大脑根据目标运动和感觉神经再生(TMSR)重新映射运动和感觉路径。

来源：洛桑理工学院

概要：

科学家们利用功能性核磁共振成像来显示，大脑是如何根据目标的运动和感觉神经再生(TMSR)重新映射运动和感觉路径的。神经义肢是一种神经修复方法，在那里，残余的肢体神经被重新定向到完整的肌肉和皮肤区域，以控制一个机械手臂。

定向运动和感觉神经移植(TMSR)是一项外科手术，患者截肢后，将残余的肢体神经移植到完整的肌肉和皮肤上，以使其适应假肢，从而获得前所未有的控制。从本质上说，TMSR改变了大脑处理运动控制和躯体感觉输入的方式;然而，详细的大脑机制从来没有被研究过，而TMSR假肢的成功将取决于我们理解大脑如何重新映射这些路径的能力。现在，EPFL的科学家们已经使用超高的能量场7特斯拉功能磁共振成像技术来显示TMSR是如何影响截肢患者的大脑中的上肢表现，特别是在主要运动皮层和躯体感觉皮层和处理更复杂的大脑功能的区域。这些发现发表在大脑杂志上。

有针对性的肌肉和感觉神经移植(TMSR)用于改善上肢假肢的控制。截肢后的残余神经被转移到神经支配，并激活新的肌肉目标。通过这种方式，一个安装了TMSR假肢的患者“将”运动指令发送到神经重新支配的肌肉，在那里他或她的运动意图被解码并发送到假肢上。另一方面，对重新神经支配的肌肉的直接刺激会被传送回大脑，导致失去肢体的触觉感知。

但是，大脑是如何编码和整合假肢的这种人工触觉和动作的呢?这将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依赖于知道病人的大脑如何重新映射运动皮层和躯体感觉皮层的各种运动和躯体感觉通路。

EPFL Olaf Blanke)的实验室,与安德里亚Serino合作大学医院的临床医生和研究人员在瑞士的洛桑和团队和国外已经成功地描绘出这些皮质的变化三个上肢截肢患者经历了TMSR并熟练用户开发的假肢托德Kuiken芝加哥康复研究所教授和他的团队。

科学家们使用超高的电场7T功能性磁共振成像(fMRI)技术，这项技术通过检测血液流动的变化来测量大脑活动。这给了他们前所未有的洞察力，使他们对每个病人的主要运动和躯体感觉皮层的皮层组织有了极大的空间分辨力。

令人惊讶的是，这项研究显示，在没有截肢的人的范围、强度和地形方面，截肢的运动皮质地图与截肢患者的情况是相似的，但他们不同于那些没有接受过TMSR的截肢患者，但他们使用的是标准的假肢。这显示了手术TMSR程序对大脑运动图的独特影响。

这种方法甚至能够识别TMSR患者的躯体感觉皮层中缺失的(幻肢)手指的地图，这些患者通过从胸部或残肢上的神经支配的皮肤区域被激活。

躯体感觉图显示，大脑保留了原来的地形组织，尽管比健康的受试者要少一些。此外，研究人员在研究两个脑皮层上的上肢图之间的联系时，发现TMSR患者的正常连接，与健康对照组相当。然而，在非TMSR患者中，保留原图的保留再次减少，表明TMSR过程保留了原感觉和运动皮层之间的强大功能连接。

该研究还表明，TMSR仍需要改进:与非TMSR患者相比，原发性感觉与运动皮质与额顶叶皮质的高级表现区之间的联系在TMSR患者中表现较弱，与健康受试者的关系也有所不同。

这表明，尽管有了良好的运动表现，但tmsr授权的假肢仍然不动，感觉就像一个真正的肢体，而且还没有被病人的大脑编码成真正的肢体。科学家们得出的结论是，未来的TMSR假肢应该实现系统的躯体感觉反馈，与机器人手的动作有关，让病人能够感受到他们假肢运动的感觉。

这一发现为基于TMSR假肢的仿生肢体的患者提供了第一个详细的神经影像研究，并显示超高的电场7特斯拉fMRI是研究截肢后运动和躯体感觉皮层的上肢图的特殊工具。

此外，研究结果表明，在失去肢体后，TMSR可能会抵消大脑皮质的适应性较差。作者认为，这可能为截肢患者的大脑皮质可塑性及其与幻肢综合症和疼痛的联系提供了新的见解。

最后，这项研究还表明，需要进一步的工程技术进步，比如将躯体感觉反馈整合到目前的假肢中，使它们能够移动和感觉自己是真正的肢体。