发烧时掉进兔子洞丨混乱博物馆

审视「感到冷」这个过程,我们可以将其拆解为几个部分(接收刺激——传递信号——处理信号——动作反馈),分别由相应的细胞,组织,系统和器官,行使特定功能来完成(传感器 —— 神经系统——神经中枢——肌肉,骨骼,腺体等等)。无论是神经系统,还是神经中枢,所传递和处理的都是生物电信号。
这就需要「传感器」,将物理接触转化为可以被处理的信号。在人体内,「瞬态电压感受器阳离子通道(TRP:transient receptor potential cation channel)」就是这么一类可以将「温度」转化为生物电信号的蛋白。
通过观察总结,人们大致确定了TRPM8(TRP的一个亚种)的活性温度在15~26℃。在被激活后,TRPM8上的S1~S4所构成的「门」会被打开,并允许Ca2+、Na+顺着S5、S6构成的孔进入细胞内 ,导致去极化动作电位的产生 。动作电位顺着神经系统一路传递到大脑,并最终转化为具体的感受。
一种理论认为 ,在人的下丘脑处有一个体温「设定点」(体温调节中枢)。下丘脑在统合了温度信息后会与「设定点」做比较,再发出对应的信号给大脑,作为主观判断(感觉)的参考。同时,调动一些非意识层面的机制来使体温回归「设定点」(像是骨骼肌,内脏产热;汗腺分泌,血管舒张等),这是人得以维持恒温的基础。
「设定点」并非完全定死不动,比方说当神经中枢接收到炎症因子的信号后,「设定点」就会上升。此时,尽管体温未变,但是下丘脑判断输入体温小于「设定点」,就会一直给大脑打小报告,并且调动升温机制。这就是为什么发烧的时候不仅主观上感到冷,身体的各类表现(不流汗,血流加速,打颤)也是向着「升温」而去。
为了预防脆弱的脑细胞因长时间高温受损(体温>39℃),一些人往往用冰敷,对发烧病人的头部进行物理降温。为了规避物理低温对组织的损伤,他们会在额头皮肤上涂抹薄荷醇溶液来替代传统冰袋。这是因为薄荷醇的「降温」实际上是走了「传感器」的后门。在最近的研究中科学家们推测,是薄荷醇与TRPM8结合形成的构象变化(conformational change),导致通道被打开。
在没有颠覆性的发现之前,以上都是暂定的较为有共识的结论。如果你希望获得新知,解决问题,大可就此止步。因为接下来将要继续深入,并会因此引出许多新问题。
首先,依「设定点」学说推导,薄荷醇带来的「冷感」理应引发身体的保温机制(收缩毛孔和毛孔,打冷颤,升温)。但在实际的使用过程中,这样的传导关系并非是唯一的,存在大量「例外」。比如,使用大量薄荷醇涂抹后,很多个体还会出现又「冷」又「热」的感觉。亦或是,在使用薄荷醇消炎的过程中,人们发现了它能起到舒张血管,散热镇痛的作用。从系统的整体性来看,这无疑与之前的说法相互矛盾。
为了解释这种现象,一些研究者认为,由于TRPM8是多模(polymodal)的,会响应多种刺激(机械、温度、化学)并通过不同的生化路径发出信号。当薄荷醇与一大片神经细胞接触时,会产生大量不同的信号(其中就包含了舒张血管的信号)并被传导至神经中枢。
信号处理是具有时序性的,神经中枢在处理信息时会因为神经结构的不同,优先处理一部分信息。就像老板面前的多份报告,一些人喜欢先看好消息,另一些则喜欢先看坏消息 。由此,影响了后续反馈动作的顺序。
科学家还发现薄荷醇不仅和TRPM8结合,还会与TRPV3结合。TRPV3是一种非选择性的阳离子通道蛋白,且活性温度在22~40℃。TRPV3与薄荷醇的结合会引起「热感」并可能诱导促消解介质(SPM: specialized pro-resolving mediators)的生成,以达到消炎的目的。
简单翻译下就是:薄荷醇引起的感受和生理反应是个多成因的复杂问题≈我不知道。
好吧,既然在「系统性」的解释上遇到了瓶颈,那么我们往小了走,看看离子通道具体是如何被打开的。制药行业对TRPM8感兴趣是因为它不光广泛存在于体表,在其他深层组织中也有它的存在,并可能与很多疾病相关。比如与偏头痛易感的相关性,在前列腺癌、乳腺癌中的异常表达等等。寻找更多的TRPM8的天然结合体,或是探索其在不同温度下变形的机理,有助于科学家开发出更好的分子探针或是靶向药。
但是问题就在于,当这种蛋白从天然的膜环境中被分离出来时,其结构很难维持完整和稳定。从2002年首次被发现至今,人们用XRD来确定其分子结构的尝试并不理想,直到冷冻电镜(cryo-SEM)的诞生为直接观测提供了可能。但截至目前,我们对TRPM8是如何在温度变化下开门,又是如何与薄荷醇结合的机理,依旧停留在各种自相矛盾的猜测和假说之中。
此外,在复杂的人体系统中,感受器的输入信号并不是可以触发大脑「冷感」的唯一通道。受基因表达和环境驯化的影响,神经系统还会把「冷感」与其它输入信号相联系。比如,看到蓝色,尝到茶酚,感到害怕等等。而这些机理,都有待人们去探明。
在生活中,构成我们已知概念的最小颗粒,往往是先验的,不假思索的。「科学」和过去人类思维系统最大的不同就在于此,它以「怀疑」为根基,用「真理」为靶,挑战了所有「先验性」的假设,并以此消解了我们过往所知的一切。就此不由分说的将人类拉入了一个「后现代」时期 ,一个学习赶不上发现的时代。

为了让大家在「上下求索」的过程中更好的理解自我的边界,本期我们送出「孔明锁」三份。

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参考文献:

1.Pedretti A, Marconi C, Bettinelli I, Vistoli G (May 2009). 'Comparative modeling of the quaternary structure for the human TRPM8 channel and analysis of its binding features'. Biochim. Biophys. Acta. 1788 (5): 973–82. doi:10.1016/j.bbamem.2009.02.007. PMID 19230823.

2.Structure of the cold- and menthol-sensing ion channel TRPM8. Science  12 Jan 2018. Vol. 359, Issue 6372, pp. 237-241.DOI: 10.1126/science.aan4325
3.Knowlton, W. M., Palkar, R., Lippoldt, E. K., McCoy, D. D., Baluch, F., Chen, J., & McKemy, D. D. (2013). A Sensory-Labeled Line for Cold: TRPM8-Expressing Sensory Neurons Define the Cellular Basis for Cold, Cold Pain, and Cooling-Mediated Analgesia. Journal of Neuroscience, 33(7), 2837–2848. doi:10.1523/jneurosci.1943-12.2013
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5.Peier AM, Moqrich A, Hergarden AC, Reeve AJ, Andersson DA, Story GM, Earley TJ, Dragoni I, McIntyre P, Bevan S, Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell. 2002 Mar 8;108(5):705-15. doi: 10.1016/s0092-8674(02)00652-9. PMID: 11893340.
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素材链接:

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A Journey Through Your Nervous System
2.https://www.youtube.com/watch?v=6O-0CVAgaEM
3.https://www.youtube.com/watch?v=e8w3dENFXGU
The Hidden Electrical World Inside Your Body
4.rcsb.org/3d-view/6NR2/1
Cryo-EM structure of the TRPM8 ion channel in complex with the menthol analog WS-12 and PI(4,5)P2
5.https://www.youtube.com/watch?v=vJhsyS4lTW0
Temperature Regulation Of The Human Body | Physiology | Biology | FuseSchool
6.https://www.youtube.com/watch?v=_v8KRUV6Q6I
How Does Inflammation Work in Your Body?
7.https://www.youtube.com/watch?v=OCpYdSN_kts
Brain Rhythms: Functional Brain Networks Mediated by Oscillatory Neural Coupling
8.https://www.youtube.com/watch?v=mAAJ3xP1dwU
Specialized Pro-Resolving Mediators (SPMs) and their Effects on Inflammation
9.https://www.youtube.com/watch?v=oV--RxwvVXI
Anatomy animation | Medical animation | 3D animation video | VIDPAQ
10.https://www.youtube.com/watch?v=faCIPydkEXc
Of Anatomy and Physiology (2013 - 3D Animation)
11.https://www.youtube.com/watch?v=FZccM0B5PrE
Membrane Transport in Cells Symport, Antiport, Cotransport Animation
12.https://www.youtube.com/watch?v=Zb5qTdb6LbM
◄ AGE of UNIVERSE ► TIME in perspective ⏱️
13.https://www.youtube.com/watch?v=HS52H_CqZLE
PHILOSOPHY - David Hume
14.Loving Vincent 2017
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