截肢会突然切断控制肢体的所有传入传出神经,从而引起了大脑一系列适应性(adaptive)和适应不良(maladaptive)的重塑(reorganization)。同时,脑重塑也被认为与截肢后的异常感觉(幻肢痛、幻肢感、残肢痛、残肢感)有关。截肢后脑重塑的研究有助于我们理解截肢相关的异常感觉产生的神经机制,并通过促进良性的脑重塑指导患者的康复,为新型假肢的研发提供理论基础,从而提高截肢患者的生活质量。我们从脑结构、静息态和任务态(运动想象)脑功能等方面全面地考察截肢患者的脑重塑。论文采集了右侧上肢截肢患者和对照组的T1加权像以及静息态功能磁共振数据,通过形态学分析来考察截肢相关的脑结构重塑,通过低频波动振幅和功能连接研究截肢相关的静息态脑功能重塑。同时,我们使用心理旋转作为研究运动想象的任务范式,收集了截肢患者和正常对照的行为学和脑电数据,通过的事件相关电位(event related potential,ERP)和事件相关去同步(event related desynchronization,ERD)来研究截肢对运动想象不同阶段的脑活动的影响,并建立脑重塑和异常感觉评分之间的相关性。本文的主要发现包括:在脑结构方面,截肢患者在白质和灰质都呈现出了萎缩的现象。其中,灰质萎缩的主要部位包括左侧丘脑、左侧壳核、左侧中央前回、右侧脑岛、双侧前额叶和枕叶。白质的萎缩主要发生在胼胝体的中央部分,其体积与截肢时长正相关。我们的研究表明,截肢患者的运动和感觉通路以及联合皮层(额叶和视觉皮层)的结构均发生萎缩,这些萎缩可能与截肢后的疼痛经历和视觉通路的适应性变化有关。在静息态脑网络方面,截肢患者左脑的低频活动和功能连接出现了异常。其中,截肢患者左脑中央后回的低频活动强度相比对照组显著增强,左脑中央后回与左侧颞枕外侧回的功能连接强度也显著增强,且该功能连接的强度与截肢时长和残肢痛强度均呈显著正相关;截肢患者左侧楔前叶的低频活动强度、左侧楔前叶与右侧前横侧副沟的功能连接强度均显著小于对照组;截肢患者左侧距状沟的低频活动强度、左侧距状沟与右侧舌状回的功能连接强度均显著强于对照组,且该功能连接的强度与幻肢感强度呈显著正相关。这些静息态脑活动的变化体现了截肢后广泛存在的适应不良的脑重塑:感觉运动区与视觉区联系的增强,默认脑网络活跃度的下降,以及幻肢感相关的视皮层内联系的增强。在心理旋转运动想象任务的研究中,截肢患者表现为运动想象能力的减弱以及脑活动的异常。首先,截肢患者的反应时间显著大于对照组。ERP结果显示,截肢患者在早期的视觉加工过程,即P100成分,与对照组无显著差异,而随后的刺激分类过程,即N200成分,它的幅值在截肢患者中显著减弱,并且该成分幅值的减弱程度与截肢时长呈正相关。这表明早期的视觉加工过程不受截肢的影响,然而在刺激分类过程中,截肢患者对(左右手)刺激图片的辨别感知能力显著下降。此外,我们在行为学上还发现幻肢感与反应时间的相关性,幻肢感越强,反应时间越长。因此,我们假设截肢后的幻肢感会干扰运动想象。为了验证该假设,我们将截肢患者分为幻肢组和非幻肢两组,进一步分析发现,在运动想象任务中,幻肢组的反应时间显著大于对照组,而非幻肢组与对照组无显著差异。同时,幻肢组的中央区和顶区波段的β波段的ERD活动呈现出“角度效应”,即随着角度的增大而减弱的变化趋势,且β-ERD活动减弱的程度与幻肢感的强度呈显著正相关,而非幻肢组的脑活动与对照组类似,不存在“角度效应”。脑电溯源分析表明,减弱的脑活动源自右侧顶上小叶。我们的结果揭示了幻肢感是影响截肢后运动想象功能的重要因素,幻肢感会干扰运动想象,我们推测这种干扰作用与截肢后幻肢不自然的姿势引起的身体图示(body schema)的改变有关。综上所述,借助高空间分辨率的磁共振和高时间分辨率的多通道脑电等技术,本文从大脑结构、静息态和任务态脑功能三个方面,结合临床评分,较为全面地考察了右侧上肢截肢患者的脑重塑。我们发现了幻肢感对运动想象的干扰作用,以及幻肢感与视皮层内功能重组的关联。同时,截肢患者的视皮层发生了复杂的重组,表现为灰质萎缩和静息态活动的增强,但是总体视觉功能未发生改变。论文还揭示了与截肢时长相关的脑重塑,比如胼胝体中央部分的白质萎缩、受损侧运动区与视觉代表区的功能连接强度增强、表征刺激分类过程的N200成分的幅值减弱,这些重塑标志着大脑内新的连接随着时间的推移不断强化。本文的工作拓展了人们对截肢相关的脑重塑及其神经机制的理解,对目前的康复治疗以及假肢研发具有重要的参考价值。