Ученые выяснили, почему мозг не может забыть ампутированную конечность

Инвалиды зачастую сообщают о феномене «фантомной боли», или «фантомных конечностей», когда они ощущают присутствие отсутствующих пальцев, кистей рук, ног или голеней, а иногда даже чувствуют боль в когда-то ампутированных конечностях. До сих пор наука никак не могла объяснить это явление. Однако теперь, используя снимки сверхвысокого разрешения, ученые Оксфордского университета смогли изучить мозг ампутантов и увидели, как меняются их мозги после потери руки. Детализация мозга на столь высоком уровне впервые выявила удивительное: мозг ампутанта сохраняет невероятно подробную карту недостающей руки и отдельных пальцев.

Существование этой подробной карты руки в головном мозге — даже спустя десятилетия после ампутации — может частично объяснить явление фантомной конечности.

Сенсорная депривация у людей, к примеру, испытавших слепоту, глухоту или ампутацию, давно стала плодотворным полем для исследования пластичности мозга. Ведущий исследователь Санна Киккерт и ее коллеги из Лаборатории рук и мозга под руководством доцента Тамара Макина взяли за основу изучения один из аспектов явления фантомной конечности, когда ампутанты не только ощущают присутствие или чувства в недостающей конечности, но и могут «управлять» своей фантомной рукой. Попросив людей двигать своими фантомными пальцами по отдельности, параллельно сканируя их мозг, ученым удалось составить подробную карту представления фантомной руки в мозге.

Предыдущие исследования показали, что перемещение фантомной руки создает активность в мозге ампутанта, но до сих пор было трудно сказать, что именно представляет собой эта активность. Например, трудно доказать, что активность мозга указывает на существование карты недостающей руки, а не является какой-то аномальной активностью, вызванной ампутацией.

Исследование Киккерт показывает, что модели активности фантомной руки содержат важные признаки «нормального» представления руки, например, пространственное расположение пальцев по отношению друг к другу. Команде ученых удалось продемонстрировать, что карты рук фантомных конечностей были в пределах диапазона, указанного в контрольном образце участников с двумя руками. Учитывая то, что испытуемые потеряли свои руки от 25 до 31 года назад, это невероятно.

В работе, опубликованной в журнале eLife, ученые также смогли опровергнуть некоторые другие, более тривиальные объяснения фантомной активности мозга. Они показали, что фантомная активация руки не является простым результатом активности мышц или нервов в оставшейся после ампутации культе. К примеру, у ампутантов, потерявших свои мышцы (из-за ампутации выше локтя), карты рук остались такими же, как и у тех, кто не мог посылать или принимать сигналы от конечности вообще (из-за повреждения нерва). Тем не менее до сих пор остается загадкой, вызывает ли сохраненная карта руки в мозге фантомные ощущения конечности или же сами ощущения сохраняют карту руки в мозге.

Как мозг видит тело

Эти результаты вдвойне интересны, поскольку противоречат расхожему мнению относительно того, как мозг формирует и поддерживает сенсорную карту тела. Эта сенсорная карта называется соматосенсорным гомункулусом (от греч. «маленький человек») и давно удивляет ученых своей высокоорганизованной структурой. Организованной в том, что мозг раскладывает части тела очень похоже на то, как они расположены на теле:

Давно считается, что эта карта нуждается в постоянном потоке сенсорного ввода от тела, чтобы сохранить свою организацию. Эта мысль была поддержана значительным числом исследований на животных, показывающим, что когда ампутируется конечность, области тела поблизости на гомункулусе вторгаются и перезаписывают территорию недостающей конечности.

Подобную реорганизацию обнаружили и у людей. Исследование 2013 года, проведенное Тамаром Макином и его коллегами, показало, что после ампутации мозг отнимает оставшуюся от недостающей руки территорию. Их исследование также показало, что этот захват связан с тем, как испытуемые использовали свои тела: чем больше ампутанты использовали оставшуюся руку для повседневных дел, тем больше эта рука занимала ресурсы мозга у отсутствующей руки, возможно, чтобы поддержать перерасход нетронутой руки.

Киккерт нашла подобную реорганизацию в своей группе ампутантов в области отсутствующей руки в мозге, а также подробные карты рук. Это означает, что после ампутации эта область мозга не только остается функциональной, но и поддерживается, несмотря на последующую реорганизацию — этот факт ранее не признавался.

На самом деле, это можно использовать для создания удивительных технологий специально для калек и инвалидов: «нейропротезов», которые контролируются непосредственно мозгом, как правило, через электроды, имплантированные в кору головного мозга. Карта руки, сохраненная после ампутации, может быть использована для приведения в движение отдельных пальцев в этих нейрокомпьютерных интерфейсах.