Die „Körperkarte“ des Gehirns verändert sich nicht: Längsschnitt-fMRT zeigt Stabilität der Handrepräsentationen auch nach Amputation

Die klassische Vorstellung ist, dass bei einer Armamputation die verwaiste Körperregion im primären somatosensorischen Kortex (S1) schnell von benachbarten Regionen, vor allem Lippen und Gesicht, übernommen wird. Eine neue Studie in Nature Neuroscience bricht mit dieser Theorie. Die Forscher begleiteten drei erwachsene Patienten longitudinal vor und bis zu fünf Jahre nach der Amputation und verglichen sie mit Kontrollpersonen. Die Handkarte in S1 und im Motorkortex (M1) blieb dem Original bemerkenswert ähnlich, und es kam zu keiner „Ausdehnung“ der Lippenregion in die „Hand“. Mit anderen Worten: Die Amputation selbst löst keine großflächige kortikale „Neuverdrahtung“ aus – Erwachsene behalten auch ohne periphere Eingaben ein stabiles inneres Körpermodell.

Hintergrund der Studie

Das klassische Bild der Somatotopie (derselbe „Homunkulus“ von Penfield) wurde lange Zeit durch die These der „Neuzuordnung“ des Kortex nach einer Amputation ergänzt: Angeblich verliert die Handzone im primären somatosensorischen Kortex (S1) schnell ihren Input und wird von der benachbarten Projektion des Gesichts/der Lippen „eingefangen“, und das Ausmaß dieser Neuzuordnung wird mit Phantomschmerzen in Verbindung gebracht. Diese Idee wurde durch Querschnittsstudien und -übersichten mittels fMRI/MEG sowie durch einzelne klinische Beobachtungen der „Übertragung“ von Empfindungen vom Gesicht auf die Phantomhand gestützt. Die Beweislage stützte sich jedoch hauptsächlich auf Vergleiche verschiedener Personen und „Winner-takes-all“-Methoden, die auf Rauschen und Schwellenwertselektion empfindlich reagieren.

In den letzten Jahren sind genauere Karten entstanden, die die komplexe und oft stabile Organisation von Gesicht und Hand in S1 bei Amputierten zeigen: Einige der für die Lippeninvasion erfassten Signale können ein Artefakt der Analyse sein, und der Zusammenhang mit Phantomschmerzen ist inkonsistent. Kritiker weisen insbesondere auf die „Winner-takes-all“-Methode, kleine ROIs und die mangelnde Berücksichtigung von Phantombewegungen und Top-down-Einflüssen hin. Multivoxel-Ansätze und RSA liefern ein differenzierteres Bild, bei dem eine offensichtliche „Erfassung“ durch das Gesicht oft nicht sichtbar ist.

Eine neue Längsschnittstudie in Nature Neuroscience schließt die Hauptlücke – ein Vergleich „mit sich selbst“ vor der Amputation und Monate/Jahre danach. Bei drei Patienten verglichen die Autoren Aktivierungen bei Fingerbewegungen der Hand (vorher) und einer „Phantomhand“ (nachher) sowie der Lippen; es gab auch Kontrollgruppen und eine Kohorte mit externer Amputation. Ergebnis: Hand- und Lippenkarten blieben bemerkenswert stabil, und es wurden keine Anzeichen einer „Ausdehnung“ des Gesichts in die Hand gefunden; ein mit „Vorher“-Daten trainierter Decoder erkannte erfolgreich „Nachher“. Fazit – bei Erwachsenen werden somatosensorische Repräsentationen nicht nur durch periphere Eingaben, sondern auch durch interne Modelle/Intentionen unterstützt.

Daraus ergeben sich praktische und theoretische Implikationen: Gehirn-Computer-Schnittstellen und Prothesen können auf überraschend stabile „Karten“ der amputierten Gliedmaße zurückgreifen, und die Hypothese „Schmerz = Neuzuordnung“ muss zugunsten anderer Mechanismen von Phantomschmerzen revidiert werden. Allgemeiner gesagt verschiebt die Arbeit das Gleichgewicht in der langjährigen Debatte über Plastizität: Die reife Somatotopie beim Menschen erweist sich als wesentlich stabiler als in neurowissenschaftlichen Kursen angenommen.

Wie haben sie es überprüft?

Die Autoren verwendeten ein Längsschnittdesign: Die fMRT-Daten derselben Personen wurden vor der Operation sowie nach drei, sechs Monaten und später (1,5 oder 5 Jahre) aufgezeichnet. Im Scanner wurden die Teilnehmer angewiesen, ihre Finger (vor der Amputation) und „Phantomfinger“ (nach der Amputation) zu bewegen, die Lippen zu spitzen und die Zehen zu beugen.

• Stichprobe und Kontrollen: 3 Patienten mit elektiver Amputation der oberen Extremitäten; 16 gesunde Kontrollpersonen (mit wiederholten Scans); zusätzlicher Vergleich mit einer Kohorte von 26 chronisch Amputierten (im Durchschnitt 23,5 Jahre nach der Amputation).
• Kartenmetriken: Schwerpunkte (COG) der Aktivität in S1, Vorher-/Nachher-Muster-Korrelationen für jeden Finger, lineare SVM-Bewegungsdekodierung (Training vor der Amputation → Test danach und umgekehrt), Beurteilung der Lippenpenetration in den Handbereich.
• Wichtige numerische Ergebnisse: Die Längskorrelationen der Finger-zu-Finger-Muster waren hoch (r≈0,68–0,91; p<0,001), die Genauigkeit des „vorher“ trainierten Decoders blieb beim „nachher“ Test über dem Zufall (≈67–90 %) und die Grenzen der „Lippenkarte“ dehnten sich auch nach 1,5–5 Jahren nicht in die „Handzone“ aus.

Warum ist dies für die Neurowissenschaften und die klinische Praxis wichtig?

Die Arbeit zeigt, dass „Körper“-Repräsentationen in S1 bei Erwachsenen nicht nur durch periphere sensorische Signale, sondern auch durch Top-down-Einflüsse von motorischen Absichten und internen Modellen unterstützt werden. Dies erklärt, warum der Versuch, eine „Phantom“-Hand zu bewegen, eine ähnliche Aktivität wie eine normale Hand auslöst und warum frühere Querschnittsstudien die „Intrusion“ des Gesichts möglicherweise überschätzt haben, da ein „Winner-Takes-All“-Ansatz die Phantomaktivität nicht berücksichtigt. Dies sind gute Nachrichten für Gehirn-Computer-Schnittstellen: Eine detaillierte und stabile „Karte“ einer amputierten Gliedmaße eignet sich für Langzeitanwendungen. Für die Phantomschmerztherapie sind die Auswirkungen subtiler: Aktuelle Operationen und neuronale Schnittstellen „wiederherstellen“ die Karte nicht, da sie bereits vorhanden ist; daher müssen andere Schmerzmechanismen angegangen werden.

Was Sie als Nächstes überprüfen sollten

Die Autoren kommen vorsichtig, aber direkt zu dem Schluss: Es gibt keine Hinweise auf eine defizitbedingte „Umgestaltung“ der S1-Somatotopie nach Amputation bei Erwachsenen; Erhaltung und Umgestaltung schließen sich konzeptionell nicht gegenseitig aus, aber eine starke „Erfassung“ durch die Lippen ist in Längsschnittmessungen nicht erkennbar. Es ist wichtig, die Stichprobe zu erweitern und die Aufgaben zu standardisieren:

• Erweitern Sie N- und Altersbereiche, testen Sie Geschwindigkeit/Grenzen der Kartenaufbewahrung für verschiedene Amputationsursachen und präoperative Motorkontrollniveaus.
• Fügen Sie objektive periphere Marker hinzu, einschließlich Stumpfelektromyographie und Neurostimulation, um die Beiträge absteigender und peripherer Signale zu trennen.
• Überdenken Sie die Neuzuordnungsprotokolle vom Prinzip „Der Gewinner bekommt alles“ hin zu Längsschnitt-, Multivoxel- und Klassifizierungsanalysen, die Phantombewegungen ausdrücklich berücksichtigen.

Kurz gesagt – die wichtigsten Punkte

• Stabilität statt „Greifen“: Hand- und Lippenabbildungen in S1/M1 bleiben bei Erwachsenen bis zu 5 Jahre nach Amputation stabil positioniert.
• Phantom ist keine Einbildung: Versuche, „Phantom“-Finger zu bewegen, erzeugen Muster, die statistisch den Handbewegungen vor der Operation ähneln.
• Auswirkungen: eine solide Grundlage für BCI-Prothesen; Neubetrachtung des Konzepts der defizitbedingten Plastizität; neue Ziele für die Phantomschmerztherapie.

Quelle: Schone HR et al. „Stable cortical body maps before and after arm amputation“, Nature Neuroscience, 21. August 2025 (Kurzmitteilung). DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-025-02037-7