运动皮层的树突状钙信号驱动光学脑机接口

Krishna V. Shenoy教授及其合作者今年6月份在《Nature Communications 》发表的研究，剑指光学脑机接口！

研究者利用在恒河猴(Macaca mulatta)运动皮层获取的双光子成像数据，而不是应用广泛的脑电数据，以单细胞分辨率实时解码运动皮层群体神经元的活动，结合多种技术设计了光学脑机接口系统，成功在线解码运动方向，为研究运动控制和下一代脑机接口系统的研发提供了新的可能。

脑机接口技术即通过解码脑内神经元活动用以实时控制医学仪器，例如义肢或者计算机接口，来恢复患者失去的能力。利用脑机接口技术治疗人们神经损伤和疾病的第一步，就是要了解群体神经元产生行为的机制。这也是系统神经科学的首要目标。

通过表层尖端树突的成像来记录第五层锥体神经元的活动。

另外，记录第2/3层神经元信号，以此来实现对深层和表层神经元的成像

树突成像示例

应用于动物模型中测量群体神经元活动技术的迅猛发展，为探索下一代脑机接口的设计提供了广阔的空间。双光子钙成像技术是在体记录群体神经元强有力的手段。使用GCaMP进行钙离子成像是一种广受欢迎和使用的方式，成功的应用在恒河猴和猕猴的初级视皮层和躯体感觉皮层。

利用光学方法可以轻易的获取大规模神经元群体活动的信息，也可以通过转换物镜，调整扫描模式的方法简单获取更多的神经元和脑区的活动信息。而获得的这些信息可以帮助未来基于脑机接口的电极阵列进行特殊的设计，例如，在3D空间中优化电极的放置，以最大限度地提取信息，在小神经体积的密集采样与大体积的广泛采样之间进行权衡。

更重要的是，无论是对于群体神经元活动的基础研究还是对于下一代脑机接口技术来说，这种光学成像技术可以突破电极阵列的单一固定位置这一局限性。

然而，由于脑组织中的光散射特性，目前尚不可能在灵长类动物中进行第五层神经元的体细胞钙信号的成像。第五层神经元正是运动信号向皮层下运动回路和脊髓的主要运动皮层输出。在这一深度对神经胞体进行成像还需要物理学，成像技术或者棱镜植入手术方面的进步。

恒河猴执行任务过程中进行的功能成像与结构成像相结合的实验设计

本研究中，研究者们展示了一种植入和成像系统，这一系统可以在猴执行运动任务的同时进行长时间稳定的双光子成像。另外，提供了一种截然不同的钙信号成像方法，获得的信号来自深层和表层的神经元。这对理解运动控制和脑机接口解码具有很高的价值，因为，各层神经元产生的信号都与此有关。

下图展示了在成像过程中, 移开盖子和玻璃窗, 并在腔室内放置一个临时稳定器, 通过对皮层表面的温和向下压力来限制组织运动，如图(b)。在成像时，使用三点固定来稳定植入物，以将组织的运动减少到微米级,如图(c, d) 。使用定制显微镜进行宽场成像，如图(e)。在 2P 成像期间，一只恒河猴坐在刺激显示屏前的标准灵长类椅子上。2P 成像系统放置在光学平台边缘的悬臂位置，以访问灵长类动物的运动皮层，如图(f) 。

可植入腔体及成像设备

使用2P成像的到达行为的实时解码

猴执行任务期间的功能性反应

实验获得了背侧前运动区dorsal premotor (PMd) 和初级运动皮层primary motor (M1)这两个脑区的表层和深层神经元光学钙成像信息。实验人员对同一群体的神经元和树突进行多次实验，发现单个神经元的树突信号对猴手臂运动的不同方向表现出了调谐现象。利用优化的，低延时的图像处理程序对表层神经信号实时解码并实时控制光学脑机接口设备。利用CLARITY技术，证实用于光学脑机接口解码的许多成像树突信号源自第五层输出神经元。

通过探索解码算法和系统设计，推进了我们对运动系统行为机制的理解，而对恒河猴的研究，在开发临床可行的BCIs中发挥了重要作用。

论文信息

Trautmann, E.M., O’Shea, D.J., Sun, X. et al. Dendritic calcium signals in rhesus macaque motor cortex drive an optical brain-computer interface. Nat Commun 12, 3689 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23884-5

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