«Карта тела» в соматосенсорной коре человека не меняется после утраты конечности

Степень способности человеческого мозга к реорганизации до сих пор остается предметом споров. Многие исследования реорганизации проводят на первичной соматосенсорной коре (S1), которая содержит детальную карту тела. Некоторые работы демонстрировали, что у людей и мартышек участки соматосенсорной коры, связанные с верхними конечностями, перестраивались после ампутации руки и брали на себя функциональную роль соседних участков. Однако подобные данные никак не объясняют фантомные боли и другие ощущения, будто бы исходящие от ампутированной конечности. Авторы статьи в Nature Neuroscience с помощью нейровизуализации показали, что у взрослого человека ампутация конечности все же не приводит к крупномасштабной реорганизации коры.

Чтобы отследить изменения в кортикальной репрезентации до и после ампутации руки, авторы проводили функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) у трех взрослых добровольцев в течение пяти лет после ампутации руки. В контрольную группу вошли 16 человек, у которых все конечности были сохранны.

До запланированной ампутации испытуемые в той или иной степени могли двигать всеми пальцами. После нее все трое сообщали о ярких фантомных ощущениях в ампутированной конечности, включая произвольные движения пальцами — они сопровождались сокращениями мышц оставшейся части руки.

Во время фМРТ-сканирования участники выполняли задания на движения, включающие постукивание пальцами, сжимание губ и сгибание пальцев ног. Авторы обнаружили крайне выраженное соответствие кортикальной репрезентации рук до ампутации и после нее. Проецирование профилей активности рук и отдельных пальцев на S1 выявило стабильную активность во всех случаях, причем фантомная активность напоминала амплитуду и пространственное распределение активности до ампутации. Эта стабильность, обнаруженная на общей картине фМРТ-скана, подтвердилась и на уровне единичных вокселей.

Картирование активности соматосенсорной коры до и после ампутации руки.
Credit:
Tamar Makin / Hunter Schone | пресс-релиз

Затем ученые попытались оценить селективность, картировав профили активности при движении каждого пальца по отдельности. Селективность, то есть соответствие между конкретным участком S1 и пальцем, за который он отвечает, наблюдалась до ампутации и сохранялась после нее. Авторы обучили линейный классификатор, использующий метод опорных векторов (SVM), на данных, полученных до ампутации. Он достаточно успешно декодировал движения фантомных пальцев во всех тестах, проведенных после ампутации.

В более ранних исследованиях предполагалось, что ампутация снижает селективность репрезентации пальцев в соматосенсорной коре. Ученые проверили это, сравнив данные участников через 6 месяцев после ампутации и здоровых контролей. Значительного уменьшения селективности не обнаружилось ни у одного из троих испытуемых, хотя у них немного снижалась селективность репрезентации пальцев ампутированной руки по сравнению со здоровой. Впрочем, это изменение было относительным, и авторы не исключают, что имел место обратный эффект — селективность могла повыситься для сохранной конечности.

Наконец, авторы проверили еще одно высказанное ранее предположение — распространяются ли функции соседних участков на область, отвечающую за чувствительность ампутированной руки. Они проанализировали кортикальную репрезентацию губ, поскольку связанная с ними область соматосенсорной коры располагается поблизости от анализируемого участка, и ранее сообщалось о ее реорганизации после ампутации руки. Однако проецирование активности рук и губ на S1 не выявило никаких признаков смещения.

Полученные данные опровергают предположения о том, что нейропластичности взрослого человеческого мозга хватает для масштабной реорганизации. Карта тела, хранящаяся в соматосенсорной коре, остается стабильной даже после утраты конечности. Эти результаты могут оказаться важными для лечения фантомных болей после ампутации, кроме того, они позволяют предположить, что восстановление чувствительности и протезирование, использующее интерфейс «мозг-компьютер», может оказаться более перспективным для клинического применения методом, чем считалось.

Разработан интерфейс для протезов ног, восстанавливающий естественную походку