Nat Rev Neurosci 深度解密大脑里的“温度解码器”——我们如何感知“温暖”与“凉爽”？

来源：brainnews

处理温度信息的神经环路在塑造躯体感觉感知、调节核心体温以及避免伤害方面发挥着关键作用。与其他感觉系统相比，温度感知的神经环路机制尚不十分清楚，但近期研究已逐步揭示了其神经连接方式、细胞编码原理及其与感知的关联。传统上，温度感知被视为一种较慢且起调节作用的感觉，如今则被认识到是一种快速而灵敏的感觉系统，具备多感官整合和感觉错觉等复杂特征。近日，柏林夏里特医学院James. F. A. Poulet，哥本哈根大学Mikkel Vestergaard，波尔多大学Mario Carta共同在Nature Reviews Neuroscience发表相关综述。本文重点介绍近年来在无害性温度信息处理与感知方面的研究进展，并尝试归纳哺乳动物和昆虫中温度感知系统的神经连接原则及温度的细胞编码机制。有趣的是，尽管“温暖”与“凉爽”反映的是同一物理属性（温度），它们在神经系统中的感知和编码却存在显著差异。作者认为，温度感知系统是深入理解感觉感知神经机制及感觉引导行为的理想模型。

图1 动物界中的温度相关行为

温度无处不在，从外部环境到体内组织，一切都有温度。动物栖息在冷热差异极大的环境中：哺乳动物通过内部调节维持恒定体温（恒温），而昆虫体温则随环境剧烈波动（变温）。这种多样的热环境不仅是生存挑战，更是关键的感觉信息来源。准确感知温度对避开极端环境、维持体温稳态、识别物体、觅食、社交行为乃至痛觉都至关重要。尽管如此，温度感知的神经机制长期被忽视，直到近年借助小鼠、果蝇等模型才逐步揭示其背后的脑区与细胞编码策略。“温度系统”指所有参与检测和处理体内或环境温度的神经元，它不仅驱动个体趋避行为，也支持母子依偎、蜜蜂群体温控等复杂社会行为，甚至演化出蛇类红外捕食等特化机制。传统上认为哺乳动物存在两条通路：一条负责温度感知，另一条负责体温调节，但二者在解剖和功能上高度交织，共享温度感受器输入且相互影响。核心分子基础是初级感觉神经元表达的热敏离子通道，尤其是瞬时受体电位（TRP）家族及其在昆虫中的同源物，它们在特定冷热范围内被激活；利用基因敲除动物已极大推动了对温度行为的理解。总之，温度不仅是物理参数，更是大脑构建认知、指导适应性行为的重要维度，深入理解其神经基础有望揭示感觉整合与行为调控的新原理。

图2 与环境的热交互

生物体的热环境指的是影响其与周围进行热交换的各种物理条件。皮肤作为主要的温度感受器官，通过传导、辐射和对流与环境互动。当皮肤接触物体时，热量会通过传导在两者之间流动，直到温度平衡。如果物体比皮肤热，我们会感到“暖”；如果更冷，则感到“凉”。皮肤温度变化的幅度受多种因素影响，包括皮肤和物体的初始温度、表面粗糙度、导热性和热容量。由于皮肤导热性低但热容量高，它其实是个不错的“隔热层”。研究认为，我们感知到的温度并非来自皮肤最表层，而是来自温度感受神经末梢所在的深层（约100微米处）。缓慢的温度变化能让热量均匀传入深层，而快速变化则导致表层和深层温差更大，可能影响冷暖判断。此外，冷觉和温觉的感受器在皮肤中的分布也不同：冷觉纤维多在较浅层，温觉纤维则位于更深的真皮层，这也可能影响感知差异。值得注意的是，在室温（约22°C）下，人和灵长类的手部温度通常为30-34°C，高于大多数物体，因此接触时常会散热而感觉“凉”。而小鼠因体型小、皮肤薄、脂肪少、保温能力弱，足垫温度更容易受环境影响，往往更接近物体温度，能更快达到热平衡。这意味着小鼠和人类在温度感知上可能存在根本差异。未来若能用热纳米传感器直接在神经末梢处测量温度，将有助于真正弄清我们“感觉到的温度”到底来自哪里。

图3 哺乳动物温度感知的细胞编码原理

理解感觉感知的神经机制，需要详细了解感觉环路在宏观与微观尺度上的连接方式，以及信号在通路各阶段的细胞编码规律。温度感知系统尤为复杂，它将初级传入神经元与高级脑区广泛连接，并包含多个解剖上分离、功能各异的子环路。温度信息进入中枢神经系统后，主要经由两条通路处理：一条通过外侧臂旁核（PBN）投射至下丘脑视前区（POA）主导体温调节；另一条经丘脑上传至皮层，负责主观温度感知。尽管传统认为二者独立，但它们共享外周输入并在PBN等节点存在复杂交互。外周温度感受器位于背根神经节（身体）和三叉神经节（头面部），主要通过传导快的Aδ纤维（多响应冷）和传导慢的C纤维（响应冷或热）将信号传入脊髓或脑干，再经丘脑中继至皮层。长期以来，初级体感皮层（S1）被认为参与温度感知，但其对温热反应微弱，更可能负责触觉与温度的整合（如金属的“凉感”）；而岛叶后部皮层（pIC）现被确认为温度意识的核心区域：人类和小鼠研究均显示，pIC具有躯体定位的冷热表征且抑制其活动可直接阻断温度感知。在外周，温度编码以“标记线”为主（冷/热由不同神经元专一响应），但到丘脑和皮层，越来越多神经元能整合冷热信息。值得注意的是，冷信号始终占优势：冷敏神经元数量更多、反应更快（常呈瞬时放电），而热反应起始慢、持续时间长，这与行为上对冷更敏感的现象一致。温度强度主要通过“幅度编码”表示：刺激越强，神经反应越强；但在常见皮肤温度（约32°C）下，冷热编码呈不对称性：冷刺激引发快速、早饱和的反应，热刺激则缓慢渐进，这种差异贯穿整个通路。综上，哺乳动物的温度感知依赖多层次机制：外周分工明确，中枢逐步整合；S1侧重多模态融合，pIC承载主观感觉；冷信号更快更强，热信号在高级脑区被增强。

图4 热触觉感知

在自然环境中，大多数物体表面的温度低于作者的皮肤温度，这表明冷觉与触觉的整合具有根本性意义。为探究冷觉与触觉如何相互作用，一项近期研究训练小鼠完成一项热触觉检测任务。当对前爪同时施加冷却和触觉刺激时，感知效果优于单独呈现任一模态刺激。此外，电生理记录显示，初级体感皮层（S1）的前爪区域中，约30%的神经元对皮肤的冷刺激和/或触觉刺激有强烈反应，而仅有10%至15%的神经元仅对冷或触觉单一刺激有反应。联合冷觉与触觉刺激能激活一些在单独接受冷或触觉时“沉默”的神经元，且其反应往往非线性：要么比两者简单相加更强（超加性），要么更弱（次加性）。其中，超加性反应通常持续更久并伴随更多动作电位发放。有趣的是，这种增强效应仅见于冷+触觉组合，温热+触觉在S1中并未产生类似加性反应，说明冷觉在多感官整合中具有特殊地位。

人类研究还发现，由于温度信号处理比触觉慢，要让两者被感知为同时发生，温度刺激需提前施加，冷却需提前约几十毫秒，温热则需更早。这说明大脑会自动校准不同感官的时间差，实现“主观同步”。值得注意的是，哺乳动物没有专门的湿度感受器，但能感知“湿”。这种湿感被认为源于皮肤水分蒸发引起的冷却（通过TRPM8冷感受器）与液体流动产生的触觉的整合。例如，缓慢冷却就能让人误以为“皮肤湿了”；抑制TRPM8会削弱湿感判断。动物甩水行为（如“湿狗抖动”）也依赖冷觉和触觉共同驱动且涉及PBN。虽然湿感的高级通路尚不明确，但已有证据提示皮层参与：电刺激癫痫患者的体感皮层或岛叶可诱发“凉液”感；多发性硬化症患者常出现自发性湿感错觉。此外，温度还能直接调节触觉神经元的活动。例如，负责社交抚摸的无髓鞘C触觉纤维在中性皮肤温度（约32°C）下反应最强，过冷或过热都会削弱其响应；而有髓鞘的普通触觉纤维则对温度变化不敏感。这表明C触觉纤维可能特化用于在舒适温度下传递社交触觉信息。总之，冷觉与触觉的紧密整合不仅塑造了湿感等复杂感知，也揭示了大脑如何通过跨模态协作构建对物理世界的丰富体验。

总结

这些研究揭示了趋同的神经编码策略，并提示在整个动物界可能存在温度处理的基本原理。此外，它们也强调了在不久的将来有望迅速加深对温度处理与感知的理解。

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

参考文献

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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