一杯热咖啡、一瓶冷汽水……我们检测物体温度的能力对生活甚至生存都至关重要,这些关键的温度感知,巩固了我们与周围世界的相互作用。
我们已经知道,从神经层面来说,大多感官可以简化成“接受外部刺激,传递信号,大脑接收信号并做出反应”。
著名神经科学家戴维·朱利叶斯(David Julius)和阿代姆·帕塔博蒂安(Ardem Patapoutian)在探索这一过程的历程中迈出了关键一步,他们发现了一系列“感受器”,顾名思义,也就是我们身体接受外部刺激的结构。
1997年,朱利叶斯在感受疼痛的神经元上识别出了受体分子TRPV1,并证明了它能被高温和辣椒素激活。随后,朱利叶斯和帕塔博蒂安分别独立确认了TRPM8是一种会对薄荷醇和寒冷产生反应的分子。
现在已经有越来越多的发现表明,TRP家族在进化史上是一个非常古老的体系。两位科学家也因为这一领域开创性的研究获得了2020年科维理神经科学奖以及2021年诺贝尔生理学或医学奖。
朱利叶斯利使用辣椒中的辣椒素来识别TRPV1,这是一种由痛苦的高温激活的离子通道。现在,已经有其他相关的离子通道被识别,科学家了解到不同的温度是如何在神经系统中诱发电信号的。(图/nobelprize.org)
然而,谜团仍然存在。近一个世纪以来,科学家还在试图确定感知温度的能力位于大脑中的哪个位置。一些人认为,大脑中存在一块独特的“热皮质”,但一直以来,关于是否存在这种特定的区域仍存在争议。
直到近日,德国马克斯-德尔布吕克分子医学中心的科学家在小鼠脑中找到了热皮质,并确定了用于探测冷暖温度的神经细胞(神经元)。研究论文已发表在《自然》上。
特定神经元的温度反应
当我们生活在这个世界时,我们离不开脑来处理来自感觉器官的信息,从而构建出对世界的有意识的感知。这些过程大部分发生在脑外部的褶皱层,也就是皮质。
先前,研究团队发现当皮肤接触到低温时,第一躯体感觉皮质中的神经元会做出反应。因此,他们猜想,高温的感知也会在这片区域被编码。在新研究中,他们在小鼠身上测试了这种假设,因为小鼠的脑与人类的非常相似。
他们让小鼠的前爪接触到温和的温度,并使用成像技术来探测脑的哪一部分对皮肤温度的变化产生了反应。令他们惊讶的是,第一躯体感觉皮质对温暖并没有反应。进一步观察后发现,在脑一侧被称为后岛叶皮质的区域中的神经元反而产生了反应。也就是说,那里似乎隐约包含着热皮质。
平均宽视野钙离子成像显示了后岛叶皮质对小鼠前爪冷刺激(左)和热刺激(右)的反应。(图/Mikkel Vestergaard, Poulet Lab, Max Delbrück Center)
接下来,他们利用双光子显微镜,观察后岛叶皮质中单个神经元的反应。结果发现,这里存在着特定的冷反应神经元和特定的暖反应神经元,以及许多对冷暖都有反应的神经元。
冷和暖的神经元的反应相当不同。暖神经元会对绝对温度产生反应,而冷神经元则对温度的相对变化有反应。冷的反应也会被更快激活,并比暖的反应更快消散。这表明,可能存在着独立的途径来感知冷与暖。
小鼠后岛叶皮质的落射荧光成像,绿色是表达钙敏感蛋白的神经元,红色是表达一般神经元标志物的神经元。(图/Mikkel Vestergaard, Poulet Lab, Max Delbrück Center)
为了最终证明岛叶皮质参与了温度感知,科学家训练小鼠报告冷或暖的温度。然后,他们使用光遗传学技术,在提供热刺激的同时暂时“关闭”后岛叶皮质。此时,小鼠就不再能感知到温度的刺激。当科学家不再抑制皮质的这一部分时,小鼠又再次出现了这种感觉。
温度的流动
未来,团队计划研究温度流从皮肤通过脊髓进入丘脑,最后进入皮质的途径。他们正在研究不同的位点,了解温度信息在哪里以及如何体现,以及它是如何沿着途径转化的。
此外,他们还在研究这个结果带来的一个更大的难题,那就是,为什么先前发现的感知冷的第一躯体感觉皮质,对暖没有反应?
科学家推测,这一区域可能负责感知复合质地,比如潮湿、光滑或者金属质感。他们猜想,可能是躯体感觉皮质中的冷表征,在某种程度上有助于辨别复合表面结构。因此,还需要更多实验才能真正了解其中的问题。
#创作团队:
撰文:Takeko
排版:雯雯
#参考来源:
https://www.mdc-berlin.de/news/press/how-brain-encodes-warm-and-cool
2021诺奖 | 我们如何感知世界?
#图片来源:
封面图&首图:Poulet Lab, Max Delbrück Center