三、结果


01.微刺激模型


皮层LFP对微刺激的反应使用前一节描述的线性状态空间模型进行建模。图2(d)显示了探索性序列某段的模型输出示例。在各动物中，该模型平均解释了刺激脉冲后400 ms内时间段方差的39.0%±16.8%，平均相关系数为0.61。准确性在刺激脉冲后的立即间隔最高，在脉冲后的0到14.8±2.0 ms窗口中表现最佳。如图5(a)所示，模型准确性在较长时间窗口中逐渐下降。未检测到模型准确性与整体LFP信号能量（r=0.061，p=0.88，N=9）的相关性，其中能量以所有通道的均方根电压值衡量。同样，我们未检测到与刺激频率（以每秒脉冲数衡量）的相关性（r=0.4，p=0.28，N=9）。然而，以μA?s?1衡量的时间电流密度之间可能存在相关性（r=0.62，p=0.0739，N=9）。模型误差与电极植入深度无相关性（p=0.751）。

图5.(a)将比较限制在每个刺激脉冲后的可变长度时间窗口时的模型准确性。每条曲线代表一只动物。PVE：解释方差百分比。(b)控制再现准确性与自然触摸LFP反应信噪比（SNR）的函数关系。每个点代表一个触摸部位。(c)控制再现准确性与触摸参数的函数关系（：p<0.05，：p<0.01，：p<0.001，Bonferroni校正。误差条：±1标准差。N=73个触摸部位，所有动物）。(d)所有动物中所有触摸部位的控制再现准确性。(e)自然触摸反应与虚拟触摸（N=438）、不匹配虚拟触摸（N=438）和基于速率的刺激（N=162）反应之间的马氏距离。显著性和变异性表示方式与(c)相同。


02.重现自然反应的准确性


优化的ITMS波形在触摸部位和模式中诱发了与自然对应物时空相似的神经反应。在所有条件和大鼠中，平均自然反应与虚拟反应之间的相关系数为0.78±0.05。如果仅对触摸开始后100 ms内的时间段进行比较，相关系数为0.90±0.03。图3显示了触觉器位置、自然LFP反应、优化微刺激以及虚拟触摸的LFP反应的两个片段。试验间变异性在自然反应和虚拟反应之间平均相似。每种触摸条件的变异性通过减去试验平均反应并取中心反应的均方根（rms）值来测量。啮齿动物的中位数rms变异性在自然触摸和虚拟触摸反应中分别为79μV和86μV，但未检测到显著性（p=0.1，Wilcoxon符号秩检验）。在一个孤立案例中（后续图和表中的大鼠D），变异性相当低，尤其是虚拟触摸，虚拟触摸的rms变异性为24μV，自然触摸为43μV。

图3.(a)由触觉器位置随时间变化测量的皮肤压痕（负值表示向皮肤方向）。曲线阴影部分表示触觉器与皮肤接触的时间段。(b)自然触摸期间32个电极通道的多通道S1局部场电位（LFP）。通道按该触摸部位的整体反应幅度排序。(c)通过八个通道施加的优化微刺激。阴影表示电流幅度，通道按该触摸部位的整体使用情况排序。(d)优化微刺激（“虚拟触摸”）期间的S1局部场电位。(e)–(h)不同数据集的类似图。


不同触摸模式的平均时间反应示例如图4所示。自然触摸在触摸开始后9–15 ms诱发强烈、短暂的电位，随后是持续150–200 ms的恢复期。另一个时间特征是触摸结束后致动器开始远离触摸部位时不久出现的较小负电位。相应的优化微刺激模式如图4(c)所示。图4(d)显示了由此产生的平均LFP反应。

图6(a)–(b)显示了大鼠手部两个不同部位（手指1，手指4）的空间反应示例。显示的是试验平均虚拟和自然触摸中的最大负偏差。S1记录阵列的每个通道以其实际空间排列显示。部位d1和d4的自然触觉激活了两个重叠但明显不同的区域，在该特定动物中高度准确地复制（r=0.91±0.04）。总体而言，通过相关系数测量的空间再现准确性在所有动物的所有触摸模式中为r=0.72±0.22。

我们发现，32通道犹他阵列的空间再现准确性比32通道密歇根探针高24.3%（p=0.02）。由于犹他阵列将其通道分布在皮层表面而非像密歇根探针那样垂直分布，因此可以更明确地捕捉躯体拓扑变化，同时牺牲背腹（层状）轴的信息。


图6(c)显示了对于代表性动物，S1的能量输出（自然与优化ITMS）的比较，其中我们将能量定义为响应窗口中多通道反应的组合均方根电压。通常，每种自然触摸类型的反应能量与其ITMS对应物良好匹配（r=0.81±0.13）。我们还将实验再现准确性与模型输出的理论准确性进行了比较。模型再现准确性比体内实现的高5.8%，且这种关系显著（p<0.001，N=546个触摸条件在所有动物中）。图6(d)显示了所有动物中所有触摸条件的模型与体内再现准确性。


控制再现准确性随触摸刺激和相应反应的各个方面而变化。特别是，我们注意到，当目标触摸反应相对于背景噪声较大时，准确性更好。我们通过计算信噪比来衡量这一点，定义为：SNR=10 log10(∑|yd|2/∑|yd?yi|2)，其中yi是试验i的观察反应，yd是试验平均。图5(b)总体显示，控制再现准确性（相关系数）与该信噪比相关（r=0.601，p<0.001）。


进行了双向重复测量方差分析，以评估触摸强度和持续时间对控制再现准确性的影响。发现强度（F=6.7，p=0.0017）和持续时间（F=20.1，p=2.7×10??，N=73个触摸部位）均有显著影响。图5(c)显示了每个持续时间组内强度之间的事后检验（每组三次比较）和每个强度组内持续时间之间的事后检验（每组一次比较）。显著性阈值经Bonferroni校正至α=0.05/(比较次数)。未检测到强度和持续时间之间的交互作用影响（F=1.4，p=0.25）。未检测到控制准确性与模型准确性之间的显著相关性（r=0.32，p=0.40）。


不同触摸模式的全局准确性评分（触摸部位平均）如图5(c)所示。较强的触摸比较弱或中等强度的触摸更容易再现，较短持续时间的触摸模式比较长模式的准确性更高。图5(d)显示了所有动物中所有触摸部位的准确性，按动物内和动物间升序排列。


虚拟触摸反应的准确性还通过使用马氏距离的自然变异性来衡量。对于每种触摸条件，计算虚拟触摸反应均值相对于自然反应的均值和协方差的距离。这种比较在刺激优化的同一时间窗口中进行，由于反应的高维度（p?T），进行PCA以将维度降至Ntrials?1个成分。虚拟触摸均值（表示为主成分得分向量x）与自然反应分布（均值m，协方差Σ）之间的距离为我们发现，虚拟触摸反应对其相应的触摸条件表现出特异性。通过测量每种触摸条件在排除当前条件的所有条件下的平均距离，我们发现平均“不匹配”距离比正常匹配距离大1.23倍（p<0.0001，双侧秩和检验）。


基于速率的刺激性能以相同方式量化，其距离比优化的虚拟触摸大1.38倍（p<0.0001，双侧秩和检验）。这些距离在条件间更具可变性。虚拟触摸的距离标准差为2.3（N=438），基于速率的刺激为4.2（N=27）。未检测到不匹配虚拟触摸和基于速率的刺激的中位数距离之间的显著差异（p=0.59，双侧秩和检验）。本节后面将给出速率和优化微刺激模式的时空比较。图5(e)显示了虚拟触摸、不匹配虚拟触摸和基于速率的刺激的马氏距离比较。