初级体感皮层空间分布神经元激活重叠与啮齿类动物感知辨别极限的关联

《Frontiers in Computational Neuroscience》：Linking spatially distributed neuronal activation overlap to the limits of perceptual discrimination in rodent primary somatosensory cortex

　　

颅内皮层微刺激（ICMS）可诱发局域触觉感知，但影响感知辨别的空间因素仍不明确。在既往工作中，研究人员发现，随着刺激位点在皮层深度与相邻皮层柱间趋近，行为学评估的ICMS诱发感知辨别准确率下降，提示神经元募集重叠可能制约感知分化。本研究结合体感皮层生物物理真实计算模型的模拟数据与大鼠既往行为学数据，量化ICMS诱发激活体积重叠与辨别表现的关系。模型中模拟行为学考察的ICMS模式，通过对激活胞体空间分布拟合50–100%捕获椭球估计激活体积，并以交并比（IoU）度量模式对间体积重叠。在单柄与四柄微电极阵列配置下，辨别准确率随模型派生激活体积重叠增加呈指数衰减样关系（R2=0.88）。无论深度或横向分离，极小重叠（IoU<1%）对应高辨别准确率（>70%，均值85%），而IoU>20%对应近随机表现。结果表明，ICMS位点间激活体积重叠可为ICMS应用中感知辨别的空间极限提供机制性见解，并可指导感觉神经假体的电极间距与刺激策略设计。

研究背景方面，颅内皮层微刺激（intracortical microstimulation, ICMS）可在初级体感皮层诱发局域触觉感知，并被探索用于脑机接口感觉恢复。已有动物与人研究证实植入微电极阵列（microelectrode array, MEA）可产生行为学有意义感知，但仅诱发感知不足以实现功能反馈，脑机接口需刺激模式可被可靠辨别以传递空间或身份差异。既往研究虽考察过跨位点与参数的ICMS辨别，但ICMS空间分辨率（两模式保持可辨的最小物理分离）仍不明确。微电极阵列多按记录需求设计，电极间距常未考虑刺激诱发神经激活对感知分辨的制约。生理与建模研究揭示ICMS主要激活电极附近轴突并产生逆向胞体激活，邻近位点可能募集重叠神经元群体致感知难辨。研究人员既往大鼠行为学实验已显示位点趋近时辨别率下降，由此引出激活体积重叠程度如何随位点趋近变化及其与辨别表现关系的问题。本研究由此联合体感皮层生物物理真实模型（Kumaravelu等2022）的in silico数据与大鼠in vivo行为数据（Smith等2025）开展。

本研究发表于《Frontiers in Computational Neuroscience》。关键技术方法上，研究人员采用Kumaravelu等开发的猕猴初级体感皮层生物物理真实模型（NEURON环境运行，皮层柱体积400×400×2000 μm，6410神经元），将ICMS建模为点源电流注入，点源位置匹配Smith等2025大鼠行为实验所用NeuroNexus硅基MEA单柄（16点源纵向100 μm间距）与四柄（4×4、纵向100 μm、横向125 μm间距）配置；刺激参数取阴极领先双相脉冲200 μs相位、40 μs相间、320 Hz，电荷1.25–2.75 nC/ph并套用各模式行为学75%感知阈值电荷；通过轴膜电位超-20 mV判据识别直接激活神经元并经逆向传播定激活胞体；以80%捕获阈值三维椭球拟合激活体积（ voxel 1×1×5 μm），用交并比（intersection-over-union, IoU）算模式对体积重叠；行为数据来自Smith等2025八只大鼠（单柄四只、四柄四只，各剔一只失敏）双选鼻触辨别任务，九对行为学模式对准确率作对照。

研究结果部分，3.1节电荷依赖缩放与激活体积几何表征中，研究人员评估50–100%捕获阈值下电荷对体积影响，发现深层模式S5在>80%阈值出现非单调，而激活胞体数随电荷单调增，故选80%捕获阈值消几何伪影；电荷增则椭球各轴扩，z轴优于侧向呈各向异性，说明垂直分离需更大中心距才避重叠。3.2节距离、IoU与辨别准确率关系中，单柄下垂直距>400 μm时IoU近0（S1vsS3/4/5），S1vsS2（差200 μm、共两位点）IoU18.9%，同模式IoU100%；四柄下相邻柄125 μm时IoU22.2%，250 μm降至0.6%，375 μm为0。IoU与行为准确率合并拟合指数衰减（Y=35.3e^-0.1X+50.0，R²=0.88），IoU<1%对应准确率>70%（均85%），IoU>20%近随机；中心距替代拟合指数联结R²=0.82，IoU关联更强。结果表明激活重叠而非单纯体积大小制约辨别，且深度与横向配置下关系一致。

讨论部分指出，激活重叠强关联感知可辨性，极小重叠保高辨别、超20%近随机，指数衰减反映共享募集增多致分离性退化；中心距虽相关但IoU更直接反映募集几何。该框架可指导刺激优先MEA设计：以行为相关电荷下激活空间范围定电极间距而非沿用记录阵列，文中达75%准确率对应IoU~1%即深度~360 μm或横向~240 μm（模型特异）；间距受限时电流转向（current steering）可作补充。研究限定固定320 Hz参数，时间特征（如频率）可独立于空间重叠调制感知，不作展开。局限含模型无长程网络与突触动态、点源理想化、神经元密度低于生物（~20000神经元/mm³）、猕猴形态学近似大鼠（保留相对坐标而非严格解剖对应），定量间距属模型依赖估计。

结论部分翻译：综上，本研究提示ICMS诱发神经元激活的空间重叠可解释颅内刺激范式下感知辨别表现。通过比较IoU度量的激活体积重叠与多配置行为表现，建立了评估神经群体空间募集如何制约感知分辨的框架。基本发现表明感知可辨性不只由激活体积大小支配，而由体积重叠程度支配。这一区分深化了刺激诱发神经元募集塑造感知的原理性理解，并凸显共享激活在限制感觉分化中的作用。上述基于模型的结果为刺激优先MEA设计提供定量指导，并可启示未来感觉神经假体中最大化感知分离性的ICMS策略发展。