Abstract Interoception, the perception and integration of physiological signals, is a fundamental aspect of self-awareness and homeostasis. While previous work has explored interoceptive processing in relation to the cardiac system, research in the respiratory domain, particularly in relation to brain structure and function, is limited. To address this gap, we utilised a Bayesian psychophysical model to quantify perceptual, metacognitive, and affective dimensions of respiratory interoception in a sample of 207 healthy participants. We also measured individual whole-brain microstructural indices of myelination, myeloarchitecture, and cortical iron using quantitative brain imaging. Voxel-based quantification analyses revealed distinct patterns of cortical microstructure in the insular, cingulate, and primary sensory cortices, which underpin interoceptive perceptual sensitivity and precision. In addition, metacognitive bias was associated with increased myelination of the cingulate cortex and periaqueductal grey, while metacognitive sensitivity correlated with myelination of the midline prefrontal cortex. At an affective level, sensitivity to respiratory resistance was related to the myelination of the primary somatosensory cortex. By revealing specific histological brain patterns tied to individual differences in respiratory interoception, our results uncover the neural pathways that govern perceptual, metacognitive, and emotional facets of interoceptive processing.

Abstract In the thermal grill illusion (TGI), the spatial alternation of non-noxious warm and cold temperatures elicits burning sensations that resemble the presence of noxious stimuli. Previous research has largely relied on the use of specific temperature values (i.e., 20°C and 40°C) to study this phenomenon in both healthy individuals and patient populations. However, this methodology fails to account for inter-individual differences in thermal sensitivity, limiting the precision with which TGI responses can be evaluated across diverse populations. To address this gap, we created a Two-Dimensional Thermal Grill Calibration (2D-TGC) protocol, enabling an efficient and precise estimation of the combinations of warm and cold temperatures needed to elicit burning sensations tailored to each individual. By applying the 2D-TGC protocol in 43 healthy participants, we demonstrated key findings: (1) The TGI can be thresholded using an adaptive psychophysical method. (2) Multiple combinations of warm and cold temperatures can elicit this phenomenon. (3) The protocol facilitated the identification of temperature combinations that elicit TGI with varying levels of probability, intensity, and perceived quality ranging from freezing cold to burning hot. (4) TGI responsivity can be quantified as a continuous variable, moving beyond the conventional classification of individuals as responders vs. non-responders based on arbitrary temperature values. The 2D-TGC offers a comprehensive approach to investigate the TGI across populations with altered thermal sensitivity, and can be integrated with other methods (e.g., neuroimaging) to elucidate the mechanisms responsible for perceptual illusions in the thermo-nociceptive system.

Abstract The Thermal Grill Illusion (TGI), a phenomenon in which the juxtaposition of innocuous warm and cold temperatures on the skin elicits a burning sensation, offers a unique perspective to how pain occurs in response to harmless stimuli. We investigated the role of the spinal cord in the generation of the TGI across two experiments (total n = 80). We applied heat and cold stimuli to dermatomes, areas of skin innervated by a single spinal nerve, that mapped onto adjacent or nonadjacent spinal segments. Enhanced warm and burning ratings during the TGI were observed when cold and warm stimuli were confined within the same dermatome. Further, heat perception was enhanced when the cold stimulus projected to the segment caudal to the warm stimulus, compared to the opposite spatial arrangement. Our results are consistent with spatial spread and integration of thermosensory information in the spinal cord.

Abstract Paradoxical Heat Sensation (PHS) is the remarkable feeling of warmth or heat pain while the skin is cooling (Hämäläinen et al., 1982; Pavlicek & Jenkins, 1933). Despite its initial documentation over 100 years ago (Goldscheider, 1884), a unified explanation for this perplexing experience remains elusive, defying traditional models of thermosensation. Here, we apply contrast enhancement principles, known for their instrumental role in understanding visual illusions, to the domain of thermosensation. Contrast enhancement describes the amplification of two contrasting visual features (Hess et al., 1998), such as the enhanced perception of an edge between a light and dark bar. We extend this concept to thermosensation, which encompasses an enhancement of the difference between sequential warming and cooling of the skin and predict that this mechanism underlies the experience of PHS. Remarkably, thermal contrast, defined as the normalised difference between successive temporal warm and cold temperatures, predicts the occurrence of PHS. Our findings reveal compelling evidence supporting the role of thermal contrast in the generation of PHS, shedding light on its underlying mechanism and offering a framework for understanding broader encoding principles in thermosensation. Highlights Paradoxical Heat Sensation (PHS) is an illusion of heat during skin cooling We propose thermal contrast enhancement as a unifying explanation for this paradox Thermal contrast predicted PHS prevalence in healthy individuals (N = 208) Our model explains previously unaccounted for psychophysical features of PHS In Brief Mitchell et al. demonstrate that contrast enhancement principles are applicable to thermosensory perception and provide a comprehensive framework for understanding paradoxical heat sensation, a previously enigmatic perceptual phenomenon.

The human brain has a remarkable ability to learn and update its beliefs about the world. Here, we investigate how thermosensory learning shapes our subjective experience of temperature and the misperception of pain in response to harmless thermal stimuli. Through computational modeling, we demonstrate that the brain uses a probabilistic predictive coding scheme to update beliefs about temperature changes based on their uncertainty. We find that these expectations directly modulate the perception of pain in the thermal grill illusion. Quantitative microstructural brain imaging revealed that the myeloarchitecture and iron content of the somatosensory cortex, the posterior insula and the amygdala reflect inter-individual variability in computational parameters related to learning and the degree to which uncertainty modulates illusory pain perception. Our findings offer a new framework to explain how the brain infers pain from innocuous thermal inputs. Our model has important implications for understanding the etiology of thermosensory symptoms in chronic pain conditions.