三、結(jié)果

01.微刺激模型

皮層LFP對(duì)微刺激的反應(yīng)使用前一節(jié)描述的線性狀態(tài)空間模型進(jìn)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(dòng)物中，該模型平均解釋了刺激脈沖后400 ms內(nèi)時(shí)間段方差的39.0%±16.8%，平均相關(guān)系數(shù)為0.61。準(zhǔn)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(xiàn)最佳。如圖5(a)所示，模型準(zhǔn)確性在較長(zhǎng)時(shí)間窗口中逐漸下降。未檢測(cè)到模型準(zhǔn)確性與整體LFP信號(hào)能量（r=0.061，p=0.88，N=9）的相關(guān)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(cè)到與刺激頻率（以每秒脈沖數(shù)衡量）的相關(guān)性（r=0.4，p=0.28，N=9）。然而，以μA?s?1衡量的時(shí)間電流密度之間可能存在相關(guān)性（r=0.62，p=0.0739，N=9）。模型誤差與電極植入深度無(wú)相關(guān)性（p=0.751）。

圖5.(a)將比較限制在每個(gè)刺激脈沖后的可變長(zhǎng)度時(shí)間窗口時(shí)的模型準(zhǔn)確性。每條曲線代表一只動(dòng)物。PVE：解釋方差百分比。(b)控制再現(xiàn)準(zhǔn)確性與自然觸摸LFP反應(yīng)信噪比（SNR）的函數(shù)關(guān)系。每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)觸摸部位。(c)控制再現(xiàn)準(zhǔn)確性與觸摸參數(shù)的函數(shù)關(guān)系（：p<0.05，：p<0.01，：p<0.001，Bonferroni校正。誤差條：±1標(biāo)準(zhǔn)差。N=73個(gè)觸摸部位，所有動(dòng)物）。(d)所有動(dòng)物中所有觸摸部位的控制再現(xiàn)準(zhǔn)確性。(e)自然觸摸反應(yīng)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(yīng)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(xiàn)自然反應(yīng)的準(zhǔn)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(duì)應(yīng)物時(shí)空相似的神經(jīng)反應(yīng)。在所有條件和大鼠中，平均自然反應(yīng)與虛擬反應(yīng)之間的相關(guān)系數(shù)為0.78±0.05。如果僅對(duì)觸摸開始后100 ms內(nèi)的時(shí)間段進(jìn)行比較，相關(guān)系數(shù)為0.90±0.03。圖3顯示了觸覺器位置、自然LFP反應(yīng)、優(yōu)化微刺激以及虛擬觸摸的LFP反應(yīng)的兩個(gè)片段。試驗(yàn)間變異性在自然反應(yīng)和虛擬反應(yīng)之間平均相似。每種觸摸條件的變異性通過減去試驗(yàn)平均反應(yīng)并取中心反應(yīng)的均方根（rms）值來(lái)測(cè)量。嚙齒動(dòng)物的中位數(shù)rms變異性在自然觸摸和虛擬觸摸反應(yīng)中分別為79μV和86μV，但未檢測(cè)到顯著性（p=0.1，Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)）。在一個(gè)孤立案例中（后續(xù)圖和表中的大鼠D），變異性相當(dāng)?shù)停绕涫翘摂M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(shí)間變化測(cè)量的皮膚壓痕（負(fù)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(shí)間段。(b)自然觸摸期間32個(gè)電極通道的多通道S1局部場(chǎng)電位（LFP）。通道按該觸摸部位的整體反應(yīng)幅度排序。(c)通過八個(gè)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(chǎng)電位。(e)–(h)不同數(shù)據(jù)集的類似圖。

不同觸摸模式的平均時(shí)間反應(yīng)示例如圖4所示。自然觸摸在觸摸開始后9–15 ms誘發(fā)強(qiáng)烈、短暫的電位，隨后是持續(xù)150–200 ms的恢復(fù)期。另一個(gè)時(shí)間特征是觸摸結(jié)束后致動(dòng)器開始遠(yuǎn)離觸摸部位時(shí)不久出現(xiàn)的較小負(fù)電位。相應(yīng)的優(yōu)化微刺激模式如圖4(c)所示。圖4(d)顯示了由此產(chǎn)生的平均LFP反應(yīng)。

圖6(a)–(b)顯示了大鼠手部?jī)蓚€(gè)不同部位（手指1，手指4）的空間反應(yīng)示例。顯示的是試驗(yàn)平均虛擬和自然觸摸中的最大負(fù)偏差。S1記錄陣列的每個(gè)通道以其實(shí)際空間排列顯示。部位d1和d4的自然觸覺激活了兩個(gè)重疊但明顯不同的區(qū)域，在該特定動(dòng)物中高度準(zhǔn)確地復(fù)制（r=0.91±0.04）。總體而言，通過相關(guān)系數(shù)測(cè)量的空間再現(xiàn)準(zhǔn)確性在所有動(dòng)物的所有觸摸模式中為r=0.72±0.22。

我們發(fā)現(xiàn)，32通道猶他陣列的空間再現(xiàn)準(zhǔn)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?fù)渥兓?，同時(shí)犧牲背腹（層狀）軸的信息。

圖6(c)顯示了對(duì)于代表性動(dòng)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(yīng)窗口中多通道反應(yīng)的組合均方根電壓。通常，每種自然觸摸類型的反應(yīng)能量與其ITMS對(duì)應(yīng)物良好匹配（r=0.81±0.13）。我們還將實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)準(zhǔn)確性與模型輸出的理論準(zhǔn)確性進(jìn)行了比較。模型再現(xiàn)準(zhǔn)確性比體內(nèi)實(shí)現(xiàn)的高5.8%，且這種關(guān)系顯著（p<0.001，N=546個(gè)觸摸條件在所有動(dòng)物中）。圖6(d)顯示了所有動(dòng)物中所有觸摸條件的模型與體內(nèi)再現(xiàn)準(zhǔn)確性。

控制再現(xiàn)準(zhǔn)確性隨觸摸刺激和相應(yīng)反應(yīng)的各個(gè)方面而變化。特別是，我們注意到，當(dāng)目標(biāo)觸摸反應(yīng)相對(duì)于背景噪聲較大時(shí)，準(zhǔn)確性更好。我們通過計(jì)算信噪比來(lái)衡量這一點(diǎn)，定義為：SNR=10 log10(∑|yd|2/∑|yd?yi|2)，其中yi是試驗(yàn)i的觀察反應(yīng)，yd是試驗(yàn)平均。圖5(b)總體顯示，控制再現(xiàn)準(zhǔn)確性（相關(guān)系數(shù)）與該信噪比相關(guān)（r=0.601，p<0.001）。

進(jìn)行了雙向重復(fù)測(cè)量方差分析，以評(píng)估觸摸強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間對(duì)控制再現(xiàn)準(zhǔn)確性的影響。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度（F=6.7，p=0.0017）和持續(xù)時(shí)間（F=20.1，p=2.7×10??，N=73個(gè)觸摸部位）均有顯著影響。圖5(c)顯示了每個(gè)持續(xù)時(shí)間組內(nèi)強(qiáng)度之間的事后檢驗(yàn)（每組三次比較）和每個(gè)強(qiáng)度組內(nèi)持續(xù)時(shí)間之間的事后檢驗(yàn)（每組一次比較）。顯著性閾值經(jīng)Bonferroni校正至α=0.05/(比較次數(shù))。未檢測(cè)到強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間之間的交互作用影響（F=1.4，p=0.25）。未檢測(cè)到控制準(zhǔn)確性與模型準(zhǔn)確性之間的顯著相關(guān)性（r=0.32，p=0.40）。

不同觸摸模式的全局準(zhǔn)確性評(píng)分（觸摸部位平均）如圖5(c)所示。較強(qiáng)的觸摸比較弱或中等強(qiáng)度的觸摸更容易再現(xiàn)，較短持續(xù)時(shí)間的觸摸模式比較長(zhǎng)模式的準(zhǔn)確性更高。圖5(d)顯示了所有動(dòng)物中所有觸摸部位的準(zhǔn)確性，按動(dòng)物內(nèi)和動(dòng)物間升序排列。

虛擬觸摸反應(yīng)的準(zhǔn)確性還通過使用馬氏距離的自然變異性來(lái)衡量。對(duì)于每種觸摸條件，計(jì)算虛擬觸摸反應(yīng)均值相對(duì)于自然反應(yīng)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(shí)間窗口中進(jìn)行，由于反應(yīng)的高維度（p?T），進(jìn)行PCA以將維度降至Ntrials?1個(gè)成分。虛擬觸摸均值（表示為主成分得分向量x）與自然反應(yīng)分布（均值m，協(xié)方差Σ）之間的距離為我們發(fā)現(xiàn)，虛擬觸摸反應(yīng)對(duì)其相應(yīng)的觸摸條件表現(xiàn)出特異性。通過測(cè)量每種觸摸條件在排除當(dāng)前條件的所有條件下的平均距離，我們發(fā)現(xiàn)平均“不匹配”距離比正常匹配距離大1.23倍（p<0.0001，雙側(cè)秩和檢驗(yàn)）。

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(cè)秩和檢驗(yàn)）。這些距離在條件間更具可變性。虛擬觸摸的距離標(biāo)準(zhǔn)差為2.3（N=438），基于速率的刺激為4.2（N=27）。未檢測(cè)到不匹配虛擬觸摸和基于速率的刺激的中位數(shù)距離之間的顯著差異（p=0.59，雙側(cè)秩和檢驗(yàn)）。本節(jié)后面將給出速率和優(yōu)化微刺激模式的時(shí)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。