Aju "kehakaart" ei nihku: pikisuunaline fMRI näitab käte esituste stabiilsust isegi pärast amputatsiooni

Klassikaline idee on see, et kui käsi amputeeritakse, võtavad primaarse somatosensorse ajukoore (S1) orvuks jäänud kehakaardi piirkonna kiiresti üle selle naabrid, peamiselt huuled ja nägu. Uus artikkel ajakirjas Nature Neuroscience murrab selle malli. Teadlased jälgisid kolme täiskasvanud patsienti pikisuunas enne ja kuni viis aastat pärast amputatsiooni ning võrdlesid neid kontrollrühmaga. Käekaart S1-s ja motoorses ajukoores (M1) jäid märkimisväärselt sarnaseks originaaliga ning huulepiirkonna "laienemist" "käeks" ei toimunud. Teisisõnu, amputatsioon ise ei käivita ulatuslikku ajukoore "ümberlülitumist" – täiskasvanud säilitavad stabiilse sisemise kehamudeli isegi ilma perifeerse sisendita.

Uuringu taust

Klassikalist somatotoopia pilti (seesama Penfieldi „homunkulus“) täiendas pikka aega ajukoore „ümberpaigutamise“ tees pärast amputeerimist: väidetavalt kaotab käe tsoon primaarses somatosensorses ajukoores (S1) kiiresti sisendi ja „kinni jääb“ näo/huulte naaberprojektsiooni poolt ning sellise ümberpaigutamise aste on seotud fantoomvaluga. Seda ideed toetasid läbilõikelised fMRI/MEG uuringud ja ülevaated, samuti individuaalsed kliinilised vaatlused aistingute „ülekande“ kohta näolt fantoomkäele. Kuid tõendusbaas tugines peamiselt erinevate inimeste võrdlustele ja „võitja võtab kõik“ meetoditele, mis on tundlikud müra ja läve valiku suhtes.

Viimastel aastatel on ilmunud täpsemad kaardid, mis näitavad amputeeritute näo ja käe keerukat ja sageli stabiilset organisatsiooni S1-s: mõned huule "invasiooni" signaalid võivad olla analüüsi artefakt ning seos fantoomvaluga on vastuoluline. Kriitikud on osutanud konkreetselt "võitja võtab kõik" metoodikale, väikesele investeeringutasuvusele ning fantoomliigutuste ja ülalt-alla mõjude arvestamata jätmisele. Multivokselmeetodid ja RSA pakuvad nüansirikkamat pilti, kus näo poolt ilmne "jäädvustamine" pole sageli nähtav.

Uus pikisuunaline uuring ajakirjas Nature Neuroscience täidab peamise lünga – võrdlus „iseendaga“ enne amputatsiooni ja kuid/aastaid pärast seda. Kolmel patsiendil võrdlesid autorid aktiveerimisi käe (enne) ja „fantoomkäe“ (pärast) sõrmeliigutuste ajal, samuti huultel; lisaks olid olemas kontrollrühmad ja väline amputatsioonikohort. Tulemus: käe ja huulte kaardid jäid märkimisväärselt stabiilseks ning näo „laienemise“ käesse ei leitud märke; „enne“ andmetel treenitud dekooder tundis edukalt ära „pärast“. Järeldus – täiskasvanutel toetavad somatosensoorseid representatsioone mitte ainult perifeerne sisend, vaid ka sisemised mudelid/kavatsused.

Seega on olemas nii praktilised kui ka teoreetilised tagajärjed: aju-arvuti liidesed ja proteesid saavad tugineda amputeeritud jäseme üllatavalt stabiilsetele „kaartidele“ ning hüpotees „valu = ümberkaardistamine“ vajab läbivaatamist, eelistades fantoomvalu teisi mehhanisme. Üldisemalt nihutab see töö tasakaalu pikaajalises plastilisuse arutelus: küps somatotoopia inimestel osutub palju stabiilsemaks, kui neuroteaduse kursustel eeldati.

Kuidas nad seda kontrollisid?

Autorid kasutasid pikisuunalist disaini: fMRI registreeriti samadelt inimestelt enne operatsiooni ning seejärel 3 kuu, 6 kuu ja hiljem (1,5 või 5 aastat). Skanneris juhendati osalejaid liigutama oma sõrmi (enne amputatsiooni) ja „fantoom“ sõrmi (pärast), suruma huuli kokku ja painutama varbaid.

• Valim ja kontroll: 3 patsienti, kellel tehti plaaniline ülajäseme amputatsioon; 16 tervet kontrollisiku (korduvate skaneeringutega); täiendav võrdlus 26 kroonilise amputeeritu kohordiga (keskmine eluiga pärast amputatsiooni 23,5 aastat).
• Kaardi mõõdikud: aktiivsuse raskuskeskmed (COG) S1-s, iga sõrme eel- ja järelmustrite ja -korrelatsioonide analüüs, lineaarne SVM-i liikumise dekodeerimine (treening enne amputatsiooni → test pärast ja vastupidi), huulte penetratsiooni hindamine käe piirkonda.
• Peamised numbrilised tulemused: sõrmedevaheliste mustrite pikisuunalised korrelatsioonid olid kõrged (r≈0,68–0,91; p<0,001), „enne“ treenitud dekoodri täpsus jäi „pärast“ testimisel juhuslikust suuremaks (≈67–90%) ning „huulekaardi“ piirid ei laienenud „käetsooni“ isegi 1,5–5 aasta võrra.

Miks on see neuroteaduse ja kliinilise praktika jaoks oluline?

Töö näitab, et täiskasvanute S1 „keha“ representatsioone toetavad lisaks perifeersetele sensoorsetele signaalidele ka motoorsete kavatsuste ja sisemiste mudelite ülalt-alla mõjutused. See selgitab, miks „fantoomkäe“ liigutamine kutsub esile sarnase aktiivsuse nagu tavalise käe liigutamisel ja miks varasemad läbilõikeuuringud võisid näo „sissetungi“ üle hinnata tänu „võitja võtab kõik“ lähenemisviisile, mis ei arvesta fantoomaktiivsusega. See on hea uudis aju-arvuti liideste jaoks: amputeeritud jäseme detailne ja stabiilne „kaart“ sobib pikaajalisteks rakendusteks. Fantoomvalu teraapia puhul on tagajärg peenem: praegused operatsioonid ja närviliidesed ei „taasta“ kaarti, sest see on juba olemas; seetõttu tuleb sihtida teisi valumehhanisme.

Mida järgmisena kontrollida

Autorid järeldavad hoolikalt, kuid otsekoheselt: täiskasvanutel puuduvad tõendid S1 somatotoopia defitsiidist tingitud "ümberkujunemise" kohta pärast amputatsiooni; säilitamine ja ümberkorraldamine ei ole kontseptuaalselt teineteist välistavad, kuid pikisuunalistel mõõtmistel ei ole huulte poolt suurt "hõõrdumist" näha. Oluline on valimit laiendada ja ülesandeid standardiseerida:

• Laiendage N-i ja vanusevahemikke, testige kaardi säilitamise kiirust/piire erinevate amputatsioonipõhjuste korral ja preoperatiivseid motoorse kontrolli tasemeid.
• Laskuvate ja perifeersete signaalide panuse eraldamiseks lisage objektiivsed perifeersed markerid, sh kännu elektromüograafia ja neurostimulatsioon.
• Mõelge ümber kaardistusprotokollide muutmine võitja-võtab-kõik põhimõttelt pikisuunalistele, mitmevokselilistele ja klassifitseerimisanalüüsidele, mis arvestavad otseselt fantoomliikumisega.

Lühidalt - peamised punktid

• Stabiilsus „haaramise” asemel: täiskasvanute S1/M1 käe- ja huulekaardid jäävad pärast amputatsiooni stabiilselt paigale kuni 5 aastat.
• Fantoom ei ole kujutlusvõime: katsed liigutada "fantoom" sõrmi tekitavad mustreid, mis on statistiliselt sarnased operatsioonieelsete käeliigutustega.
• Järeldused: tugev alus BCI-proteesidele; defitsiidist tingitud plastilisuse kontseptsiooni ümberhindamine; uued eesmärgid fantoomvalu ravis.

Allikas: Schone HR jt. „Stabiilsed ajukoore struktuuri kaardid enne ja pärast käe amputatsiooni“, Nature Neuroscience, 21. august 2025 (lühike teadaanne). DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02037-7