Feinstein Institute研究人员解码脑沟和白质区域的神经活动，预测手指运动和手部触觉刺激
图 1 功能磁共振成像和电极放置。(A)参与者P1在观看视频时，在手持设备上按下不同的按钮，获得了术前fMRI。(B) SEEG电极的示范放置(参与者3)。(C)参与者P1_03记录的高清ECoG电极放置照片。(D)实验设置，参与者在笔记本电脑上收到手部运动的视觉提示，提示持续3或4秒，然后休息3或4秒;来源:DOI: 10.3389 / fnins.2021.699631
范斯坦医学研究所的一组研究人员深入大脑，破译了与运动和触摸相关的信号。近日该项研究结果发表在《Frontiers in Neuroscience》。
研究人员表示，该项研究是对脑沟和皮层下活动解码的首次演示，该项研究将有助于研究人员更好地了解大脑如何处理触觉刺激和处理手部动作。这些发现和未来的研究可能引出新的治疗方法，帮助那些可能因损伤、糖尿病或一般神经病变而失去运动或感觉的人恢复运动或感觉。
三名患者自愿参加了这项研究，他们正在接受术前癫痫发作监测，以进行手术治疗顽固性癫痫。他们接受了微创手术，将立体脑电图(SEEG)电极植入大脑深处的脑沟和白质区域，这一区域尚未被广泛研究以解读大脑活动。该过程由神经外科医生Ashesh Mehta医学博士领导。研究人员要求参与者通过脑-机接口(BCI)连接用他们的手执行任务。通过识别和提取重复的神经信号，研究人员能够可靠而准确地预测手指的运动和不同手指的触摸刺激。
在参与者 1 和 3（P1 和 P3）中进行了功能磁共振成像（fMRI），并在每个参与者中进行了 HD-ECoG 网格和/或 SEEG 电极导线的植入，并记录在各种运动和感觉任务期间的信号（如图 1）。
研究者对受试者P1和P3进行fMRI成像，对所有三名受试者进行记录电极位置的术后CT图像。按钮按下范例的fMRI图像如图2A-C所示。fMRI 的峰值活动主要位于参与者在任务期间执行的所有三指运动的中央沟。如图2D、E 中还显示了手术后 CT 图像，其中突出了选择用于解码的具有信号特征的电极。
图2
下图为在SEEG和ECoG记录中主要是手部和手指持续运动的相位神经活动。在三个研究参与者和不同的手和手指的运动中显示了一组代表性的复合时间反应。在SEEG(深度)和HD ECoG(表面)记录中，跨广泛频段的响应本质上主要是相位的。
图3
为了进一步检查诱发反应的瞬态性质，研究人员对视觉线索偏移后的时间段进行了分析。如图4所示，在参与者 P3 的运动和感觉任务中，不仅在提示开始后，而且在提示偏移后观察到从 SEEG电极记录的复合时间响应。在感官任务中，机械触觉刺激（快速敲击）在整个提示期间出现在指尖。
图4
研究人员还对同一参与者(P3) 在运动和感觉任务期间的 HDECoG 记录进行了延长时间分析，如图5 所示。研究者表示，观察到了更多具有高时间相关性的特征（因为 HD ECoG 阵列直接放置在感觉运动皮层上）。而且有趣的是，在一些手指上观察到了更紧张的反应，但具体是哪个手指，取决于执行的是运动任务还是感觉任务。
图5
如下图所示，在参与者P3中使用SEEG或HD ECoG类型电极记录时，使用基于时间相关的特征选择显著提高了SVM和LSTM类型算法的解码精度。在其他参与者中也观察到这种趋势。注意，用于HD ECoG记录的任务涉及三个手指运动，但被重新处理以去除额外的手指(食指)运动信息，以匹配SEEG任务，以进行更直接的解码性能比较。在SEEG和HD ECoG记录中，以及SVM或LSTM方法中，当使用基于时间相关的特征选择时，解码精度得到提高。
图 6
研究人员将电极位置(右半球)根据Yeo 7图谱绘制到参与者P1_01(红色)、P2_02(绿色)和P3_01(蓝色)的标准大脑。(A)侧位矢状面。(B)前视图的冠状面。(C)从下方透视的横向视图。在包括持续的拇指和中指屈曲运动的提示手指任务中，彩色电极具有较高的时间相关性(MCC > 0.6)，标记哪些运动具有较高的MCC值:拇指屈曲(交叉)，中指屈曲(星号)，或两者(菱形)。
图7
为了进一步研究具有高时间相关性的电极位置，研究人员绘制了一个功能网络图。在大脑皮层表面3毫米以内的电极被捕获到大脑表面最近的点，并根据Yeo 7网络图谱显示在膨胀的标准大脑上。如图8所示，大多数高时间相关性的电极(MCC > 0.6)位于躯体运动区、背侧/腹侧注意区和额顶叶区。第二个受试者只有两个电极(P2/绿色)MCC值较高，但这是植入该区域的仅有的两个电极。
图8
触觉，在我们拥有它的时候，我们觉得是理所当然，但是对于那些失去触觉的人来说却并非如此。研究人员表示，“通过观察这些隐藏在大脑深处的信号，我们离通过刺激和生物电子医学领域的进步恢复这种感觉又近了一步。”
这项研究的发现支持了这样一个假设，即 SEEG 电极可以成为神经解码和脑机接口系统使用的有效方法。这种微创方法降低了风险，而且有可能成为许多 BCI 应用程序恢复运动和感觉的首选方法。
研究人员表示，“使用生物电子医学方法，包括神经映射和大脑刺激，研究人员可以更好地了解大脑如何与身体其他部位进行交流。”
这项研究继续以 Bouton教授及其合作者在感觉运动映射和刺激方面的工作为基础。最近，他的团队在《Brain Stimulation》杂志上发表了一项研究结果《外媒：Feinstein Institute的研究人员通过脑植入电极唤起触觉》，首次表明通过 SEEG 大脑植入物可以引发高度集中的指尖感觉。
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