。溫度感知系統尤為復雜，它將初級傳入神經元與高級腦區廣泛連接，并包含多個解剖上分離、功能各異的子環路。溫度信息進入中樞神經系統后，主要經由兩條通路處理：一條通過外側臂旁核（PBN）投射至下丘腦視前區（POA）主導體溫調節；另一條經丘腦上傳至皮層，負責主觀溫度感知。盡管傳統認為二者獨立，但它們共享外周輸入并在PBN等節點存在復雜交互。外周溫度感受器位于背根神經節（身體）和三叉神經節（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）現被確認為溫度意識的核心區域：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/熱由不同神經元專一響應），但到丘腦和皮層，越來越多神經元能整合冷熱信息。值得注意的是，冷信號始終占優勢：冷敏神經元數量更多、反應更快（常呈瞬時放電），而熱反應起始慢、持續時間長，這與行為上對冷更敏感的現象一致。溫度強度主要通過“幅度編碼”表示：刺激越強，神經反應越強；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側重多模態融合，pIC承載主觀感覺；冷信號更快更強，熱信號在高級腦區被增強。

圖4 熱觸覺感知

在自然環境中，大多數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，感知效果優于單獨呈現任一模態刺激。此外，電生理記錄顯示，初級體感皮層（S1）的前爪區域中，約30%的神經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%的神經元僅對冷或觸覺單一刺激有反應。聯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更久并伴隨更多動作電位發放。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。

人類研究還發現，由于溫度信號處理比觸覺慢，要讓兩者被感知為同時發生，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“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引起的冷卻（通過TRPM8冷感受器）與液體流動產生的觸覺的整合。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，但已有證據提示皮層參與：電刺激癲癇患者的體感皮層或島葉可誘發“涼液”感；多發性硬化癥患者常出現自發性濕感錯覺。此外，溫度還能直接調節觸覺神經元的活動。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。總之，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協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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