逝去却未被遗忘：新研究表明，截肢后大脑中的身体地图保持不变

英国和美国科学家的最新研究表明，大脑保存着身体的“地图”，即使在肢体被截肢后，这幅地图仍保持不变，这与普遍认为大脑会重新排列以弥补肢体损失的观点相反。

该研究结果发表在《自然神经科学》杂志上，对“幻肢”疼痛的治疗具有重要意义，同时也表明通过神经接口控制机器人替代肢体可能比以前想象的更简单。

截肢前（截肢前1和截肢前2）以及截肢后（截肢后3个月、6个月和18

大脑中的身体地图从未改变

RESEARCH INTRODUCTION

此前的研究表明，大脑中一个被称为体感皮层的区域内存在着一幅身体地图，不同的区域对应着不同的身体部位。这些地图负责处理感觉信息，例如触觉、温度、疼痛以及身体位置。例如，如果你用手触摸到热的东西，就会激活大脑的某个特定区域；如果你撞到脚趾，则会激活另一个区域。

几十年来，神经科学家普遍接受的观点是，截肢后，邻近区域会重新排列，并基本上接管先前分配给缺失肢体的区域。这一观点依赖于截肢后进行的研究证据，而没有事先比较脑图谱中的活动。

但这带来了一个难题。大多数截肢者报告有幻觉，感觉肢体仍在原位——这还可能导致缺失肢体出现瘙痒或疼痛等感觉。此外，脑成像研究显示，截肢者被要求“移动”缺失的手指，他们的脑部模式与健全人相似。

为了调查这一矛盾，由剑桥大学的塔玛·马金教授和匹兹堡大学的亨特·肖恩博士领导的团队跟踪了三名即将截肢的个人。

从截肢前到多年后的持续追踪

RESEARCH METHOD

尽管截肢，受影响半球的手部表现仍然稳定。

这是首次有研究同时观察个体截肢前后的手部和面部图谱。大部分工作是在马金教授和肖内博士在伦敦大学学院任职期间完成的。

截肢前，这三个受试者的五指都能活动。受试者躺在功能性磁共振成像（fMRI）扫描仪（用于测量大脑活动）下，被要求活动各自的手指并撅起嘴唇。研究人员利用脑部扫描数据为每个人构建了手部和嘴唇的地图。在这些地图中，嘴唇的位置靠近手部。

受试者在截肢三个月后和六个月后重复了这项活动，这次要求他们撅起嘴唇，并想象移动单个手指。其中一名受试者在截肢后18个月再次接受扫描，另一名受试者在截肢后五年再次接受扫描。

研究人员检查了截肢前手指图谱的信号，并将其与截肢后的图像进行了比较。对“截肢前”和“截肢后”图像的分析揭示了惊人的一致性：即使他们的手已经缺失，相应的大脑区域仍然以几乎相同的方式被激活。

这项研究的资深作者、剑桥大学医学研究委员会认知与脑科学部的马金教授表示：“根据我们之前的研究，我们怀疑大脑地图应该基本不会改变，但缺失肢体的大脑地图保持完整的程度令人震惊。

“考虑到体感皮层负责解释身体内部发生的事情，它似乎不知道手已经不存在了，这真是令人惊讶。”

先前的研究表明，身体地图会进行重组，邻近区域会接管。研究人员观察了与嘴唇对应的区域，看看它是否发生了移动或扩散。他们发现，它保持不变，并没有接管代表缺失手的区域。

该研究的第一作者、匹兹堡大学物理医学与康复系的肖恩博士说：“我们没有看到任何按照传统思维方式应该发生的重组迹象。大脑地图保持静止不变。”

为了补充他们的研究结果，研究人员将他们的案例研究与26名平均在23.5年前上肢截肢的参与者进行了比较。这些个体的手部和嘴唇的大脑表征与他们的三个案例研究中的相似，这表明尽管截肢，手部和嘴唇的大脑表征仍然具有长期稳定性。

研究人员对此前人们对截肢后大脑内部变化的误解做出了解释。他们表示，大脑地图中的界限并不明确——虽然大脑确实拥有身体地图，但地图上的每一部分并非只支持某一身体部位。

因此，虽然来自中指的输入可能在很大程度上激活一个区域，但它们也会在代表食指的区域中显示出一些活动。

先前主张大规模重组的研究通过应用“赢者通吃”策略来确定地图的布局——刺激剩余的身体部位并注意大脑中哪个区域表现出最多的活动；因为缺失的肢体不再受到刺激，邻近肢体的活动被误解为接管。

为幻肢痛治疗带来新启示

RESEARCH SIGNIFICANCE

这项研究结果对幻肢痛的治疗具有重要意义，幻肢痛是一种困扰截肢者的现象。目前的方法侧重于尝试在大脑地图中恢复肢体的表征，但用于测试这种方法的随机对照试验结果显示，其成功率有限——今天的研究表明，这是因为这些方法关注的是错误的问题。

肖内博士说：“残存的神经部分——仍然在残肢内——不再与它们的最终目标相连。它们与向其传递稳定信号的感觉受体的联系被彻底切断。没有了最终目标，神经就会继续生长，导致神经组织增厚，并向大脑发送噪音信号。”

“最有希望的治疗方法包括重新思考截肢手术的实际操作方式，例如将神经移植到新的肌肉或皮肤中，这样它们就有了新的依附点。”

三位参与者中，一位在截肢前曾有严重的肢体疼痛，但接受了复杂的手术，将神经移植到新的肌肉或皮肤上；她不再感到疼痛。然而，另外两位参与者接受了标准治疗，仍然持续感到幻肢痛。

匹兹堡大学是众多研究瘫痪肢体能否恢复运动和感觉，或是用脑机接口控制的人工机械肢体替代截肢的机构之一。这项研究表明，由于脑图谱得以保存，理论上应该可以恢复瘫痪肢体的运动能力，或者让大脑控制假肢。

美国国立精神卫生研究院脑与认知实验室的克里斯·贝克博士表示：“如果大脑在截肢后重新连接，这些技术就会失效。如果原本控制手部的区域现在控制面部，这些植入物就无法发挥作用。我们的发现为现在开发这些技术提供了一个真正的机会。”

Schone 博士补充道：“既然我们已经证明这些地图是稳定的，脑机接口技术就可以在身体地图随时间保持一致的假设下运行。

“这使我们能够进入下一个领域：获取手部地图的更精细细节——例如区分指尖和指根——并恢复感觉丰富的定性方面，例如纹理、形状和温度。这项研究有力地提醒我们，即使在失去肢体之后，大脑仍然会抓住身体，等待我们重新连接。”

新闻来源：Medical Press

论文参考：DOI: 10.1038/s41593-025-02037-7