《Nature Communications》：Global remapping of the sensory homunculus emerges early in childhood development
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本研究针对先天性单侧上肢缺损（CLD）个体大脑皮层重塑机制这一核心问题，通过结合儿科神经影像学与半生态行为分析，揭示了在初级体感皮层（S1）中，由感觉剥夺驱动而非代偿行为主导的整体感觉小人地形图重塑早在5-7岁的儿童期即已建立并维持至成年。这凸显了稳态可塑性在发育性神经可塑性中的奠基性作用，并为理解先天性感觉剥夺后皮层图谱的早期确立与长期稳定性提供了关键证据。
想象一下，一个孩子出生时只有一只手。面对一个需要双手协作才能打开罐子的日常挑战，他会如何应对？他可能会尝试用膝盖固定罐子，用躯干抵住，甚至用嘴巴来帮忙。这种由“行为压力”驱动的探索和适应，伴随着大脑的“试错”过程，是人脑应对独特感觉和运动体验的非凡能力的生动体现。像先天性上肢缺损这样的极端情况，为研究神经可塑性——大脑重塑其结构和功能的能力——提供了绝佳的自然范式。
长期以来，科学家们观察到，在先天性感觉剥夺（如失明或上肢缺损）的个体中，被剥夺的感觉皮层（如缺失手对应的皮层区域）会对其他身体部位（如下半部脸、残余手臂、脚）的刺激产生更强的反应。这种显著的重塑现象被认为是大脑“重新利用”其架构以应对发育差异的内在能力。然而，这种大规模皮层重塑背后的机制一直不甚明了。传统的解释主要聚焦于两个层面：一是由感觉输入剥夺本身触发的内在稳态可塑性机制，旨在维持神经系统的活动平衡；二是由经验驱动的赫布学习，即个体在后天生活中发展出的代偿行为（如更多地使用脚或嘴）可能反过来塑造皮层的功能组织。但究竟是哪种机制主导，抑或是二者协同作用？尤其是在发育早期，这些重塑是如何发生和演变的？这是神经科学领域一个悬而未决的核心问题。
更为有趣的是，先天性上肢缺损为区分这两种机制提供了一个独特的时间窗口：感觉剥夺在出生前就已触发，而代偿行为则在儿童期逐渐发展。这就引出了一个关键的科学问题：在先天性上肢缺损个体中观察到的大脑重塑，主要是由早期的感觉剥夺预先决定的，还是由后天逐渐习得的独特行为所塑造的？为了回答这个问题，研究人员在《Nature Communications》上发表了一项研究，他们招募了患有单侧先天性上肢缺损的儿童（5-7岁）和成人（>25岁），以及年龄匹配的健康对照个体。通过结合儿科功能性磁共振成像（fMRI）和一套模拟现实生活物体操作的半生态行为任务，研究人员深入探究了在被剥夺的初级体感皮层（S1）及其更广泛区域内，依赖剥夺和依赖使用的可塑性机制。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们设计了一套包含15个子任务的半生态行为任务，通过视频记录和分析，量化了参与者使用不同身体部位（如脚、腿、躯干、残余臂、下半部脸）进行代偿操作的“共同使用指数”和时间比例。其次，在fMRI实验中，他们为参与者配备了定制的软体气动致动器，用于在扫描仪内对多个相关身体部位（脚、腿、躯干、残余臂/非利手腕、下半部脸，以及作为对照的拇指和上半部脸）施加精确的振动刺激，以绘制S1的体感地形图。研究样本包括16名先天性上肢缺损儿童、16名先天性上肢缺损成人，以及21名对照儿童和16名对照成人。最后，他们构建了一个受生物学启发的计算模型，模拟稳态可塑性中的突触缩放机制，以检验其能否解释观察到的整体地形图重塑。
研究结果
1. 先天性上肢缺损儿童表现出更多样化的代偿行为
行为分析显示，先天性上肢缺损儿童在完成任务时，动用的身体部位数量最多，其“共同使用指数”接近3，意味着他们平均会使用近3个不同的身体部位。这不仅显著多于同龄的健康对照儿童，也多于先天性上肢缺损成人。具体而言，先天性上肢缺损儿童更多地使用他们的脚、腿、躯干和下半部脸进行代偿。这表明，在5-7岁这个年龄段，先天性上肢缺损个体的适应性行为尚未成熟，表现出比成人更丰富、更多样的行为库。
2. 局部重塑在儿童期即已建立
在fMRI分析中，研究人员首先在被剥夺手对应的皮层区域内定义了一个“缺失手感兴趣区”。结果发现，先天性上肢缺损个体（包括儿童和成人）在该区域内对多个身体部位（尤其是皮层邻近的残余臂和下半部脸）的神经活动均高于对照组。表征相似性分析进一步表明，该区域内不同身体部位的表征在先天性上肢缺损个体中也更为独特。这些局部的重塑效应在儿童中就已清晰可见，表明局部地形图重塑在生命早期就已确立。
3. 地形图变化在整个S1中具有全局性
这是本研究最引人注目的发现。研究人员考察了所有主要身体部位的活动峰值沿S1（BA1-2区）条带的空间位置。结果发现，不仅皮层邻近部位（残余臂的活动峰值向侧方移位，下半部脸向内侧移位），就连皮层距离较远的身体部位（脚、腿、躯干）的活动峰值也均向缺失手区域方向发生了移位。这种“全局性重塑”意味着感觉剥夺的影响波及了整个感觉小人图谱。至关重要的是，这些峰值移位在先天性上肢缺损儿童中就已普遍存在，且与成人没有显著差异，表明S1的整体地形图在很大程度上在5-7岁之前就已经预先确定。
4. 计算模型支持稳态可塑性驱动全局重塑
为了理解如此广泛的全局重塑，研究人员构建了一个计算模型。该模型的核心机制是稳态可塑性中的“突触缩放”：当某个皮层区域（如手区）的输入平均放电率因剥夺而降低时，该区域神经元的突触连接权重会通过一个乘法因子进行整体上调，以维持长期平均神经活动水平的稳定。这个简单的模型成功地复现了在先天性上肢缺损个体中观察到的多个关键现象：不仅残余臂的活动峰值更高且侧向移位，所有身体部位的活动峰值都更靠近手区，且峰值幅度在先天性上肢缺损个体中更高。这表明，稳态可塑性机制足以解释在S1中观察到的广泛地形图移位。
5. 行为对地形图精细调整有调制作用
尽管全局重塑主要由剥夺（稳态可塑性）驱动且在早期确立，但研究也发现了发育的调制作用。当综合所有主要身体部位的数据时，年龄和肢体缺损之间存在交互作用，表明先天性上肢缺损个体的地形图成熟轨迹与典型发育不同。更重要的是，个体层面的相关分析发现，先天性上肢缺损个体（尤其是儿童）其特定身体部位的代偿行为程度与相应皮层表征峰值移位的程度呈正相关。也就是说，一个孩子越多地使用某个身体部位（如下半部脸）进行代偿，其大脑中该身体部位的表征就越向缺失手区域靠近。这表明，代偿行为（赫布可塑性）在发育过程中对S1地形图的精细调整起到了调制作用，这种关联在儿童期比成年期更强。
研究结论与意义
本研究系统地剖析了先天性感觉剥夺后大脑皮层重塑的机制。主要结论是：由先天性上肢缺损引发的初级体感皮层整体地形图重塑，是一种在儿童早期（5-7岁）就已建立并持续到成年的稳定特征。这种广泛的重塑，甚至影响到了皮层距离遥远的身体部位，其主要驱动力是感觉输入剥夺所触发的稳态可塑性。稳态可塑性作为一种自下而上的、维持神经系统活动平衡的机制，在发育早期就为S1地形图设定了基本框架。
与此同时，研究也揭示了后天代偿行为（赫布可塑性）的重要作用，它更多地表现为对已确立地形图的“精细调整”，并在个体差异中扮演关键角色。先天性上肢缺损儿童更丰富多样的行为库与其大脑地形图的个体差异紧密相关，但这种关联在成年后减弱，可能与行为策略的优化和固化有关。
这项研究的意义深远。首先，它挑战了“大脑重组”的传统概念，即认为皮层区域的功能身份会发生根本性转变。本研究表明，先天性上肢缺损个体S1中观察到的重塑更像是预先存在的输入被上调，而非皮层获得了全新的、与手无关的计算功能。这与近期认为感觉皮层功能在出生时已基本确定的观点相一致。其次，它强调了发育早期稳态可塑性的奠基性作用，提示早期干预的时间窗口可能非常关键。最后，研究将计算建模与人类实验数据相结合，为理解复杂可塑性现象提供了机制性见解。研究结果对于理解其他形式的先天性感觉剥夺（如失明、失聪）后的皮层变化，以及指导基于可塑性的康复策略，都具有重要的理论和实践价值。
