三、結果

01.微刺激模型

皮層LFP對微刺激的反應使用前一節(jié)描述的線性狀態(tài)空間模型進行建模。圖2(d)顯示了探索性序列某段的模型輸出示例。在各動物中，該模型平均解釋了刺激脈沖后400 ms內時間段方差的39.0%±16.8%，平均相關系數為0.61。準確性在刺激脈沖后的立即間隔最高，在脈沖后的0到14.8±2.0 ms窗口中表現最佳。如圖5(a)所示，模型準確性在較長時間窗口中逐漸下降。未檢測到模型準確性與整體LFP信號能量（r=0.061，p=0.88，N=9）的相關性，其中能量以所有通道的均方根電壓值衡量。同樣，我們未檢測到與刺激頻率（以每秒脈沖數衡量）的相關性（r=0.4，p=0.28，N=9）。然而，以μA?s?1衡量的時間電流密度之間可能存在相關性（r=0.62，p=0.0739，N=9）。模型誤差與電極植入深度無相關性（p=0.751）。

圖5.(a)將比較限制在每個刺激脈沖后的可變長度時間窗口時的模型準確性。每條曲線代表一只動物。PVE：解釋方差百分比。(b)控制再現準確性與自然觸摸LFP反應信噪比（SNR）的函數關系。每個點代表一個觸摸部位。(c)控制再現準確性與觸摸參數的函數關系（：p<0.05，：p<0.01，：p<0.001，Bonferroni校正。誤差條：±1標準差。N=73個觸摸部位，所有動物）。(d)所有動物中所有觸摸部位的控制再現準確性。(e)自然觸摸反應與虛擬觸摸（N=438）、不匹配虛擬觸摸（N=438）和基于速率的刺激（N=162）反應之間的馬氏距離。顯著性和變異性表示方式與(c)相同。

02.重現自然反應的準確性

優(yōu)化的ITMS波形在觸摸部位和模式中誘發(fā)了與自然對應物時空相似的神經反應。在所有條件和大鼠中，平均自然反應與虛擬反應之間的相關系數為0.78±0.05。如果僅對觸摸開始后100 ms內的時間段進行比較，相關系數為0.90±0.03。圖3顯示了觸覺器位置、自然LFP反應、優(yōu)化微刺激以及虛擬觸摸的LFP反應的兩個片段。試驗間變異性在自然反應和虛擬反應之間平均相似。每種觸摸條件的變異性通過減去試驗平均反應并取中心反應的均方根（rms）值來測量。嚙齒動物的中位數rms變異性在自然觸摸和虛擬觸摸反應中分別為79μV和86μV，但未檢測到顯著性（p=0.1，Wilcoxon符號秩檢驗）。在一個孤立案例中（后續(xù)圖和表中的大鼠D），變異性相當低，尤其是虛擬觸摸，虛擬觸摸的rms變異性為24μV，自然觸摸為43μV。

圖3.(a)由觸覺器位置隨時間變化測量的皮膚壓痕（負值表示向皮膚方向）。曲線陰影部分表示觸覺器與皮膚接觸的時間段。(b)自然觸摸期間32個電極通道的多通道S1局部場電位（LFP）。通道按該觸摸部位的整體反應幅度排序。(c)通過八個通道施加的優(yōu)化微刺激。陰影表示電流幅度，通道按該觸摸部位的整體使用情況排序。(d)優(yōu)化微刺激（“虛擬觸摸”）期間的S1局部場電位。(e)–(h)不同數據集的類似圖。

不同觸摸模式的平均時間反應示例如圖4所示。自然觸摸在觸摸開始后9–15 ms誘發(fā)強烈、短暫的電位，隨后是持續(xù)150–200 ms的恢復期。另一個時間特征是觸摸結束后致動器開始遠離觸摸部位時不久出現的較小負電位。相應的優(yōu)化微刺激模式如圖4(c)所示。圖4(d)顯示了由此產生的平均LFP反應。

圖6(a)–(b)顯示了大鼠手部兩個不同部位（手指1，手指4）的空間反應示例。顯示的是試驗平均虛擬和自然觸摸中的最大負偏差。S1記錄陣列的每個通道以其實際空間排列顯示。部位d1和d4的自然觸覺激活了兩個重疊但明顯不同的區(qū)域，在該特定動物中高度準確地復制（r=0.91±0.04）?？傮w而言，通過相關系數測量的空間再現準確性在所有動物的所有觸摸模式中為r=0.72±0.22。

我們發(fā)現，32通道猶他陣列的空間再現準確性比32通道密歇根探針高24.3%（p=0.02）。由于猶他陣列將其通道分布在皮層表面而非像密歇根探針那樣垂直分布，因此可以更明確地捕捉軀體拓撲變化，同時犧牲背腹（層狀）軸的信息。

圖6(c)顯示了對于代表性動物，S1的能量輸出（自然與優(yōu)化ITMS）的比較，其中我們將能量定義為響應窗口中多通道反應的組合均方根電壓。通常，每種自然觸摸類型的反應能量與其ITMS對應物良好匹配（r=0.81±0.13）。我們還將實驗再現準確性與模型輸出的理論準確性進行了比較。模型再現準確性比體內實現的高5.8%，且這種關系顯著（p<0.001，N=546個觸摸條件在所有動物中）。圖6(d)顯示了所有動物中所有觸摸條件的模型與體內再現準確性。

控制再現準確性隨觸摸刺激和相應反應的各個方面而變化。特別是，我們注意到，當目標觸摸反應相對于背景噪聲較大時，準確性更好。我們通過計算信噪比來衡量這一點，定義為：SNR=10 log10(∑|yd|2/∑|yd?yi|2)，其中yi是試驗i的觀察反應，yd是試驗平均。圖5(b)總體顯示，控制再現準確性（相關系數）與該信噪比相關（r=0.601，p<0.001）。

進行了雙向重復測量方差分析，以評估觸摸強度和持續(xù)時間對控制再現準確性的影響。發(fā)現強度（F=6.7，p=0.0017）和持續(xù)時間（F=20.1，p=2.7×10??，N=73個觸摸部位）均有顯著影響。圖5(c)顯示了每個持續(xù)時間組內強度之間的事后檢驗（每組三次比較）和每個強度組內持續(xù)時間之間的事后檢驗（每組一次比較）。顯著性閾值經Bonferroni校正至α=0.05/(比較次數)。未檢測到強度和持續(xù)時間之間的交互作用影響（F=1.4，p=0.25）。未檢測到控制準確性與模型準確性之間的顯著相關性（r=0.32，p=0.40）。

不同觸摸模式的全局準確性評分（觸摸部位平均）如圖5(c)所示。較強的觸摸比較弱或中等強度的觸摸更容易再現，較短持續(xù)時間的觸摸模式比較長模式的準確性更高。圖5(d)顯示了所有動物中所有觸摸部位的準確性，按動物內和動物間升序排列。

虛擬觸摸反應的準確性還通過使用馬氏距離的自然變異性來衡量。對于每種觸摸條件，計算虛擬觸摸反應均值相對于自然反應的均值和協(xié)方差的距離。這種比較在刺激優(yōu)化的同一時間窗口中進行，由于反應的高維度（p?T），進行PCA以將維度降至Ntrials?1個成分。虛擬觸摸均值（表示為主成分得分向量x）與自然反應分布（均值m，協(xié)方差Σ）之間的距離為我們發(fā)現，虛擬觸摸反應對其相應的觸摸條件表現出特異性。通過測量每種觸摸條件在排除當前條件的所有條件下的平均距離，我們發(fā)現平均“不匹配”距離比正常匹配距離大1.23倍（p<0.0001，雙側秩和檢驗）。

基于速率的刺激性能以相同方式量化，其距離比優(yōu)化的虛擬觸摸大1.38倍（p<0.0001，雙側秩和檢驗）。這些距離在條件間更具可變性。虛擬觸摸的距離標準差為2.3（N=438），基于速率的刺激為4.2（N=27）。未檢測到不匹配虛擬觸摸和基于速率的刺激的中位數距離之間的顯著差異（p=0.59，雙側秩和檢驗）。本節(jié)后面將給出速率和優(yōu)化微刺激模式的時空比較。圖5(e)顯示了虛擬觸摸、不匹配虛擬觸摸和基于速率的刺激的馬氏距離比較。