在老鼠身上进行的新研究为大脑如何处理来自内脏的感觉信息提供了线索
我们大多数人很少考虑为什么我们会在节日大餐后感到饱腹感，为什么我们会在不小心吸入营火烟雾后开始咳嗽，或者为什么我们会在摄入有毒物质后突然恶心。然而，这些感觉对生存至关重要:它们告诉我们在任何特定时刻我们的身体需要什么，以便我们能够迅速调整我们的行为。
然而，从历史上看，很少有研究致力于理解这些基本的身体感觉——也被称为内在感觉——是在大脑活动时产生的大脑接收并解释的输入内部器官．
现在，由哈佛医学院(Harvard Medical School)的研究人员领导的一个团队在理解内部器官感知的基本生物学方面取得了新的进展，这涉及到体内细胞之间复杂的级联通信。
在8月31日发表的一项针对小鼠的研究中自然在美国，该团队使用高分辨率成像技术揭示了如何进行的空间地图神经元脑干对内部器官的反馈做出反应。
他们发现，来自不同器官的反馈会激活离散的神经元群，而不管这些信息本质上是机械的还是化学的——这些代表不同器官的神经元群在脑干中按地形组织。此外，他们还发现大脑内的抑制在帮助神经元选择性地对器官做出反应方面起着关键作用。
“我们的研究揭示了不同内部器官如何在脑干中呈现的基本原理，”第一作者、HMS细胞生物学研究员陈然说。
这项研究只是阐明内部器官如何与大脑沟通的第一步。然而，如果这一发现在包括人类在内的其他物种中得到证实，它们可以帮助科学家制定更好的治疗策略，以治疗饮食失调、膀胱过动症糖尿病、肺部疾病和高血压，这些疾病都是由于内部感觉出现问题而引起的。
“我认为是理解感觉输入是大脑如何运作的最大谜团之一，”资深作者斯蒂芬·利伯莱斯说，他是哈佛医学院布拉瓦尼克研究所的细胞生物学教授，也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。“它有助于理解大脑是如何产生感知和唤起行为的。”
研究不足，理解不足
近一个世纪以来，科学家们一直在研究大脑如何处理外部信息，形成我们用来导航世界的视觉、嗅觉、听觉、味觉和触觉等基本感官。随着时间的推移，他们汇编了他们的发现，以展示大脑中不同的感觉区域是如何组织起来代表不同的刺激的。
例如，在20世纪中期，对触觉的研究使科学家们开发了皮质侏儒躯体感觉系统这幅插图描绘了卡通的身体部位覆盖在大脑表面，每个部分的位置都与它被处理的位置对齐，并根据灵敏度按比例绘制。1981年，哈佛大学教授大卫·胡贝尔(David Hubel)和托尔斯滕·威塞尔(Torsten Wiesel)因他们在视觉方面的研究而获得诺贝尔奖。他们通过记录单个神经元对视觉刺激做出反应的电活动，系统地绘制出大脑视觉皮层的地图。2004年，另一对科学家因他们对嗅觉系统的研究而获得诺贝尔奖，他们在研究中发现了数百个嗅觉感受器，并准确地揭示了气味输入在鼻子和大脑中的排列方式。
然而，到目前为止，大脑感知并组织来自内脏的反馈，以调节饥饿、饱腹、口渴、恶心、疼痛、呼吸、心率和血压等基本生理功能的过程仍然是神秘的。
Liberles说:“大脑如何接收来自身体内部的输入，以及它如何处理这些输入，目前还没有得到充分的研究和理解。”
冉然补充说，这可能是因为内部感知比外部感知更复杂。他解释说，外部感官倾向于以单一格式接收信息。例如，视觉完全基于对光的探测。
相比之下，内部器官传递信息机械力荷尔蒙、营养物质、毒素、温度等等，每一种都可以作用于多个器官，转化为多种生理反应。例如，当机械拉伸发生在膀胱时，它表示需要排尿，但当它发生在胃部时，它就会转化为饱腹感，并触发反射，停止肺部的吸入。
一群神经元
在他们的新研究中，Liberles, Ran和他们的同事们集中研究了一个叫做孤束核(NTS)的脑干区域。
据了解，NTS通过迷走神经接收来自内脏的感觉信息。它将这些信息传递给调节生理反应和产生行为的高级大脑区域。通过这种方式，NTS充当了大脑的内部感觉通道。
研究人员使用了一种名为双光子钙成像的强大技术，该技术可以测量大脑中单个神经元的钙水平，作为神经元活动的代表。
研究小组将这项技术应用于暴露于不同类型的内部器官刺激的小鼠，并使用显微镜同时记录了NTS中数千个神经元随时间的反应。由此产生的视频显示神经元在整个NTS中被点亮，就像夜空中闪烁的星星一样。
传统的成像技术包括在单个时间点插入一个电极来记录一小群神经元，“就像一次只能看到图像的几个像素，”Ran说。“我们的技术就像一次看到所有像素，以高分辨率显示整个图像。”
研究小组发现，不同内部器官的刺激——例如，胃和喉头——通常会激活NTS中不同的神经元簇。相比之下，研究人员发现，在几个案例中，同一器官的机械和化学刺激往往会引起相同的生理反应(如咳嗽或饱腹)，从而激活了脑干中重叠的神经元。这些发现表明，特定的神经元群可能专门代表特定的器官。
此外，研究人员发现，NTS的反应被组织成一个空间地图，他们称之为“内脏侏儒”，这是对几十年前形成的类似皮层侏儒的致敬。
最后，科学家们确定，从内部器官到脑干的信号需要抑制神经元。当他们使用药物阻断抑制时，脑干中的神经元开始对多个器官做出反应，失去了先前的选择性。
Ran说，这项工作为“系统地研究整个大脑内部感觉的编码”奠定了基础。
未来的基础
这些发现提出了许多新问题，其中一些是HMS团队想要解决的。
冉对研究如何脑干传达内部感觉信息到产生诸如饥饿、疼痛或口渴等感觉的高阶大脑区域。
Liberles想要探索内部传感系统是如何在分子水平上工作的。特别是，他想确定主要的感觉受体，检测机械和化学刺激的器官。
未来研究的另一个领域是该系统在胚胎发育期间是如何建立的。Liberles说，新的发现表明，仅仅观察神经元类型是不够的;研究人员还必须考虑神经元在大脑中的位置。
他说:“我们需要研究神经元类型及其位置之间的相互作用，以了解电路是如何连接的，以及不同细胞类型在不同电路环境下的作用。”
Liberles还对这些发现如何推广到包括人类在内的其他动物感兴趣。他指出，虽然物种之间的许多感觉途径是保守的，但也存在重要的进化差异。例如，一些动物没有表现出咳嗽或呕吐等基本行为。
如果在人类身上得到证实，这一研究结果最终将有助于开发出更好的治疗方法，以治疗因内部感觉系统故障而引起的疾病。
冉教授说:“通常情况下，这些疾病的发生是因为大脑收到了来自内脏的异常反馈。”“如果我们能很好地了解这些信号在大脑中的编码差异，我们也许有一天能够弄清楚如何劫持这个系统并恢复正常功能。”
其他作者还包括HMS的Jack Boettcher, Judith Kaye和Catherine Gallori。
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