基本信息
Title:Stable cortical body maps before and after arm amputation（截肢前后稳定的皮层身体地图）
Journal：Nat Neurosci
发表时间:2025.8.21
2025 影响因子：20
关键词：假肢、S1、体感皮层、纵向fMRI、MVPA、RSA、重映射、BCI、TMR、RPNI
省流总结
跟踪3位上臂截肢者从术前到术后最长5年，研究发现初级体感皮层（S1）的表征手与嘴唇的区域整体稳定，既没有出现“唇区侵占手区”的大规模重组，也没有手表征能力的崩溃。大脑像是在维护一套韧性的身体模型。
研究背景
半个世纪以来，关于成人截肢后S1（初级躯体感觉皮层）是否会发生大规模重组一直争论不休：早期猴实验和部分人类影像学提示：邻近部位（如面、唇）会“侵占”被剥夺的手区；而较新的研究又发现：假肢运动、触觉能激活缺失肢体的皮层表征，这些发现挑战了“被动输入—>被动重塑”的经典叙事。以往争论的一大症结是：多为横断面设计，缺少纵向研究，因此无法回答“同一个人术前—术后究竟改变了多少”。
研究问题
成人上肢截肢后，S1 的手与唇的表征会不会发生大规模重组？
具体看两点：
① 术前“真手”与术后“假肢手”的空间位置与多体素模式是否保持一致？
② 是否出现唇区侵占手区的典型现象？
研究方案（纵向 + 多手段）
对象：3名上臂截肢成人（P1/P2/P3），术前2次fMRI；术后3个月、6个月及1.5年/5年再次扫描。对照组为16名健康志愿者按相同时间线扫描；另有26名慢性截肢者的交叉样本做外部对比。
任务：3T fMRI 中被试执行单指敲击、唇嘟起、脚趾屈伸；术后执行假肢手动作（并与“想象不动”对照）。
主要结果
1.假肢≠想象：术后“尝试假肢运动”显著激活初级传感运动皮层，强于“想象运动”对照，证明确有选择性神经响应（Fig.1c）。
2.手表征稳定：
术前与术后活动幅度与空间分布相似（Fig.2a），COG位移与对照的半年内自然波动相当；
术前、术后的单指多体素相关显著（r≈0.68–0.91），并可跨时段SVM解码到单指（Fig.2b/2d）。
3.没有“唇侵占手区”：
唇区COG不向手区移动，手区内的唇活动量整体处于常规范围；
统一阈值下，唇图边界未见向手区推进（Fig.3a–f）。
4.长期一致：纵向队列最终随访的拓扑与\\慢性截肢者（平均术后23.5年）\\相当，提示长期稳定性。
每一张图讲什么
Figure的总体逻辑：
图1确认了任务与设计，并证明“假肢运动”在感觉运动皮层引发真实激活。
图2系统显示“手”的空间位置、体素级手指、指间可分性与跨时点可解码性在截肢后保持稳定。
图3进一步表明：传统认为的“唇侵占手区”并未发生（不论是位置、边界还是多变量内容），这种稳定性在长期随访与慢性截肢者上也得到印证。
Figure 1，Longitudinal investigation of participants with planned arm amputations
- 实验时间线。截肢前后在4–5个时间点进行扫描：截肢前两次，以及术后3个月、6个月和1.5年（P1）/5年（P2）。
- 示意图，描绘三位参与者在截肢6个月后的状态，包括他们对自身假肢位置的主观描述。
- 假肢运动>想象的显著性激活地图。
- 参与者在受影响手的半球内、跨4–5次随访的手（红）与唇（蓝）皮层激活图（均与足部运动作对比）。
Figure 2，Stable hand representation in the affected hemisphere despite amputation
- 将S1（BA3b）ROI按相似高度分为49段，投影“手及各指（相对静息）”的纵向活动。下排为各指COG在截肢前后变化。黑线为截肢前，黄/橙/红线为截肢后不同随访。病例（红）的手与各指COG位移均落在对照（灰）的分布内。正值表示向内侧（足侧）移动，负值表示向外侧（唇侧）移动。对照95%分位区间以灰色小提琴图示；P1为红三角，P2为红方形，P3为红五角星。为简化，对照均取左（非优势）手。
- 术前到术后单指多体素相关：显示每位病例在最终术后扫描时各指的体素活动相关。所有相关均显著。
- 术前与术后指选择性地图。每幅图为“该指 vs 其余四指”的选择性，限制在手ROI内；阈值设为各自最大z的33%并二值化；为在单体素处可视化多指叠加，对所有指图应用70%不透明度。
- 左：线性SVM解码的流程示意。右：纵向分类表现。不同颜色线表示不同“训练-测试时段”组合（见图例）。灰色带为健康对照“前-后(6月)”的95%分位区间。用术前数据训练、术后数据测试（及其反向）在所有病例的全部术后时点上均显著高于随机。
Figure 3，No evidence for lip reorganization after amputation
- 将每位病例各次随访的“唇（相对静息）”活动投影到S1 ROI上。黑线为截肢前；黄（3月）、橙（6月）、红（1.5/5年）为截肢后。灰色区域表示S1中手部区域的近似覆盖范围。
- 在术后6月，三位病例的唇COG显示出与健康对照相当的典型纵向波动。正值表示向内侧（靠近手区）移动。
- 在最终随访时，三位病例在S1手区内的唇活动量均属典型范围。右上角给出一位健康对照“唇>足”的代表性图。
- 三位病例均未出现唇地图边界向手区扩张。地图限制在S1 ROI内。
- 与健康对照相比，三位病例在最终随访时“拇指–唇”的跨验证Mahalanobis多变量距离保持稳定。
- 与一个慢性截肢队列（n=26）比较：左，慢性截肢者（平均术后23.5年）幻手与唇（相对静息）的群体皮层激活投影（最低阈值z>3.1；S1 ROI外的活动半透明）。群体单变量活动沿S1 ROI绘制为曲线（均值±标准误）。中，三位病例在幻手（上）与唇（下）的COG上均与慢性截肢者相当。右，三位病例在最终随访时S1手区内的唇活动量与慢性截肢者一致；灰色为另一组健康对照（n=18）的95%分位范围。
作者如何解释（讨论）
核心观点：S1并非被动的外周输入中继，而是通过自上而下（如运动计划、传出副本）维持一套稳定的身体模型；成人S1在输入剥夺后呈稳定状态而非“轻易重组”。
方法学意义：同一被试的纵向比较规避横向研究偏差；作者还系统展示了“Winner-takes-all”在排除手活动时如何人为制造“唇前移”错觉（Extended Data Fig.9）。
临床/工程启示：
脑机接口（BCI）：细粒度且长期稳定的手指表征利于稳态解码与感觉回馈设计；
假肢治疗：如TMR/RPNI等手术，并非通过“逆转重组”起效，治疗机制与策略需重估。
优势&局限
优势：罕见的术前—术后多时点纵向设计（最长5年）；多种互补分析（COG、MVPA、RSA）与外部慢性队列一致验证。
局限：样本量小（n=3）；纵向不可避免的时间相关因素（硬件/熟悉度）可能影响信号，但用并行对照做了对冲；3T与概率区划可能带来ROI不精确。
综合点评（编辑部观点）
这项精心设计的纵向研究，用个体内对照和多层次分析为“成人大脑地图稳定性”提供了强有力的人类证据。它一方面纠偏了“忽视假肢表征+横断面+赢家通吃”导致的“唇侵占手区”观感，另一方面也为BCI与疼痛干预提供了更现实的靶点：承认并利用稳定的手部表征，而不是寄望于“把地图改回来”。在样本量扩大与更高分辨率成像到来之前，这篇文章已经足以成为该领域讨论的新基准。
Author information:
第一作者（兼通讯作者）：Hunter R. Schone
Institute of Cognitive Neuroscience, University College London, London, UK
伦敦大学学院认知神经科学研究所（英国伦敦）
Laboratory of Brain & Cognition, National Institutes of Mental Health, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA
美国国立精神卫生研究所脑与认知实验室（美国马里兰州贝塞斯达市）
Rehab Neural Engineering Labs, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA, USA
匹兹堡大学康复神经工程实验室（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）
Department of Physical Medicine and Rehabilitation, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA, USA
匹兹堡大学物理医学与康复系（美国宾夕法尼亚州匹兹堡市）
最后通讯：Tamar R. Makin
Institute of Cognitive Neuroscience, University College London, London, UK
伦敦大学学院认知神经科学研究所（英国伦敦）
MRC Cognition and Brain Sciences Unit, University of Cambridge, Cambridge, UK
剑桥大学MRC认知与脑科学研究所（英国剑桥）
Wellcome Centre for Human Neuroimaging, UCL Institute of Neurology, London, UK
伦敦大学学院神经病学研究所 Wellcome Centre 神经影像中心（英国伦敦）
Abstract
The adult brain’s capacity for cortical reorganization remains debated. Using longitudinal neuroimaging in three adults, followed before and up to 5 years after arm amputation, we compared cortical activity elicited by movement of the hand (before amputation) versus phantom hand (after amputation) and lips (before and after amputation). We observed stable cortical representations of both hand and lips in primary sensorimotor regions. By directly quantifying activity changes across amputation, we demonstrate that amputation does not trigger large-scale cortical reorganization.
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