然而，从历史上看，很少有研究致力于了解这些基本的身体感觉——也被称为内部感觉——当大脑接收并解释来自内部器官的输入时产生的感觉。

现在，由哈佛医学院(Harvard Medical School)的研究人员领导的一个团队在了解内部器官感知的基础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。

“我们的研究揭示了不同的内部器官如何在脑干中表现的基本原理，”该研究的第一作者、哈佛医学院细胞生物学研究员Chen Ran说。在8月31日发表在《自然》(Nature)杂志上的一项以小鼠为研究对象的研究中，研究小组使用高分辨率成像技术揭示了脑干神经元如何对内部器官反馈做出反应的空间地图。

他们发现，来自不同器官的反馈激活了离散的神经元簇，不管这个信息在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按地形组织的。此外，他们还发现，大脑中的抑制作用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。

这项研究只是阐明内脏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开发出更好的治疗策略，用于治疗饮食失调、膀胱过度活跃、糖尿病、肺部疾病和内部感知出错引起的高血压等疾病。

哈佛医学院布拉瓦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Stephen Liberles说:“我认为，理解感官输入是如何被大脑编码的，是大脑如何工作的最大谜团之一。它为理解大脑如何产生感知和唤起行为提供了突破口。”

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，从而形成我们用来导航世界的基本视觉、嗅觉、听觉、味觉和触觉。随着时间的推移，他们整理了他们的发现，以展示大脑中各种感觉区域是如何组织起来，以代表不同的刺激。

例如，在20世纪中期，对触觉的研究促使科学家们开发出了体感系统的cortex homunculus——这是一幅插图，描绘了卡通化的身体部位覆盖在大脑表面，每个部位的位置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David Hubel和Torsten Wiesel因视觉研究获得了诺贝尔奖。他们通过记录个体神经元对视觉刺激做出反应的电活动，系统地绘制了大脑视觉皮层的地图。2004年，另一对科学家因对嗅觉系统的研究而获得诺贝尔奖，他们在研究中识别了数百种嗅觉受体，并精确地揭示了气味输入是如何在鼻子和大脑中安排的。

然而，到目前为止，大脑感知和组织来自内部器官的反馈，以调节基本生理功能，如饥饿、饱腹、口渴、恶心、疼痛、呼吸、心率和血压的过程仍然是一个谜。

“大脑如何从身体内部接收输入信息，以及它如何处理这些输入信息，这方面的研究还远远不够，人们对它的理解也很差，”Liberles说。

Ran教授补充说，这可能是因为内部感知比外部感知更复杂。他解释说，外部感官接收信息的方式往往是单一的。例如，视觉完全是基于对光线的探测。

相比之下，内部器官通过机械力、激素、营养、毒素、温度等传递信息——每一种都可以作用于多个器官，并转化为多种生理反应。例如，当膀胱发生机械拉伸时，会发出需要排尿的信号，但当胃发生机械拉伸时，会转化为饱腹感，并触发反射来停止肺部的吸入。

一群神经元

在他们的新研究中，Liberles、Ran和同事们把重点放在了一个被称为孤束核(NTS)的脑干区域。

据悉，NTS通过迷走神经接收内脏器官的感觉信息。它将这些信息传递到调节生理反应和产生行为的高阶大脑区域。通过这种方式，NTS充当了大脑的内部感官通道。

研究人员使用了一种强大的技术，称为双光子钙成像，测量大脑中单个神经元的钙水平，作为神经元活动的代理。

研究小组将这项技术应用于暴露在不同类型内部器官刺激下的小鼠，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。产生的视频显示，神经元在整个NTS中发光，就像夜空中闪烁的星星一样。

传统的成像技术，包括插入一个电极，在一个单一的时间点记录一小群神经元，“就像一次只能看到一个图像的几个像素，”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，刺激不同的内部器官——例如，胃和喉头——通常会激活NTS中不同的神经元簇。与此相反，研究人员发现，在几个案例中，同一器官的机械和化学刺激常常引发相同的生理反应(如咳嗽或饱足)，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，他们将其称为“内脏侏儒（visceral homunculus）”，以呼应几十年前发展起来的类似的皮层侏儒。

最后，科学家们确定，从内部器官到脑干的信号传递需要神经元的抑制。当他们使用药物来阻断抑制时，脑干中的神经元开始对多个器官做出反应，失去了它们的优先选择性。

Ran教授说，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。

为未来打下基础

这些发现提出了许多新的问题，其中一些是英国皇家海军研究小组想要解决的。Ran对脑干如何将内部感觉信息传递给产生饥饿、疼痛或口渴等感觉的高阶大脑区域感兴趣。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，他想要确定在器官内检测机械和化学刺激的主要感觉感受器。

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和它们的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的电路环境下做什么，”他说。

Liberles还对研究结果对包括人类在内的其他动物的推广程度感兴趣。他指出，虽然许多感官通路在物种间是保守的，但也有重要的进化差异。例如，有些动物不会表现出咳嗽或呕吐等基本行为。

如果能在人类身上得到证实，这项研究结果最终将有助于开发出更好的治疗方法，治疗因内部感觉系统故障而引起的疾病。

Ran教授说:“通常这些疾病的发生是因为大脑从内部器官收到了异常的反馈。如果我们很好地了解了这些信号在大脑中是如何被不同编码的，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。”