為什麼冷和熱會造成痛覺?

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表面來看,滾燙的華夫餅(waffle,或稱鬆餅)烘烤模具與冰塊似乎沒有多少共同之處,但它們在某一方面具有相似性:都能給人帶來痛感。極端的熱和極端的冷都能給人類的皮膚帶來嚴重損害,而且大腦對這些極端溫度的監測方式也具有相似性。

我們經常認為皮膚和嵌入其中的神經主要負責觸覺,但是生物學家所謂的"軀體感覺"("somatosensation")實際上包括廣泛的多種感覺。

當然,它包括觸覺在內,或者說對皮膚受到機械刺激的察覺。但也包括本體感覺(proprioception),即感知身體的方向和位置的能力。還有傷害感受(nociception),這是身體感知有害刺激的能力。疼痛感是身體對傷害感受的反應。

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Image caption 我們對寒冷的反應跟身體裏的一種特定的蛋白質相關

無論疼痛感是機械的,化學的還是與溫度相關,傷害感受促使我們逃避它。把手伸到火中,由此產生的燒灼感會觸發你的身體盡快把手拿開。疼痛感可能會讓人感到不舒服,但實際上它證明了你的身體正在努力保護你的安全。假如你失去了感覺疼痛的能力,那才是真正的麻煩。

杜克大學的神經生物學家喬戈·格朗德(Jorg Grandl)說:"基本原理是感覺神經元以一組通道的方式貫穿你的整個身體,這些通道會被熱或冷的溫度直接激活。在過去的十五年裏,通過研究經過基因修改的老鼠,研究人員已經能夠證明這些通道——神經元壁內的蛋白質——與溫度的感知直接相關。

其中,科學家了解最多的是TRPV1,它對極度高溫作出反應。TRPV1在42℃(107.6°F)以下通常不會被激活。人類和老鼠通常認為這一溫度會造成痛苦。一旦你的皮膚達到該閾值,通道就被激活,它會進一步激活整個神經,並把信號傳輸到大腦,並附上一個簡單的信息:哎喲!

"對於冷而言,基本上也適用同樣的機制,"格朗德解釋道。不過對冷作出反應的蛋白質是TRPM8。它不會對極端寒冷作出反應。相反,這個通道會在遇到較冷的溫度時被激活,而不是讓人疼痛的寒冷。

剩下的是TRPA1,它可能是此類蛋白質中科學家了解程度最低的。雖然研究人員發現它會在極冷的刺激下被激活並作出響應,但不清楚它是否實際參與溫度探測的過程。

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Image caption 把你的手指伸到蠟燭的火焰上,TRPV1會被激活

這三種蛋白(TRPV1、TRPM8和TRPA1)綜合起來使皮膚能夠檢測一定範圍的溫度,並讓身體相應地作出響應。由於這些蛋白質是傷害感受器,所以它們的工作是幫助你躲避某些溫度,而非尋找它們。以攜帶缺陷版本的TRPM8受體的老鼠為例,它們不再躲避較冷的溫度。這意味著,老鼠——很可能人類也是這樣——不會主動尋找舒適的溫度。相反,他們會主動避免極冷和極熱,這就解釋了為什麼老鼠似乎更喜歡溫暖、溫和的環境。

雖然研究人員已經確定了這些TRP受體進入活躍狀態的溫度邊界,但這並不意味著它們不能被調節。畢竟,如果你被曬傷了,即使是溫水淋浴,你也會感到燙。 "研究表明,具體原因是皮膚的炎症使TRPV1通道更加敏感,"格朗德說。這一變化會降低這些神經將疼痛感覺傳達給大腦的閾值。

不僅溫度可以激活這些受體,植物也會激活它們。這也許並不讓人感到驚訝:在極熱情況下會被激活的TRPV1,在遇到辣椒素時也會被激活。辣椒素是使辣椒產生燒灼感的化合物。而TRPM8會對薄荷葉中的化學物質薄荷醇的冷卻能力產生反應。TRPA1也被稱為"芥末受體",因為它遇到芥菜植物中的化合物時會被激活。

為什麼這些被溫度激活的受體同樣也會被植物產生的化學物質激活?正如華盛頓大學分子生物學家阿賈伊·達卡(Ajay Dhaka)所解釋的,辣椒素對魚、鳥或兔子中的TRPV1沒有作用,但它會與人和嚙齒動物中相同的受體結合。 "所以,也許植物進化出辣椒素是為了讓一些動物不要吃它,把它留下,"給其他可以接受這個味道的生物食用,他說。表面上來看,在薄荷醇和芥末的進化背後也存在類似的力量。

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Image caption 對熱度產生反應的TRPV1也會被辣椒中的辣椒素激活

換句話說,植物和溫度之間的這種奇特關係或許更多的反映了植物而非動物的進化歷史。也許植物發現了一種方式來利用人類身體的這種溫度檢測能力,從而進化出一些能夠在偶然情況下激活對冷熱產生痛感的受體的化合物。

因此,當我們沾著墨西哥辣椒醬吃零食時,身體出汗並不是因為辣椒自身的任何固有屬性,只是因為辣椒素和熱度會以相同的方式激活皮膚的神經,從而對身體造成刺激。

這些植物通過利用有害刺激的受體,發現了避免被吃掉的隱秘方法……除非我們能找到一種方法來享受辛辣食物的燒灼感和芥末讓人出眼淚的味道。所以下一次如果你在吃了一碗辣椒後感到心跳加速,那麼不妨花一點時間來反思,有沒有可能這是數百萬年植物和動物之間進化鬥爭的結果。雖然至少從目前來看,我們似乎已經取得勝勢。

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