先進的假肢映射在大腦中

有針對性的運動和感覺神經支配(TMSR)是截肢患者的一種外科手術，可以將殘肢神經重建到完整的肌肉和皮膚上，以便與肢體假體相配，從而實現前所未有的控制。就其本質而言，TMSR改變了大腦處理運動控制和體感輸入的方式; 然而，之前從未研究過詳細的大腦機制，TMSR假體的成功將取決于我們理解大腦重新映射這些途徑的方式的能力。現在，EPFL科學家們已經使用超高場7特斯拉fMRI來顯示TMSR如何影響截肢患者大腦的上肢表征，特別是在初級運動皮層和軀體感覺皮層以及處理更復雜腦功能的區域。研究結果發表在大腦。

靶向肌肉和感覺神經支配(TMSR)用于改善上肢假肢的控制。來自截肢的殘余神經被轉移至重新神經支配并激活新的肌肉目標。這樣，配備有TMSR假體的患者將“運動”命令“發送”到再神經支配的肌肉，其中他或她的運動意圖被解碼并被發送到假肢。另一方面，在重新神經支配的肌肉上直接刺激皮膚被送回大腦，在缺失的肢體上引起觸覺感知。

但是大腦如何編碼和整合這種人工觸摸和假肢的運動?這對我們更好地整合和控制假肢的能力有何影響?實現和微調這種控制取決于知道患者的大腦如何重新映射運動皮層和軀體感覺皮層中的各種運動和體感通路。

EPFL的Olaf Blanke實驗室與洛桑大學醫院的Andrea Serino以及瑞士和國外的臨床醫生和研究人員團隊合作，成功地確定了3例經過TMSR的上肢截肢患者皮質的這些變化。并且是Todd Kuiken及其團隊在芝加哥康復研究所開發的假肢的熟練使用者。

科學家使用超高場7T功能磁共振成像(fMRI)，這種技術通過檢測腦血流量的變化來測量大腦活動。這使他們對每個患者的初級運動和軀體感覺皮層的皮層組織的空間分辨率有了前所未有的洞察力。

令人驚訝的是，該研究表明截肢的運動皮質圖在范圍，強度和地形方面與沒有肢體截肢的個體相似，但它們與截肢患者不同，但沒有接受TMSR，但使用的是標準假體。這顯示了外科TMSR手術對大腦運動圖的獨特影響。

該方法甚至能夠識別TMSR患者的軀體感覺皮層中缺失(幻影)手指的圖，所述軀體感覺皮層通過來自胸部或殘肢的重新神經支配的皮膚區域被激活。

體感圖顯示大腦保留了其原始的地形組織，盡管程度低于健康受試者。此外，在研究兩個皮質中的上肢圖之間的關系時，研究人員發現TMSR患者的正常關聯，與健康對照相當。然而，在非TMSR患者中，原始作圖的保存再次減少，表明TMSR程序保留了初級感覺和運動皮層之間的強功能連接。

該研究還表明，TMSR仍有待改善：TMSR患者的初級感覺和運動皮層與額頂皮質中較高水平的實施區域之間的聯系與非TMSR患者一樣弱，并且與健康受試者不同。

這表明，盡管能夠獲得良好的運動表現，但TMSR賦權的假肢仍然不會移動并且感覺像真正的肢體，并且仍然沒有被患者的大腦編碼為真正的肢體。科學家得出結論，未來的TMSR假肢應該實現與機器人手部動作相關的系統體感反饋，使患者能夠感受到假肢運動的感覺后果。

該研究結果為基于TMSR假體的仿生肢體患者提供了首次詳細的神經影像學研究，并顯示超高場7特斯拉fMRI是研究截肢后運動和軀體感覺皮層上肢圖的特殊工具。

此外，研究結果表明TMSR可能在失去肢體后抵消皮質中適應性差的塑性。這組作者說，這可能為截肢患者的皮質可塑性的性質和可逆性及其與幻肢綜合征和疼痛的關聯提供新的見解。

最后，該研究還表明，需要進一步的工程進步，例如將體感反饋整合到當前的假肢中，使其能夠移動并感覺像真肢一樣。