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大脑 fMRI 和视觉皮层的大规模神经生理学
摘要 群体受体场 (pRF) 建模是一种流行的 fMRI 方法，用于映射人脑的视网膜主题组织。虽然基于 fMRI 的 pRF 图在质量上与侵入性记录的动物单细胞受体场相似，但它们代表什么神经元信号仍不清楚。我们在清醒的非人类灵长类动物中通过比较全脑 fMRI 和视觉皮层 V1 和 V4 区域的大规模神经生理记录来解决这个问题。我们检查了基于 fMRI 血氧水平依赖性 (BOLD) 信号、多单位脉冲活动 (MUA) 和不同频带的局部场电位 (LFP) 功率的几种 pRF 模型的拟合度。我们发现从 BOLD-fMRI 得出的 pRF 与 V1 和 V4 中的 MUA-pRF 最相似，而基于 LFP 伽马功率的 pRF 也给出了很好的近似值。因此，基于 fMRI 的 pRF 可靠地反映了灵长类动物大脑中的神经元受体场特性。除了我们在 V1 和 V4 中的结果之外，全脑 fMRI 测量还揭示了许多其他皮质和皮质下区域的视网膜定位调节，其 pRF 大小随着偏心率的增加而持续增加，以及默认模式网络节点的视网膜定位特异性失活，类似于先前在人类中观察到的情况。
检测<12 µVRM的细胞外动作电位和...
摘要：微电极阵列（MEA）允许通过感应：细胞外动作电位和（体内）局部场电位来监测数千个神经元/mm 2。MEAS在空间网格中排列了几个记录位点（或像素），并与电体内细胞培养物和/或集成在电皮质学网格中。This paper focuses on Electrolyte-Oxide MOS Field-Effect-Transistors (EOMOSFET) MEAs for cell- level recording and presents a complete model of the neuron-electronics junction that reduces to a single electrical scheme all the biological (the neuron) and physical layers (the electrolyte, the Diffuse/Helmoltz capacitances, the oxide and the MOS transistor) composing the interface.这允许预测来自生物环境（电解质浴）的噪声功率，并优化所有电源参数的主要目的，以最大程度地降低最终的感应噪声图，从而增强采集信噪比比率。频域模拟来自提议的模型表明，在构建EOMOSFET像素中涉及的所有参数都有一个最佳设计点，该参数允许在<12 µV rms <12 µV RMS <12 µV RMS的信号对噪声比例进行> 9 dB的信噪比。这最终将使通过电解质裂口流动的超湿神经电位信号的高分辨率记录，这些信号从未探索过采用平面电容耦合接口。
利用局部场电位的功能连接解码人类认知控制
摘要 — 许多患有以认知控制受损为特征的精神疾病的患者无法从金标准临床治疗中得到缓解，因此迫切需要新的替代疗法。本文开发了一种神经解码器，用于检测十名人类受试者在基于冲突的行为任务（称为多源干扰任务 (MSIT)）中的任务参与度。任务参与度在这里特别令人感兴趣，因为在这些状态下的闭环大脑刺激可以增强决策能力。提取电极的功能连接模式。对这些模式进行主成分分析，并将排序的主成分用作输入来训练特定于受试者的线性支持向量机分类器。在本文中，我们表明，任务参与度可以与背景大脑活动区分开来，中位准确率为 89.7%。这是通过从任务执行期间记录的局部场电位构建分布式功能网络来实现的。另一个挑战是，目标导向的努力发生在更高的时间分辨率上。因此，必须以类似的速率检测任务参与度以进行主动干预。我们表明，我们的算法可以在不到 2 秒的时间内从神经记录中检测任务参与度；这可以使用特定于应用的设备进一步改进。
大脑通讯 AIN 通讯
由于其“全或无”动作电位反应，单个神经元（或单位）被公认为大脑的基本计算单位。有大量动物文献支持研究神经元放电作为了解神经元微电路和大脑功能的一种方式的机制重要性。尽管大多数研究都强调生理学，但人们越来越认识到，研究单个单位可以为疾病的系统级机制提供新的见解。微电极记录在人类中越来越普遍，与此同时，颅内脑电图记录在局灶性癫痫术前评估中的应用也越来越多。除了单个单位数据外，微电极记录还记录局部场电位和高频振荡，其中一些可能与临床大电极记录的不同。然而，微电极几乎只用于研究环境，目前没有迹象表明将微电极记录纳入常规临床护理。在这篇评论中，我们总结了 65 年来人类癫痫患者微电极记录的经验教训。我们介绍了可以利用的电极构造、如何记录和处理微电极数据的原理以及对发作动力学、发作间期动力学和认知的见解。最后，我们评论了将单单位记录纳入临床护理的可能性，重点关注潜在的临床适应症，每种适应症都有其特定的证据基础和挑战。
蓝斑去甲肾上腺素能神经元与前额叶皮质和海马亚慢节律锁相，与行为事件同步
蓝斑 (LC) 是去甲肾上腺素能投射到前脑的主要来源，在前额叶皮层中，它与决策和执行功能有关。睡眠期间，LC 神经元与皮层慢波振荡相位锁定。尽管人们对这种慢节奏感兴趣，但由于它们与行为的时间尺度相对应，因此在清醒状态下很少报告这种慢节奏。因此，我们研究了在执行注意力转移任务的清醒大鼠中，LC 神经元与超慢节奏的同步性。前额叶皮层和海马中的局部场电位 (LFP) 振荡周期约为 0.4 Hz，与关键迷宫位置的任务事件相位锁定。事实上，超慢节奏的连续周期显示出不同的波长，因此这些不是周期性振荡。同时记录的前额叶皮层和海马中的超慢节奏也显示出不同的周期持续时间。这里记录的大多数 LC 神经元（包括光遗传学识别的去甲肾上腺素能神经元）都与这些超慢节律相位锁定，LFP 探针上记录的海马和前额叶单元也是如此。超慢振荡还对伽马振幅进行相位调制，将这些行为时间尺度上的节律与协调神经元同步的节律联系起来。LC 神经元与超慢节律协同释放的去甲肾上腺素将有助于同步或重置这些大脑网络，从而实现行为适应。
基于深度学习的局部场势事件解码
摘要 大脑皮层如何处理信息？为了回答这个问题，人们付出了很多努力来创造新的和进一步开发现有的神经成像技术。因此，fMRI 设备的高空间分辨率是准确定位认知过程的关键。此外，电生理装置的时间分辨率和记录通道数量的增加为研究神经活动的确切时间打开了大门。然而，在大多数情况下，记录的信号是多次（刺激）重复的平均，这会抹去神经信号的精细结构。在这里，我们展示了一种无监督机器学习方法可用于从单次试验的电生理记录中提取有意义的信息。我们使用自动编码器网络来减少单个局部场电位 (LFP) 事件的维度，以创建可解释的不同神经活动模式集群。令人惊讶的是，某些 LFP 形状对应于不同记录通道中的延迟差异。因此，LFP 形状可用于确定大脑皮层中信息流的方向。此外，在聚类之后，我们解码了聚类中心，以逆向工程底层的原型 LFP 事件形状。为了评估我们的方法，我们将其应用于啮齿动物的神经细胞外记录和人类的颅内 EEG 记录。最后，我们发现自发活动期间的单通道 LFP 事件形状来自可能的刺激诱发事件形状的范围。迄今为止，这一发现仅在多通道群体编码中得到证实。
与动物的翻译机制的人类神经血管耦合的定量模型
神经元通过神经血管耦合（NVC）调节血管的活性。对NVC的详细理解对于了解大脑功能成像技术的数据至关重要。NVC的许多方面均已通过实验和使用数学模型进行了研究。已经在啮齿动物，灵长类动物或人类中测量和建模了血液体积和流量，局部场电位（LFP），血红蛋白水平，血液氧合水平依赖性反应（BOLD）和光遗传学的各种组合。ever，这些数据尚未将其汇总到统一的定量模型中。我们现在提出了一个数学模型，该模型描述了所有此类数据类型，并保留了实验之间的机制行为。例如，从小鼠的光遗传学和显微镜数据的建模，我们学习细胞特异性贡献；血管反应中的第一个快速扩张是由无互操神经元引起的，较长刺激过程中扩张的主要部分是由金字塔神经元引起的，峰后峰值下声不足是由NPY-神经元引起的。这些见解在随后的所有分析中被翻译和保存，以及有关血红蛋白动力学和LFP/BOLD-INTERPLAY的其他见解，这些见解是从啮齿动物和灵长类动物的其他实验中获得的。该模型可以预测不用于培训的独立验证数据。通过将数据与来自不同物种的互补信息结合在一起，我们俩都更好地了解每个数据集，并为人类数据的新型综合分析提供了基础。
人类皮层脑电场电位记录的聆听区域
摘要 颅内脑电图 (icEEG) 记录因其无与伦比的时空分辨率而为人类神经动力学提供了宝贵的见解。然而，这种记录反映了多个底层发生器的综合活动，影响了分辨空间上不同神经源的能力。为了实证量化 icEEG 记录的聆听区，我们计算了 71 名患者（33 名女性）植入硬膜下电极 (SDE)、立体脑电图电极 (sEEG) 或高密度 sEEG 电极的 8752 个记录点之间信号与距离 (半峰全宽；FWHM) 的函数之间的相关性。正如预期的那样，对于 SDE 和 sEEG，与低频信号相比，高频信号表现出更急剧的下降。对于宽带高 g (BHG) 活动，SDE (6.6 6 2.5 mm) 和灰质中的 sEEG (7.14 6 1.7 mm) 的平均 FWHM 没有显著差异；然而，sEEG 记录的低频 FWHM 比 SDE 小 2.45 mm。白质 sEEG 在 17 – 200 Hz (q, 0.01) 频率下的功率低得多，衰减比灰质电极 (7.14 6 1.7 mm) 更宽 (11.3 6 3.2 mm)。与白质参考或公共平均参考 (CAR) 相比，使用双极参考方案可显著降低 sEEG 的 FWHM。这些结果概述了阵列设计、光谱带和参考方案对人类 icEEG 记录中局部场电位记录和源定位的影响。我们得出的指标与认知和癫痫数据的分析和解释直接相关。
附近闪烁频率下的稳态视觉诱发电位之间的局部相互作用
稳态视觉诱发电位 (SSVEP) 被广泛用于指示人类脑电图 (EEG) 研究中自上而下的认知处理。通常，会呈现两个以不同时间频率 (TF) 闪烁的刺激，每个刺激都会在其闪烁频率下在 EEG 中产生不同的反应。然而，在存在竞争性闪烁刺激的情况下，EEG 中的 SSVEP 反应如何仅由于感觉相互作用而受到调节尚不清楚。我们之前已经在从清醒猴子记录的局部场电位 (LFP) 中表明，当两个重叠的全屏光栅以不同的 TF 反相时，存在不对称的 SSVEP 反应抑制，较低 TF 的抑制更大，这进一步取决于光栅的相对方向（平行光栅的抑制和不对称性比正交光栅更强）。在这里，我们首先在男性和女性人类 EEG 记录中证实了这些影响。然后，我们在比之前研究更广的范围内绘制了一个刺激（目标）对竞争刺激（掩码）的反应抑制。令人惊讶的是，我们发现抑制在低频下通常并不强，而是根据目标 TF 系统地变化，表明两个竞争刺激之间存在局部相互作用。这些结果在人类 EEG 和猴子 LFP 和皮层电图 (ECoG) 数据中都得到了证实。我们的结果表明，多个 SSVEP 之间的感官相互作用比以前显示的更复杂，并且受到局部和全局因素的影响，强调需要谨慎解释涉及 SSVEP 范式的研究结果。
神经引擎：用于闭环光遗传学的可重编程低功耗平台
摘要 — 脑机接口 (BMI) 在治疗癫痫等神经系统疾病方面具有巨大潜力。技术进步使得从开环、起搏器类干预转向完全闭环神经控制系统成为可能。因此需要低功耗可编程处理系统，该系统可以在医疗植入物的 2 OC 热窗口内运行并保持较长的电池寿命。在这项工作中，我们开发了一种低功耗神经引擎，该引擎具有一组优化的算法，可以在功率循环域下运行。我们将我们的系统与定制设计的大脑植入芯片集成在一起，并展示了闭环调节体外和体内脑组织神经活动的操作适用性：局部场电位可以在所需的中心频率范围内进行调制。此外，还进行了自由移动的非人类灵长类动物（24 小时）和啮齿动物（1 小时）体内实验，以显示系统可靠的记录性能。整个系统在生物记录频率为 50Hz 采样率的情况下运行时仅消耗 2.93mA（使用寿命约为 56 小时）。在检测、抑制和光学干预方面已经实施了一个算法库，以便在不同的神经系统疾病中进行探索性应用。热实验表明，在自由移动的啮齿动物身上，操作产生的热量极小，电池性能超过 24 小时。因此，该技术在神经科学体外/体内应用和医疗植入式处理单元方面都表现出了强大的能力。