先进的假肢映射在大脑中

有针对性的运动和感觉神经支配(TMSR)是截肢患者的一种外科手术，可以将残肢神经重建到完整的肌肉和皮肤上，以便与肢体假体相配，从而实现前所未有的控制。就其本质而言，TMSR改变了大脑处理运动控制和体感输入的方式; 然而，之前从未研究过详细的大脑机制，TMSR假体的成功将取决于我们理解大脑重新映射这些途径的方式的能力。现在，EPFL科学家们已经使用超高场7特斯拉fMRI来显示TMSR如何影响截肢患者大脑的上肢表征，特别是在初级运动皮层和躯体感觉皮层以及处理更复杂脑功能的区域。研究结果发表在大脑。

靶向肌肉和感觉神经支配(TMSR)用于改善上肢假肢的控制。来自截肢的残余神经被转移至重新神经支配并激活新的肌肉目标。这样，配备有TMSR假体的患者将“运动”命令“发送”到再神经支配的肌肉，其中他或她的运动意图被解码并被发送到假肢。另一方面，在重新神经支配的肌肉上直接刺激皮肤被送回大脑，在缺失的肢体上引起触觉感知。

但是大脑如何编码和整合这种人工触摸和假肢的运动?这对我们更好地整合和控制假肢的能力有何影响?实现和微调这种控制取决于知道患者的大脑如何重新映射运动皮层和躯体感觉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和研究人员团队合作，成功地确定了3例经过TMSR的上肢截肢患者皮质的这些变化。并且是Todd Kuiken及其团队在芝加哥康复研究所开发的假肢的熟练使用者。

科学家使用超高场7T功能磁共振成像(fMRI)，这种技术通过检测脑血流量的变化来测量大脑活动。这使他们对每个患者的初级运动和躯体感觉皮层的皮层组织的空间分辨率有了前所未有的洞察力。

令人惊讶的是，该研究表明截肢的运动皮质图在范围，强度和地形方面与没有肢体截肢的个体相似，但它们与截肢患者不同，但没有接受TMSR，但使用的是标准假体。这显示了外科TMSR手术对大脑运动图的独特影响。

该方法甚至能够识别TMSR患者的躯体感觉皮层中缺失(幻影)手指的图，所述躯体感觉皮层通过来自胸部或残肢的重新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组织，尽管程度低于健康受试者。此外，在研究两个皮质中的上肢图之间的关系时，研究人员发现TMSR患者的正常关联，与健康对照相当。然而，在非TMSR患者中，原始作图的保存再次减少，表明TMSR程序保留了初级感觉和运动皮层之间的强功能连接。

该研究还表明，TMSR仍有待改善：TMSR患者的初级感觉和运动皮层与额顶皮质中较高水平的实施区域之间的联系与非TMSR患者一样弱，并且与健康受试者不同。

这表明，尽管能够获得良好的运动表现，但TMSR赋权的假肢仍然不会移动并且感觉像真正的肢体，并且仍然没有被患者的大脑编码为真正的肢体。科学家得出结论，未来的TMSR假肢应该实现与机器人手部动作相关的系统体感反馈，使患者能够感受到假肢运动的感觉后果。

该研究结果为基于TMSR假体的仿生肢体患者提供了首次详细的神经影像学研究，并显示超高场7特斯拉fMRI是研究截肢后运动和躯体感觉皮层上肢图的特殊工具。

此外，研究结果表明TMSR可能在失去肢体后抵消皮质中适应性差的塑性。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关联提供新的见解。

最后，该研究还表明，需要进一步的工程进步，例如将体感反馈整合到当前的假肢中，使其能够移动并感觉像真肢一样。