Восприятие температуры осуществляется с помощью терморецепторов, которые делятся на тепловые и холодовые, причем последних значительно больше. Тепловые рецепторы (тельца Руффини) залегают глубже, чем холодовые (концевые колбы Краузе). Имеются и неспецифические терморецепторы, чувствительные также и к механическим раздражителям. И холодовые, и тепловые рецепторы обладают фоновой активностью, но ведут себя по-разному в зависимости от изменения температуры. У холодовых рецепторов при резком охлаждении частота разрядов резко возрастает, а при нагревании фоновая активность снижается. Тепловые рецепторы ведут себя противоположным образом, т.е. увеличивают активность при повышении температуры и снижают при ее уменьшении.
Максимум активности холодовых рецепторов лежит в пределах 15–36°С, в то время как динамический диапазон составляет 10–41° С. Тепловые рецепторы обнаруживают максимальную активность в диапазоне 38–43°C, диапазон реагирования составляет 20–50° С.
Информация от терморецепторов проводится главным образом по волокнам бокового спинно-таламического тракта (экстралемнисковая система), поэтому ощущение температуры является менее локальным и дифференцированным, нежели чувство прикосновения и давления.
Способность ощущать температуру зависит от трех факторов: абсолютной внутрикожной температуры, скорости ее изменения и площади раздражаемой области кожи (температурного воздействия). У человека нейтральный диапазон температур (зона комфорта) зависит от площади раздражаемой кожной поверхности: при уменьшении площади он расширяется, при увеличении, наоборот, сужается. Пороги ощущения тепла и холода зависят от абсолютного уровня температуры: при низких температурах уменьшается порог холодового и увеличивается порог теплового ощущения, при высоких температурах – наоборот. На уровень порога оказывает влияние также скорость изменения температуры. Так, высокие скорости изменения (более 0,1°С в секунду) не оказывают влияния на пороги ощущения тепла и холода. Это особенно опасно, например, при быстром снижении температуры в зимнее время, когда порог к температурному воздействию остается прежним и организм не успевает адекватным образом отреагировать на быстрое охлаждение, что приводит к обморожению тех или иных участков кожи. Низкие же скорости приводят к монотонному возрастанию обоих порогов (явление температурной адаптации).
Ощущение температуры является результатом достаточно сложных суммационных и интеграционных процессов, происходящих на высших уровнях ЦНС, поэтому психофизиологические закономерности температурного чувства достаточно сложны. Так, известно, что в зависимости от условий стимуляции одна и та же температура кожи может вызывать и ощущение тепла, и ощущение холода. Это можно продемонстрировать в опыте с тремя сосудами: палец, перенесенный в теплую воду из холодной, ощущает тепло, из горячей – холод. Известны случаи парадоксального ощущения холода при тепловом раздражении и т.д.
При значительном снижении или повышении внутрикожной температуры (охлаждение ниже +17°С или нагревание до 43–44°С) помимо терморецепторов включаются в работу и болевые рецепторы, главным образом свободные нервные окончания. При этом чувство тепла или холода приобретает иную качественную окраску (чувство жжения, боли и т.д.).