我们大多数人很少想到为什么我们在吃了一顿丰盛的节日大餐后感到愉快，为什么我们在不小心吸入篝火烟雾后开始咳嗽，或者为什么我们在摄入有毒物质后突然感到恶心。然而，这种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，以便我们能够快速调整自己的行为。
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 - 也称为内部感官 - 当大脑接收和解释来自内部器官的输入时产生。
现在，由哈佛医学院研究人员领导的一个团队在理解内部器官传感的基本生物学方面取得了新的进展，这涉及体内细胞之间复杂的通信级联。
在8月31日发表在《自然》杂志上的一项在小鼠身上进行的研究中，研究小组使用高分辨率成像揭示了脑干中神经元如何响应内脏器官反馈的空间图。
他们发现，来自不同器官的反馈会激活离散的神经元簇，无论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是地形组织的。此外，他们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脏器官在脑干中如何代表的基本原理，”主要作者，HMS细胞生物学研究员Chen Ran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，如果这些发现在其他物种(包括人类)中得到证实，它们可以帮助科学家为进食障碍，膀胱过度活动症，糖尿病，肺部疾病和高血压等疾病制定更好的治疗策略，这些疾病在内部传感出错时会出现。
“我认为了解大脑如何编码感觉输入是大脑如何工作的最大谜团之一，”资深作者斯蒂芬·利伯尔斯(Stephen Liberles)说，他是HMS布拉瓦特尼克研究所的细胞生物学教授，霍华德休斯医学研究所的研究员。“它为理解大脑如何产生感知和唤起行为提供了进展。
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，以形成我们用来导航世界的视觉，嗅觉，听觉，味觉和触觉的基本感官。随着时间的推移，他们已经汇编了他们的发现，以显示大脑中的各种感觉区域是如何组织起来代表不同的刺激的。
例如，在1900年代中期，对触摸的研究导致科学家为躯体感觉系统开发了皮质人身 - 一幅描绘覆盖在大脑表面的卡通身体部位的插图，每个部分的位置都与处理它的位置对齐，并根据灵敏度绘制成比例。
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)因其对视觉的研究而获得诺贝尔奖，他们在视觉方面的研究通过记录对视觉刺激做出反应的单个神经元的电活动，有条不紊地绘制了大脑的视觉皮层。2004年，另一对科学家因其对嗅觉系统的研究而获得诺贝尔奖，他们在其中确定了数百个嗅觉受体，并精确地揭示了气味输入如何在鼻子和大脑中排列。
然而，直到现在，大脑感知和组织来自内脏器官的反馈以调节饥饿，饱腹感，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。
“大脑如何从体内接收输入以及它如何处理这些输入已经被大大低估了，也知之甚少，”Liberles说。
这可能是因为内部传感比外部传感更复杂，Ran补充道。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检测。
相比之下，内部器官通过机械力，激素，营养素，毒素，温度等传递信息 - 每个器官都可以作用于多个器官并转化为多种生理反应。例如，机械拉伸在膀胱中发生时表示需要排尿，但当它发生在胃中时会转化为饱腹感，并触发反射以停止肺部的吸入。
一组神经元
在他们的新研究中，Liberles，Ran及其同事专注于称为孤独束核或NTS的脑干区域。
已知NTS通过迷走神经从内脏器官接收感觉信息。它将这些信息传递给调节生理反应并产生行为的高阶大脑区域。通过这种方式，NTS充当大脑的内部感觉网关。
研究人员使用了一种称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中的钙水平，作为神经元活动的代表。
该团队将这种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中点亮，就像星星在夜空中眨眼和闪烁一样。
Ran说，传统的成像技术涉及插入电极以在单个时间点记录一小组神经元，“就像一次只能看到图像的几个像素”。“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，不同内脏器官的刺激 - 例如，胃与喉部 - 通常会激活NTS中的不同神经元簇。相比之下，研究人员发现了几种情况，其中同一器官中的机械和化学刺激通常引起相同的生理反应(例如咳嗽或饱腹感)激活脑干中重叠的神经元。这些发现表明，特定的神经元组可能专用于代表特定的器官。
此外，研究人员发现，NTS中的响应被组织为空间地图，他们称之为“内脏人”，以向几十年前开发的类似皮质人脉致敬。
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官的编码”奠定了基础。
未来的基础
调查结果提出了许多新问题，其中一些HMS团队希望解决。
Ran感兴趣的是研究脑干如何将内部感觉信息传递到产生感觉的高阶大脑区域，例如饥饿，疼痛或口渴。
Liberles希望探索内部传感系统如何在分子水平上工作。特别是，他想确定检测器官内机械和化学刺激的主要感觉受体。
未来研究的另一个领域是该系统在胚胎发育过程中是如何建立的。Liberles说，新发现表明，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。
“我们需要研究神经元类型与其位置之间的相互作用，以了解电路是如何连接的，以及不同的细胞类型在不同电路的背景下做了什么，”他说。
Liberles还对这些发现对包括人类在内的其他动物的可推广性感兴趣。他指出，虽然许多感官途径在物种之间是保守的，但也存在重要的进化差异。例如，一些动物不表现出咳嗽或呕吐等基本行为。
如果在人类中得到证实，研究结果最终可以为开发更好的治疗方法提供信息，以应对内部感觉系统发生故障时出现的疾病。
“这些疾病的发生往往是因为大脑从内部器官接收到异常反馈，”Ran说。“如果我们对这些信号如何在大脑中差分编码有一个很好的了解，我们有一天可能能够弄清楚如何劫持这个系统并恢复正常功能。
其他作者包括杰克·博彻，朱迪思·凯伊和HMS的凯瑟琳·加洛里。
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