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近日，一项发表于国际顶尖期刊《Nature Neuroscience》的纵向研究带来突破性发现：成人在手臂截肢前后，大脑初级感觉运动皮层中手（包括术后幻肢）和嘴唇的表征始终保持稳定，并未出现学界长期认为的“大规模皮层重组”。这一结果不仅解决了数十年的学术争议，更为脑机接口研发、幻肢痛治疗等临床应用提供了关键理论支撑。
“这项研究有力地提醒我们，即使在肢体缺失后，大脑仍然保留着对身体的记忆，等待重新连接，”该研究的主要作者、匹兹堡康复神经工程实验室的博士后研究员亨特·肖内（Hunter Schone）说。
Hunter Schone @Rayni Shiring/University of Pittsburgh
长期以来，神经科学领域普遍认为，当身体部位缺失（如手臂截肢）时，大脑会启动“皮层重组”——原本负责该部位的皮层区域会被邻近身体部位（如面部、嘴唇）的神经表征“占据”。这一观点源于上世纪80年代的猴子实验：研究发现猴子截肢后，初级躯体感觉皮层（S1区，负责处理触觉与运动信号）中“手区”会开始响应面部输入；后续对人类截肢者的横断面研究也显示，S1区手的表征似乎被嘴唇表征“替代”，即所谓“皮层资源劫持”。
然而，近年研究逐渐对这一理论提出质疑。部分学者发现，截肢者的幻肢仍能在大脑中引发类似健康手的神经活动——比如尝试移动幻肢手指时，大脑激活模式与健康人移动真实手指高度相似，且皮层或外周神经刺激可诱发清晰的幻肢感觉。但这些研究均存在一个关键局限：采用“横断面设计”，即对比截肢者与健康人的大脑活动，无法直接追踪同一人截肢前后的皮层变化，难以判断幻肢表征是“保留原有模式”还是“全新重组”。
为破解这一难题，来自英国伦敦大学学院、剑桥大学等机构的研究团队采用了“纵向功能磁共振成像（fMRI）”方法——这是全球首个对截肢者从术前到术后进行长期追踪的研究。研究团队招募了3名计划接受手臂截肢的成人参与者（P1、P2、P3），分别因动静脉畸形、缓慢进展的肉瘤、慢性骨病接受截肢，手术方式涵盖先进的靶向肌肉再支配技术与传统截肢术；同时纳入16名健康人作为对照，另补充26名平均截肢23.5年的“慢性截肢者”数据进行验证。
对三名成年参与者在截肢后长达 5 年的时间里，追踪其手部和面部（嘴唇）的皮层表征 @Nat Neurosci
从术前2次扫描（最短间隔24小时，最长距截肢2周），到术后3个月、6个月，再到P1术后1.5年、P2术后5年的长期随访，研究者通过fMRI记录参与者在“移动手指/幻肢手指、噘嘴唇、弯脚趾”等任务中的大脑活动，重点分析S1区（尤其是负责精细躯体定位的Brodmann Area 3b区）和初级运动皮层（M1区）的表征变化。
研究结果颠覆了传统认知：首先，截肢后幻肢的大脑表征高度稳定。无论是单根手指的激活位置、大脑体素活动模式，还是“手指运动意图”的解码准确率，均与术前几乎一致。例如，术前真实手与术后幻肢手指的神经活动相关性高达0.68-0.91（P<0.001），与健康人无差异；用术前大脑数据训练的模型，能以88%-89%的准确率识别术后1.5年的幻肢运动意图，远超随机水平。即便部分参与者在长期随访中手指表征略有减弱，也属于大脑活动的自然波动，与自身未截肢手的变化趋势一致。
案例研究参与者展示了截肢前后惊人一致的手部和嘴唇皮层图 @Nat Neurosci
其次，嘴唇的大脑表征并未“入侵”原手区。传统观点认为，手臂截肢后S1区手的区域会被嘴唇表征占据，但本研究发现：嘴唇的激活范围、强度及“中心位置”在截肢前后无显著变化，且始终处于健康人正常范围内。与26名慢性截肢者对比后进一步证实，无论截肢时间长短，嘴唇表征都未出现向手区的扩展——此前研究的“重组假象”，实则是因忽略了幻肢本身的神经活动，仅通过“对比现存身体部位的最强响应”误判而来。
“由于我们之前的研究，我们怀疑大脑图谱在很大程度上不会改变，但缺失肢体的图谱保持完整的程度令人惊叹，” 剑桥大学认知神经科学教授塔玛尔·马金（Tamar Makin）说，“考虑到躯体感觉皮层负责解读身体内部的状况，它似乎不知道手已经不在了，这很令人惊讶。”
该研究的临床价值尤为显著：对脑机接口研发而言，稳定的幻肢皮层表征意味着未来的植入式设备无需频繁调整，即可长期、准确解码截肢者的运动意图，大幅提升假肢操控的稳定性；对幻肢痛治疗而言，研究提示当前常用的“靶向肌肉再支配”“再生外周神经接口”等疗法，其效果并非通过“逆转皮层重组”实现，需重新探索作用机制，为开发更精准的止痛方案提供依据。
“既然我们已经证明这些图谱是稳定的，脑机接口技术就可以在身体图谱随时间保持一致的假设下运行，”肖内说，“这使我们能够进入下一个前沿领域：获取手部图谱更精细的细节，比如区分指尖和指根，以及恢复丰富的、定性的感觉，如纹理、形状和温度。”
美国国立精神卫生研究院脑与认知实验室的克里斯·贝克（Chris Baker）等人也为这项研究做出了贡献。
这项研究得到了威康信托高级研究奖学金（215575/Z/19/Z）、美国国立精神卫生研究院（ZIAMH 002893和F32MH139145）以及医学研究理事会（MC_UU_00030/10）的支持。
*本文基于8月21日发表的《Stable cortical body maps before and after arm amputation》，视频图片来自研究论文和网络；本文仅用作学术分享，如有侵权请告知删除。
参考：
https://doi.org/10.1038/s41593-025-02037-7
https://www.medschool.pitt.edu/news/gone-not-forgotten-brain-s-map-body-remains-unchanged-after-amputation?utm_source=hs_twitter&utm_medium=organicsocial
