'Peta badan' otak tidak berubah: fMRI membujur menunjukkan kestabilan perwakilan tangan walaupun selepas amputasi

Idea klasik ialah jika lengan dipotong, kawasan peta badan yatim piatu dalam korteks somatosensori primer (S1) dengan cepat diambil alih oleh jirannya, terutamanya bibir dan muka. Kertas baru dalam Nature Neuroscience memecahkan acuan itu. Para penyelidik mengikuti tiga pesakit dewasa secara membujur, sebelum dan sehingga lima tahun selepas amputasi, dan membandingkannya dengan kawalan. Peta tangan dalam S1 dan korteks motor (M1) kekal sangat serupa dengan yang asal, dan tiada "pengembangan" kawasan bibir ke dalam "tangan." Dalam erti kata lain, amputasi itu sendiri tidak mencetuskan "pendawaian semula" kortikal berskala besar - orang dewasa mengekalkan model badan dalaman yang stabil walaupun tanpa input persisian.

Latar belakang kajian

Gambaran klasik somatotopy ("homunculus") Penfield yang sama telah lama ditambah dengan tesis "pemetaan semula" korteks selepas amputasi: kononnya, zon tangan dalam korteks somatosensori primer (S1) dengan cepat kehilangan input dan "ditangkap" oleh unjuran jiran muka/bibir, dan tahap kesakitan pemetaan semula tersebut. Idea ini disokong oleh kajian dan ulasan fMRI/MEG keratan rentas, serta pemerhatian klinikal individu tentang "pemindahan" sensasi dari muka ke tangan hantu. Tetapi asas bukti bergantung terutamanya pada perbandingan orang yang berbeza dan kaedah "pemenang-ambil-semua", sensitif kepada hingar dan pemilihan ambang.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, peta yang lebih tepat telah muncul yang menunjukkan organisasi muka dan tangan yang kompleks dan selalunya stabil dalam S1 dalam orang yang diamputasi: beberapa isyarat yang diambil untuk "pencerobohan" bibir mungkin merupakan artifak analisis, dan hubungan dengan sakit hantu adalah tidak konsisten. Pengkritik telah menunjuk secara khusus kepada metodologi "pemenang mengambil semua", ROI yang kecil dan kurang mengambil kira pergerakan hantu dan pengaruh atas ke bawah. Pendekatan Multivoxel dan RSA memberikan gambaran yang lebih bernuansa, di mana "tangkapan" yang jelas oleh wajah selalunya tidak kelihatan.

Kajian membujur baru dalam Nature Neuroscience menutup jurang utama - perbandingan "dengan diri sendiri" sebelum amputasi dan bulan/tahun selepas itu. Dalam tiga pesakit, penulis membandingkan pengaktifan semasa pergerakan jari tangan (sebelum) dan tangan "hantu" (selepas), serta bibir; terdapat juga kumpulan kawalan dan kohort amputasi luaran. Keputusan: peta tangan dan bibir kekal sangat stabil, dan tiada tanda-tanda "pengembangan" muka ke dalam tangan ditemui; penyahkod yang dilatih mengenai data "sebelum" berjaya dikenali "selepas". Kesimpulan - pada orang dewasa, perwakilan somatosensori disokong bukan sahaja oleh input persisian, tetapi juga oleh model/niat dalaman.

Oleh itu, implikasi praktikal dan teori: antara muka otak-komputer dan prostetik boleh bergantung pada "peta" yang sangat stabil bagi anggota yang dipotong, dan hipotesis "sakit = pemetaan semula" memerlukan semakan yang memihak kepada mekanisme lain kesakitan hantu. Secara umumnya, kerja itu mengubah keseimbangan dalam perdebatan lama tentang keplastikan: somatotopi matang pada manusia ternyata jauh lebih stabil daripada kursus neurosains yang diandaikan.

Bagaimana mereka menyemaknya?

Penulis menggunakan reka bentuk membujur: fMRI direkodkan daripada orang yang sama sebelum pembedahan dan kemudian pada 3 bulan, 6 bulan, dan mata kemudian (1.5 atau 5 tahun). Dalam pengimbas, peserta diarahkan untuk menggerakkan jari mereka (sebelum amputasi) dan jari "hantu" (selepas), mencebik bibir mereka, dan membengkokkan jari kaki mereka.

• Sampel dan kawalan: 3 pesakit dengan amputasi anggota atas elektif; 16 kawalan sihat (dengan imbasan berulang); perbandingan tambahan dengan kohort 26 amputasi kronik (min 23.5 tahun selepas amputasi).
• Metrik peta: pusat graviti (COG) aktiviti dalam S1, korelasi pra/pasca corak-untuk-menghubungkaitkan bagi setiap jari, penyahkodan gerakan SVM linear (latihan sebelum amputasi → ujian selepas dan sebaliknya), penilaian penembusan bibir ke kawasan tangan.
• Keputusan berangka utama: korelasi membujur corak jari-ke-jari adalah tinggi (r≈0.68-0.91; p<0.001), ketepatan penyahkod yang dilatih "sebelum" kekal di atas peluang apabila diuji "selepas" (≈67-90%), dan sempadan "peta bibir" 5 tahun tidak berkembang ke dalam zon genap "1 tangan".

Mengapa ini penting untuk neurosains dan amalan klinikal?

Kerja menunjukkan bahawa perwakilan "badan" dalam S1 pada orang dewasa disokong bukan sahaja oleh isyarat deria periferi, tetapi juga oleh pengaruh atas ke bawah daripada niat motor dan model dalaman. Ini menerangkan sebab percubaan untuk menggerakkan tangan "hantu" menimbulkan aktiviti yang serupa dengan tangan biasa, dan sebab kajian keratan rentas sebelum ini mungkin telah melebihkan "pencerobohan" menghadapi kerana pendekatan "pemenang-ambil-semua" yang tidak mengambil kira aktiviti hantu. Ini adalah berita baik untuk antara muka otak-komputer: "peta" yang terperinci dan stabil bagi anggota yang dipotong sesuai untuk aplikasi jangka panjang. Untuk terapi kesakitan hantu, implikasinya lebih halus: pembedahan semasa dan antara muka saraf tidak "memulihkan" peta kerana ia sudah ada; oleh itu, mekanisme kesakitan yang lain perlu disasarkan.

Perkara yang perlu diperiksa seterusnya

Penulis membuat kesimpulan dengan teliti tetapi secara langsung: tidak ada bukti "pembentukan semula" yang didorong oleh defisit somatotopi S1 selepas amputasi pada orang dewasa; pemeliharaan dan penyusunan semula tidak secara konseptual saling eksklusif, tetapi "penangkapan" besar oleh bibir tidak kelihatan dalam ukuran membujur. Adalah penting untuk mengembangkan sampel dan menyeragamkan tugas:

• Kembangkan N dan julat umur, ujian kelajuan/had pemeliharaan kad untuk punca amputasi yang berbeza dan tahap kawalan motor praoperasi.
• Tambah penanda persisian objektif, termasuk elektromiografi tunggul dan neurostimulasi, untuk memisahkan sumbangan isyarat menurun dan persisian.
• Fikirkan semula protokol pemetaan semula daripada analisis pemenang-ambil-semua kepada analisis longitudinal, multi-voxel dan klasifikasi yang secara eksplisit menyumbang gerakan hantu.

Secara ringkas - perkara utama

• Kestabilan dan bukannya 'grab': Peta tangan dan bibir dalam S1/M1 pada orang dewasa kekal dalam kedudukan stabil sehingga 5 tahun selepas amputasi.
• Hantu bukan imaginasi: percubaan untuk menggerakkan jari "hantu" menghasilkan corak yang serupa secara statistik dengan pergerakan tangan sebelum operasi.
• Implikasi: asas yang kukuh untuk prostetik BCI; mempertimbangkan semula konsep keplastikan yang didorong oleh defisit; sasaran baru untuk terapi kesakitan hantu.

Sumber: Schone HR et al. "Peta badan kortikal yang stabil sebelum dan selepas amputasi lengan," Nature Neuroscience, 21 Ogos 2025 (Komunikasi Ringkas). DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02037-7