《当代生物学》:独手人大脑揭示新组织理论 连区GABA低

顾汉现

作者：Tamar Makin

来源：《当代生物学》

发布时间：2017/4/25 21:14:18

独手人大脑揭示新组织理论区  连区GABA低

对于天生只有一只手的人来说，他们大脑中的某个分区本该是通过失去的那只手的活动得到启发，现在却通过身体的其他部位，比如胳膊、脚和嘴的活动得到启发。研究人员在近日出版的《当代生物学》杂志中报告称，这项发现能颠覆科学家对大脑组成的基本认知。

英国伦敦大学学院的Tamar Makin说：“我认为有一个方法能让该研究结果在科学逻辑上说得通：在大脑中，假如控制手的分区实际上并不是用来控制手的，而仅是大脑中负责控制身体活动功能的一个区域，只是通常由手的动作表现它执行的结果罢了。”

研究人员表示，如果四肢健全，大脑中这部分控制分区一般由不常用的那只手表达执行，但事实上，对于先天只有一只手的人来说，在那个区域出现了一个明显的不同表现，这就暗示该脑分区实际上并不是专门负责手的。“如果这是真的，就意味着我们误认为大脑的构成是基于身体各部位，而不是基于功能。如果这个说法被证明是对的，那么影响将是巨大的。”Makin说。

在这项新研究中，Makin团队和合作者，对那些天生缺少某个身体部位的人们进行了研究，探索其大脑构成的原理。研究人员对17名天生独手人，以及24名拥有双手的正常人进行了比对研究。每位参与者要完成包装礼物或数钱等5个日常任务，科学家记录了这些过程以研究他/她是怎么做这些事的。同时，研究人员也会对他们的大脑进行功能核磁共振扫描，以观察他们在进行不同动作时大脑的变化。

结果发现，一直被认为是控制手的脑分区，实际上占据了大脑中相当可观的部分。而研究人员对天生独手人进行观察时，发现这部分脑分区是被他们身体各部位的活动所共同开发的，而且因为缺少一只手，所以空出来的脑区域分配给了身体的其他部位，以至于这些肢体有了更高效的表现，这也是独手人能像健康人一样完成各种日常生活任务的原因。

但研究人员也谨慎地表示目前这仍只是一个工作原理，毕竟科学家很早就得出了不同大脑分区控制身体不同部位的结论。（来源：科学网 唐一尘）

http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201742521141875443753.shtm

http://www.cell.com/current-biol ... 960-9822(17)30352-4



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顾汉现

《当代生物学》:独手人大脑揭示新组织理论 连区GABA低2

报告

代表先天性单身手的失踪手部的多个身体部位

Avital哈马姆， 麦克唐纳（Scott N. Macdonald）， Fiona van den Heiligenberg， Paullina Kieliba， 乌代伊米尔， 拉斐尔·马拉赫， 海蒂约翰森伯格， 彼得布鲁格， 库尔姆， Tamar R. Makin 关于作者的信函Tamar R. Makin 发送电邮给Tamar R. Makin“
在线发布：2017年4月20日
出版阶段：新闻纠正证明
开放获取
DOI：http : //dx.doi.org/10.1016/j.cub.2017.03.053

强调
••单手的补偿行为涉及多个身体部位的利用
••多个身体部位受益于缺席人数的增加
••缺失区显示连接选择性降低（较低的GABA水平）
概要
一手出生的人（先天性一手）为理解感觉运动皮层的焦点重组与日常行为之间的关系提供了一个独特的模式。我们以前报道，一个撇子缺失的手的领土变为由它的邻居皮质（残余臂表示）使用，这取决于在日常生活中残留臂使用，以代替丢失的手的函数[ 1，2 ]。然而，补偿行为的所有内容可能涉及利用其他身体部位，不会皮皮地邻近手领域。因此，大脑重组的模式可能更广泛[ 3 ]。在这里，我们在一手处理的生态条件下研究了无约束的补偿策略，以及他们失踪的手皮层领域的激活，连通性和神经化学特征的变化。我们发现单手的补偿行为涉及多个身体部位（残肢，嘴唇和脚）。这种多样化的补偿方式与大规模的皮层重组有关，不管皮质接近手领域。用于替代手部功能的身体部位的表示全部映射到缺失的手的皮层领域，如基于任务和静息状态的功能磁共振成像所证明的。失踪的领土也表现出减少的GABA水平，表明连接选择性降低，使表达多种皮层输入。因为用于补偿目的的身体部位相同的是那些在失手的领土上有更多代表性的身体部位，所以我们建议典型的手领域可能不一定代表手的本质，而是任何分享失手的功能的其他身体部位[ 4 ]。

结果
单一人员的补偿行为涉及多个身体部位
我们首先描述了先天性一手的补偿行为策略，同时执行模拟日常情况的任务（图1）。单手大多依靠他们完整的手和残肢来执行日常工作。正如预期的那样，与对照组的整个非优势上肢（手臂）（p <0.001）相比，它们依赖于其残留的手臂。与对照组相比，单手更有可能使用他们的下脸（p = 0.02），下肢（p <0.001）和其环境中的物体（p <0.001）来替代他们的手的功能，但不是他们完整的手（见补充实验程序）。

在失踪地区的多个身体部位的移动中增加激活
接下来我们检查在用于补偿使用的身体部位的运动过程中的激活。将单手臂与对照组的非优势手比较。与对照组相比，非优势/残余手臂，嘴唇和脚的运动的全脑组对比图显示增加的活动集中在单手的失踪领域（图2，左图; 表S1 ; 图S1描绘了单手和控制组的地图）。这种激活扩大到手部区域之外，但没有参与相关的身体部位领域，如在唇部和足部区域的感兴趣区域（ROI）分析中所证实的（表S2A ;参见补充实验程序）。

独立的投资回报分析证实，在残余手臂运动期间（t （35）  = 4.93; p <0.001），嘴唇（t （36）  = 3.9; p < 0.001），和脚（t （36）  = 2.12; p = 0.04），相对于对照（图2，右图）。当比较半球和组中手部区域的激活时，残余臂（F （1,35）  = 17.65，p <0.001）和嘴唇（F （1,36）  = 11.18，p = 0.002），但不是脚（F （1,36）  = 1.48，p = 0.23），显示出显着的相互作用，表明单手中增加的活化对缺失区具有特异性（表 S2B详细描述了完整手区的活化）。完整的手的动作（图 1B [ 2 ]）没有被过度使用（图 1B [ 2 ]），与对照组相比，单手的失踪领域的激活没有增加（t （36）  = 1.47; p = 0.15; 图2）。重复测量因素组（单手，对照），半球（缺失，完整）和身体部位（手臂，嘴唇，脚部，完整的手）的方差分析证实，失踪领域的重组对这些身体有选择性用于补偿目的的部件（三通互动F （2,34）  = 5.24，p = 0.01）。

失踪人口领土与嘴唇和脚底地区之间的休息状态耦合有所增加
惯常行为已建议被压印到静息态功能连接[ 1，5，6，7，8，9 ]。因此，我们检查了单手的重组在使用休息状态的感觉运动缺失/非优势手与嘴唇（对侧缺失/非优势手），双侧脚和完整/优势手的ROI之间的功能耦合中也将是显而易见的部分相关性。与对照相比，单手显示缺失手的ROI和唇部（t （38）  = 2.61; p = 0.01）和脚（t （38）  = 2.22; p = 0.03）ROI 之间的耦合增加（图3 ; 图 S2A-S2C描绘了全脑功能连通性结果）。 如前所述[ 1 ] ，我们还发现单手双边感觉运动手领域与对照组（t （38） = -3.6; p <0.001）有显着的脱钩作用。重复测量方差分析与因子组（单手，对照）和与缺失手领域的ROI（嘴唇，脚，完整手）的连接显示出显着的相互作用（F （ 2,37 ）  = 8.28，p = 0.001）确认使用或不用于补偿目的的身体部位领土之间的分离连接以及失踪领土。

为了测试与缺失的手领域的连通性是否被限制在感觉运动皮质上，我们研究了全局信号，定义为所有灰质体素的平均静态时间过程[ 10 ]。即使在从全局信号中退出代表传感器网络的时间分量之后，单手的失踪领域与全局信号相对于控制（t （38）  = 2.86; p = 0.007; 图4A） （t （38）  = 5.73; p <0.001;参见图S2D和补充实验程序）。增加的全球信号连通性是针对缺失的领域特定的，正如半球相互作用的重要组（F （1,38）  = 12.85，p = 0.001和F （1,38）  = 8.42，p = 0.006，并分别从全局信号回归感觉运动分量）。这种分析表明，单手的失踪领域与大脑其余部分之间的联系较弱，尽管普遍较大。

一手手机领域的GABA浓度下降
由于先天性输入损失，在单手缺失手领域观察到的连通性增加可能会由于该区域的抑制连接减少而触发。连接选择性的降低可以揭露通常沉默的投入，允许在失踪的领土上增加来自其他身体部位的皮层流离失所输入的代表性。事实上，与对照的非优势手领域（t （36）  = 3; p = 0.005; 图 4B）和半球的显着组相比，磁共振波谱分析显示单手缺失手领域的绝对GABA水平较低相互作用（F （1,36）  = 4.83，p = 0.03），支持我们的预测。

脑与行为相关
在重组测量和行为任务表现之间没有发现显着的相关性（见补充实验程序）。

讨论
先天性一个左撇子早期研究没有发现嘴唇重新映射到丢失的手境内使用被动触觉刺激[ 11，12 ]。后来的研究，利用这里描述的感觉任务，报告脚重映射进手领土先天性或早期双侧手缺乏的个体，具有卓越的能力来操纵对象用脚[ 13，14 ]。在这里，我们表明通常表现为单手的多重补偿策略与身体表征的大规模脑重映射有关。无论手领领域的皮质距离如何，手臂，脚和嘴唇表示都同时观察到失踪领域的重组[ 15 ]。我们的研究结果表明，失踪领域的表示可以灵活地分配给身体部位，这些部分具有与缺席手相同的功能实用性，如下所述。早期研究的不同之处在于使用被动任务和小样本，可能源自活跃任务期间增加的激活，这是由于将多个输入表达为感觉皮层。

失踪的领土显示出与全球信号的联系增加，这可以提供对来自残余的手臂，嘴唇和脚的移动输入激活该区域的过程的洞察。在大脑发育过程中，推定的手领域被剥夺通常塑造其功能的外围输入。相反，该区域可能会被其他非特异性输入[ 16 ]弱化，这反映在与全局信号的​​耦合增加。这种解释得到观察到的GABA在失踪领土的减少的支持，暗示着揭开正常沉默的投入。在失踪的领土上巩固流离失所的表现可能取决于Hebbian般的共同激活，其中涉及到手的规范功能的下降输入（例如，另一方面的协调）。根据连通性偏差理论[ 4 ]，一个地区的固有功能，因此其重组的机会将植根于其连通性模式（以及对任务特征的敏感性[ 17 ]）。随着补偿策略在儿童早期展开，通过替代缺失的手的功能（剩下的手臂，嘴唇和脚部）所引起的投入可能会比失踪领域的非行为相关的投入更有效地巩固。此外，其它身体部分未用于补偿目的（完整的手;参见[ 1，2，18 ]）将不会从丢失手的资源中获益，无论connectional偏差（见参考实验程序进一步的细节）。我们的研究结果表明，典型的手领域可能不一定代表手的本身，而是任何其他可以模仿失手的功能的身体部位。结合先天性盲人视觉皮质重组的相关结果[ 19 ]，我们的研究结果表明，重组可能是功能上的，而不是拓扑上的限制。这是相对于突出的理论限制在初级躯体感觉皮层皮层邻居[重组20，21，22 ]。

唇重新映射到所述缺失的手领土（如使用不良观察被动[ 23 ]和活性[例如，24，25，26 ]唇刺激范式）被认为的幻肢痛在截肢者的主要驱动力[ 23，27 ]。因为先天的一手显示嘴唇重新形成，但没有体验幻影疼痛，我们的结果提供了幻影疼痛的适应性可塑性理论的反例。表示被截肢者[典型somatotopy这个和其他最近的证据15，28，29 ]表明，适应不良塑性理论应该重新考虑，以及从它衍生的治疗方法（例如，反射镜治疗[ 30 ]）。

最后，虽然用于赔偿行为的身体部位相同，但在失踪领域的激活也增加，但行为与重组之间没有相关性。这可能归因于在补偿行为或生态有效的大脑激活中捕获变异性的实验限制。或者，由于行为在整个生命过程中可能会发生改变，因此大脑重组可能不会反映成年期的补偿策略，而在早期的发展阶段。行为和脑组织重组也可能并不直接相关。例如，不一定要利用其他方式沉默的连接来引导行为[ 31 ]。需要进一步的研究来描述整个生命过程中大脑与行为之间的关系。

作者贡献
AH和TRM设计实验; SNM，FvdH和TRM设计了行为任务并收集了所有数据; SNM，FvdH，PK和UE由AH领导进行数据分析; AH，RM，PB，HJ-B，JCC和TRM解释结果; 手稿写作由AH，JCC和TRM领导

致谢
财务支持由Cogito基金会（TRM和PB）提供; 威廉信托基金会和皇家学会（104128 / Z / 14 / Z）（TRM）的亨利戴尔爵士奖学金; 以色列总统助理杰出博士生大脑研究，勃林格殷格翰旅游资助（AH）; 加拿大JCC自然科学与工程研究理事会（CREATE Grant 371161-2009和Discovery Grant 249877-2006-RGPIN）（SNM）; 惠康信托（097813 / Z / 11 / Z）（UE）; Wellcome Trust（110027 / Z / 15 / Z）（HJB）主要研究奖学金; 瑞士国家科学基金会（320030_138380 / 1）（PB）。感谢我们的参与者和Opcare的帮助。感谢Daan Wesselink和Maria Niedernhuber对行为数据分析的帮助。我们感谢Joern Diedrichsen激发对结果的讨论。

补充资料
文件S1。补充实验程序，图S1-S3和表S1-S4
电影S1。与实验程序相关的行为生态范式中使用的任务和身体部位的示例
收稿日期： 2016年8月26日; 修订格式为： 2017年1月30日; 接受日期： 2017年3月22日; 发布时间：2017年4月20日
©2017作者。由Elsevier Ltd.出版

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图1

单一人员的补偿行为涉及多个身体部位

（A）生态任务期间单手开瓶的例子

（B）各组织各部门行为分数的比较。与代理（灰点）相比，更大比例的单手（白点）使用他们的嘴唇，腿和环境执行任务点代表个人参与者; 红线代表群体手段。点击率，控制参与者; 1H，单手。