大多数精神疾病（如成瘾性疾病或精神分裂症）的本性是瓦解功能和行径限定才气受损，其根源在于前额叶神经收集的絮聒。这些疾病时常具有慢性复发性，而且挫折灵验的调治方法，因此有必要开发新的调治政策。具有多种传感和刺激才气的脑机接口提供了一个新的器具箱，其在会诊和调治精神挫折方面的适用性尚未得到探索。因此，本磋商旨在开发一种生物兼容的多模式神经假体，用于测量和挫折神经精神症状的前额叶神经生理特征。咱们接纳三维打印时期，通过机器东谈主限定软硅树脂和导电铂墨的千里积，快速制作出定制的生物电子植入物原型。咱们在大鼠内侧前额叶皮层上方硬膜外植入了该安设，并在未接受调治的动物身上、在酒精给药后以及在通过植入物驱动的脑电刺激和皮层运输抗复发药物纳曲酮进行神经挫折后取得了听觉事件相关脑电位。为了收场智能神经假体接口澳门六合彩开奖号码，咱们进一步开发了机器学习算法，以便在神经纪录中对调治成果进行自主分类。神经假体到手捕捉到了反应竣工刺激措置和酒精诱导神经阻止的神经行径模式。此外，植入物驱动的电刺激和药物刺激到手地增强了神经行径。基于逐渐线性判别分析的机器学习方法省略措置数据的脱落性，并能准确分手调治方法。咱们的责任讲解注解了多模态生物电子系统监测、挫折和识别健康和受影响大脑景况的可行性，有望用于神经精神疾病的个性化优化调治。

一、简介

前额叶皮层（PFC）是从上至下行径限定的基本结构，它挫折提防力、责任缅想、赏赐评估以及自我限定行动、心情和压力的才气。前额叶神经收集行径的絮聒是神经精神疾病（如成瘾性疾病、精神分裂症或自闭症）中好多瓦解和行径挫折的根源。这些疾病的病因复杂，因此最好调治具有挑战性。面前的调治打扰步调经常存在反作用，挫折恒久疗效。尽头是，系统性药物疗法在调治抓续时期和强度方面的局部特异性和对患者特定需求变化的适合性较差。因此，调治后的恒久复发和高复发率需要新的方法。

脑刺激时期，如脑深部刺激（DBS）和经颅直流电刺激（tDCS），四肢替代调治有规划，已受到越来越多的选藏。深部脑刺激主要用于帕金森病，以改善辅导功能，同期也对神经精神疾病，如抑郁症以及免强症和震惊症产生了有益的影响。然则，由于其侵入性和抓续刺激模式，DBS 有可能产生反作用，如言语、步态和瓦解挫折，因此仅限于少数严重和对调治有耐药性的病例。比较之下，tDCS 是应用于头皮的非侵入性脑部刺激，莫得反作用或反作用极小。前额叶 tDCS 已被讲解注解不错减弱抑郁症状和精神分裂症状，以及药物使用挫折的渴乞降药物花费。然则，有文书称，tDCS调治成果不一，这可能是由于对扫数受试者接纳了调换的刺激参数，僵化地 “一刀切”，莫得斟酌到大脑剖解结构、潜在病理和大脑景况的时期变化等个体相反。此外，高达 75% 的外周施加电流会被头皮和头骨衰减，从而防碍了观点区域和剂量的细目。

配备多种传感和刺激模式的皮质神经义肢可能会为会诊和调治提供一个新的非主流器具箱，并可能克服现时脑刺激时期的一些局限性。皮质上或皮质下植入安设由柔嫩的生物兼容材料制成，与脑穿透电极比较，皮质上安设能适合大脑的弧线名义，从而诬捏组织反应，援救恒久踏实性。此外，通过微型名义电极径直刺激皮层可在鸠合观点结构的场地提供灵验而精准的刺激。此外，皮质上皮神经假体可将神经监测和刺激不竭在一个开荒中，从而即时检测刺激对神经行径的影响。面前，用于皮质电图（ECoG）和径直皮质刺激的上皮质电极的临床应用主要合资在及时脑功能图谱，以评估药物难治性癫痫和脑肿瘤手术打扰时期的说话、辅导和嗅觉功能。除了术中癫痫发作定位外，ECoG 型阵列与径直皮层刺激相不竭的方法也已到手实施，通过检测随后触发刺激的异常神经行径来减少癫痫的初期发作。这种所谓的响应式神经刺激系统是首个获准用于临床应用确凿凿双向闭环脑机接口。

通过欺诈东谈主工智能和先进的机器学习算法来识别大脑景况，并凭证预界说的神经特征优化刺激参数，闭环神经调控还可能为调治神经精神疾病带来契机。事件相关电位（ERPs）是相宜这一目的的生物象征。事实讲解注解，这些在外部或里面事件发生后立即在大脑中诱发的忐忑电偏转对于磋商健康东谈主和神经病理景况下的感官信息措置和高阶瓦解相称有价值。在头皮纪录的脑电图（EEG）中，ERPs 进展为抓续数十至数百毫秒（ms）的几微伏（µV）的时期锁定局部负或正最大值。它们时常凭证极性（负=N，正=P）和潜伏期（以刺激后毫秒或纪录波形中的出现章程为单元）来象征。最著名的引发 ERP 的范式是 “奇异球 ”范式，在该范式中，受试者会濒临一系列时常出现的（如听觉或视觉）刺激（“表率”），其中赶紧穿插一些凄迷的刺激（“异类”）。在这类任务中不雅察到的表率 ERP 身分包括 P1、N1、P2、N2 和 P3。身分 P1、N1 和 P2 反应了提防前和提防早期的自动刺激措置和嗅觉门控，它们组成了一种阻止性过滤机制，在忽略无关或重叠信息的同期，将提防力合资在超过刺激上。N2 是由凄迷事件引起的，反应了对新颖性和刺激概率明锐的变化检测反应。通常，P3 的振幅随刺激的发生率和宏大性而变化，但也取决于受试者的动机、提防力资源和瓦解才气。修正的ERP标明PFC功能受损以及与神经精神疾病接洽的瓦解缺点。举例，在酒精成瘾患者和动物模子中不雅察到 ERP 振幅延伸和/或诬捏。P3 重量的絮聒主要与行径限定才气差和复发几率加多接洽，因此被以为是筹备戒毒后复发风险的合适规划。

头皮电子脑电图测量的ERP具有较高的时期精度，但挫折空间分辨率，对噪声明锐，而且与tDCS一样，电信号通过火骨被部分消音。然则，ECoG 电极更接近相关大脑行径的源流，与 EEG 比较，ECoG 电极具有更高的信号贤达度、更宽的带宽、更高的地形分辨率和更低的伪影脆弱性，从而能准确聚积 ERP 信号。

迄今为止，ECoG 电极一直被抛弃在外侧的嗅觉辅导区，这是基于癫痫发作定位的临床要求，或者是为了让瘫痪病东谈主省略欺诈与辅导相关的神经行径模式限定外部开荒。然则，皮质外上皮层植入物针对前额叶核心脑区瓦解ERP的后劲仍有待探索。

基于植入式双向脑机接口的上风和机遇，咱们入辖下手成就一个量身定制的软性多模态皮质上皮安设，该安设省略测量和挫折与神经精神疾病的会诊和调治相关的神经生理特征。挫折可通过植入式电刺激或局部用药来收场。咱们在大鼠内侧（m）PFC上方硬膜外植入了咱们的开荒，并测试了其获取听觉ERPs的可行性。咱们检测到系统性急性酒精摄入诱导的神经元行径减少。此外，在大脑皮层径直应用电脉冲和药理活性纳曲酮（NTX）后，咱们还不雅察到了植入物驱动的神经挫折。此外，咱们还欺诈机器学习算法从单次ERP试验中分手出调治特异性大脑反应，并将其四肢调治性神经假体中神经刺激闭环调整的潜在反馈。终末，咱们对植入物和打扰的耐受性进行了免疫组化分析。

确诊以后，医生很快安排输液，这本来是再正常不过的一次治疗，男孩儿的父亲看医生胸有成竹的样子，逐渐放下心来。

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二、磋商材料与方法

2.1 神经假体安设的想象与制造

咱们起头开发了一种定制的可植入安设，障翳大鼠大脑皮层额叶名义。神经假体安设是使用 3D 生物打印机 3DDiscoveryTM Evolution 制造的。植入物的想象是通过打印机的生物打印软件套件 BioCADTM 和定制开发的基于 Python（3.7 版）的软件 G 代码完成的。植入物由以 3 × 3 矩阵摆设的电极组成，相邻电极之间的距离在内侧观点为 1.5 毫米，在喙尾观点为 2.0 毫米。凭证其在 mPFC 上方的位置，电极被象征为前中央（FC）、左额叶（FL）、右额叶（FR）、内侧中央（MC）、左内侧（ML）、右内侧（MR）、后中央（PC）、左后侧（PL）和右后侧（PR）。其中 8 个电极（0.2 × 0.2 mm2）仅用于神经纪录。较大的 FC 电极（1 × 1 平方毫米）用于纪录和电刺激前囟前 3.2 毫米处横跨两个半球的 mPFC。此外，在前囟前 2.2 毫米处还集成了一个微流体通谈，用于局部运输液体。

阵列是在事前用脱模层（2% 十二烷基硫酸钠）措置过的玻璃载玻片上逐层 3D 打印而成的。植入体由 100 微米厚的硅树脂弹性体基底层拼装而成，基底层上的破绽细目了电极活性位点和微流控通谈出口的位置（图 1Ai）。随后，使用调换的材料印制了细目互连旅途的界限（图 1Aii）。接着，咱们千里积了由漫步在三乙二醇单甲醚中的铂粉组成的导电轨谈（图 1Aiii）。扫数印刷和加工法子的质地齐在显微镜下进行了评估（补充图 S1），并对缺点进行了东谈主工修正。打印完每一层后，将植入物放在 120°C 的加热板上，使其团员并挥发溶剂。然后，在每个电极的位置手工滴上一滴在 90°C 下预固化 90 秒的聚二甲基硅氧烷，并在 105°C 的热板上烘烤。每个电极的涂抹和烘烤齐是单独进行的，以确保快速团员，介意 PDMS 膜障翳电极部位。为使植入物与外部电子开荒连气儿，用含EPO-TEK® H27D，A 部分，环氧将不锈钢微线手动连气儿到互连器件上（图 1Aiv）。然后在 90°C 下挥发溶剂。导线连气儿处用 DOW CORNING®734 厚硅胶层绝缘（图 1Avii）。终末，将微丝的开脱端焊合到现成的连气儿器上，并用热胶进行绝缘。完成的电极阵列如图 1B 所示。

图 1. 用于纪录和调控神经行径的多模态皮质外显子阵列。(A) i) 硅胶基底层（DOWSIL™ SE1700），包括界说电极活性位点和微流体通谈的孔。iii) 阵列的导电部分由铂硅复合材料制成。(B) 植入物像片 (C) 在大鼠 mPFC 上部植入阵列，包括前扣带回 (ACC)、前面际 (PrL) 和下边际 (IL) 皮层。相对于前囟的立体定向坐标（毫米）。(D) 纪录电极（蓝色，n = 80 个电极，共 10 个植入体）和刺激电极（红色，n = 10 个电极，共 10 个植入体）体外（1 kHz）和体内（不同植入体数目，见补充表 S2）的阻抗。数据以平均值 ± SEM 示意。

2.2 电化学阻抗测量

使用配备频率响应分析仪的恒电位仪，在室温磷酸盐缓冲盐水（PBS）（pH 7.4）中纪录体外植入电极的阻抗。铂丝四肢对电极，Ag/AgCl 电极四肢参比电极。体内阻抗测量在每次纪录前使用 Intan RHD2000 USB 接口系统（Intan Technologies，好意思国洛杉矶）进行。对电极是一根不锈钢丝，其去绝缘端与固定在顶骨间的微型螺钉相连。

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动物

本表情中的扫数磋商均已取得德累斯顿工业大学伦理委员会和萨克森州内务部（Landesdirektion Sachsen, TVV 58/2018）的批准。实验按照欧盟委员会对于保护科学用动物的 2010/63/EU 号辅导的率领方针进行，并十分提防幸免动物碰到糟糕和减少使用动物的数目。

磋商波及 n = 10 只成年雄性 Wistar 野生型大鼠，起头最多 4 只一组。手术后，大鼠被关在单笼中，铺上锯末垫料，并使用 Bed-r'Nest 材料四肢富集物。颗粒状食品和水可开脱供应。饲养室的温度（20-22°C）和湿度（50-60%）由12小时自动光暗轮回限定，早上6点开灯。手术前，通过2周的日常操作使动物适合实验者和纪录安设。

2.4 植入神经假体

植入生物电子安设的手术是在皮下打针麻醉下进行的，止痛药为芬太尼（0.005 毫克/千克）、咪达唑仑（2.00 毫克/千克）和盐酸好意思托咪定（0.135 毫克/千克）。通过耳针和下颌支架将动物头部固定在立体定向框架内。起头，表露颅盖和颅缝，在颅骨中钻入两枚微型螺钉：第一枚钻入左顶骨，随后用电缆将其与植入连气儿器连气儿，四肢参考；第二枚钻入右额骨，四肢锚定螺钉，以援救固定成果。然后，在前囟-2.6-3.2 mm处用冷PBS抓续冲洗的情况下，冷静穿刺头骨（∅ 6.0 mm，<1,500 rpm）。然后，在微通谈出口位置（前囟前 2.2 毫米）旁仔细切开双侧硬脑膜，使 NTX 溶液流入。将植入物置于皮质中央，刺激电极位于前囟前 3.2 毫米处（图 1C）。在植入体上涂抹合成硬脑膜密封剂以封锁钻孔。用牙科水泥将植入体的外部部分固定在颅骨上，然后缝合伤口。手术完成后，动物皮下打针纳洛酮（0.12 毫克/千克体重）、氟马西尼（0.2 毫克/千克）和阿替巴唑（0.75 毫克/千克）以拮抗麻醉。动物在手术后立即和次日接受好意思洛昔康（1.0 毫克/千克，皮下打针）四肢止痛药物。

2.5 心电图纪录和刺激成立

心电图纪录从术后 3 天入手，使用带有 RHD2132 放大器芯片的 Intan RHD2000 USB 接口系统（Intan Technologies，好意思国洛杉矶），以 3 kHz 的采样率进行纪录，电缆连气儿到植入物连气儿器。起头不进行纪录，之后每隔 3 天腹腔打针 1.5 或 3 g/kg EtOH（20% v/v，纪录前 20 分钟）、NTX 电刺激或药理刺激后赶紧章程进行纪录（图 2）。在纪录前 20 分钟，使用计较机接口电流发生器通过前中央电极对 mPFC 进行双相电荷均衡脉冲（阳极 100 µA/ 阴极 80 µA，130 Hz）电刺激。对于药理刺激，NTX熔解在东谈主工脑脊液（125 mM NaCl、3 mM KCl、2.5 mM CaCl2、1.3 mM MgSO4、1.25 mM NaH2PO4、26 mM NaHCO3、13 mM C6H12O6）中，并在纪录前 20 分钟通过植入体的微通谈以 1 µl 的体积施加不同剂量（3、6 或 30 μg/μl）。

图 2. 心电图纪录症结的成立和时期表。实验接纳受试者内想象澳门六合彩开奖号码，扫数动物在未接受调治（假调治）的情况下，按照赶紧章程接受入手适合期、手术打扰和神经纪录，然后接受酒精打针、脑电刺激和皮层打针 NTX。通过Intan RHD2000 纪录系统以 3 kHz 的采样率对听觉怪球任务中引发的电位进行放大和数字化，并使用Intan纪录软件在计较机上进行可视化和保存。

诱发 ERP 的听觉刺激是通过自界说编写的 Matlab 剧本（R2019a 版块，The Mathworks Inc. 偏差音至少与一个表率音穿插，以幸免两个偏差音先后出现。为减少辅导伪差，每次将一只动物放在啮齿动物吊衣（声息刺激通过扬声器在动物头顶中央上方 40 厘米处以 45° 角分 5 个区块播放，时期为 5 分钟（图 2）。

2.6 数据措置和分析

数据措置使用 Matlab 的 EEGLAB 器具箱（2019.1 版）进行。起头，使用 0.1-45 Hz 带通 FIR 滤波器（Kaiser 窗口，Kaiser β = 5.65，滤波器长度 54,330 点）对数据进行离线滤波。对表率声息和偏差声息的数据分别在刺激入手前-100 至 700 毫秒的时期段内进行分割，并使用这些时期段的刺激前遣散（-100-0 毫秒）进行基线校正。在分别对单个受试者和扫数动物（总平均值）的历时进行平均之前，凭证 400 µV 的 delta 表率识别并摈斥伪差。ERP峰值潜伏期在目测阐明的表率时时期隔内细目（P1：30-75 ms，N1：80-105 ms，P2：110-125 ms，N2：130-180 ms，P3：200-500 ms）。ERP身分的振幅以峰值潜伏期周围10毫秒时期窗内的平均振幅计较。P2 重量的振幅为 N1-P2 峰峰值振幅，而扫数其他重量的振幅均为基线峰峰值振幅。

2.7 ERP 单次试验分类

在进行单次ERP分类时，使用的是依然对表率声息和异常声息进行了分段的、经过过滤的、无伪音的神经纪录文献。此外，还对前中心电极提供的数据进行了措置，因为该通谈一直齐有到手的纪录，唯唯一只动物阑珊 NTX3。

2.8 生成调治分类数据集

使用最小二乘线性相位抗混叠 FIR 滤波器对数据进行低通滤波，截止频率为 32 Hz，并将采样率降至 64 Hz，以诬捏维度和过拟合的可能性。然后索求 N1（80-105 毫秒）和 P3（200-500 毫秒）范围内的时域数据，每个试验共取得 22 个特征时期点。接下来，通过减去 1）对表率刺激的平均反应和对偏差刺激的平均反应，以及 2）对表率刺激的平均反应和对偏差刺激的平均反应，生成了各个阶段和动物的 ERP “相反试验”。与只接纳其中一种方法比较，同期接纳这两种方法不错取得更往常的磨真金不怕火集。终末，来自扫数其他动物的扫数相反试验被合并在全部，形成磨真金不怕火数据集。磨真金不怕火合资不包括正在进行分类表率的动物的相反试验。

2.9 特征聘任和分类

接下来，咱们进行了逐渐线性判别分析（SWLDA），将其四肢特征聘任和分类的组合政策。SWLDA 畴前在措置 ERP 数据，包括进行单次试验分类（时被讲解注解是灵验的。时域特征（即预措置后每个时期点纪录的电压值）用于特征聘任阶段。SWLDA 特征聘任起头是创建一个无特征的入手模子，然后对磨真金不怕火数据进行逐渐总结。在每个法子中齐会对潜在模子进行总结分析，纪律包括或摈斥每个特征，并得出每个特征的 F 统计量和 p 值。p 值越小，示意该特征获益的可能性越大。淌若模子中尚未包含的任何特征的 p 值低于 0.05 的插足阈值，则具有最小 p 值的特征将被添加到模子中。淌若莫得添加任何特征，但现时模子中的任何特征的 p 值高于 0.1 的移除阈值，那么 p 值最大的特征将从模子中移除。举例，在入手对给定数据集进行特征聘任时，将生成包含每个单独时域特征的新模子，并将每个模子在磨真金不怕火数据上的性能与空集的性能进行比较。淌若咱们假设某个特征在 t = 250 毫秒时的 p 值最低，且低于 0.05，那么在第一步扫尾时，仅包含该特征的模子将成为现时模子。在第二步中，将生成包含每个其他可用特征以及 t = 250 毫秒处特征的模子，并将它们在磨真金不怕火数据上的进展与现时模子的进展进行比较。淌若 t = 90 毫秒处的特征的 p 值最低，且低于 0.05，则第二步扫尾时确现时模子将是包含 t = 90 毫秒和 t = 250 毫秒处特征的模子。这些法子一直抓续到模子中莫得添加或删除任何特征为止。淌若这一历程未能聘任出任何特征，则会聘任 p 值最小的单个特征。在分类阶段，使用采用的特征对线性判别分析模子进行磨真金不怕火和测试。每个磨真金不怕火试验齐示意为 n 维空间中的一个点，以成就模子，其中 n 是所选特征的数目。然后在这个 n 维空间中拟合出一个线性超平面，以最好地分离代表两个类别的两组点。对磨真金不怕火试验次数最少的类别进行超采样，以确保每个类别的磨真金不怕火试验次数很是。使用这种方法，不错对特定磨真金不怕火中测试合资的每个相反试验进行分类。为了取得这些单次试验分类，测试试验被示意为 n 维空间中的一个点。凭证它位于超平面的哪一边，它将被归类为任一措置。然后，凭证会话中扫数测试试验的分类器输出拔除，进行轻便的多数票表决，从而得出应用了哪种调治方法的全体会话级分类。这种方法在扫数打扰步调的 “一双一 ”组合中进行了测试。对于扫数调治方法的比较，每个症结的本色调治方法和筹备调治方法齐被交叉表列出来，形成一个有时表，并对其进行卡方检会。淌若卡方统计的 p 值小于 0.05，则以为特定调治比较的分类在总体上具有统计真谛。

2.10 统计分析

统计分析使用 SPSS进行。对未调治动物的入手ERP数据进行了相反弧线（偏差减表率）与零值的单样本t检会。调治诱导的神经行径挫折接纳双尾配对 t 检会（α = 0.05），对每种调治与假调治条目进行分析。得出的 p 值使用 Benjamini-Hochberg 表率进行多重比较的过后校正（斟酌到 9 个通谈中的假阳性），阈值为 5%，并稀少文书为 FDR 调整后的 p 值。效应大小接纳 Cohen's d 计较，均值相反除以表率差。免疫组化磋商的统计分析包括单因素方差分析和 Holm-Sidak 过后检会，比较假手术动物、接受假体植入的大鼠和调治条目下的染色对象数目、染色总面积百分比和荧光强度。效应大小用 Cohen's f 计较。

三、拔除

3.1 开发用于连气儿 PFC 的上皮质神经假体

咱们使用了一种最近成就的原型时期，该时期可快速制造软性和定制生物电子植入物，其中波及硅树脂和导电铂墨水的径直墨水书写。体外测量的 1 kHz 软电极阻抗为：纪录电极 10.14 ± 1.96 kΩ（平均值 ± 平均值表率差错 (SEM)）（n = 80，来自 10 个植入体），刺激电极 4.36 ± 1.41 kΩ（n = 10，来自 10 个植入体）（图 1D；补充图 S3；补充表 S2）。

生物电子安设经硬膜外植入 mPFC 上部，手术历程相称详细，需要在上矢状窦和左近血管的正上方进行穿刺。在抓续的 PBS 冲洗下，钻孔时提防将钻孔时期截止在几秒钟，钻孔速率要低，以介意热毁伤组织，但偶尔的微出血如故无法幸免。

对植入物在体内的踏实性进行了长达 3 周的评估，在此时期，每隔三天就会在纪录前测量单个电极的阻抗。跟着时期的推移，纪录电极的阻抗深广呈上涨趋势，而刺激电极的阻抗则保抓踏实（图 1D；补充表 S2）。稳妥进一步进行 ERP 分析的功能电极被界说为阻抗低于 600 kΩ。在通盘磋商时期，跨越 80% 的电极保抓功能正常（补充表 S2）。不外，有一个刺激电极在终末一次调治的时期点失去了功能。

3.2 实施心电图对前额叶功能区行径的测量

咱们试图细目咱们的时期是否省略可靠地取得清醒大鼠（n = 10）的特征性 ERP。咱们使用了与东谈主类ERP磋商肖似的听觉怪球范式来诱发典型的声息特异性ERP反应。

在感知时常出现的表率声息和凄迷的异常声息时，神经行径的相反会导致通过植入体纪录到不同的电压波形。事实上，扫数动物的ERP总平均值骄横，两种声息引起的神经行径光显不同，扫数电极部位的P1、N1和P3重量齐有很大的效应大小，也进行了FDR校正（图3；补充表S3）。天然在某些通谈检测到 P2 和 N2 身分在这些时时期隔内存在权贵相反（举例，FL 电极，P2：t(9) = 2.318，p = 0.046（未校正）；N2：t(9) = -2.514，p = 0.033（未校正）），但每个电极上的 P2 和 N2 身分并不清楚可辨，也经不起 FDR 校正。

图 3. 表率声息（蓝色）、偏差声息（红色）及其相反弧线（玄色）在扫数电顶点引起的总平均ERP。迹线为 10 只动物的平均值。重量 P1-N1-P2 是提防前和提防早期听觉信号措置的特征，而 N2 和 P3 则示意挑升志的刺激评估。

3.3 神经行径的电学和药理学挫折

在未接受调治的动物（假）到手取得ERPs后，咱们测试了是否能检测到急性全身性酒精给药以及电刺激和NTX（两者均通过植入体径直作用于大脑皮层）引起的神经行径变化。每次打扰后，动物齐要接受调换的听觉怪球任务。缺憾的是，由于连气儿器、粘合剂粘连或微流控通谈堵塞等问题，无法对扫数动物进行打扰，因此这些动物不得不退出磋商。

在每种措置条目下，动物对表率声息的神经反应齐显得凡俗无奇，这与未措置动物的情况调换（可能是由于高重叠率变成的民风化效应）。因此，为了选藏调治引起的神经行径变化，随后对 ERP 相反弧线（偏差-减去表率声息）进行了分析。

动物接受低剂量（1.5 克/千克，n = 6）或高剂量（3.0 克/千克，n = 9）的酒精。从行径上看，低剂量仅诱发渺小的踉跄步态，而高剂量则导致共济失同一行动未便。配对 t 检会骄横，低剂量 Etoh 会延伸四个通谈的 N2 重量，但对 ERP 振幅莫得权贵影响（图 4A、B；补充图 S4；补充表 S4 和 S5）。相背，高剂量的 EtOH 会权贵损害神经功能，进展为 N1 身分减少（图 4A、B；补充图 S4；补充表 S7）。高剂量 EtOH 的 ERP 潜伏期只分析了 P1 身分（补充表 S6），因为其他 ERP 身分系数被阻止。

图 4. 酒精和植入式脑电刺激及药物刺激对前额叶神经行径的影响。(A) 酒精浓度为 1. 5 g/kg (n = 6, 玫瑰色) 和 3 g/kg (n = 9, 红色)、脑电刺激 (n = 8, 黄色)、3 μg/μl (n = 5, 浅蓝色)、6 μg/μl (n = 4, 中蓝色) 和 30 μg/μl (n = 5, 深蓝色) 纳曲酮（NTX）皮层给药以及未经措置的动物（假，n = 10, 玄色）。(B）打扰和未打扰动物在扫数通谈的ERP振幅相反。植入通谈以 3 × 3 矩阵骄横每种调治（行）和 ERP 身分（列），调治对 ERP 振幅的阻止或增强作用以蓝色或红色示意。左下插图骄横了通谈位置，超过骄横了 FC 刺激电极以及 FC 和 MC 电极之间的微流控通谈。数字示意权贵的 p 值（未校正）。

接下来，咱们磋商了通过双相电荷均衡脉冲径直刺激大脑皮层对神经行径的影响。这种波形已被讲解注解能在灵验激活神经和不利影响（如组织毁伤和铂电极熔解）之间提供风雅的折衷。动物（n = 8）在受到刺激后并莫得进展出行径上的变化，然则，六个通谈的 P1、N1 和 N2 振幅的加多标明电刺激对大脑行径有增强作用（图 4A、B；补充图 S5；补充表 S9）。就 N1 重量而言，与后排电极部位比较，这种效应在更鸠合刺激部位的场地更为光显，使用前排（t(6) = -4.703，p = 0.003，|d| = 0.936）和中排电极（t(6) = -3.139，p = 0.020，|d| = 0.516）的平均 N1 反应进行的配对 t 检会骄横了这极少（图 4B）。ERP潜伏期莫得变化（补充表 S8）。

终末，咱们磋商了皮质上皮层给药 NTX 的成果，NTX 是一种阿片受体拮抗剂，在康复中已得到往常招供，但在传统的口服应用中成果一般（Hendershot 等东谈主，2017 年）。咱们测试了三种不同的剂量（3 微克（NTX3，n = 5）、6 微克（NTX6，n = 4）、30 微克（NTX30，n = 5））。在职何一种剂量下，动物在服用 NTX 后的行径均未出现相反。3 μg/μl 和 30 μg/μl 的 NTX 会诬捏 P1 和 N1 重量的潜伏期（补充表 S10、S14），扫数浓度的 NTX 齐会增强 N1、P2、N2 或 P3 重量的振幅（图 4A、B；补充图 S6；补充表 S11、S13、S15）。然则，唯独在微通谈出口隔邻的通谈中，剂量为 3 μg/μl（通谈 FC、MC、FL、ML）和 30 μg/μl（通谈 FC、FL）时的 N1 波幅以及通谈 FL 和 30 μg/μl 时的 P2 波幅经 FDR 校正后拔除仍有权贵性。

3.4 到手的单次试验 ERP 分类

在表率离线ERP分析表率上钩算ERP总平均值并不稳妥想象为在个体中及时运行的神经假体开荒。因此，咱们接纳机器学习算法对 ERP 反应进行单次试验分类。此外，咱们的观点是准确分手每个东谈主在每个疗程中接受了哪种调治。

总平均数据骄横，假性纪录和 EtOH 调治之间存在光显相反，尤其是在 N1 和 P3 部分。无人不晓，这些 ERPs 的峰值位于前中央电极位置, 因此凭证假纪录和调治之间的电压相反，聘任这些身分的 FC 数据进行特征索求。图 5 骄横了最准确分手调治的分类历程。表 1 列出了每一疗程对每一疗程的筹备准确率。将假景况与 3 克/千克酒精的调治进行比较时，94.4% 的疗程筹备出了正确的调治方法，唯唯一次额外分类。此外，电刺激诱导的大脑景况与扫数其他景况齐能正确分手，精准度高达 100%（低 EtOH 剂量）。在每次对比中，至少有三分之二的疗程能对 NTX 药物调治进行正确分类。文书每次调治对比筹备拔除的情况表见补充表 S16。

图 5. 分手每次磨真金不怕火所接纳的措置方法。(A) 生成磨真金不怕火和测试试验。上行（红色）：单个动物和调治的偏差 ERP 反应，包括平均值（右）。中行：表率ERP反应，包括平均值（左）。下行：拔除相反试验。未用于分类的时期范围以浅灰色暗昧骄横。(B) 片断级特征聘任拔除。这是一个示例模子，用于测试动物的疗程是否能被正确分类为 “高酒精 ”和 “假 ”调治。绿色实线：“假 ”调治下扫数相反试验的平均值。棕色实线：“酒精浓度高 ”措置下扫数相反试验的平均值。这些线险阻的暗影区域代表 1 个表率差错。每个特征齐代表每次试验中特定时期点的电压。举例，蓝色虚线代表每个试验在刺激后 388 毫秒时的电压。不相宜分类条目的时期范围以浅灰色潜藏。未被选中的特征以深灰色潜藏，并在上方打叉。上图骄横了所选特征的复选象征和终末一次迭代的 p 值。(C) 接纳线性判别分类器简化示例的单次试验分类。为直不雅起见，索求了（B）部分所示特征聘任示例中 p 值最小的两个特征，并骄横了最接近每个类别算术平均值的 100 个样本。绿色圆圈：“假 ”措置的样本。棕色三角形：“酒精浓度高 ”措置的样本。分类模子生成的最能分手两个类别的超平面用玄色虚线示意。测试样本示例骄横为蓝色星形。该样本位于超平面的右下方，被正确分类为 “酒精含量高 ”样本。(D) 模子的全体会话级分类。在每个测试试验（如（A）部分中生成的试验，并如（C）部分中使用（B）部分中聘任的特征进行测试）之后，该示例中的大多数试验齐被归类为 “酒精含量高”。因此，本症结的总体筹备拔除为 “酒精含量高”。

表 1. 每种调治类型对比中准确筹备到调治的疗程百分比。

3.5 植入材料和应用调治的生物相容性

终末，咱们磋商了植入 4 周后安设自己的生物不竭情况以及详细打扰步调对脑组织的影响。这包括使用 GFAP 和 Iba1 抗体对神经炎症进行免疫组化评估，以及对层粘卵白和 CD31 进行染色，以揭示脑血管的竣工性。此外，咱们还使用神经元象征物 NeuN 和表率性细胞牺牲介质 caspase3 的抗体来磋商神经元细胞的存活情况。咱们对未植入假体的假手术动物、植入无功能假体的动物和植入活性假体的大鼠进行了免疫染色，这些动物齐接受了 EtOH 打针、电刺激和 NTX 给药。图 6 的放大显微镜图像骄横了左侧辅导皮层中位于前囟前 3.2 mm 处、刺激电极傍边的免疫反应（图 6A、B）。

图 6：对植入物和调治组织反应的免疫组化评估。(A) 大鼠大脑和前囟前 3.2 毫米处生物医学植入物的横截面，包括为安设取出青年物相容性分析而界说的感兴趣区 (ROI)，以及 (B) 中的放大视图。(B) 左侧辅导皮层前囟前 3.2 mm 处刺激电极旁的代表性显微图像。插图为 50 × 50 微米的正方形。(C) 假手术动物（n = 3）、接受植入假体的大鼠（n = 3）和调治大鼠（n = 7）每次染色六片脑片的采用生物耐受性规划归一化并以平均值 ± SEM 示意。星号示意相反权贵（P < 0.05）。

与其他使精心电图植入物的磋商一样，咱们提防到电极阵列周围的纤维组织导致下方的脑组织渺小凹下。此外，咱们不雅察到调治组 NeuN 阳性细胞数目较少（F(2,10) = 4.474, p = 0.045），这标明这是调治的成果，而不是安设变成的，因为与假手术大鼠比较，接受植入假体的动物在染色面积百分比和 NeuN 阳性细胞数目上莫得权贵相反（图 6B、C；补充表 S17）。此外，GFAP、Iba1 和 caspase3 在各组之间也莫得发现相反，这标明假体植入或调治齐莫得权贵增强炎症或急性细胞丢失（图 6B、C；补充表 S17）。然则，咱们不雅察到脑血管系统中与调治相关的细胞窜改，这表面前与假手术大鼠比较，调治组动物的层粘连卵白抒发较低（荧光强度：F(2,10) = 8.793, p = 0.021，ROI 的百分比面积：F(2,10) = 7.853, p = 0.042）和植入假体的大鼠（荧光强度：荧光强度：F(2,10) = 8.793，p = 0.021，ROI 面积百分比：F(2,10) = 7.853，p = 0.042：图 6B、C；补充表 S17））。

四、盘考

咱们成就了一个不竭机器学习的多模态神经接口，用于获取、挫折和分类清醒大鼠的ERP身分。所谓多模态，是指咱们的神经接口通过以下形状提供双向功能：1）皮质上皮纪录；2）通过植入式刺激调控神经行径。这种刺激不错是电刺激，也不错是药理刺激。咱们的开荒既能纪录神经信号，又能在电学和化学规模进行刺激，这与传统的脑电图系统（只可纪录）和现存的刺激时期（如经颅直流电刺激或脑深部刺激）形成了昭彰对比。此外，现存的基于心电图的系统时常侧重于感官辅导脑区，而本磋商初度提议应用皮质外上皮层植入物来对准来险恶阶前额叶收集的瓦解ERPs。这种应用器具有望应用于神经精神疾病的会诊和调治，并为智能闭环神经义肢的开发铺平谈路。

定制电极阵列是欺诈三维打印时期制造的，该时期接纳机器东谈主限定的软性导电材料千里积时期，可凭证 mPFC 上部的名义区域定制植入布局。咱们阵列中的柔性铂硅电极在体外具有较低的阻抗。畴前的磋商标明，电极阻抗在植入后的头几周会加多，但跟着时期的延长会着落。通常，在为期 3 周的磋商时期，咱们不雅察到纪录电极在 1 kHz 频率下的阻抗不停加多，但咱们莫得对更长的植入时期进行测量，以明确咱们的开荒是否也会出现阻抗着落的情况。由于刺激电极的名义积较大，因此其阻抗低于纪录电极，况且在通盘磋商时期保抓踏实。这可能是因为电刺激会诬捏组织界面电阻，从而改善信号质地并诬捏电极阻抗，因此对电极-组织界面有 “再生 ”作用。这种踏实性使得场电位纪录可靠且质地高。神经精神疾病与前额叶大脑行径絮聒接洽，而前额叶大脑行径絮聒也会导致ERP发生变化。

因此，对它们的监测越来越多地被纳入临床通例。咱们纪录的ERPs出面前大脑听觉感知的早期阶段，紧随声息的出现。在健康受试者中，它们因声息特征（如音高、响度）而异。咱们的生物电子植入体省略可靠地测量凄迷偏差声息和常见表率声息之间的ERP相反，这与之前使用肖似范式的磋商拔除一致。通常，咱们也能到手检测到急性酒精摄入后ERP的剂量依赖性变化。与东谈主类和啮齿类动物的现存数据一致，施用酒精会严重影响 N1 身分，标明嗅觉门控受损和知觉絮聒。

尽管ERPs已被以为是疾病的生物标记物，但对其进行有针对性的监测和挫折并不是面前调治打扰的要点。在推行活命中，酒精使用挫折中的ERP异常会在听到绽开啤酒瓶的声息或看到东谈主们饮酒时进展出来。对于成瘾者来说，这些与酒精相关的刺激会劝诱提防力，并挑战阻止才气以叛逆酒精消费。这些历程也进展为神经行径模式的窜改，当应用神经调控来改善行径限定和诬捏复发风险时，神经行径模式理当还原正常。初度使用 tDCS 考订药物使用挫折中的神经絮聒的磋商可能会对 N2 和 P3 身分产生积极影响（综述见。在咱们的磋商中，植入驱动的径直皮层刺激到手地增强了大多数通谈的 N1、P2 或 N2 身分，这标明听觉措置、嗅觉门控和对异常刺激的感知得到了改善。尽头是对于 N1 身分，这种成果在更鸠合刺激部位的电极上更为光显。磋商学者进一步讲解注解，额叶N1可能不仅反应了被迫的嗅觉措置，还标明了动机的权贵性，表面前大鼠对奖励耦合的偏差声息作念出正确反适时，N1振幅比未作念出反适时更大。因此，挫折 N1 身分可能会影响刺激激活行径的早期阻止，这与成瘾性疾病接洽，因为如前所述，复发是由药物痕迹引起的渴乞降阻止限定受损引发的。刺激锁定 P2 和 N2 的异常也与罢手调治的吸毒者接洽，这标明对这些身分的监测和挫折不错筹备和影响调治拔除。在这里，P3 身分莫得受到刺激的光显影响。然则，在波及主动行动霸术和行径限定的本色任务中，P3 比在此处应用的被迫条目下更为光显。

在将 NTX 径直打针到前脑功能区的局部后，咱们不雅察到 P1 和 N1 身分（3 μg/μl 和 30 μg/μl）的潜伏期裁减，N1、P2、N2 或 P3（扫数剂量）在多个通谈的振幅增大，这标明听觉措置得到了改善。天然 NTX 早在 1984 年就已被批准用于成瘾调治，但接洽 NTX 对电生理参数影响的磋商却很少，也莫得定论。早期的脑电图磋商无法检测到全身应用 NTX 对咱们感兴趣的 ERP 的影响：在酬酢饮酒者的听觉怪球范式中，先前口服 NTX 会权贵诬捏刺激后 200-500 毫秒的晚期负差，这标明 NTX 引起的聘任性提防力受损。与此相背，通过腹部皮下植入 NTX，恒久接受调治的阿片类药物成瘾者在完谚语义缅想任务时，说话相关的 N4 加多，这讲解 NTX 在一定进程上改善了神经功能。

为了自主识别由神经挫折和药物调治诱发的大脑景况，对单次ERP数据进行了波及SWLDA的机器学习表率。SWLDA 在 P3 相关数据的分类方面有着风雅的纪录，在这里也再次进展出色。在 18 个疗程中，有 17 个疗程对假设条目和高剂量酒精进行了正确分类，并具有高度统计学真谛（p < 0.001）。真谛的是，对两种不同剂量酒精的施用进行了准确分手，这援救了最近的磋商拔除，即机器学习方法揭示出 ERP 与酒精使用挫折患者的饮酒行径个体相反相关。在精神分裂症、提防缺点多动挫折和自闭症等疾病中，使用ERP身分的机器学习时期也被讲解注解不错将患者与健康对照组分手开来。宏大的是，咱们的 SWLDA 方法不错识别接受径直皮层刺激的动物。这对闭环神经建设术的开发至关宏大，因为唯独在检测到异常神经行径时才会开启脑刺激，自适合地调整刺激参数，并在脑行径还原正常后立即关闭，从而减少反作用，援救服从。除了用于癫痫的 NeuroPace® RNS® 系统外，欺诈机器学习方法的闭环系统也到手用于帕金森病的 DBS，以索求骄横震颤诱发辅导的患者特异性皮质信号，并及时调整刺激电压。因此，ERPs 和机器学习不错援救精神症状的会诊，并有助于对个体受试者的疾病进展和调治拔除进行筹备，从而收场个性化的优化调治。

尽管咱们依然到手讲解注解了咱们的生物医学植入物适用于获取和挫折前额叶 ERPs，但神经植入物的安全性至关宏大。免疫组化分析标明，所使用的植入材料具有风雅的生物相容性，而调治组动物的皮质形态则存在一些相反。需要提防的是，动物接受了酒精、电刺激和局部打针 NTX。因此，咱们无法判断所骄横的成果是由特定调治引起的，如故由调治的互相作用变成的。不外，这可能反应了患者接受不同方法详细调治的临床情况。

免疫活性的相反主要体面前层粘连卵白上，层粘连卵白是属于细胞外基质的糖卵白家眷，与血脑障蔽和神经元功能接洽。因此，检测到的层粘连卵白抒发减少很可能也会影响神经元。植入生物医学界面的手术打扰包括神经和血管毁伤以及植入开荒的典型异物反应。在这里，为了让 NTX 溶液流入，必须切开硬脑膜，这很可能会引起一些血管毁伤，导致一些动物体内不雅察到的层粘连卵白抒发发生变化。然则，血管功能挫折和神经元亏蚀也与酗酒引起的氧化应激接洽。科学家证实，即使是一次醉酒战争酒精，也会对大脑的分子和细胞产滋恒久影响。电刺激也能加多血脑障蔽的通透性。不外，这种影响是忐忑和可逆的。应用 DBS 的磋商标明，电刺激不错挫折致使减少神经炎症和细胞凋一火，从而阐明神经保护作用。此外，酒精诱导的神经变性与小胶质细胞和星形胶质细胞抒发增强接洽。然则，咱们并莫得不雅察到调治组的 GFAP 和 Iba1 免疫活性光显增强。由于 NTX 已被讲解注解具有抗炎和神经保护功能，可对消药物诱导的星形胶质细胞、小胶质细胞和 caspase3 的激活，因此咱们揣摸 NTX 可能阻止了反复给药酒精的潜在破损作用。

五、局限性

通过这里应用的被入耳觉怪球表率，咱们不行能明确通过皮质上皮植入进行有针对性的ERP正常化是否能从头成就失去的行径限定。这就需要一种实验方法，要求受试者对某些刺激作念出主动反应或阻止反应。举例，在成瘾模子中应用时，可将刺激与药物的可用性和自我用药配对。然后，植入体将监测和挫折药物痕迹反应的神经生理相关性以及相关的药物寻乞降消费行径。由于依然有了经过考证的动物模子，这里先容的实验安设不错径直用于针对多样神经精神疾病的调治，在这些疾病中，前额叶措置絮聒是与临床症状、瓦解挫折和功能挫折密切相关的一个特征。

面前，神经测量是在刺激后进行的，其分析是离线进行的。这些要素需要不竭起来，以收场自主测量、分析和及时挫折神经行径。此外，集成可控液体输注安设还能更精准地向大脑皮层运输药物。

聘任使用机器学习表率来识别不同的调治条目，是基于这么一个假设：与深度神经收集等更复杂的方法比较，线性分类器在大脑信号分类方面进展风雅，因为它们提供了过度拟合的可能性，这时常是由于可用的数据集相对较小。然则，在这种情况下，磨真金不怕火数据集是由好多动物的试验组成的。淌若使用大量的动物群，可能会有迷漫的磨真金不怕火数据使深度学习成为一种有劝诱力的替代方法。在现时的数据合资，刺激电极是扫数动物在扫数疗程中抓续纪录的唯一通谈。援救通谈纪录的可靠性可能对分类有意，不错欺诈更多的空间信息。面前的方法依赖于在一组动物身上学习到的模式，然后转化到不同的测试动物身上。然则，无人不晓，大脑信号存在变异性。在扫数条目下进行更多的测试，不错从测试动物的其他测试中进行校准试验，从而成就一个更好的模子，并履行到新的测试中。有了每种条目下多个阶段的数据，就有可能为每只动物成就系数取决于受试者的模子，这可能有助于援救准确性。

终末，为了分析调治引起的组织反应，大鼠接受了多种打扰步调，这防碍了将拔除分拨给特定调治。此外，生物相容性评估应在永劫期、临床相关的植入后进行，以评估抓续性影响。

六、论断

在此，咱们成就了一种三维打印的活泼且生物相容的皮质上皮植入物，用于监测大鼠 mPFC 的 ERPs。因此，咱们到手地通过该安设取得了健康东谈主和酒精引起的神经毁伤中可能出现的典型听觉ERPs。此外，植入式电刺激和药理刺激省略对神经行径进行可测量的挫折，并通过省略措置脱落数据的新式机器学习算法对神经行径进行自主分类。天然还需要进一步的磋商来讲解注解咱们的方法在病理行径功能还原方面的实用性，但这些拔除是有但愿的，突显了生物电子医学在会诊和调治精神疾病方面的巨大后劲。

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