Smadzeņu "ķermeņa karte" nemainās: gareniskā fMRI parāda roku attēlojumu stabilitāti pat pēc amputācijas

Klasiskā ideja ir tāda, ka, amputējot roku, primārajā somatosensorajā garozā (S1) esošo bāreņa ķermeņa kartes reģionu ātri pārņem tā kaimiņi, galvenokārt lūpas un seja. Jauns raksts žurnālā Nature Neuroscience lauž šo modeli. Pētnieki novēroja trīs pieaugušus pacientus gareniski, pirms un līdz pieciem gadiem pēc amputācijas, un salīdzināja tos ar kontroles grupu. Rokas karte S1 un motorajā garozā (M1) saglabājās ievērojami līdzīga sākotnējai, un lūpu reģionam nebija "paplašināšanās" "rokā". Citiem vārdiem sakot, pati amputācija neizraisa liela mēroga kortikālu "pārveidošanu" — pieaugušie saglabā stabilu iekšējo ķermeņa modeli pat bez perifēras ievades.

Pētījuma pamatojums

Klasisko somatotopijas ainu (tas pats Penfīlda "homunkuls") ilgi papildināja tēze par garozas "pārveidošanu" pēc amputācijas: domājams, ka rokas zona primārajā somatosensorajā garozā (S1) ātri zaudē ieejas signālus un tiek "uztverta" ar blakus esošo sejas/lūpu projekciju, un šādas pārveidošanas pakāpe ir saistīta ar fantoma sāpēm. Šo ideju apstiprināja šķērsgriezuma fMRI/MEG pētījumi un pārskati, kā arī individuāli klīniskie novērojumi par sajūtu "pārnesi" no sejas uz fantoma roku. Taču pierādījumu bāze galvenokārt balstījās uz dažādu cilvēku salīdzinājumiem un "uzvarētājs saņem visu" metodēm, kas ir jutīgas pret troksni un sliekšņa izvēli.

Pēdējos gados ir parādījušās precīzākas kartes, kas parāda amputēto sejas un rokas sarežģīto un bieži vien stabilo organizāciju S1 fāzē: daži no lūpas "invāzijas" signāliem var būt analīzes artefakts, un saistība ar fantoma sāpēm ir nekonsekventa. Kritiķi ir īpaši norādījuši uz "uzvarētājs saņem visu" metodoloģiju, mazo ieguldījumu atdevi (ROI) un fantoma kustību un augšupvērstu ietekmju neņemšanu vērā. Multivokseļu pieejas un RSA sniedz niansētāku ainu, kur acīmredzama sejas "uztveršana" bieži vien nav redzama.

Jauns longitudināls pētījums žurnālā Nature Neuroscience novērš galveno plaisu – salīdzinājumu “ar sevi” pirms amputācijas un mēnešus/gadus pēc tam. Trijiem pacientiem autori salīdzināja aktivācijas rokas (pirms) un “fantoma” rokas (pēc) pirkstu kustību laikā, kā arī lūpu kustības; bija arī kontroles grupas un ārēja amputācijas kohorta. Rezultāts: rokas un lūpu kartes saglabājās ievērojami stabilas, un netika konstatētas sejas “paplašināšanās” pazīmes rokā; dekodētājs, kas apmācīts ar “pirms” datiem, veiksmīgi atpazina “pēc”. Secinājums – pieaugušajiem somatosensorās reprezentācijas atbalsta ne tikai perifēra ievade, bet arī iekšējie modeļi/nodomi.

Līdz ar to rodas praktiskās un teorētiskās sekas: smadzeņu un datora saskarnes un protēzes var balstīties uz pārsteidzoši stabilām amputētās ekstremitātes "kartēm", un hipotēze "sāpes = atkārtota kartēšana" ir jāpārskata par labu citiem fantoma sāpju mehānismiem. Vispārīgāk runājot, darbs maina līdzsvaru ilgstošajās debatēs par plastiskumu: nobriedusi somatotopija cilvēkiem izrādās daudz stabilāka, nekā tika pieņemts neirozinātnes kursos.

Kā viņi to pārbaudīja?

Autori izmantoja garengriezuma dizainu: fMRI tika reģistrēta tiem pašiem cilvēkiem pirms operācijas, pēc tam 3 mēnešiem, 6 mēnešiem un vēlāk (1,5 vai 5 gadi). Skenerī dalībniekiem tika dots norādījums kustināt pirkstus (pirms amputācijas) un "fantoma" pirkstus (pēc), sakniebt lūpas un saliekt kāju pirkstus.

• Izlase un kontroles grupa: 3 pacienti ar plānveida augšējās ekstremitātes amputāciju; 16 veseli kontroles grupas dalībnieki (ar atkārtotiem skenējumiem); papildu salīdzinājums ar 26 hronisku amputāciju pacientu kohortu (vidēji 23,5 gadi pēc amputācijas).
• Kartes metrikas: aktivitātes smaguma centri (COG) S1, katra pirksta pirms/pēc modeļu un korelāciju korelācijas, lineāra SVM kustību dekodēšana (apmācība pirms amputācijas → tests pēc un otrādi), lūpas iespiešanās rokas zonā novērtējums.
• Galvenie skaitliskie rezultāti: pirkstu savstarpējo rakstu gareniskās korelācijas bija augstas (r≈0,68–0,91; p<0,001), “pirms” apmācītā dekodētāja precizitāte, testējot “pēc”, saglabājās virs nejaušības (≈67–90%), un “lūpu kartes” robežas nepaplašinājās “plaukstu zonā” pat par 1,5–5 gadiem.

Kāpēc tas ir svarīgi neirozinātnei un klīniskajai praksei?

Darbs rāda, ka pieaugušajiem “ķermeņa” reprezentācijas S1 fāzē atbalsta ne tikai perifērie sensorie signāli, bet arī augšupēja ietekme no motoriskiem nodomiem un iekšējiem modeļiem. Tas izskaidro, kāpēc mēģinājums kustināt “fantoma” roku izraisa aktivitāti, kas līdzīga normālas rokas aktivitātei, un kāpēc iepriekšējos šķērsgriezuma pētījumos, iespējams, tika pārvērtēta sejas “ielaušanās” “uzvarētājs saņem visu” pieejas dēļ, kas neņem vērā fantoma aktivitāti. Tās ir labas ziņas smadzeņu un datora saskarnēm: detalizēta un stabila amputētas ekstremitātes “karte” ir piemērota ilgtermiņa pielietojumiem. Fantoma sāpju terapijas gadījumā sekas ir smalkākas: pašreizējās operācijas un neironu saskarnes “neatjauno” karti, jo tā jau ir tur; tāpēc ir jākoncentrējas uz citiem sāpju mehānismiem.

Kas jāpārbauda tālāk

Autori rūpīgi, bet tieši secina: nav pierādījumu par deficīta izraisītu S1 somatotopijas "pārveidošanu" pēc amputācijas pieaugušajiem; saglabāšana un reorganizācija konceptuāli nav savstarpēji izslēdzošas, taču gareniskajos mērījumos nav redzama liela lūpu "uztveršana". Ir svarīgi paplašināt izlasi un standartizēt uzdevumus:

• Paplašināt N un vecuma diapazonus, pārbaudīt kartes saglabāšanas ātrumu/ierobežojumus dažādu amputācijas iemeslu gadījumā un pirms operācijas motorās kontroles līmeņus.
• Pievienojiet objektīvus perifēros marķierus, tostarp celma elektromiogrāfiju un neirostimulāciju, lai atdalītu dilstošo un perifēro signālu ieguldījumu.
• Pārdomājiet protokolu pārveidošanu no uzvarētāja-viss-paņem principa uz garengriezuma, daudzvokseļu un klasifikācijas analīzēm, kas skaidri ņem vērā fantoma kustību.

Īsumā - galvenie punkti

• Stabilitāte, nevis "satveršana": pieaugušajiem S1/M1 plaukstu un lūpu kartes pēc amputācijas saglabājas stabili novietotas līdz pat 5 gadiem.
• Fantoms nav iztēle: mēģinājumi kustināt "fantoma" pirkstus rada modeļus, kas statistiski ir līdzīgi pirmsoperācijas roku kustībām.
• Secinājumi: stabils pamats BCI protezēšanai; deficīta izraisītas plastiskuma koncepcijas pārskatīšana; jauni mērķi fantoma sāpju terapijai.

Avots: Schone HR et al. “Stabilas kortikālā ķermeņa kartes pirms un pēc rokas amputācijas”, Nature Neuroscience, 2025. gada 21. augusts (īss paziņojums). DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02037-7