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学习在运动皮层留下记忆痕迹
Darby M. Losey, 1 , 2 , 3 Jay A. Hennig, 1 , 2 , 3 , 13 Emily R. Oby, 2 , 7 , 13 Matthew D. Golub, 2 , 4 , 5 , 12 Patrick T. Sadtler, 2 , 7 Kristin M. Quick, 2 , 7 Stephen I. Ryu, 5 , 8 Elizabeth C. Tyler-Kabara, 2 , 9 , 10 , 11 Aaron P. Batista, 2 , 7 , 13 , * Byron M. Yu, 1 , 2 , 4 , 6 , 13 , * 和 Steven M. Chase 1 , 2 , 6 , 13 , 14 , * 1 卡内基梅隆大学神经科学研究所，宾夕法尼亚州匹兹堡15213，美国 2 认知神经基础中心，匹兹堡，宾夕法尼亚州 15213，美国 3 卡内基梅隆大学机器学习系，匹兹堡，宾夕法尼亚州 15213，美国 4 卡内基梅隆大学电气与计算机工程系，匹兹堡，宾夕法尼亚州 15213，美国 5 斯坦福大学电气工程系，斯坦福，加利福尼亚州 94305，美国 6 卡内基梅隆大学生物医学工程系，匹兹堡，宾夕法尼亚州 15213，美国 7 匹兹堡大学生物工程系，匹兹堡，宾夕法尼亚州 15213，美国 8 帕洛阿尔托医学基金会神经外科系，帕洛阿尔托，加利福尼亚州 94301，美国 9 匹兹堡大学物理医学与康复系，匹兹堡，宾夕法尼亚州 15213，美国10 匹兹堡大学神经外科系，宾夕法尼亚州匹兹堡 15213，美国 11 德克萨斯大学奥斯汀分校戴尔医学院神经外科系，德克萨斯州奥斯汀 78712，美国 12 华盛顿大学 Paul G. Allen 计算机科学与工程学院，华盛顿州西雅图 98195，美国 13 这些作者贡献相同 14 主要联系人 *通信地址：aaron.batista@pitt.edu (APB)、byronyu@cmu.edu (BMY)、schase@andrew.cmu.edu (SMC) https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.03.003
颅内脑电图和深度神经网络揭示面部身份和表情表征的共同基础
1 波士顿学院心理学系，美国马萨诸塞州波士顿 02467 16 2 卡内基梅隆大学和匹兹堡大学认知神经基础中心，宾夕法尼亚州匹兹堡 15213 18 3 卡内基梅隆大学神经科学研究所，宾夕法尼亚州匹兹堡 15213 19 4 卡内基梅隆大学机器学习系，宾夕法尼亚州匹兹堡 20 15213 21 5 匹兹堡大学医学中心神经外科系，宾夕法尼亚州匹兹堡 22 15213 23 6 麻省总医院神经外科系，马萨诸塞州波士顿 24 02144 25 7 哈佛医学院，马萨诸塞州波士顿 02115 26 8 匹兹堡大学神经科学中心，宾夕法尼亚州匹兹堡15213 27 ∗ 通讯作者 28 电子邮件：stefano.anzellotti@bc.edu (SA) 29 30 31 页数：35 32 图表数量：5 33 表格数量：1 34 多媒体数量：0 35 3D 模型数量：0 36 摘要字数：242 37 意义陈述字数：120 38 介绍字数：779 39 讨论字数：2093 40 利益冲突：作者报告没有利益冲突。 41 致谢：本研究得到了美国国家科学基金会职业资助 1943862（SA）、美国国立卫生研究院 R01MH107797 和 R21EY030297（AG）以及美国国家科学基金会 1734907（AG）的职业资助。我们要感谢参与 iEEG 实验的患者以及 UPMC 长老会癫痫监测部门的工作人员和管理人员对我们研究的协助和合作。我们感谢 Michael Ward 对数据收集的帮助。49
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1 德国哥廷根乔治·奥古斯特大学哥廷根医学中心儿科和青少年医学系、儿科神经病学分部。2 德国神经退行性疾病中心 (DZNE) 神经退行性疾病表观遗传学和系统医学系，哥廷根，德国。3 德国哥廷根乔治·奥古斯特大学哥廷根医学中心精神病学和心理治疗系。4 德国哥廷根乔治·奥古斯特大学哥廷根医学中心神经病理学研究所。5 德国哥廷根大学生物网络动力学校园研究所。6 德国哥廷根马克斯·普朗克实验医学研究所。7 德国哥廷根乔治·奥古斯特大学哥廷根医学中心细胞生物化学系。8 德国哥廷根马克斯·普朗克实验医学研究所神经遗传学系。 9 德国哥廷根乔治·奥古斯特大学哥廷根大学医学中心病理学研究所。10 德国弗莱堡大学医学院神经病理学研究所。11 德国弗莱堡大学信号研究中心 BIOSS 和 CIBSS。12 德国弗莱堡大学医学院神经调节基础中心（NeuroModulBasics）。13 德国波恩大学医院临床化学和临床药理学研究所。14 比利时安特卫普热带医学研究所生物医学科学系实验免疫学部。15 德国哥廷根莱布尼茨灵长类动物研究所德国灵长类动物中心功能成像实验室。16 德国莱比锡大学医学物理和生物物理研究所。 17 莱顿化学研究所，莱顿大学，莱顿，荷兰。 18 以下作者贡献相同：Matthias Kettwig、Katharina Ternka。 19 以下作者共同指导了这项工作：Stefan Nessler、Jutta Gärtner。 ✉ 电子邮件：matthias.kettwig@med.uni-goettingen.de
神经群体活动的动态约束
神经群体活动的动态约束 Emily R. Oby* 1,2 、Alan D. Degenhart* 2,3 、Erinn M. Grigsby* 1,2,4,5 、Asma Motiwala 2,3 、Nicole T. McClain 1,2 、Patrick J. Marino 1,2 、Byron M. Yu** 2,3,6 、Aaron P. Batista** 1,2 1 匹兹堡大学生物工程系；美国匹兹堡 2 认知神经基础中心；美国匹兹堡 3 卡内基梅隆大学电气与计算机工程系；美国匹兹堡 4 匹兹堡大学物理医学与康复系；美国匹兹堡 5 匹兹堡大学康复与神经工程实验室；美国匹兹堡 6 卡内基梅隆大学生物医学工程系；美国匹兹堡 * 表示共同第一作者 ** 表示共同资深作者和通讯作者 通信地址：aaron.batista@pitt.edu, byronyu@cmu.edu 摘要 神经活动随时间展开的方式被认为是大脑感觉、运动和认知功能的核心。网络模型长期以来一直认为大脑的计算涉及由底层网络塑造的活动时间进程。从这个观点可以预测，活动时间进程应该很难被违反。我们利用脑机接口 (BCI) 挑战猴子违反我们在运动皮层观察到的自然发生的神经群体活动时间进程。这包括挑战动物以时间逆转的方式穿越神经活动的自然时间进程。当直接受到挑战时，动物无法违反神经活动的自然时间进程。这些结果为以下观点提供了实证支持：在大脑中观察到的活动时间过程确实反映了它们所实现的底层网络级计算机制。 简介神经群体活动的时间演变，也称为神经动力学，被认为是许多大脑功能的基础，包括运动控制 1 、感觉知觉 2-4 、决策 5-8 、时间安排 9,10 和记忆 11,12 等 13 。例如，决策可能是由神经活动汇聚到点或线吸引子 6-8 形成的；记忆可以通过神经活动放松到点吸引子 12,14 来恢复；手臂运动可能涉及表现出旋转动力学的神经活动 1 。网络模型 6-8,10,14-17 和大脑 1,2,6-8,10 产生的时间结构化群体活动之间的相似性为大脑如何通过动力学实现计算提供了诱人的证据 18-22 。在网络模型中，活动的时间演变由网络的连通性 23 决定。也就是说，每个节点在某一时间点的活动由网络的活动决定。
针对性深部脑刺激运动丘脑有助于皮质脊髓束损伤后的自主运动控制
1. 匹兹堡大学医学院，美国宾夕法尼亚州匹兹堡 2. 匹兹堡大学康复与神经工程实验室，美国宾夕法尼亚州匹兹堡 3. 匹兹堡大学物理医学与康复系，美国宾夕法尼亚州匹兹堡 4. 匹兹堡大学生物工程系，美国宾夕法尼亚州匹兹堡 5. 认知神经基础中心，美国宾夕法尼亚州匹兹堡 6. 匹兹堡大学神经外科系，美国宾夕法尼亚州匹兹堡 7. 匹兹堡大学神经科学系，美国宾夕法尼亚州匹兹堡 8. 匹兹堡大学神经生物学系，美国宾夕法尼亚州匹兹堡 (*) 共同第一作者 (**) 共同最后作者 大脑白质束病变阻止皮质脊髓下行输入有效激活脊髓运动神经元，导致无法治愈的肌肉麻痹。然而，在大多数情况下，皮质脊髓轴突的损伤是不完整的，神经技术可以增强幸存的连接以恢复运动功能。我们在这里假设，通过直接与皮质脊髓运动神经元建立兴奋性连接，运动丘脑的深部脑刺激 (DBS) 可以促进幸存的皮质脊髓纤维的激活，改善瘫痪肢体的运动。我们首先在猴子身上确定了最佳刺激目标和参数，这些目标和参数可以增强手臂、手和面部肌肉的运动诱发电位以及握力。这种增强作用在脑白质病变后仍然存在。然后，我们通过确定相应的最佳丘脑目标 (VIM/VOP 核) 将这些结果转化为人类受试者，并复制了在猴子身上获得的结果。最后，我们设计了一种 DBS 方案，可以立即改善慢性创伤性脑损伤患者的自主握力控制。我们的结果表明，针对运动丘脑的 DBS 可能成为治疗运动瘫痪的有效方法。引言中风或脑外伤 (TBI) 会导致皮质脊髓束 (CST) 损伤，破坏皮质与下运动中枢之间的通讯，导致面部、上肢或下肢肌肉功能丧失 1-4 。由此产生的上肢运动障碍仅在美国就严重影响了大约 1000 万人的生活质量 5,6 。强化物理治疗仍然是唯一的常规干预措施，但疗效有限，特别是对于中度至重度轻瘫患者 7,8 。在大多数情况下，CST 的损伤是不完全的。然而，保留的兴奋性下行连接不足以激活脊髓运动神经元，导致功能性运动轻瘫 9-11 。促进残留皮质脊髓轴突的激活可以重建运动神经元的
针对性深部脑刺激运动丘脑可改善脑损伤后的言语和吞咽运动功能
脑损伤后的运动功能 Erinn M. Grigsby 1,2,& , Lilly W. Tang 1,3,& , Arianna Damiani 1,4 , Jonathan C. Ho 1,3 , Isabella M. Montanaro 1,4 , Sirisha Nouduri 1,3 , Sara Trant 5 , Theodora Constantine 6 , Gregory M.亚当斯 6 、凯文·弗兰泽斯 2 、布拉德福德·Z·马洪 7,8 、朱莉·A·菲兹 9,10,11,12 、唐纳德·J·克拉蒙德 6 、凯拉·L·斯蒂潘西奇 13 、豪尔赫·A·冈萨雷斯·马丁内斯 6,10,12,14,+ 、埃尔维拉·皮隆迪尼 1,2,4,12,15,+, * 1. 康复匹兹堡大学神经工程实验室，3520 Fifth Avenue，Suite 300，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国，15213 2. 匹兹堡大学物理医学与康复系，3471 Fifth Avenue，Suite 910，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国，15213 3. 匹兹堡大学医学院，3550 Terrace St，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国，15213 4. 匹兹堡大学生物工程系，151 Benedum Hall，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国，15261 5. 匹兹堡大学耳鼻喉科系，宾夕法尼亚州，美国，15213 6. 匹兹堡大学医学中心神经外科系，200 Lothrop Street，Suite b-400，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国，15213 7. 卡内基梅隆大学心理学系，5000 Forbes Avenue，匹兹堡，宾夕法尼亚州，15213 8. 卡内基梅隆大学神经科学研究所，5000 Forbes Avenue，匹兹堡，宾夕法尼亚州，15213 9. 匹兹堡大学交流科学与障碍系，宾夕法尼亚州，美国，15213 10. 匹兹堡大学神经科学系，宾夕法尼亚州，美国，15213 11. 匹兹堡大学心理学系，宾夕法尼亚州，美国，1521 12. 认知神经基础中心，4400 Fifth Avenue，Suite 115，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国，15213 13. 布法罗大学交流障碍与科学系，122卡里大厅，南校区，纽约州布法罗，美国 14214 14. 匹兹堡大学神经生物学系，200 Lothrop Street，房间 E1440，宾夕法尼亚州匹兹堡，美国，15213 15. 匹兹堡大学临床和转化科学研究所 (CTSI)，宾夕法尼亚州匹兹堡，美国 15213 & 这些作者贡献相同 + 共同资深作者 * 通讯作者，elvirap@pitt.edu 摘要 说话和吞咽是复杂的运动行为，依赖于来自运动皮层区域输入神经信号的完整性来控制头部和颈部的肌肉。这些神经通路的损伤会导致关键肌肉无力，从而引起构音障碍和吞咽困难，从而造成严重的社会孤立和吸入和窒息的风险。我们在此展示了运动丘脑的深部脑刺激 (DBS) 改善了两名患有构音障碍和吞咽困难的参与者的言语和吞咽功能。首先，我们证明了 DBS 增加了面部运动皮层的兴奋，增强了运动诱发电位，以及 n=10 名神经通路完整的志愿者的口面发音器官的运动范围和速度。然后，我们证明这种增强作用可立即改善因脑损伤而导致中度吞咽困难和严重构音障碍的患者的吞咽功能。在这个受试者和另一个患有轻度构音障碍的受试者中，我们证明DBS可立即改善呼吸、发声、共振和发音控制障碍，从而使言语清晰度在临床上得到显著改善。我们的数据首次提供了人体证据，证明DBS可用于治疗脑损伤患者的吞咽困难和构音障碍。自然清晰的言语需要控制四个子系统：呼吸、发声、共振和发音；同样，吞咽涉及口腔、咽、喉和食道的顺序协调运动，以安全有效地将物质摄入胃中。这些系统的精确和协调激活取决于皮质脊髓束 (CST) 和皮质延髓束 (CBT) 的完整性，皮质脊髓束支配位于胸部、颈部和肩部的呼吸肌，而皮质延髓束则为喉部、腭部、舌部和面部肌肉提供双侧神经支配 1 。由于中风、脑外伤 (TBI)、脑肿瘤或神经退行性疾病而导致的任何一条束中断的皮质下病变会导致面部和口咽肌肉的意志控制无力和缺陷。这可能会导致各种不良的听觉感知语音特征，例如声音中断和质量受损、语音强度降低或声音产生不精确。这些损伤中的任何一种单独或组合都可能会导致面部和口咽肌肉的意志控制能力减弱和缺陷。这可能会导致各种不良的听觉感知语音特征，例如声音中断和质量受损、语音强度降低或声音产生不精确。这些障碍中的任何一种单独或组合都可能会导致面部和口咽肌肉的意志控制能力减弱和缺陷。这可能会导致各种不良的听觉感知语音特征，例如声音中断和质量受损、语音强度降低或声音产生不精确。这些障碍中的任何一种单独或组合都可能