Dlaczego mózg nie może zapomnieć o amputowanych kończynach

Osoby po amputacji często zgłaszają zjawisko „kończyn fantomowych”, w których wciąż mogą wyczuć obecność brakujących palców, rąk, rąk, stóp lub nóg, a nawet odczuwać ból w miejscach, w których kiedyś znajdowały się amputowane części. Jak dotąd nauka nie znalazła wyjaśnienia tego zjawiska.

Teraz, używając obrazowania w ultrawysokiej rozdzielczości, naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego byli w stanie zbadać mózgi osób po amputacji, aby zobaczyć, jak zmieniają się one po utracie ręki. Obserwacja mózgu na takim poziomie szczegółowości po raz pierwszy ujawniła, że ​​mózgi osób po amputacji zachowują niezwykle szczegółową mapę brakującej dłoni i poszczególnych palców. Istnienie tej szczegółowej mapy dłoni w mózgu – dziesiątki lat po amputacji – może być częścią wyjaśnienia zjawiska fantomowej kończyny.

Deprywacja sensoryczna, na przykład u osób doznających ślepoty, głuchoty lub amputacji, od dawna jest owocną drogą dla naukowców badających plastyczność mózgu. Główny badacz Sanne Kikkert wraz z kolegami z Laboratorium rąk i mózgu kierowany przez profesor nadzwyczajną Tamar Makin, wykorzystał jeden aspekt zjawiska fantomowej kończyny, w którym osoby po amputacji nie tylko są w stanie wyczuć obecność lub czucie w brakującej kończynie, ale także mogą dobrowolnie „kontrolować” swoją fantomową rękę. Prosząc osoby, aby poruszały swoimi fantomowymi palcami indywidualnie podczas skanowania ich mózgów, można szczegółowo odwzorować reprezentację fantomowej ręki w mózgu.

Wcześniejsze badania wykazały, że poruszanie fantomową ręką powoduje aktywność w mózgu osób po amputacji, ale do tej pory trudno było powiedzieć, co naprawdę reprezentuje ta aktywność. Trudno na przykład udowodnić, że aktywność mózgu wskazuje na istnienie mapy brakującej ręki, w przeciwieństwie do jakiejś nieprawidłowej aktywności spowodowanej amputacją.

Badanie Kikkerta pokazuje, że fantomowe wzorce aktywności rąk zawierają ważne cechy charakterystyczne „normalnej” reprezentacji dłoni, na przykład przestrzenny układ palców względem siebie. W rzeczywistości zespół był w stanie wykazać, że mapy rąk fantomowych rąk były w zakresie tych znalezionych w próbie kontrolnej dwuręcznych uczestników. Biorąc pod uwagę, że badane osoby po amputacji straciły ręce między 25 a 31 lat wcześniej, jest to dość niewiarygodne.


wewnętrzna grafika subskrypcji


Obrazowanie mózgu ujawnia szczegółowe mapy poszczególnych palców dłoni u osób po amputacji (na dole), które są zaskakująco podobne do map dłoni dwuręcznych uczestników kontrolnych (na górze). Podany autorObrazowanie mózgu ujawnia szczegółowe mapy poszczególnych palców dłoni u osób po amputacji (na dole), które są zaskakująco podobne do map dłoni dwuręcznych uczestników kontrolnych (na górze). Podany autorW swoim artykule opublikowane w czasopiśmie eLife, naukowcy byli również w stanie obalić inne, bardziej trywialne wyjaśnienia fantomowej aktywności mózgu. Wykazali, że aktywacja fantomowej ręki nie wynika po prostu z aktywacji mięśni czy nerwów w pozostałej kończynie po amputacji. Na przykład mapy dłoni pozostały takie same u osób po amputacji, którym brakowało tych mięśni (z powodu amputacji powyżej łokcia) lub które w ogóle nie mogły wysyłać ani odbierać danych wejściowych do kończyny (z powodu uszkodzenia nerwów). Jednak nadal pozostaje tajemnicą, czy zachowana mapa dłoni mózgu powoduje odczucia fantomowych kończyn, czy też same odczucia zachowują mapę dłoni w mózgu.

Jak umysł widzi ciało

Odkrycia te są podwójnie ekscytujące, ponieważ stoją w sprzeczności z tradycyjną mądrością dotyczącą sposobu generowania i utrzymywania sensorycznej mapy ciała w mózgu. Ta mapa sensoryczna jest znana jako homunkulus somatosensoryczny (z greckiego „mały człowiek”) i od dawna fascynuje naukowców ze względu na swoją wysoce zorganizowaną strukturę. Zorganizowane, w którym części ciała są ułożone w mózgu w bardzo podobny sposób, jak na ciele:

Schemat „zmysłowego homunkulusa”, przedstawiający sposób mapowania części ciała na mózg (pokazany w przekroju). OpenStax College/Rice University, CC BYSchemat „zmysłowego homunkulusa”, przedstawiający sposób mapowania części ciała na mózg (pokazany w przekroju). OpenStax College/Rice University, CC BYOd dawna uważano, że ta mapa potrzebuje stałego strumienia bodźców sensorycznych z ciała, aby utrzymać swoją organizację. Pomysł ten został poparty licznymi badaniami na zwierzętach, które wykazały, że po amputacji kończyny obszary ciała znajdujące się w pobliżu tej kończyny u homunkulusa najechać i nadpisać terytorium brakującej kończyny.

Podobną reorganizację udokumentowano u ludzi. 2013 „The Puzzle of Monogamous Marriage” Tamar Makin i współpracownicy wykazali, że po amputacji pozostała ręka przejmuje kontrolę nad obszarem mózgu brakującej ręki. Ich badanie wykazało również, że to przejęcie było związane ze sposobem, w jaki uczestnicy używają swojego ciała: im bardziej osoby po amputacji używały pozostałej ręki do wykonywania codziennych czynności, tym bardziej ta ręka przejmowała zasoby mózgowe brakującej ręki, prawdopodobnie w celu wspierania nadużywania nienaruszona ręka.

Kikkert znalazła podobną reorganizację w swojej grupie osób po amputacji w brakującym obszarze dłoni w mózgu, a także szczegółowe mapy dłoni. Oznacza to, że po amputacji nie tylko zachowana jest pierwotna funkcjonalność tego obszaru mózgu, ale wydaje się, że jest ona zachowana pomimo zachodzącej reorganizacji – fakt, który nie został wcześniej rozpoznany.

Można to wykorzystać w całkiem niesamowitej technologii opracowanej dla osób po amputacji i osób niepełnosprawnych: „neuroprotetyka” odnosi się do sztuczne kończyny, które są kontrolowane bezpośrednio przez mózg, zwykle przez elektrody wszczepione do kory mózgowej. Mapy dłoni zachowane w mózgu po amputacji można wykorzystać do umożliwienia indywidualnego ruchu palców dla tych interfejsów mózg-maszyna.

Jak donosi zespół, ich odkrycia „ponownie otwierają pytanie o to, co dzieje się z terytorium korowym po usunięciu głównych danych wejściowych” – i stwarzają nowe możliwości głębszego wyjaśnienia homunkulusa w każdym z nas.

O autorze

KonwersacjeHarriet Dempsey-Jones, naukowiec w dziedzinie neurologii klinicznej, University of Oxford

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon