03.優(yōu)化模式特征

我們從脈沖定時及其時空特性的角度檢查了優(yōu)化程序的輸出。與已知的軀體拓?fù)湟恢拢煌|摸部位的VPL空間電流注入隨著觸摸部位從手部內(nèi)側(cè)到外側(cè)的變化，呈現(xiàn)從內(nèi)側(cè)到外側(cè)的progression。任何給定的虛擬觸摸主要使用1–3種雙極配置（2–6個刺激電極），所有觸摸部位使用的配置數(shù)量為4–5種。大多數(shù)脈沖發(fā)生在開始后4–8 ms的短爆發(fā)中。這與觸覺的初始反應(yīng)潛伏期約為9 ms、VPL刺激潛伏期約為2 ms的觀察結(jié)果一致。

一個有趣的問題是，優(yōu)化的ITMS模式與刺激電極上測量的單細(xì)胞活動的相似程度，這首先在嚴(yán)格的空間意義上進(jìn)行了量化。對于每種觸摸條件，對每個刺激通道的總電流注入求和。將其與每個通道上的刺激周圍動作電位計數(shù)進(jìn)行比較。由于這些通道對應(yīng)雙極電極配置，我們以與基于速率的刺激完全相同的方式計算每個配置中檢測到的最敏感觸覺神經(jīng)元的動作電位計數(shù)。

圖7(a)顯示了電流注入和VPL放電的空間變化作為觸摸部位函數(shù)的代表性示例。隨著觸摸部位從手的一側(cè)變化到另一側(cè)，每個電極上注入的電荷以及天然放電均遵循VPL陣列上從內(nèi)側(cè)到外側(cè)的空間progression。通過對每只動物所有觸摸條件下電流注入和放電的空間模式之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，更具體地分析了這種空間重疊。平均相關(guān)系數(shù)為r=0.46±0.38，9只動物中有7只在顯著性閾值α=0.05下顯示顯著相關(guān)性，相關(guān)值范圍為r=0.26至0.90。

圖7.(a)優(yōu)化ITMS期間電極使用的空間分布與自然觸摸期間VPL放電活動的空間分布。對于所示的四個觸摸部位，顯示了VPL電極陣列上的電流注入分布（上）和同一電極上的平均放電計數(shù)（下）。在空間上，優(yōu)化的電流注入模式與響應(yīng)單元的位置一致。(b)上行顯示自然觸摸期間VPL的觸摸開始后多單元活動（MUA）反應(yīng)及對應(yīng)的優(yōu)化ITMS。每條軌跡代表特定觸摸部位的放電率（單位：脈沖/bins）。兩列對應(yīng)150 ms和250 ms兩種不同觸摸持續(xù)時間。底部插圖：對應(yīng)的優(yōu)化ITMS，顯示為刺激通道的最大電流。(c)所有通道、觸摸部位和動物的VPL放電率與優(yōu)化ITMS之間的互相關(guān)。頂部插圖：每種觸摸模式的互相關(guān)。底部插圖：所有模式的平均值。

為了量化與VPL放電率的時間相關(guān)性，將背景扣除后的PSTH（見方法）與所有動物的優(yōu)化ITMS進(jìn)行比較。圖7(b)顯示了兩種不同觸摸持續(xù)時間的刺激后放電率和相應(yīng)的優(yōu)化ITMS。對于每個時間點(diǎn)，顯示的波形是通道間的最大電流。最強(qiáng)的刺激脈沖在觸摸開始和結(jié)束后不久傳遞。這類似于VPL放電率的自然時間模式，因?yàn)閹缀跛杏涗浀挠|覺響應(yīng)神經(jīng)元都顯示快速適應(yīng)。

為了評估VPL速率和優(yōu)化ITMS之間的時空相關(guān)性，我們估計了每個刺激通道的兩個信號之間的互相關(guān)。為了減少次優(yōu)軀體拓?fù)涓采w/表示對我們分析的影響，僅對每只動物中最準(zhǔn)確的觸摸位置計算相關(guān)性。兩個實(shí)信號x和y之間的互相關(guān)函數(shù)Rxy(t)，以及使用T個樣本的無偏估計R?xy(t)定義為

該公式用于估計每種觸摸模式的R?Rate,ITMS(t)函數(shù)。圖7(c)（頂部插圖）顯示了每種觸摸模式在所有動物中的平均值。

04.觸摸參數(shù)

解碼為了評估虛擬觸摸反應(yīng)的信息內(nèi)容，我們進(jìn)行了一組分類實(shí)驗(yàn)，其中觸摸條件（持續(xù)時間、位置、幅度）從多通道刺激周圍反應(yīng)中預(yù)測。這首先分別對虛擬觸摸和自然觸摸進(jìn)行，以了解每種模態(tài)的神經(jīng)反應(yīng)提供了多少關(guān)于觸摸參數(shù)的信息。然后，我們嘗試在單個廣義分類器下對虛擬觸摸反應(yīng)進(jìn)行分類，該分類器的分類基于在為自然和虛擬觸摸優(yōu)化的子空間中最近的自然觸摸均值的標(biāo)簽。對于自然和虛擬觸摸，個體訓(xùn)練的分類器可以分別以56%和61%的準(zhǔn)確率預(yù)測觸摸條件?？紤]到分類問題包含30–54個類別（取決于動物），這一準(zhǔn)確率相當(dāng)高。真實(shí)類別標(biāo)簽和估計類別標(biāo)簽之間的互信息在2.57到5.55位之間變化，自然和虛擬觸摸的平均值均接近4位。廣義分類器產(chǎn)生的分類率接近個體訓(xùn)練的分類器（自然觸摸為52%，虛擬觸摸為54%）。這意味著使用組合反應(yīng)來學(xué)習(xí)LDA投影不會降低個體學(xué)習(xí)投影中存在的辨別質(zhì)量。表1顯示了個體訓(xùn)練的分類器和單個廣義分類器的分類性能和互信息。表2顯示了僅考慮強(qiáng)刺激和短（150 ms）持續(xù)時間試驗(yàn)時解碼觸摸位置的準(zhǔn)確性。在這種情況下，單獨(dú)解碼觸摸位置的準(zhǔn)確率對于自然和虛擬觸摸均為90%。兩個表中的偶然水平反映1/(類別數(shù))，其中類別數(shù)要么是觸摸條件數(shù)（表1），要么是部位數(shù)（表2）。

使用每只動物的平均觸摸頻率，表3顯示了真實(shí)觸摸標(biāo)簽（位置、持續(xù)時間和幅度）與估計觸摸標(biāo)簽之間的信息速率（位/秒）。在各動物中，虛擬觸摸攜帶的信息速率與自然觸摸大致相同。單獨(dú)訓(xùn)練的自然和虛擬觸摸的平均信息速率為5.2位/秒，使用廣義分類器的虛擬觸摸的平均信息速率為6.64位/秒。

表1.從自然觸摸和虛擬觸摸反應(yīng)中解碼觸摸參數(shù)（觸摸部位、持續(xù)時間、幅度）的準(zhǔn)確性和互信息分類性能。顯示了8次蒙特卡洛數(shù)據(jù)劃分（2/3訓(xùn)練，1/3測試）的平均速率和標(biāo)準(zhǔn)差。單獨(dú)訓(xùn)練的分類器僅使用自然或虛擬觸摸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而聯(lián)合分類器的降維使用兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練，測試示例通過選擇最近的自然觸摸均值進(jìn)行分類。對于分類率，第二列顯示了預(yù)測的偶然水平（取決于每只動物嘗試的觸摸部位數(shù)量）。偶然水平：1/(類別數(shù))。對于互信息，真實(shí)觸摸標(biāo)簽的熵為上限，顯示在第二列。表3.從自然觸摸和虛擬觸摸反應(yīng)中解碼觸摸參數(shù)（觸摸部位、持續(xù)時間、幅度）的平均信息速率（位/秒/1）。

在猶他陣列上測量的自然觸摸反應(yīng)的聯(lián)合分類率平均比密歇根探針高1.8倍，這是顯著的（p=0.024，Wilcoxon秩和檢驗(yàn)）。正如之前關(guān)于空間再現(xiàn)準(zhǔn)確性的結(jié)果一樣，這可以通過水平分布通道的陣列提供的更大軀體拓?fù)淇蓞^(qū)分性來解釋，而不是跨層分布的陣列。對給定觸摸部位的觸摸模式條件分類的分析顯示，自然反應(yīng)的準(zhǔn)確性沒有顯著差異（p=0.9）。觀察到虛擬觸摸反應(yīng)的準(zhǔn)確性有較?。?.3倍更高）但顯著的差異（p=0.024）。

在上述廣義分類器下，虛擬觸摸反應(yīng)顯示出與自然觸摸反應(yīng)相當(dāng)?shù)牟煌|摸壓力、位置和持續(xù)時間的可辨別性水平。圖8(a)和(b)顯示了基于兩個受限試驗(yàn)子集的分類率。

圖8(a)顯示了對應(yīng)短（150 ms）持續(xù)時間的輕、中或強(qiáng)觸摸的數(shù)據(jù)子集的正確解碼率。圖8(b)顯示了兩種觸摸持續(xù)時間的類似比率。

在這兩個分類實(shí)驗(yàn)中，更強(qiáng)的刺激導(dǎo)致更高的正確分類率，這并不奇怪，因?yàn)楦鼜?qiáng)的觸摸被更準(zhǔn)確地再現(xiàn)。圖8(c)的第一列顯示了考慮所有類型試驗(yàn)時的解碼性能，第二列顯示了考慮部位條件數(shù)據(jù)子集時的總體準(zhǔn)確性。所示的分類率使用觸摸開始后300 ms的窗口中的響應(yīng)進(jìn)行解碼。

圖8(d)顯示了在固定持續(xù)時間的觸摸下解碼觸摸位置和幅度時，跨一系列窗口大小的分類率?？梢钥闯?，對于解碼觸摸部位和幅度，分類率在觸摸開始后15–20 ms達(dá)到峰值，并在整個觸摸窗口中保持較高水平，觸摸結(jié)束后不久略有增加。圖8.從自然（黑色）和虛擬（紅色）觸摸反應(yīng)中正確推斷觸摸參數(shù)的性能。解碼使用廣義分類器——其線性判別分析（LDA）投影使用自然和虛擬觸摸的反應(yīng)進(jìn)行訓(xùn)練。預(yù)測時，新示例首先投影，然后基于最近的自然觸摸均值進(jìn)行分類。分類率計算為（正確分類試驗(yàn)數(shù)）/（總試驗(yàn)數(shù)），基于8次蒙特卡洛訓(xùn)練/測試數(shù)據(jù)選擇（2/3訓(xùn)練，1/3測試）。數(shù)據(jù)點(diǎn)代表動物。誤差條顯示動物間的±1標(biāo)準(zhǔn)差。(a)僅考慮短（150 ms）持續(xù)時間的輕、中或強(qiáng)刺激試驗(yàn)時的解碼率。(b)已知觸摸強(qiáng)度時解碼持續(xù)時間和觸摸部位的分類率。(c)第一列顯示所有試驗(yàn)的分類率，第二列顯示已知觸摸部位時解碼幅度和持續(xù)時間的準(zhǔn)確性。(d)不同窗口大小的分類率。細(xì)線代表動物，粗線顯示動物平均值。