截肢后大脑皮层体感图谱的稳定性：一项纵向神经影像学研究揭示成人S1区手部表征的持久性

本研究通过纵向fMRI追踪三名上肢截肢患者术前至术后5年的皮层表征变化，首次证实成人初级体感皮层(S1)的手部和唇部表征在截肢后保持稳定。研究人员发现幻肢运动激活的神经模式与术前实际手部运动高度相似，且未观察到面部表征向手部剥夺皮层的扩张，挑战了"剥夺驱动大规模重组"的传统观点，为脑机接口开发和幻肢痛治疗提供了重要理论基础。

　　

在神经科学领域，关于成人大脑皮层重组能力的争论已持续半个世纪。传统观点认为，当肢体被截除后，初级体感皮层(S1)中对应的"手部区域"会被邻近身体部位（如面部）的输入所"接管"。这一理论源自上世纪90年代对猴子的开创性研究，当切断传入神经后，S1中原本对手指敏感的神经元开始对面部刺激产生反应。随后的fMRI研究似乎支持这一观点，显示截肢患者的面部触觉会激活原本属于手部的皮层区域。

然而近年来的研究对这一经典理论提出了挑战。越来越多的证据表明，截肢者能体验到栩栩如生的幻肢感觉，通过幻肢运动可以激活与健全者手部运动相似的神经模式。这提示即使在没有外周输入的情况下，大脑可能仍保留着对缺失肢体的内在表征。但这一争议始终未能解决，关键原因在于既往研究都采用横断面设计，无法直接比较同一患者截肢前后的皮层表征变化。

这项发表在《Nature Neuroscience》的研究开创性地采用纵向追踪设计，对三名计划性上肢截肢患者进行了从术前到术后长达5年的fMRI监测。研究团队设计精巧的实验范式，让患者在扫描仪内执行实际手部（术前）或幻肢（术后）的手指运动，同时记录唇部和足部的运动作为对照。通过多模态分析方法，包括单变量激活图谱、多体素模式分析和机器学习解码等，系统评估了S1区手部和唇部表征的时空稳定性。

关键技术方法包括：1)纵向功能磁共振成像(fMRI)追踪截肢前后多个时间点的皮层活动；2)49段S1区(BA3b)分区分析量化体感图谱变化；3)多体素模式分析(MVPA)比较术前术后神经表征相似性；4)支持向量机(SVM)解码器评估手指选择性信息的保留程度；5)与26名慢性截肢患者的横断面数据对比。所有患者均来自英国NHS医疗中心，对照组为16名年龄匹配的健康志愿者。

【Stable cortical body maps before and after arm amputation】

研究发现三名患者的S1手部表征在截肢后表现出惊人的稳定性。将手部和单个手指的活动投射到S1分区显示，幻肢活动在幅度和空间分布上都与术前实际手部活动相似。中心重力(COG)分析证实，手部和单个手指的活动在空间上保持稳定，与健康对照组相比无显著差异。值得注意的是，这种稳定性不能归因于术前基线差异，因为患者术前手部活动与对照组相比完全正常。

【Stable hand representation in the affected hemisphere despite amputation】

通过多体素模式分析发现，术前实际手指与术后幻肢手指的神经活动模式在6个月时仍保持高度相关（相关系数r=0.68-0.91）。手指选择性图谱显示术前术后的体感拓扑结构保持不变。更重要的是，使用术前数据训练的线性SVM解码器能够准确解码术后幻肢手指运动（准确率67-90%），反之亦然。虽然个别患者在特定时间点表现出手指选择性的暂时性降低，但表征结构整体保持完整。

【No evidence for lip reorganization after amputation】

研究未发现唇部表征向手部剥夺皮层扩张的证据。将手部和唇部单变量活动投射到S1分区显示，唇部活动没有向手部区域转移。所有患者在6个月扫描时，唇部COG的纵向变异性与对照组相当。多变量分析显示拇指与唇部表征距离保持稳定，仅在个别时间点出现短暂变化，但最终都回归正常范围。与26名慢性截肢患者的对比进一步证实，唇部活动不会随着截肢时间延长而持续增加。

这项研究通过前所未有的纵向设计，提供了令人信服的证据表明成人S1表征具有显著的稳定性。研究结果挑战了"S1只是外周输入被动中继站"的传统观点，表明S1可能作为身体模型的主动维护者，即使在外周输入消失后仍能通过自上而下（如传出）输入维持表征。这一发现对临床实践具有重要启示：1)为脑机接口开发提供了稳定、详细且持久的神经信号源；2)表明靶向肌肉神经移植等手术不会"逆转"重组或改变皮层手部表征；3)提示Hebbian和稳态的可塑性机制在成人感觉图谱中的作用可能比既往认为的更为有限。

Hunter R.Schone等研究人员的这项工作从根本上改变了我们对皮层可塑性的理解，为未来神经康复和脑机接口研究奠定了新的理论基础。研究特别强调，既往关于"大规模重组"的结论可能源于方法学局限——忽视幻肢表征的分析策略会严重歪曲对皮层输入的理解，结合横断面设计，错误地造成了唇部表征在截肢后重组的假象。这项研究为这一长期争议提供了决定性的实验证据，将深刻影响未来感觉运动皮层可塑性的研究方向。