我们现在知道了大脑如何学习控制假肢

来自神经修复中心的EPFL科学家已使用功能性MRI来显示大脑如何在定向运动和感觉神经支配(TMSR)后重新映射运动和感觉路径，这是一种神经修复方法，其中残留的肢体神经被重新路由到完整的肌肉和皮肤区域以进行控制机械臂。

定向运动和感觉神经支配术(TMSR)是一种针对截肢患者的外科手术，可将残余的肢体神经重新导向完整的肌肉和皮肤，以使其适应肢体假体，从而实现前所未有的控制。TMSR本质上改变了大脑处理运动控制和体感输入的方式。然而，详细的大脑机制从未被研究过，TMSR假体的成功将取决于我们对大脑重新映射这些途径的方式的理解能力。现在，EPFL科学家已使用超高场7 Tesla fMRI来显示TMSR如何影响截肢患者大脑中的上肢表征，特别是在原发性运动皮层和体感皮层以及处理更复杂的大脑功能的区域。研究结果发表在Brain上。

有针对性的运动和感觉神经再生(TMSR)用于改善对上肢假体的控制。来自截肢的残余神经被转移以重新神经支配并激活新的肌肉目标。这样，安装了TMSR假体的患者会将运动命令“发送”到重新受神经支配的肌肉，在那里他或她的运动意图被解码并发送到假肢。另一方面，直接受神经支配的皮肤上的直接刺激皮肤被发送回大脑，从而在缺失的肢体上引起触觉。

但是，大脑如何编码和整合人工肢体的这种人工触摸和运动?这如何影响我们更好地整合和控制假肢的能力?实现和微调这种控制取决于了解患者的大脑如何重新映射运动皮层和体感皮层中的各种运动和体感通路。

EPFL的Olaf Blanke实验室与洛桑大学医院的Andrea Serino以及瑞士和国外的临床医生及研究人员团队合作，成功地绘制了三例接受过TMSR截肢的上肢截肢患者皮质的这些变化并且是Todd Kuiken及其小组在芝加哥康复研究所开发的义肢的熟练使用者。

科学家使用超高场7T功能磁共振成像(fMRI)，该技术通过检测流过大脑的血液变化来测量大脑活动。这为他们提供了空前的洞察力，并以极高的空间分辨率深入了解了每位患者的主要运动皮层组织和体感皮层。

令人惊讶的是，该研究表明，与没有肢体截肢的个体相比，被截肢肢体的运动皮质图在范围，强度和地形方面相似，但与未接受TMSR但使用标准假肢的截肢患者不同。这显示了手术TMSR程序对大脑运动图谱的独特影响。

该方法甚至能够识别TMSR患者体感皮层中缺失(幻影)的手指的图，该图通过胸部或残肢的神经支配的皮肤区域被激活。

体感图显示，大脑保留了其原始的地形结构，尽管程度要比健康受试者小。此外，当研究两个皮质的上肢图之间的联系时，研究人员发现TMSR患者的正常联系与健康对照组相当。但是，在非TMSR患者中，原始图谱的保存再次减少，这表明TMSR程序保留了主要感觉和运动皮层之间的强大功能联系。

该研究还表明，TMSR仍需要改善：TMSR患者的初级感觉和运动皮层与额顶皮层较高的实施区域之间的联系与非TMSR患者一样弱，并且在健康受试者方面有所不同。

这表明，尽管具有良好的运动性能，但以TMSR为主的假肢仍不能移动，感觉像真实的肢体，患者的大脑仍未将其编码为真实的肢体。科学家得出结论，未来的TMSR假肢应实现与机器人手部运动相关的系统体感反馈，使患者能够感觉到其假肢运动的感官后果。

这些发现为基于TMSR假体的仿生肢体患者提供了首次详细的神经影像学检查，并显示超高视野7 Tesla fMRI是研究截肢后运动和体感皮层上肢图的出色工具。

此外，研究结果表明，TMSR可能抵消失去肢体后皮质中适应性差的塑料。这组作者说，这可能为截肢患者的皮质可塑性的性质和可逆性及其与幻肢综合征和疼痛的联系提供新的见解。

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