De ‘lichaamskaart’ van de hersenen verschuift niet: longitudinale fMRI toont stabiliteit van handrepresentaties, zelfs na amputatie

Het klassieke idee is dat bij amputatie van een arm het verweesde lichaamskaartgebied in de primaire somatosensorische cortex (S1) snel wordt overgenomen door de aangrenzende gebieden, voornamelijk de lippen en het gezicht. Een nieuw artikel in Nature Neuroscience doorbreekt deze opvatting. De onderzoekers volgden drie volwassen patiënten longitudinaal, vóór en tot vijf jaar na de amputatie, en vergeleken hen met controlegroepen. De handkaart in S1 en de motorische cortex (M1) bleven opmerkelijk vergelijkbaar met het origineel, en er was geen "expansie" van het lipgebied naar de "hand". Met andere woorden, amputatie zelf veroorzaakt geen grootschalige corticale "herbedrading" – volwassenen behouden een stabiel intern lichaamsmodel, zelfs zonder perifere input.

Achtergrond van de studie

Het klassieke beeld van somatotopie (dezelfde "homunculus" van Penfield) werd lange tijd aangevuld met de these van "remapping" van de cortex na amputatie: vermoedelijk verliest de handzone in de primaire somatosensorische cortex (S1) snel de input en wordt "gevangen" door de aangrenzende projectie van het gezicht/de lippen, en de mate van dergelijke remapping wordt geassocieerd met fantoompijn. Dit idee werd ondersteund door cross-sectionele fMRI/MEG-studies en -reviews, evenals individuele klinische observaties van de "overdracht" van sensaties van het gezicht naar de fantoomhand. Maar de bewijsbasis berustte voornamelijk op vergelijkingen tussen verschillende mensen en "winner-takes-all"-methoden, gevoelig voor ruis en drempelselectie.

De laatste jaren zijn er nauwkeurigere kaarten verschenen die de complexe en vaak stabiele structuur van het gezicht en de hand in S1 bij geamputeerden laten zien: sommige signalen die worden gemeten voor lip-"invasie" kunnen een artefact van de analyse zijn, en de relatie met fantoompijn is inconsistent. Critici hebben specifiek gewezen op de "winner takes all"-methode, de kleine ROI's en het gebrek aan aandacht voor fantoombewegingen en top-down invloeden. Multivoxel-benaderingen en RSA bieden een genuanceerder beeld, waarbij duidelijke "capture" door het gezicht vaak niet zichtbaar is.

Een nieuwe longitudinale studie in Nature Neuroscience dicht de belangrijkste kloof: een vergelijking "met zichzelf" vóór de amputatie en maanden/jaren erna. Bij drie patiënten vergeleken de auteurs de activaties tijdens vingerbewegingen van de hand (vóór) en een "fantoomhand" (na), evenals van de lippen; er waren ook controlegroepen en een cohort met een externe amputatie. Resultaat: hand- en lipkaarten bleven opmerkelijk stabiel en er werden geen tekenen van "expansie" van het gezicht in de hand gevonden; een decoder getraind op "vóór"-gegevens herkende met succes "na". Conclusie: bij volwassenen worden somatosensorische representaties niet alleen ondersteund door perifere input, maar ook door interne modellen/intenties.

Vandaar de praktische en theoretische implicaties: hersen-computerinterfaces en protheses kunnen vertrouwen op verrassend stabiele 'kaarten' van het geamputeerde ledemaat, en de hypothese van 'pijn = remapping' moet worden herzien ten gunste van andere mechanismen van fantoompijn. Meer in het algemeen verandert het werk de balans in het al lang bestaande debat over plasticiteit: volwassen somatotopie bij mensen blijkt veel stabieler te zijn dan in de neurowetenschappelijke opleidingen werd aangenomen.

Hoe hebben ze dat gecontroleerd?

De auteurs gebruikten een longitudinaal ontwerp: fMRI werd bij dezelfde personen opgenomen vóór de operatie en vervolgens na 3 maanden, 6 maanden en later (1,5 of 5 jaar). In de scanner kregen de deelnemers de opdracht hun vingers (vóór de amputatie) en 'fantoomvingers' (daarna) te bewegen, hun lippen te tuiten en hun tenen te buigen.

• Steekproef en controles: 3 patiënten met een electieve amputatie van de bovenste ledematen; 16 gezonde controles (met herhaalde scans); aanvullende vergelijking met een cohort van 26 chronisch geamputeerden (gemiddeld 23,5 jaar na amputatie).
• Kaartmetriek: zwaartepunten (COG) van activiteit in S1, pre/post patroon-tot-correlatie correlaties voor elke vinger, lineaire SVM-bewegingsdecodering (training vóór amputatie → test erna en vice versa), beoordeling van lippenetratie in het handgebied.
• Belangrijkste numerieke resultaten: longitudinale correlaties van vinger-tot-vingerpatronen waren hoog (r≈0,68-0,91; p<0,001), de nauwkeurigheid van de decoder die ‘vóór’ was getraind bleef boven het toeval toen deze ‘na’ werd getest (≈67-90%), en de grenzen van de ‘lipkaart’ breidden zich niet uit tot in de ‘handzone’, zelfs niet na 1,5-5 jaar.

Waarom is dit belangrijk voor de neurowetenschap en de klinische praktijk?

Het onderzoek toont aan dat "lichaamsrepresentaties" in S1 bij volwassenen niet alleen worden ondersteund door perifere sensorische signalen, maar ook door top-down invloeden van motorische intenties en interne modellen. Dit verklaart waarom het bewegen van een "fantoomhand" activiteit oproept die vergelijkbaar is met die van een normale hand, en waarom eerdere cross-sectionele studies de "intrusie" van het gezicht mogelijk hebben overschat vanwege een "winner-takes-all"-benadering die geen rekening houdt met fantoomactiviteit. Dit is goed nieuws voor hersen-computerinterfaces: een gedetailleerde en stabiele "kaart" van een geamputeerde ledemaat is geschikt voor langetermijntoepassingen. Voor fantoompijntherapie is de implicatie subtieler: huidige operaties en neurale interfaces "herstellen" de kaart niet omdat deze er al is; daarom moeten andere pijnmechanismen worden aangepakt.

Wat moet u vervolgens controleren?

De auteurs concluderen voorzichtig maar direct: er is geen bewijs voor een door tekorten veroorzaakte "remodellering" van S1-somatotopie na amputatie bij volwassenen; behoud en reorganisatie sluiten elkaar conceptueel niet uit, maar een grote "vangst" door de lippen is niet zichtbaar bij longitudinale metingen. Het is belangrijk om de steekproef uit te breiden en de taken te standaardiseren:

• Breid de N- en leeftijdscategorieën uit, test de snelheid/limieten van kaartbewaring voor verschillende amputatieoorzaken en preoperatieve niveaus van motorische controle.
• Voeg objectieve perifere markers toe, waaronder stomp-elektromyografie en neurostimulatie, om de bijdragen van afdalende en perifere signalen te scheiden.
• Herzie de herindeling van protocollen van 'winner-takes-all' naar longitudinale, multi-voxel- en classificatieanalyses die expliciet rekening houden met fantoombewegingen.

Kort samengevat - de belangrijkste punten

• Stabiliteit in plaats van 'grijpen': hand- en lipkaarten in S1/M1 bij volwassenen blijven tot 5 jaar na amputatie stabiel gepositioneerd.
• Fantoom is geen verbeelding: pogingen om 'fantoomvingers' te bewegen, produceren patronen die statistisch gezien vergelijkbaar zijn met handbewegingen vóór de operatie.
• Implicaties: een robuuste basis voor BCI-protheses; heroverweging van het concept van door tekorten veroorzaakte plasticiteit; nieuwe doelen voor de behandeling van fantoompijn.

Bron: Schone HR et al. “Stable cortical body maps before and after arm amputation”, Nature Neuroscience, 21 augustus 2025 (Brief Communication). DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02037-7