„Mapa těla“ mozku se nemění: Longitudinální fMRI ukazuje stabilitu reprezentací rukou i po amputaci

Klasická myšlenka je, že pokud je paže amputována, osiřelá oblast mapy těla v primární somatosenzorické kůře (S1) je rychle převzata svými sousedy, především rty a obličejem. Nový článek v Nature Neuroscience tento stereotyp boří. Výzkumníci sledovali tři dospělé pacienty longitudinálně, před amputací a až pět let po ní, a porovnávali je s kontrolní skupinou. Mapa ruky v S1 a motorické kůře (M1) zůstala pozoruhodně podobná originálu a nedošlo k žádnému „rozšíření“ oblasti rtu do „ruce“. Jinými slovy, samotná amputace nespouští rozsáhlé kortikální „přepojení“ – dospělí si zachovávají stabilní vnitřní model těla i bez periferního vstupu.

Pozadí studie

Klasický obraz somatotopie (ten samý Penfieldův „homunkulus“) byl dlouho doplňován tezí o „přemapování“ kortexu po amputaci: údajně zóna ruky v primární somatosenzorické kůře (S1) rychle ztrácí vstup a je „zachycena“ sousední projekcí obličeje/rtů a stupeň takového přemapování je spojen s fantomovou bolestí. Tuto myšlenku podpořily průřezové studie a přehledy fMRI/MEG, stejně jako individuální klinická pozorování „přenosu“ vjemů z obličeje do fantomové ruky. Důkazní základna se však opírala hlavně o srovnání různých lidí a metody „vítěz bere vše“, citlivé na šum a prahovou selekci.

V posledních letech se objevily přesnější mapy, které ukazují komplexní a často stabilní organizaci obličeje a ruky v S1 u amputovaných osob: některé signály zachycené při „invazi“ rtu mohou být artefaktem analýzy a vztah s fantomovou bolestí je nekonzistentní. Kritici poukazují konkrétně na metodologii „vítěz bere vše“, malé návratnosti investic a nedostatečné zohlednění fantomových pohybů a vlivů shora dolů. Multivoxelové přístupy a RSA poskytují podrobnější obraz, kde zjevné „zachycení“ obličejem často není viditelné.

Nová longitudinální studie v Nature Neuroscience uzavírá hlavní mezeru – srovnání „se sebou samým“ před amputací a měsíce/roky po ní. U tří pacientů autoři porovnávali aktivace během pohybů prstů ruky (před) a „fantomové“ ruky (po), stejně jako rtů; byly zde také kontrolní skupiny a externí kohorta s amputací. Výsledek: mapy ruky a rtů zůstaly pozoruhodně stabilní a nebyly nalezeny žádné známky „roztažení“ obličeje do ruky; dekodér trénovaný na datech „před“ úspěšně rozpoznal „po“. Závěr – u dospělých jsou somatosenzorické reprezentace podporovány nejen periferními vstupy, ale také interními modely/záměry.

Proto plynou praktické i teoretické důsledky: rozhraní mozek-počítač a protézy se mohou spoléhat na překvapivě stabilní „mapy“ amputované končetiny a hypotéza „bolest = přemapování“ vyžaduje revizi ve prospěch jiných mechanismů fantomové bolesti. Obecněji řečeno, práce posouvá rovnováhu v dlouhodobé debatě o plasticitě: zralá somatotopie u lidí se ukazuje být mnohem stabilnější, než se předpokládalo v neurovědních kurzech.

Jak to zkontrolovali?

Autoři použili longitudinální design: fMRI byla zaznamenána u stejných osob před operací a poté po 3 měsících, 6 měsících a později (1,5 nebo 5 letech). Ve skeneru byli účastníci instruováni, aby pohybovali prsty (před amputací) a „fantomovými“ prsty (po ní), sevřeli rty a ohnuli prsty na nohou.

• Vzorek a kontrolní skupina: 3 pacienti s plánovanou amputací horní končetiny; 16 zdravých kontrolních subjektů (s opakovanými vyšetřeními); další srovnání s kohortou 26 pacientů s chronickou amputací (průměrně 23,5 let po amputaci).
• Metriky mapy: těžiště (COG) aktivity v S1, korelace vzorů pro korelaci pre/po pro každý prst, lineární dekódování pohybu SVM (trénink před amputací → test po a naopak), posouzení penetrace rtu do oblasti ruky.
• Klíčové numerické výsledky: longitudinální korelace vzorů mezi prsty byly vysoké (r≈0,68–0,91; p<0,001), přesnost dekodéru trénovaného „před“ zůstala nad náhodou při testování „po“ (≈67–90 %) a hranice „mapy rtů“ se nerozšířily do „zóny ruky“ ani po 1,5–5 letech.

Proč je to důležité pro neurovědu a klinickou praxi?

Práce ukazuje, že reprezentace „těla“ v S1 u dospělých jsou podporovány nejen periferními senzorickými signály, ale také vlivy shora dolů z motorických záměrů a interních modelů. To vysvětluje, proč pokus o pohyb „fantomové“ ruky vyvolává aktivitu podobnou aktivitě normální ruky a proč předchozí průřezové studie mohly nadhodnocovat „narušení“ obličeje kvůli přístupu „vítěz bere vše“, který nezohledňuje fantomovou aktivitu. To je dobrá zpráva pro rozhraní mozek-počítač: podrobná a stabilní „mapa“ amputované končetiny je vhodná pro dlouhodobé aplikace. Pro terapii fantomové bolesti je důsledek jemnější: současné operace a neuronová rozhraní mapu „neobnovují“, protože již existuje; proto je třeba se zaměřit na jiné mechanismy bolesti.

Co je třeba dále zkontrolovat

Autoři opatrně, ale přímočaře uzavírají: neexistují žádné důkazy o deficitem vyvolané „remodelaci“ somatotopie S1 po amputaci u dospělých; zachování a reorganizace se koncepčně vzájemně nevylučují, ale velké „zachycení“ rty není v longitudinálních měřeních viditelné. Je důležité rozšířit vzorek a standardizovat úkoly:

• Rozšířit N a věkové rozmezí, otestovat rychlost/limity uchování karty pro různé příčiny amputace a předoperační úrovně motorické kontroly.
• Přidejte objektivní periferní markery, včetně pahýlové elektromyografie a neurostimulace, k oddělení příspěvků sestupných a periferních signálů.
• Přehodnoťte protokoly přemapování z metody „vítěz bere vše“ na longitudinální, multivoxelové a klasifikační analýzy, které explicitně zohledňují fantomový pohyb.

Stručně řečeno - hlavní body

• Stabilita místo „uchopení“: Mapy rukou a rtů v S1/M1 u dospělých zůstávají stabilně umístěny až 5 let po amputaci.
• Fantom není představivost: pokusy o pohyb „fantomových“ prstů vytvářejí vzorce statisticky podobné předoperačním pohybům rukou.
• Důsledky: robustní základ pro protetiku BCI; přehodnocení konceptu plasticity řízené deficitem; nové cíle pro terapii fantomové bolesti.

Zdroj: Schone HR a kol. „Stabilní kortikální mapy těla před a po amputaci paže“, Nature Neuroscience, 21. srpna 2025 (Stručné sdělení). DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02037-7