Una delle possibili spiegazioni del fenomeno è che le aree della corteccia somatosensoriale ancora attive stringano connessioni con l'area deafferentata dalla rescissione del nervo, facendo quindi avvertire al soggetto sensazioni tattili e termiche riferite all'arto fantasma in seguito alla stimolazione delle aree topograficamente contigue nella rappresentazione corticale. Infatti nell'encefalo umano e in particolare nella neocorteccia post-centrale sono presenti diverse mappe corporee organizzate topograficamente e sensibile alla stimolazione tattile, termica, chinestesica e dolorifica. L'estensione della rappresentazione neurale delle diverse parti del corpo non è proporzionale alla loro dimensione relativa ma piuttosto alla densità dei loro recettori periferici, ed è soggetta a variazioni anche nel soggetto sano in seguito ad un addestramento specifico. In caso di deafferentazione due fenomeni possono spiegare interessamento verso la corteccia rimasta inattiva da parte di quelle circostanti: innanzitutto connessioni transcorticali già presenti ma rese silenti dalla normale attività funzionale possono emergere in seguito alla destimolazione e rafforzarsi per un processo di feedback; è inoltre possibile la formazione di nuove collaterali assoniche dalle cortecce adiacenti e quindi la genesi di nuove sinapsi funzionali, fenomeno denominato sprouting. Studi recenti indicano il coinvolgimento di entrambi questi processi nell'insorgere del fenomeno dell'arto fantasma.