Fantomlemmar och omkopplade hjärnor

Fantomarmar, ben, fingrar och tår: till synes skräckfilmer. Men för nästan 70 procent av de 4 miljoner amputerade i USA, är livliga förnimmelser i saknade kroppsdelar - som tryck, stickningar, värme, kyla och smärta som kan vara både konstanta och plågsamma - alltför verkliga.

Fantomlemmar har förbryllat forskare i flera år. Men nyare studier har belyst möjliga mekanismer som ligger bakom fenomenet, inklusive bevis på att nervceller i hjärnan som tar emot input från en lem kan koppla om sig själva för att söka input från andra källor efter att lemmen har amputerats. Dessa fynd utmanar den långvariga tron ​​på att hjärnan är oföränderlig bortom en viss ålder och leder forskare att utveckla nya terapier för offer för fantomsmärta och vissa ryggmärgsskador.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 1997

• Se resten av frågan
• Prenumerera

I åratal tillskrev psykologer fantom-lem förnimmelser till önskeuppfyllelse, ett rent psykologiskt tillstånd. Sedan, 1984, genomförde ett team under ledning av Michael Merzenich, en neuroforskare vid University of California i San Francisco, experiment som började förklara fantomlemmar som ett sant fysiologiskt svar. Merzenich och hans kollegor amputerade först långfingrarna från en grupp vuxna ugglapor och stimulerade senare siffrorna på handen på varje apa som låg intill amputationsstumpen.

Genom att placera mikroelektroder, som upptäcker elektrokemiska förändringar i aktivt avfyrande neuroner, i olika områden av apornas hjärnor, fann Merzenich att den region av cortex som ursprungligen avfyrades som svar på stimulering av det amputerade fingret nu triggades varje gång han rörde vid de två intilliggande fingrar. Neuronerna hade inte svarat på stimulering av dessa fingrar före amputationen.

1991 utökade Timothy Pons, en neuroforskare vid Laboratory of Neuropsychology vid National Institute of Mental Health, Merzenichs fynd. Pons och hans kollegor arbetade med vuxna makakapor och deafferenterade, eller skar, nerver som kommunicerade sensorisk information mellan cortex och armen, underarmen, handen och baksidan av huvudet. Teamet stimulerade sedan olika kroppsdelar och fann att den del av cortex som tidigare hade svarat på armen och bakhuvudet nu svarade på stimulering av ansiktet. Som murgröna som spred sig över nakna tegelstenar, tror Pons, invaderade omgivande nervceller det träda kortikala området som motsvarar de deafferenta lemmarna, vilket gjorde att det kunde svara på stimulering från andra delar av kroppen.

Mänskliga prövningar

Följande år genomförde Vilayanur Ramachandran, en neuroforskare vid University of California i San Diego, experiment på människor som fått en arm eller ett finger amputerat. Med ögonbindel för sina patienter utövade han tryck på olika delar av deras kroppar. Ramachandran bekräftade Pons resultat och upptäckte flera försökspersoner som rapporterade att trycket på ansiktet kändes som om det kom från både ansiktet och fantomhanden.

Ramachandran säger att detta fynd var vettigt eftersom det kortikala territoriet som en gång motsvarade armen låg bredvid det som motsvarade ansiktet. Och precis som folk som står bredvid barstolar i en fullsatt bar är mest benägna att få de platserna när folk lämnar, har nervceller nära ett område som inte längre får input den bästa möjligheten att flytta in.

Ramachandran resonerade att smärtan i samband med fantomlemmar kan uppstå när neuronerna flyttar in i nya områden men gör ett felaktigt jobb med att koppla om sig själva. Fel i kortikal ommappning, säger han, såsom korskoppling av beröring och smärtinmatning kan förklara smärta i, säg, en fantomarm som uppstår från en godartad beröring i ansiktet.

De mänskliga studierna visade också att kortikal omorganisation skedde snabbare än man tidigare misstänkt. Medan Pons hade studerat primater som hade varit deafferenta i 11 år, fann Ramachandran liknande bevis hos personer vars lemmar hade amputerats bara fyra veckor före experimenten.
Begreppet neural återväxt och kortikal omorganisation representerar en radikal förändring i hur forskarna ser på hjärnan. Historiskt har man trott att det finns ett kritiskt möjlighetsfönster under utveckling när hjärnan är kopplad, säger Pons. Nu, säger han, verkar det som att hjärnan uppvisar en överraskande mängd plasticitet under hela livet.

Potentiella terapier

Sådan plasticitet kan vara nyckeln till potentiella terapier inte bara för fantomsmärta utan även andra åkommor i det centrala nervsystemet, inklusive ryggmärgsskador där inflammation eller tryck blockerar nervbanorna. Under de senaste månaderna har faktiskt Pons och hans kollega David Good, chef för Bowman Grey School of Medicine Rehabilitation Center vid Wake Forest University i North Carolina, observerat patienter med ryggmärgsskador och jämfört graden av återhämtning med mängden kortikal omorganisation mätt med MRI-skanningar.

Som väntat upptäckte forskarna att de som upplevde minst omorganisation också hade den mest fullständiga återhämtningen. Om neuronerna inte omorganiseras, förklarar Pons, så när saker och ting återgår till det normala i ryggmärgen, kommer cortex att förbli oförändrad och kunna fungera med ryggmärgen som den brukade.

Pons och Good tror att artificiellt förebyggande av kortikal omorganisation skulle kunna hjälpa patienter att återhämta sig från sådana ryggmärgsskador, även om de varnar för att tillvägagångssättet inte skulle vara till någon nytta i fall där ryggmärgen faktiskt är avskuren. En metod för att blockera kortikal omorganisation som forskarna undersöker innebär användningen av DAP-V, ett läkemedel som hämmar den elektrokemiska aktiviteten av glutamat, en signalsubstans i hjärnan.

Normalt möjliggör glutamat kommunikation mellan neuroner när de skickar elektrokemiska meddelanden till varandra från en extern stimulans, såsom ett slag mot handen, hela vägen till hjärnan. På liknande sätt, efter en ryggmärgsskada eller amputation - när neuroner plötsligt slutar att ta emot insignaler från sina grannar - gör glutamat det möjligt för de övergivna neuronerna att ansluta till andra neuroner som kommer att ge dem stimulans, vilket förbättrar kortikal omorganisation.

Pons och Good säger att bindning av glutamatreceptorer med DAP-V kommer att förhindra neuron-till-neuron-kommunikation, så att de övergivna neuronerna, som inte längre kommunicerar med sina livslånga partners, inte kommer att kunna kommunicera med några potentiella nya partners , antingen. Därför tror forskarna att neuroner kommer att förbli bundna till sina kompisar. Och när blockeringen av ryggmärgen försvinner, kommer de ursprungliga kortikala anslutningarna och funktionerna att förbli intakta.

Slutligen, eftersom den kortikala omorganisationen som äger rum efter amputation är så lik den omkoppling som sker efter ryggmärgsskador, hoppas Pons att ett farmakologiskt medel som DAP-V som förhindrar neural omorganisation i cortex också kan hjälpa till att förhindra fantom-lemmar. smärta hos amputerade. Forskarna varnar dock för att denna forskning är i sin linda och ännu inte har behandlat grundläggande frågor som hur läkemedlet kan administreras och om det kan ges under en kort period efter amputation eller om det måste administreras på obestämd tid.

Dölj