單手人的研究揭示了大腦在失去身體部位後如何適應

單手人的研究揭示了大腦在失去身體部位後如何適應
鼓手瑞克艾倫已經克服了他的一隻手臂截肢。 馬特貝克爾/氣象員/維基百科, CC BY-SA

了解人類大腦是如何工作的是科學最重要的目標之一。 揭露其秘密的第一步是確定大腦的實際組織方式。 我們目前的觀點可以追溯到 神經外科醫生Wilder Penfield的開創性工作 在1940s中,它建立了大腦組織與我們操作身體能力之間的聯繫。

Penfield電刺激了患者的某些大腦區域,並註意到他們不自覺地移動,或者報告了他們身體特定部位的反應。 這是大腦包含身體圖的想法的基礎,其中不同的區域控制不同的身體部位。 但現在,接近80年後,一項新研究提出了另一種觀點。

有許多方法可以研究大腦組織與其功能之間的聯繫。 一種是通過觀察大腦對深刻的身體變化的反應,例如失去身體部位或出生時沒有身體。 例如,一旦手不再存在,控製手的大腦區域會發生什麼?

當科學家們開始探索這個問題時,他們觀察到以前代表手的大腦區域“被佔領了” 由大腦中的鄰近區域。 通過這種方式,大腦將通過大腦領域的戰鬥進行重組 贏得鄰居地區聲稱該地區有其自身的功能目的.

同樣地,在沒有手的情況下出生的人的空置皮質沒有丟失,但從未真正存在於第一位,被招募來代表單手的殘肢。 已經建議這些額外的大腦資源允許單手使用他們的殘餘手臂來代替缺失的手部功能。

然而,本 新的研究 我的同事發表在“當代生物學”雜誌上,建議一個人使用一系列創造性策略來完成複雜的日常任務 - 涉及由大腦區域控制的身體部位,這些區域遠不及缺失的手部區域(參見圖像)。 這使他們質疑大腦重組是否真的取決於大腦中的鄰居關係。

本實驗

科學家研究了只用一隻手出生的17人和用雙手出生的24人。 參與者被要求在實驗室中執行任務,從包裝禮物到打開瓶子或折疊衣物。 這些看似平凡的職責實際上需要我們雙手之間的巨大協調,因此對只有一隻手的人提出了持續的挑戰。 單手成功地通過使用多種補償策略完成任務,包括使用他們的腿,嘴唇,假肢或殘餘手臂來執行通常涉及雙手的任務。

由於這些行為包括的身體部位並非全部由控制失踪之手的區域控制,因此科學家們想要知道這些了不起的人的大腦中發生了什麼。 他們要求參與者用這些不同的身體部位進行簡單的動作,並追踪他們的大腦活動。


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功能性MRI掃描顯示,用於替換手部功能的不同身體部位的表示被映射到可能代表手部的皮質空間上。 換句話說,代表手的大腦區域被用來支撐嘴唇,腳或手臂。

雖然這項研究並不是第一次證明身體部位侵入不同身體部位的大腦皮層區域,但它是第一個顯示多個身體部位受益於同一腦區 - 不論這些區域是否接近每個區域其他在大腦中。

因此,大腦中的靈活性似乎比我們之前想像的要大得多,因為可用的皮質可以分配給共享缺失手的功能的身體部位。

重組還是重新定位?

將這些結果置於上下文中的一種方法是詢問,如果手部區域本身不代表手部區域,而只是負責通常由該手部攜帶的功能的大腦部分,該怎麼辦?

如果這種解釋是正確的,那麼我們一直誤解大腦組織是基於身體部位而不是身體功能。 雖然在這一點上存在投機,但很久以來我們認為這可能是錯誤的。

儘管這些想法令人興奮,但我們必須謹慎行事並記住,目前這仍然是一個有效的理論。 然而,將這些發現串聯在一起具有重要意義。 它不僅可以幫助我們重寫大腦組織理論,它還將告訴我們如何利用大腦重組來在大腦和輔助甚至是輔助技術之間建立更好的接口。

實際上,如果大腦可以利用缺失的手部區域來代表多個其他身體部位,那麼它是否也可以用於表示和控制人造身體部位,如 假肢?

關於作者

Rebecca Nutbrown,神經科學博士候選人, UCL

這篇文章最初發表於 談話。 閱讀 原創文章.


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