摘要：背景：确定大脑皮层神经元的地形信息对发展神经修复术有重要作用。在非人灵长类动物手随意运动的的大脑皮质神经元解码已取得显著进步。然而，在科学文献中，很少有解码下肢随意运动与皮质神经元放电的报道。我们曾经报道了一个实验系统，它由一个专门设计的椅子，一个视觉引导的立场和蹲式任务训练范例和一个急性神经元记录设置。有了这个系统，我们可以记录高品质的皮质神经元活动，调查这些神经元信号之间和站立/蹲运动的相关性。
方法/结果：在本研究中，我们训练两只猴子进行视觉引导的站立和蹲的任务，在广泛区域以1毫米的距离针对M1后肢区记录神经元的活动。我们发现，76.9%的记录神经元（1598个神经元的1230中）显示任务发射调制，包括预响应窗口的2 94（18.4%）；310例（19.4%），站起身，104例（6.5%）保持姿势；和205（12.8%）坐下过程。不同类型神经元的分布有高度的重叠。他们主要是前后的尺寸从+ 7到13毫米，和背横向尺寸从0.5到4毫米，非常靠近中线和前中央沟。
结论：本研究探讨在M1下肢随意运动相关的神经活动，调节到不同阶段的立场和蹲下任务的各种神经元的地形信息。这项工作可能有助于了解下肢运动神经控制的基本原则。特别是，地形信息表明，我们在那里植入的慢性微电极阵列收获的最多数量和最优质的神经元相关的下肢运动，这可能加速发展皮层控制的脊髓损伤者下肢神经修复术。
关键词：猴 单神经元记录 地形信息 下肢运动 神经修复术
背景：在过去的二十年中，大量的研究已经报道的皮质神经元的放电模式和动物的行为表现之间的关系。采用行为神经生理学的方法在大脑皮层的地形信息的研究方面已经实现显著的进步。这些开创性的研究为脊髓和脑损伤患者或患有多种神经退行性疾病与肢体功能障碍提供神经修复术发展希望和承诺。记录大脑皮层单元尖峰的有意识行为猴已在调查下肢皮质控制上提出技术挑战。例如，微型可驱动电极记录技术要求限制主体的头部运动。正是这项技术的不足之处，限制了它的效用和使用范围。目前在这方面的研究成果相当多，主要集中在上肢运动。对于下肢运动报告非常少。我们已经开发了一种新的实验系统，用于记录与站立和蹲运动有关的皮质神经元信号。该系统由一个特别设计的椅子上，一个站和下蹲任务范式和微型可驱动电极记录神经元装置。有了这个系统，猴子可以执行视觉引导的立场和蹲，而头部是相对固定的，以允许记录准确的单皮质单元。神经元放电模式，同时记录运动学和肌肉活动分析下肢功能的皮质控制。
确定大脑皮层神经元的地形信息对发展神经修复术有重要作用。在这项研究中，我们训练两只猴子完成视觉线索的站立和蹲下的任务和在1毫米的距离扫描整个初级运动皮层，并记录1598个神经元。这项工作可能有助于了解下肢运动的神经控制的基本原则。
操作方法：数据是从两个雄性恒河猴收集（猴子H和V，4-6岁）确定下肢随意运动相关的皮层区域。在我们以前的文件中详细描述的动物行为训练和实际的实验操作。每只猴子被训练来执行视觉线索的站立和蹲任务使用一个精心设计的灵长类动物的椅子。这把椅子是由不锈钢和丙烯酸塑料制成的，配有一个可移动的踏板。当头部和身体被限制在椅子上时，主体仍然可以进行站立和坐着运动，通过调节踏板。踏板连接到椅子上，两内设置轴承，这使得它可以上下移动，忽略摩擦。当猴想站起来时，踏板可以向下推，以达到直立站立的姿势。当猴打算坐下来，释放推力，踏板是通过在椅子的后部上的滑动轴通过滑动轴被拉起来的。猴在一个虚拟的现实环境中完成坐和站的任务。图一显示任务程序。脚踝处的一个LED标记作为动画环境中的红色球。每次试验之前，一个跨试验间隔（随机从5到10秒），屏幕上显示明亮的空白场景，以防止暗适应，因为房间处于低光条件下。个试验开始出现一个绿色的盒子，代表起始位置（中心）。猴需要移动他的脚踝位置匹配的绿盒（中心打击）100毫秒。之后，另一个绿色球（目标）显示在屏幕的顶部（目标）。猴向下推踏板，以配合目标位置的脚踝光位置。然后盒子变成绿色（中心释放）。受培训，充分延长他的腿打绿球（命中）为400毫秒，配重与体重模拟站。然后，猴被要求缩回双腿回到起始位置。当动物完全收回两条腿，光标再次击中中心框，并变成红色的盒子（中心再次击中）。在另一个100毫秒后，中心箱和目标球都消失了，这表明试验结束（中心和目标）。猴得到了他的奖励。进入另一个试用期间隔期的过程。对于这个实验，通过整个站和坐的任务我们希望记录从腿部的运动学。
手术：深度麻醉下，手术植入3头饰固定头部。在第二次手术，一个单一的23毫米记录盒被安装，以便获得左半球的主运动区记录。开颅手术猴，猴接受全疗程的抗生素（土霉素20毫克/公斤，肌肉注射）、镇痛（10μg/kg丁丙诺啡，肌注）。从每个腿选择6个下肢肌肉，进行单独的外科手术植入细线肌内电极获取肌电图（EMG）。包括左、右比目鱼肌（RS和LS），左、右胫骨前肌（RTA和LTA），右和左半腱肌（RST和LST），左、右直肌（RRF和LRF），左、右趾长伸肌（Redl和LEDL），左、右趾长屈肌（RFDL和lfdl）。
急性皮质活动、下肢肌电图记录：单单元活动使用微硬盘记录系统。通过对室盖上标记三角测量确定各电极插入的位置，允许每个新的渗透定位被计算。根据猴的大脑解剖图集。可以得到准确的立体定向仪M1区实际协调。在每一个渗透之前，用上述的方法精确地计算每一个电极的位置，以确保记录区域是在正确的范围内。同步记录下肢肌电图和1000赫兹的采样率。
信号分析：对应于胞外动作电位的神经信号进行了空调和放大，过滤，数字化和存储使用一个64通道的神经元记录系统。使用一维方差分析。
结果：开始站起来的单元和在M1区的分布：当我们对齐的命令提示（目标）的数据，我们发现，有294个单元显示高和强直活性水平，但在实际推送和中心释放抑制。图2a显示事件时间直方图（bin大小围=30 ms）制备站立单元，图2 B和C显示分布区相关单元在水平和垂直方向的水平。主要区域范围前后尺寸从7至12毫米，背侧尺寸从0.8至3毫米的，大脑深度从0.4至3.2毫米。D和E图显示在水平和垂直水平的相关单元的分布区。在站立启动过程中在两个猴子和基于标准的坐标，最高密度的坐标几乎是相同的。
站起来的单元和其在M1的分布：当我们通过对齐命令提示的数据，发现在推动阶段有310个单元表现出高和强直活动水平，中心释放后，在目标命中前。图3A显示例单元站起来（围事件时间直方图、尺寸=30毫秒），和图3B、C显示了"站起来"单元分布地区。分布面积范围前后向尺寸从6至16毫米，背侧尺寸从0.8至11毫米，并大脑深度从0.2至3.2毫米。
站立维持单元及其在M1的分布：当我们通过对齐命令提示的数据，发现，共有104个单元在所有的活动阶段射击，从目标命中目标释放。图4A显示例单元站起来（围事件时间直方图、箱尺寸为30毫秒），和图4B和C显示的"站立维持"单元分布地区。分布面积前后向尺寸从8至10毫米，背侧尺寸从2至4毫米，大脑深度从0.8至4毫米。
坐下来单元及其在MI的分布：当我们通过对齐命令提示的数据，在蹲下阶段发现有205个单元表现出高和强直活动水平，目标释放后和中心再次命中。图5A显示例单元蹲下（箱大小：30毫秒）。图5B和C显示了类似的单元分布区域。分布区前后向尺寸范围从8至12毫米的，背侧尺寸从2至6毫米的，大脑深度从1至4.5毫米。
使用事件相关神经元肌电图的预期：使用模型（1）给出的，应用了少量的神经元（8 - 10）来预测猴子的下肢肌肉活动。图6显示了使用该模型（1）用与任务相关的神经元的多个下肢肌肉的肌电活动的预测结果。决定系数（R2）用来评估测试模型的性能。不同神经肌肉对R2的值范围从0.6到0.8。图6中的结果表明，预测的线性模型（1）的肌电图可以准确地捕捉到真正的肌电图特点。
结论：本研究探讨了在M1下肢随意运动相关的神经活动和站立和蹲的任务过程中发现各种神经元调谐到不同阶段。利用一个多输入单输出（MISO）的线性模型，从少量的收集到的神经元的肌电图信号进行成功地预测。最重要的是，我们已经获得了地形信息，并可以找到这些神经元相关的下肢活动。这项工作可能有助于理解神经控制下肢运动进一步发展下肢皮层控制的基本原理。
