Die Studie zeigt, dass das Gehirn nach der Amputation die innere Körperkarte intakt hält

Neue fMRI -Beweise zeigen, dass die Hand- und Lippenkarten des Gehirns Jahre nach der Amputation stabil bleiben, wodurch unser Verständnis der Neuroplastizität und die Führung zukünftiger Strategien für Prothesen und Rehabilitation umgestaltet werden.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Nature NeurowissenschaftenEine Gruppe von Forschern hat getestet, ob die Amputation von Erwachsenen die kortikale Reorganisation in großem Maßstab durch Verfolgung von Hand- und Lippendarstellungen mit funktioneller Magnetresonanztomographie (FMRI) vor und bis zu 5 Jahren nach der Operation auslöst.

Hintergrund

Jahrzehnte erfuhren die Schüler, dass das Gesicht nach einer Hand in sein Territorium im Gehirn eindringt. Amputes fühlen sich jedoch lebhafte Phantomfinger an und können versuchen, sie zu bewegen, was auf konservierte Karten hinweist. Klassische Tierstudien und frühe menschliche Bildgebung unterstützten eine umfassende Reorganisation im primären somatosensorischen Kortex (S1). Neuere menschliche Arbeit weist auf Stabilität hin, wobei Phantombewegungen handelhafte Muster einbeziehen.

Die Autoren betonen auch, dass die Phantomaktivität durch verbleibende Gliedmaßen -Muskelkontraktionen bestätigt werden kann, was eher auf echte motorische Versuche als im vorgestellten Handlungen hinweist. Dem Feld fehlen Längsschnittdaten nach denselben Personen in der gesamten Operation.

Vergleiche von betroffenen und nicht betroffenen Hemisphären und Replikation im primären motorischen Kortex (M1) sind wichtig, um Modelle in Einklang zu bringen, und weitere Untersuchungen sind erforderlich, um zu ermitteln, wer reorganisiert, wann und warum.

Über die Studie

Drei Erwachsene, die für eine einseitige Armamputation (P1, P2, P3) geplant waren, wurden zweimal vor der Operation und nach 3 Monaten, 6 Monaten und nach Follow-up (1,5 Jahre für P1; 5 Jahre für P2) untersucht. Sechzehn leistungsfähige Kontrollpersonen (STRG) wurden über 6 Monate nach vier Sitzungen gescannt; Eine separate Gruppe von 22 jüngeren Kontrollen wurde zusätzlich auf P1 analysiert.

Eine chronische Amputiertegruppe (n = 26) lieferte einen Kontext. FMRI wurde auf einem 3 Tesla -Scanner erworben. Die gewichtete Magnetisierung von T1 wurde eine schnelle Erfassungsgradient -Echo -Anatomie und Blutsauerstoff -Abhängigkeit (BOLD) Echo Planare Bildgebung (Wiederholungszeit (TR) 1,5 s, Echo -Zeit (TE) 35 ms, Sichtfeld (FOV) 212 mM, 2 mM Isotropic Voxels) gesammelt.

Während des Scannens führten die Teilnehmer Bewegungen jedes Fingers, Lippen und Füße durch; Nach der Operation versuchten sie Phantom -Handbewegungen und vervollständigten Bilderkontrollscans. Analysen konzentrierten sich auf S1, Brodmann Area 3B (BA3B) mit Replikation in M1. Ein allgemeines lineares Modell (GLM) geschätzte Bedingung Beta -Gewichte.

Zu den Multivoxel-Analysen gehörten die Dekodierung von Support Vector Machine (SVM) über die Sitzungen und die Repräsentations-Ähnlichkeitsanalyse (RSA) unter Verwendung von Kreuzvalidierungen von Mahalanobis. Region von Interesse (ROI) Definitionen, Schwerpunktverschiebungen (COG) und Glättungsparameter (vollständige Breite bei halbem Maximum (FWHM) 3 mM) folgten den Verfahren.

AExperimentelle Zeitleiste. Scans vor und nach der Amputation wurden über 4 bis 5 Zeitpunkte durchgeführt: zweimal und nach 3 Monaten, 6 Monaten und 1,5 (P1)/5 Jahren (P2) nach der Amputation. BIllustration mit den drei Teilnehmern 6 Monate nach der Amputation, einschließlich ihrer subjektiven Beschreibung ihrer Phantom -Extremitätsposition. CPhantombewegungen sind nicht imaginär. Univariate Aktivität (Z-Scored) Kontrastkarte mit den Versuchen eines Teilnehmers, 6 Monate nach der Amputation die Phantomhand zu öffnen und zu schließen. DHand des Teilnehmers Hand (rot) und Lippen (blau) kortikale Aktivierungskarten (gegen die Füße beweglich) in der betroffenen Handhemisphäre über 4 bis 5 Sitzungen. Alle Karten wurden bei 33% maximal Z-Statistik mit minimalem Schwellenwert und verwendeten eine gemeinsame Farbskala (die maximale Z-Statistik des Teilnehmers> 4,5). Die Teilnehmer stimmten zu, ihr Image reproduzieren zu lassen. Gehirnabbildungen in A wurden in Biorender geschaffen.

Studienergebnisse

Bei den vor und nach der Operation überdurchschnittlichen Sitzungen erzeugten alle drei Fallteilnehmer Phantom -Handempfindungen und konnten mit Phantomfinger bewegt werden. Die Phantombewegung führte zu einer stärkeren Aktivität als sich die Bewegung vorzustellen, und wurde von Restmuskelkontraktionen im Stumpf begleitet, was die echte motorische Kontrolle bestätigte.

Die Hand- und Lippenaktivität in der Hemisphäre kontralateral zur fehlenden Hand wurden über die Zeit mit passenden Aufgaben verfolgt. COG-Verschiebungen für die Hand- und einzelne Finger fielen nach 6 Monaten in die leistungsfähige Strg-Verteilung, und voxelgewiehe Fingermuster, bevor die Amputation stark mit denen am endgültigen Scan korrelierte.

Decodierer, die auf Fingerpaaren vor der Amputation ausgebildet wurden, klassifizierten nach der Amtszeit über den Chance und RSA mit Kreuzvalidierter Mahalanobis-Entfernungen bestätigten eine signifikante Konsistenz über die Sitzungen hinweg, einschließlich langfristiger Follow-ups. Zusammen zeigen diese Multivoxelmetriken die Stabilität der Handkarte in S1 mit ähnlichen Beweisen in M1 an.

Die Studie testete auch eine zentrale Vorhersage des Neuzuordnens: erhöhte Lippenaktivität in der benachteiligten S1 -Handregion und Ausdehnung der Lippenkartengrenzen auf Handgebiet. Keiner der beiden Muster tauchte auf. Über TimePoints blieb die univariate Lip -Aktivität im Handbereich im Strg -Bereich, der Lippen Zahnrad nicht zur Hand und die Lippenkartengrenzen zeigten keine Expansion.

Ein Teilnehmer (P2) zeigte nach 6 Monaten einen vorübergehenden Anstieg der Repräsentationsentfernung von Lippen -Daumen, was um 5 Jahre in den typischen Bereich zurückkehrte. Im Vergleich zu einer chronischen Amputierten -Kohorte (n = 26; ungefähr 23,5 Jahre seit der Amputation) und einer sekundären Strg -Kohorte (n = 18) fielen die Phantom -Hand- und Lip -Cogs der Fallteilnehmer in Gruppenverteilungen, und die Lippenaktivität in der S1 -Handregion stimmte dem chronischen Amputierten -Muster überein.

Die Autoren stellen fest, dass einige Fallteilnehmer geringfügig, wenn auch nicht signifikant eine höhere Lippenaktivität als chronische Amputes zeigten.

Transiente Abweichungen wurden nachgewiesen, waren jedoch eher eigenwillig als systematisch. Nach 6 Monaten zeigte P1 eine vorübergehende Verringerung der durchschnittlichen Fingerselektivität im Vergleich zu Strgs, die um 1,5 Jahre zum typischen Bereich zurückkehrten. P3 zeigte nach 6 Monaten eine ähnliche vorübergehende Verringerung der Dekodierung. P2 hatte bereits vor der Operation aufgrund einer beeinträchtigten motorischen Kontrolle verringert, was die Interpretation der Änderungen nach der Amputation beeinträchtigt.

Die Autoren stellen fest, dass einige vorübergehende Reduktionen die statistische Korrektur nicht überlebten und möglicherweise die Variabilität der Klassifikatorabtastung über lange Intervalle widerspiegeln. In der nicht betroffenen Hemisphäre zeigten intakte Handfingerselektivität und Lippenmetriken eine typische Variabilität der Sitzung zu Sitzung im Vergleich zu Strgs.

Eine separate Analyse ergab, dass für die fehlende Hand nur P3 nach 3 Monaten eine kurze Verringerung der durchschnittlichen Interfingerkorrelation zeigte, die sich um 6 Monate normalisierte.

Insgesamt zeigen die Längsschnittbeweise stabile Hand- und Lippenkortikalkarten über die Amputation, wobei nur kurze und Teilnehmerspezifische Reduktionen in der Nähe des frühen Fensters nach der Amputation.

Schlussfolgerungen

Bei Erwachsenen löste die Armamputation keine große Neuzuordnung von S1 oder M1 aus. Handdarstellungen und Lippenkarten blieben topografisch stabil, während die Multivoxelstruktur während der Operation über die Operation dekodiert werden konnte, wobei kurz nach der Amputation kurze Einbrüche abfällt.

Die Ergebnisse stützen eine tiefere konzeptionelle Verschiebung: S1 ist kein passives Relais peripherer Eingaben, sondern beibehält ein internes, belastbares Körpermodell, das auch nach sensorischer Verlust bestehen bleibt. Diese Stabilität ist klinisch von Bedeutung, da sie Schulungsstrategien unterstützt, die intakte Handdarstellungen für die konstante Kontrolle und für gezielte Neurostimulation oder sensorische Feedback nutzen. Das Längsschnittdesign, die kleine Probe und die Kohortenbeschränkung für Erwachsene und die Plastizität von Kindern können sich unterscheiden.

Zukünftige Arbeiten sollten verschiedene Ätiologien, Alters- und Rehabilitationspfade testen, um festzustellen, wann kortikale Karten neu organisieren und wie Interventionen die Ergebnisse formen.

Quellen: