«Карта тіла» мозку не зміщується: поздовжня фМРТ показує стабільність зображень рук навіть після ампутації

Класична ідея полягає в тому, що якщо руку ампутувати, осиротіла область карти тіла в первинній соматосенсорній корі (S1) швидко захоплюється її сусідами, в першу чергу губами та обличчям. Нова стаття в Nature Neuroscience руйнує цю стереотипію. Дослідники спостерігали за трьома дорослими пацієнтами поздовжньо, до та протягом п'яти років після ампутації, і порівнювали їх з контрольною групою. Карта руки в S1 та моторній корі (M1) залишалася разюче схожою на оригінал, і не спостерігалося «розширення» області губи в «руку». Іншими словами, сама ампутація не запускає масштабного коркового «переналаштування» — дорослі зберігають стабільну внутрішню модель тіла навіть без периферійного впливу.

Передумови дослідження

Класична картина соматотопії (той самий «гомункулус» Пенфілда) довго доповнювалася тезою про «перерозподіл» кори після ампутації: нібито зона руки в первинній соматосенсорній корі (S1) швидко втрачає вхідний сигнал і «захоплюється» сусідньою проекцією обличчя/губ, а ступінь такого перерозподілу пов'язаний з фантомним болем. Цю ідею підтверджували перехресні дослідження та огляди фМРТ/МЕГ, а також окремі клінічні спостереження за «перенесенням» відчуттів з обличчя на фантомну руку. Але доказова база спиралася переважно на порівняння різних людей та методи «переможець отримує все», чутливі до шуму та порогового відбору.

В останні роки з'явилися точніші карти, які показують складну та часто стабільну організацію обличчя та кисті в S1 у людей з ампутованими кінцівками: деякі сигнали, отримані для «вторгнення» в губи, можуть бути артефактом аналізу, а зв'язок з фантомним болем є суперечливим. Критики вказували зокрема на методологію «переможець отримує все», малу рентабельність інвестицій та відсутність врахування фантомних рухів та впливу зверху вниз. Багатовоксельні підходи та RSA забезпечують більш нюансовану картину, де очевидне «захоплення» обличчям часто не видно.

Нове поздовжнє дослідження, опубліковане в Nature Neuroscience, заповнює основну прогалину – порівняння «із собою» до ампутації та через місяці/роки після неї. У трьох пацієнтів автори порівняли активацію під час рухів пальців руки (до) та «фантомної» руки (після), а також губ; також були контрольні групи та зовнішня когорта з ампутацією. Результат: карти рук та губ залишалися надзвичайно стабільними, і не було виявлено жодних ознак «розширення» обличчя в руку; декодер, навчений на даних «до», успішно розпізнав «після». Висновок – у дорослих соматосенсорні репрезентації підтримуються не лише периферичними вхідними даними, але й внутрішніми моделями/намірами.

Звідси практичні та теоретичні наслідки: інтерфейси мозок-комп'ютер та протези можуть спиратися на напрочуд стабільні «карти» ампутованої кінцівки, а гіпотеза «біль = перерозподіл» вимагає перегляду на користь інших механізмів фантомного болю. У більш загальному плані, робота зміщує баланс у давніх дебатах про пластичність: зріла соматотопія у людей виявляється набагато стабільнішою, ніж припускали курси нейронауки.

Як вони це перевірили?

Автори використовували поздовжній дизайн: фМРТ реєстрували у тих самих людей до операції, а потім через 3 місяці, 6 місяців та пізніше (1,5 або 5 років). У сканері учасникам було запропоновано рухати пальцями (до ампутації) та «фантомними» пальцями (після), стиснути губи та згинати пальці ніг.

• Вибірка та контрольна група: 3 пацієнти з плановою ампутацією верхньої кінцівки; 16 здорових пацієнтів контрольної групи (з повторними скануваннями); додаткове порівняння з когортою з 26 пацієнтів з хронічними ампутаціями (середній термін після ампутації 23,5 роки).
• Метрики карти: центри тяжіння (ЦГ) активності в S1, кореляції між шаблонами та кореляцією до/після встановлення для кожного пальця, лінійне декодування руху SVM (тренування до ампутації → тест після і навпаки), оцінка проникнення губи в область кисті.
• Ключові числові результати: поздовжні кореляції пальцевих візерунків були високими (r≈0,68-0,91; p<0,001), точність декодера, навченого «до», залишалася вищою за випадковість при тестуванні «після» (≈67-90%), а межі «карти губ» не розширювалися в «зону руки» навіть через 1,5-5 років.

Чому це важливо для нейронауки та клінічної практики?

Робота показує, що репрезентації «тіла» в S1 у дорослих підтримуються не лише периферичними сенсорними сигналами, але й низхідними впливами від рухових намірів та внутрішніх моделей. Це пояснює, чому спроба рухати «фантомною» рукою викликає активність, подібну до активності нормальної руки, і чому попередні перехресні дослідження могли переоцінювати «вторгнення» обличчя через підхід «переможець отримує все», який не враховує фантомну активність. Це гарна новина для інтерфейсів мозок-комп'ютер: детальна та стабільна «карта» ампутованої кінцівки підходить для довгострокового застосування. Для терапії фантомного болю наслідки є більш тонкими: поточні операції та нейронні інтерфейси не «відновлюють» карту, оскільки вона вже існує; тому необхідно впливати на інші механізми болю.

Що перевірити далі

Автори роблять обережний, але прямий висновок: немає жодних доказів дефіцитно-обумовленого «ремоделювання» соматотопії S1 після ампутації у дорослих; збереження та реорганізація концептуально не є взаємовиключними, але велике «захоплення» губами не видно при поздовжніх вимірах. Важливо розширити вибірку та стандартизувати завдання:

• Розширити N та вікові діапазони, перевірити швидкість/межі збереження картки для різних причин ампутації та рівнів передопераційного контролю рухових функцій.
• Додайте об'єктивні периферичні маркери, включаючи електроміографію кукси та нейростимуляцію, щоб розрізнити внесок низхідних та периферичних сигналів.
• Переосмисліть протоколи перерозподілу з принципу «переможець отримує все» на поздовжній, багатовоксельний та класифікаційний аналіз, які явно враховують фантомний рух.

Коротко – основні моменти

• Стабільність замість «захоплення»: карти кисті та губ у S1/M1 у дорослих залишаються стабільно розташованими до 5 років після ампутації.
• Фантом — це не уява: спроби рухати «фантомними» пальцями створюють патерни, статистично подібні до рухів рук до операції.
• Наслідки: надійна основа для протезування BCI; перегляд концепції пластичності, зумовленої дефіцитом; нові мішені для терапії фантомного болю.

Джерело: Schone HR та ін. «Стабільні карти кори головного мозку до та після ампутації руки», Nature Neuroscience, 21 серпня 2025 р. (коротке повідомлення). DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02037-7