02.自然觸覺探測期間的神經(jīng)反應(yīng)記錄

使用神經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)（RZ2）在觸覺刺激期間收集多通道局部場電位（LFP）。寬帶場電位經(jīng)過5–200 Hz的帶通濾波，并以610 Hz采樣。在本研究中，該濾波后的信號(hào)稱為LFP。針對(duì)每個(gè)（觸摸部位、壓痕深度和保持時(shí)間）組合，收集觸摸開始后300 ms內(nèi)的平均觸后LFP反應(yīng)。這些反應(yīng)被用作優(yōu)化多通道丘腦內(nèi)微刺激（ITMS）的目標(biāo)波形。圖4和圖6顯示了一些示例波形和捕捉興奮空間范圍的通道圖。

圖4.單個(gè)觸摸部位六種觸摸模式的觸摸開始后試驗(yàn)平均LFP軌跡。(a)試驗(yàn)平均觸覺器角度位置（負(fù)值表示向皮膚方向）。頂部圖的陰影部分對(duì)應(yīng)執(zhí)行器與皮膚接觸的時(shí)間段。(b)對(duì)自然觸摸的平均多通道LFP反應(yīng)，每條曲線代表一個(gè)S1記錄通道。通道按該觸摸部位的整體反應(yīng)幅度排序。(c)優(yōu)化微刺激，每條曲線代表一個(gè)不同的刺激通道。(d)平均微刺激LFP反應(yīng)。圖6.(a)和(b)自然觸摸與虛擬觸摸的空間反應(yīng)拓?fù)?。每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)記錄電極，顏色表示LFP強(qiáng)度（定義為響應(yīng)窗口0–300 ms內(nèi)的最大負(fù)電壓）。(c)體內(nèi)自然觸摸與優(yōu)化ITMS的通道平均幅度比較。每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)唯一的觸摸部位/模式組合。(d)優(yōu)化ITMS的模型再現(xiàn)準(zhǔn)確性（相關(guān)系數(shù)）與體內(nèi)實(shí)際準(zhǔn)確性的比較。每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種觸摸條件，觸摸部位按顏色編碼（見插圖）。

使用標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)作電位分選技術(shù)記錄VPL中的單細(xì)胞活動(dòng)（SUA）。針對(duì)每種不同的自然刺激條件，制作刺激時(shí)間直方圖（PSTH），bin大小等于LFP的采樣周期，即從觸摸開始到觸摸結(jié)束后50 ms的窗口內(nèi)為1.63 ms。記錄VPL單細(xì)胞活動(dòng)有兩個(gè)目的：首先，將優(yōu)化的丘腦微刺激與天然VPL放電進(jìn)行比較；其次，測量振幅遵循與VPL動(dòng)作電位相同速率調(diào)制的微刺激信號(hào)的自然反應(yīng)再現(xiàn)精度——類似于某研究中使用的方法。

使用精密觸覺器對(duì)右前爪腹面的3–9個(gè)部位進(jìn)行物理觸覺刺激。觸摸模式包括觸摸-保持-釋放序列，由壓力和持續(xù)時(shí)間參數(shù)化。對(duì)于每個(gè)部位，施加三種不同的皮膚壓痕深度和兩種不同的觸摸持續(xù)時(shí)間{150,250}ms。每種六種模式的25個(gè)實(shí)例以隨機(jī)時(shí)間間隔呈現(xiàn)。壓力選擇為誘發(fā)從閾值到接近飽和的反應(yīng)：壓痕深度{0.025,0.2,0.6}mm。由于手指尺寸較小，我們未嘗試大于0.6 mm的壓痕。

觸覺探頭由裝有光學(xué)編碼器（Maxon HEDS-55）的直流電機(jī)（Maxon RE25）驅(qū)動(dòng)。接觸時(shí)間和皮膚壓痕程度通過電機(jī)角度控制，這由神經(jīng)記錄系統(tǒng)板載的比例微分控制器實(shí)現(xiàn)。探頭末端為直徑1 mm的圓形軸。在前三只動(dòng)物中，探頭連接到直接安裝在電機(jī)上的9 cm長的梁末端。在本研究的剩余6只動(dòng)物中，探頭通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)（齒輪直徑=0.438英寸）連接到機(jī)械滑座。通過控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的精確控制，這轉(zhuǎn)化為探頭的線性運(yùn)動(dòng)，用于觸摸前爪上的離散位置。根據(jù)胡克定律，桿施加的力的大小與皮膚壓痕成正比。然而，在本研究中，我們以度為單位的杠桿角度呈現(xiàn)結(jié)果。

03.電刺激下LFP反應(yīng)的記錄與建模

為了訓(xùn)練皮層LFP對(duì)VPL微刺激輸入反應(yīng)的模型，我們使用了隨機(jī)多通道脈沖序列。多通道微刺激器（IZ2，Tucker-Davis Technologies）向VPL陣列上不重疊的相鄰電極雙極對(duì)傳遞脈沖（圖示見圖2(c)和(d)）。在植入16通道陣列的6只動(dòng)物中使用了8種雙極配置，在剩余使用32通道陣列的動(dòng)物中使用了16種雙極配置。我們使用雙極配置，因?yàn)樗鼈儽葐螛O配置在皮層記錄通道中產(chǎn)生的刺激偽影更小。脈沖為對(duì)稱雙相（每相200μs）。選擇對(duì)稱脈沖是因?yàn)榕c非對(duì)稱脈沖相比，其相對(duì)安全。脈沖寬度的選擇基于與類似研究的一致性。在本研究的探索階段，前三只動(dòng)物使用了三種不同的刺激幅度{10,20,30}μA。然而，在剩余的6只動(dòng)物中，我們使用了更全面的幅度范圍{7,12,20,30,40}μA，當(dāng)使用雙極配置時(shí)，這些幅度可誘發(fā)從亞閾值到飽和的反應(yīng)。脈沖定時(shí)和傳遞程序如下：每個(gè)脈沖間隔從指數(shù)分布中抽取，刺激配置和幅度從所有配置和預(yù)設(shè)電流幅度中均勻隨機(jī)選擇。這種輸入分布是隨機(jī)幅度泊松刺激序列的多輸入變體，過去已成功用于建模神經(jīng)元反應(yīng)。在9只動(dòng)物中的6只中，探索性分布與脈沖doublets交替進(jìn)行，其中脈沖對(duì)的脈沖間隔從離散間隔列表{20,50,75,100,200}ms中選擇。使用脈沖doublets的目的是為了能夠進(jìn)行與本研究結(jié)果無關(guān)的一組分析。脈沖傳遞的平均頻率因受試者而異，但前三只動(dòng)物為3–8 Hz，剩余6只為12–18 Hz。探索序列的總持續(xù)時(shí)間也從6–18分鐘不等，每個(gè)唯一的配置/幅度組合重復(fù)50–240次。

為了便于建模和控制步驟，我們將該脈沖序列表示為調(diào)制恒定頻率脈沖串的離散時(shí)間幅度包絡(luò)（見圖2(c)）。頻率設(shè)置為等于LFP記錄的采樣率（610 Hz）。在每個(gè)時(shí)間步，我們將每個(gè)通道視為通過每個(gè)唯一刺激配置（相鄰雙極對(duì)）的1μA脈沖的幅度增益。在本研究中，這導(dǎo)致根據(jù)所用電極陣列的不同，有8或16個(gè)不同的輸入通道。通過使用雙極配置，刺激偽影通常較小且短暫。未濾波的波形從未超過0.5 mV，遠(yuǎn)低于放大器的削波水平，并且在刺激脈沖結(jié)束后持續(xù)時(shí)間小于200μs。由于所有信號(hào)最初都在寬帶（0.2–8.5 kHz）頻率下濾波并以24.4 kHz采樣，濾波振鈴也最小。這使我們能夠使用簡單的采樣保持方法來消隱從脈沖開始起的480μs時(shí)間段。這種消隱在進(jìn)一步處理之前以數(shù)字方式應(yīng)用于寬帶24.4 kHz信號(hào)。

在丘腦上游核團(tuán)微刺激后，從皮層內(nèi)細(xì)胞外記錄中可以獲得幾個(gè)感興趣的信號(hào)，包括SUA和LFP等。雖然這些皮層信號(hào)中的每一個(gè)都可能成為使用丘腦微刺激進(jìn)行控制的目標(biāo)，但我們團(tuán)隊(duì)最終在本研究中選擇使用皮層LFP。我們選擇LFP而非SUA，是因?yàn)樵陬愃频闹踩朐O(shè)置中，LFP在解碼觸覺參數(shù)方面具有更高的效率。它也已被證明在各種情況下是解碼運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的穩(wěn)健信號(hào)。由于LFP在長期植入中相對(duì)于SUA具有更高的穩(wěn)健性，最近在腦機(jī)接口中引起了一些興趣。盡管LFP的起源仍有爭議，但人們認(rèn)為，LFP作為膜電流產(chǎn)生的細(xì)胞外電壓總和的測量值，代表電極周圍小區(qū)域（<200μm）內(nèi)的樹突輸入。我們還注意到，盡管經(jīng)過上述消隱后，刺激偽影的幅度較小，但由于偽影波形的多樣性（多種配置、幅度）以及在某些情況下與動(dòng)作電位波形的相似性，很難完全消除將其誤分類為有效多單元放電的可能性。此外，LFP信號(hào)的連續(xù)性允許比離散值的放電信號(hào)進(jìn)行更直接的比較。對(duì)于LFP，可以使用傳統(tǒng)的均方誤差和互相關(guān)等距離度量，而放電序列之間的距離則更加多樣，涉及調(diào)諧參數(shù)。

0301.模型使用子空間識(shí)別算法訓(xùn)練離散時(shí)間線性狀態(tài)空間模型。子空間系統(tǒng)識(shí)別方法通過使用輸入-輸出對(duì)數(shù)據(jù)集，找到將過去的輸入和輸出映射到未來輸出的投影，從而估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)。從該投影中，可以提取低維狀態(tài)變量序列，以及描述其相關(guān)時(shí)間動(dòng)態(tài)和與觀測輸出關(guān)系的參數(shù)。模型描述如下，但算法細(xì)節(jié)參考相關(guān)文獻(xiàn)。

設(shè)ut∈Rm()，yt∈Rp()分別表示時(shí)間t的輸入（多通道微刺激幅度包絡(luò)）和輸出（神經(jīng)讀數(shù)）。設(shè)xt∈Rn()表示時(shí)間t的狀態(tài)向量。將當(dāng)前狀態(tài)與t+1時(shí)刻的狀態(tài)和t時(shí)刻的輸出相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)空間方程為其中∫x~N()0,Q和∫y~N(0,R)是高斯白噪聲（時(shí)間上不相關(guān)）干擾。因此，系統(tǒng)參數(shù)為矩陣(ABCQR,,,,)，使用子空間方法估計(jì)（相關(guān)文獻(xiàn)中的算法4.8）。

在初步實(shí)驗(yàn)中，我們有時(shí)發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)化程序會(huì)“低估”重現(xiàn)所需反應(yīng)所需的微刺激幅度。這是由于線性模型未捕捉到刺激閾值，因此控制器依賴亞閾值幅度范圍進(jìn)行控制。為解決這個(gè)問題，我們使用“門”函數(shù)對(duì)微刺激閾值進(jìn)行建模，該函數(shù)在輸入低于某個(gè)閾值時(shí)衰減輸入，否則保持不變。精確地說，對(duì)于每個(gè)輸入通道i其中a∈(0,1]是衰減因子，用于在傳入狀態(tài)空間方程(1)之前對(duì)亞閾值輸入值進(jìn)行預(yù)縮放。

在我們的實(shí)驗(yàn)中，模型維度和門參數(shù)設(shè)置如下：使用8或16維輸入來表示不同的微刺激配置。在9只動(dòng)物中的3只中，輸出僅為32通道上記錄的LFP，但在9只動(dòng)物中的6只中，我們使用了由捕獲輸出中99.7%觀測瞬時(shí)方差的前12–15個(gè)主成分組成的降維表示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇50的目標(biāo)狀態(tài)維度作為模型復(fù)雜性和預(yù)測準(zhǔn)確性之間的權(quán)衡。我們基于使用較低電流幅度的獨(dú)立探索脈沖序列設(shè)置門衰減因子和閾值值。我們發(fā)現(xiàn)合適的閾值值范圍為4–10μA。由于閾值附近響應(yīng)的廣泛可變性和非線性，衰減因子難以直接測量。因此，我們手動(dòng)將該因子設(shè)置為0.1或0.2。我們注意到，非常小的衰減因子值（接近0的值）未被使用，因?yàn)樗鼈冊诖碳?yōu)化期間具有有害影響。