Nature子刊：皮层内脑机接口的主导感

Original Tina编译脑机接口社区 2022-07-02

皮质内脑机接口从神经信号中解码运动指令并将其转化为动作，从而使瘫痪的个体能够运动。目前尚不清楚与皮质内脑机界面产生的动作相关的主观能动感、涉及的神经机制及其临床相关性。
最近一项发表在《nature human behaviour》的研究通过使用脑-机接口对一名四肢瘫痪患者的解码运动指令和感觉反馈之间的一致性进行实验操作，结果表明初级运动皮层处理通过脑机接口产生的感觉反馈、感觉-运动冲突和主观行为状态。处理主导感(the sense of agency)的神经信号影响了脑机接口的熟练程度，这体现了临床潜力。

这些发现表明，初级运动皮层编码与动作和感觉相关的信息，也编码感觉运动等信号，而这些信号反过来又与脑机接口的临床应用相关。
1 实验设置

BMI 由一个 96 通道阵列组成，植入左侧M1手部区域，并驱动经皮前臂神经肌肉电刺激 (NMES) 系统将解码的皮层信号转换为右前臂和手部动作。为了研究 BMI 动作的主导感意义并评估其临床影响，我们通过实验操纵了解码动作与BMI-NMES 系统驱动的动作之间的一致性。如图 1 所示，指示参与者通过 BMI实现提示动作，并使用视觉(通过VR)和/或体感(通过 NMES)刺激获得与运动相关的感觉反馈。

注：NMES系统参照《Restoring cortical control of functional movement in a human with quadriplegia》工作。如下图，在每次session中，参与者都接受了训练，以利用他的运动皮层神经元活动来控制定制的高分辨率神经肌肉电刺激器 (NMES)。NMES 使用 130 个电极阵列向他瘫痪的右前臂肌肉提供电刺激，这些电极嵌入在缠绕在手臂上的定制柔性套筒中（图 b）。参与者坐在电脑显示器前，立体相机放置在头顶以跟踪和记录手部动作（图 c）。

这个反馈对于从M1解码出来的运动指令要么一致，要么不一致:在一半的实验中，解码后的动作对应于提示的动作(例如，张开手)，与一致的反馈相关(例如，张开手)，而另一半则与不一致的反馈相关(例如，相反的动作：握紧手)。对于每一个BMI动作，我们询问参与者他是否觉得自己可以控制这个动作，并评估他对这个判断的信心，从而使我们能够评估BMI行为的主导感，以及运动指令和感觉反馈之间的一致性是如何调节的。

实验设置如下图所示，试验期间的事件。在发出“开始”信号以启动运动之后，开始了一种动作(四种动作的一种)。 BMI 分类器从 M1 活动中解码运动，并给出感觉反馈。患者回答了两个问题，Q1：“你是产生活动的人吗？”，回答“是”或“否”。Q2：“你确定吗？”，通过指示从0(绝对不确定)到100(绝对确定)的数字来表示。根据功能磁共振成像显示的上肢尝试运动的活动模式，M1中的电极阵列的位置也被显示。

一种运动的感觉反馈示例

上图为一种运动的感觉反馈示例，所选择的运动通过 VT（实验 1）实现为视觉反馈，通过 NEMS（实验 2）或两者（实验 3）实现为体感反馈。在不同的一致性条件下，针对不同的模态实现了提示和正确解码的运动(一致)或相反的运动(不一致)。

2 实验结果

a，在视觉(实验1)、躯体感觉(实验2)和两种模式结合的一致性和不一致性试验中回答“是”的比例(Q1)。b-d，对主导判断的信心。Q2反应的分布是视觉(b)、躯体感觉(c)或两者(d)感觉反馈一致性的函数。每个点代表一次试验。下限和上限分别表示25%和75%之间的观察值。水平线表示中值。V,视觉反馈;S,躯体感觉反馈;+,一致;–,不一致。

在该项研究中，研究人员研究了基于BMI的皮质内神经假体对行动的主导感，并发现一致的感觉反馈在控制BMI行动时增强了主导感和信心。此外，研究人员还表明，人类M1不仅处理运动和感觉信息，而且处理感觉和运动信号之间的不同程度的一致性，以及由此产生的主导感。

未来关于量化主观行为相关的心理状态，包括受控的运动和感觉反馈，可以提供新的舒适度和个性化水平，并应在未来BMI的设计中考虑。

参考