作者:名古屋大学 陈书蕊

牙齿表面覆盖着一层坚硬的牙釉质,保护内部组织的同时还增强了咀嚼食物的能力。这层牙釉质像牙齿的铠甲,只要不触及铠甲之下的组织,酸甜苦辣的滋味和冷热便不易被牙齿察觉到。但是,当细菌或酸性物质等腐蚀了牙釉质,内部被暴露出来,甚至形成空洞,也就是“蛀牙”时,牙齿就会变得非常敏感。

这本来是每个人都会有的生活常识,但是如果打破砂锅问到底,比如追问牙齿为什么会对各种刺激产生反应,这一过程中人体到底发生了哪些奇妙的生物化学变化,恐怕谁都没法给出像样的答案。

近期,有一篇发表在《Science Advances》的文章就对上面的问题给出了初步的看法,原来我们的牙齿中藏着一整套可以感知寒冷等刺激的系统,而这也正是许多蛀牙患者在吃雪糕时感到疼痛的原因。

其实,不光是牙齿,人体全身都分布着各种温度传感器,它们将收集到的温度信息汇报给大脑中的体温调节中枢,中枢再指挥身体做出适宜的反应。这套系统的复杂和精妙程度,简直可以秒杀各种高精尖的传感器和机器人,着实令人感叹进化的神奇。

不光是牙齿,人体温度调节系统遍布全身

我们先来看看牙齿之外的人体组织是如何感受周围环境温度的变化,并且保持体温恒定的。人体的体温调节系统可以分为三个部分:温度感受器、体温调节中枢以及受其支配的汗腺、皮肤血管等。这套系统存在个体差异,因此才会有人更怕冷、有人更怕热。

体温调节的第一步是感知温度。在人体的皮肤、黏膜、腹腔内脏等地方分布着无数的温度感受器,当它们受到冷热刺激时,就会产生神经冲动并向大脑发出脉冲信号。这些感受器的响应温度范围不同,人类的体表感受也由此分而成寒冷、凉爽、温暖、炎热四种。

例如,温感受器是网状分布在表皮颗粒层毛囊根鞘周围的游离神经末梢,当皮肤温度为35摄氏度左右时,温感受器最敏感,人体将由此而感到温暖;而冷感受器是位于皮肤浅层的小柱形球状小体,当皮肤温度为30摄氏度左右时表现最活跃,人体由此而产生冷的感觉。

这些温度感受器的生物学本质,其实是一种特殊的离子通道——瞬时受体电位通道(TRP channel)。在不同的温度范围内,相应的离子通道会打开,通过电信号和化学信号之间的相互转换,最终将神经冲动传递到下丘脑的体温调节中枢,让它感知到相应的温度。

体温调节中枢分为产热中枢和散热中枢,在接收到瞬态的冷热感觉刺激后,它们将对刺激信号进行整合,再去调控骨骼肌、皮肤血管和汗腺等,从而对产热和散热的过程进行促进或抑制,以维持体温的恒定。当环境温度低时,兴奋的冷觉感受器将神经冲动传至产热中枢,继而引起骨骼肌紧张度增加,产热增多;同时,散热中枢受到抑制,导致皮肤血管收缩、汗腺停止分泌,散热较少。反之,环境温度很高时热感受器以及散热中枢兴奋、冷感受器及产热中枢抑制,因此皮肤血管舒张、汗腺分泌增加。

疼痛还是温度,人体感受系统大有不同

与体温相似,疼痛也是生命体征中重要的一部分,人体通过疼痛对疾病和外伤进行预警,进而保护身体。在皮肤、肌肉、关节等肌体表层以及脏器等深层遍布着痛觉感受器,由游离的神经末梢组成,但与温度传感器稍有不同的是,它们接受的是刺激是来自受损组织释放的化学物质,而不是对温度变化这样的物理刺激产生神经冲动。

当机体受到伤害性刺激,组织损伤会引起受损细胞释放某些化学物质(如前列腺素、缓激肽、5-羟色胺、H+、K+等),兴奋痛觉感受器,随后产生传入冲动,并将这一信号送达到皮层的第一感觉区、第二感觉区等部位,产生痛觉。

神奇蛋白质令牙齿感知寒冷

随着四季的更迭,我们可以知冷暖而添衣减衣,但是牙齿感受到了冷暖,却常常表现为疼痛。这其实是一个“深不可测”的话题,比如为什么牙齿会把温度信号变成痛觉信号,就让我们难以回答。在这篇最新发表的论文中,研究人员解释了牙齿感知寒冷的系统中,涉及到的分子及细胞。他们发现,在成牙本质细胞中,含有能够感知温度下降的冷敏感蛋白TRPC5和TRPC1,并且它们能将感知到的寒冷最终转化为大脑中的痛感。

这项研究的难点在于,想要弄清牙齿内部的组织,必须将牙釉质敲碎,而同时不能破坏内部的牙髓、神经及血管。然而一旦敲掉牙釉质,整个牙就会碎掉,因此研究人员用一种巧妙的办法解决了这个实验观测上的难题。他们将下颚骨、牙齿及牙神经作为一个整体,来记录牙齿接触到冰凉的液体后的神经活动。

研究发现,在正常对照组中,寒冷刺激会使神经活动变得兴奋,这表明牙齿感知到了寒冷;而在牙齿缺少TRPC5冷敏感蛋白的实验组中,同样的刺激并不会使神经兴奋。也就是说,TRPC5是感知寒冷的重要途径。并且,TRPC1也有类似的效应。

随后,他们将成牙本质细胞中的TRPC5分离出来,在一个细胞上表达大量的TRPC5,我们可以理解为这一过程就是让某个细胞中的TRPC5含量大量增加。结果,研究人员观察到这个细胞对寒冷刺激非常敏感,且可以将刺激信号更快速地传导到大脑,并在大脑中转化为痛觉感受。

科研人员们提出,这项研究的成果不光在于揭示牙齿感受寒冷的分子机制。同时,TRPC5冷感蛋白无疑可以作为一个很好的分子靶点,通过阻断或抑制TRPC5通路,我们就可以减轻牙齿敏感和牙痛带来的烦恼。当然,这一设想要成为现实还需要科学家们进一步的研究和开发。

本质上来说,人体对于各个体征的调控,就是对于化学系统的利用。当化学物质在细胞膜内外浓度差异足够大,其带来的电荷量改变会以电信号的形式,通过神经元快速传导到发挥指挥官作用的中枢系统。接收到这个信号的中枢系统会进行信息的整合与处理,从而判断出在当下环境,人体应该采取的应对措施。

对于人体的感觉系统来说,每一种信号都是一种特异性的提示。春暖夏凉我们能感受到,酸甜苦辣我们能品尝到。更重要的是,丰富多彩的感觉帮助我们尽早发现和抵御疾病。

来源: 科普中国-星空计划(创作培育)

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