В исследовании, опубликованном в Nature Human Behaviour, команда отдела нейронаук Университета Бангора (Великобритания) изучала, меняется ли после хирургического восстановления нерва карта проекций кисти руки в мозге. И пришла к заключению: обычно упорядоченная организация реакций мозга на стимуляцию пальцев действительно изменяется.
Карты с долгой историей
Проекция тела в мозге, конечно, не буквальное изображение, а организованные паттерны мозговой активности. Поэтому при прикосновении к разным пальцам реагируют различные участки мозга.
В норме каждый палец руки имеет четкое, обособленное «представительство» в коре (карту проекций). Прикосновение к большому, указательному пальцу или мизинцу вызовет свой паттерн активности в участке мозга, отвечающем за восприятие прикосновений, — первичной соматосенсорной коре S1. Соседние части тела, как правило, активируют соседние участки мозга. Именно такую упорядоченную пространственную организацию и называют соматотопической картой.
Эта концепция восходит к 1930-м годам, когда канадско-американский нейрохирург Уайлдер Пенфилд стимулировал разные участки обнаженного мозга во время операций, показав, что определенным участкам мозга соответствуют ощущения в разных частях тела. Сходные карты были обнаружены у разных млекопитающих; они считаются одной из фундаментальных особенностей организации мозга.
Исследования с визуализацией позволяют отследить пространственные паттерны мозговой активности, возникающие при прикосновении к разным пальцам. Именно эта организация реакций на стимуляцию меняется после операции.
Ошибки реиннервации могут изменить картину проекций в первичной соматосенсорной коре.
Нервы, идущие к пальцам, а также соответствующие упорядоченные карты (проекции) пальцев кисти в коре головного мозга обозначены разными цветами. Очевидно, что после пересечения и восстановления нерва регенерирующие волокна формируют новые соединения без топографического «наведения». Процесс «отрастания» происходит спонтанно и по своей природе случаен. Нервы могут перенаправляться к другим пальцам или обмениваться связями между пальцами.
Восстановление не по плану
Периферические нервы обладают удивительной способностью к регенерации. Однако она никогда не происходит по точно заданному маршруту. «Растущие» волокна не получают инструкций, указывающих, где именно им нужно восстановить соединение после травмы. Поэтому они могут пойти другими путями и соединиться с участками, которые отличаются от тех, которые иннервировались до травмирования.
При регенерации нервных волокон часто происходит перекрещивание аксонов: волокна, ранее шедшие к указательному пальцу, могут «прорасти» к среднему. Из-за этого стимуляция одного пальца активирует нейроны коры, которые раньше отвечали за другой. Мозг начинает получать смешанную, некорректную информацию. Отмечается снижение тактильного пространственного разрешения: человеку становится трудно локализовать, до какого именно пальца дотронулись (касаются указательного, а он чувствует прикосновение, например, к среднему), то есть возникает феномен локализационных ошибок.
С помощью функциональной МРТ исследователи картировали реакции мозга на прикосновение к каждому пальцу у людей, перенесших хирургическое восстановление одного или нескольких крупных нервов кисти, а затем данные сравнили с результатами людей без повреждений нервов.
У участников с восстановленными нервами обычная организация реакций на стимуляцию разных пальцев была нарушена (и сильно варьировалась от человека к человеку). Изменения проекций не были простым следствием ослабленных реакций на прикосновение — напротив, прикосновение к прооперированной кисти вызывало необычно сильные реакции в соответствующем участке мозга. Изменения могли частично отражать то, как регенерирующие нервы заново соединились в кисти.
Однако четкой связи между степенью этих изменений и тем, насколько хорошо люди могли пользоваться руками, не было найдено. Люди с сильно измененными проекциями необязательно хуже определяли место прикосновения и не демонстрировали более выраженных нарушений в общей функциональности кисти. Этот результат ставит под сомнение предположение о том, что более «нормальная» карта мозга непременно должна быть более функциональной.
Для успешного восстановления мозгу не требуется воссоздавать исходную картину. Вместо этого нервная система обучается эффективно использовать новую взаимосвязь. За счет нейропластичности со временем кора попытается частично реорганизоваться и адаптироваться к новой (пусть и ошибочной) карте периферической иннервации.
Эти данные могут иметь важное значение для реабилитации. Восстановление после серьезных повреждений нервов часто бывает неполным: у людей могут сохраняться нарушения чувствительности, движений или болевые ощущения. Чтобы понять, как мозг адаптируется по мере регенерации нерва и почему результаты у разных людей различаются, необходимо наблюдать за пациентами с момента операции, отслеживая карты мозга, поведение и то, как восстанавливаются соединения в периферической нервной сети.
В конечном итоге все это может помочь ответить на два очень важных вопроса: как изменения в мозге связаны с восстановлением после повреждения периферических нервов и что они могут рассказать о самом мозге.