非人灵长类动物长期无线皮层脑电多任务数据集：推动脑机接口与神经动力学研究

《Scientific Data》：Longitudinal multitask wireless electrocorticography data from two fully implanted nonhuman primates

本研究针对长期无线 electrocorticography (ECoG) 数据缺乏的现状，开发了基于两只日本猕猴（Macaca fuscata）的完全植入式无线 ECoG 系统，采集了涵盖静息态、听觉、自主按键、伸手运动和体感诱发电位（SEP）等多任务的长达数百天的纵向数据。数据按 BIDS 标准组织，验证了信号质量和稳定性。该数据集为研究长期皮层动态和开发稳健的脑机接口（BCI）算法提供了宝贵资源。

　　

大脑，作为人体最复杂的器官，其活动的精确记录一直是神经科学领域的核心挑战。传统上，科学家们使用多种技术来窥探大脑的奥秘，例如头皮脑电图（EEG）和皮层内微电极记录。然而，前者空间分辨率有限，难以精确定位；后者虽然精度高，但覆盖范围小且长期稳定性面临挑战。 electrocorticography（ECoG，皮层脑电图）技术则在这两者之间取得了较好的平衡，它通过放置于大脑皮层表面的电极阵列进行记录，兼具较高的时空分辨率和较大的覆盖面积，因而在理解大规模皮层网络组织和开发脑机接口（BCI）方面显示出巨大潜力。尽管如此，传统的ECoG记录通常依赖于有线连接，限制了其在短期实验或临床环境（如癫痫监测）中的应用，难以对自由活动的个体进行长期、自然的神经活动监测。

近年来，完全植入式无线ECoG设备的出现为这一领域带来了革命性的变化。它摆脱了线缆的束缚，使得对自由行为状态下的主体进行长期神经活动监测成为可能，这不仅有助于更深入地理解大脑功能，也为严重瘫痪患者未来稳定、日常化地使用BCI技术带来了希望。已有研究表明，基于ECoG的植入体可以维持数月甚至数年的稳定神经信号记录。然而，一个突出的问题是，来自真正无线ECoG系统的大规模、公开可用数据集的缺乏，制约了科研人员对跨不同行为任务的长期皮层信号稳定性的深入理解，也阻碍了用于BCI的鲁棒解码算法的开发。

为了解决这一研究空白，由大阪大学等机构的研究人员Huixiang Yang, Ryohei Fukuma, Tomoyuki Namima, Kotaro Okuda, Asaya Nishi, Takamitsu Iwata, Abdi Reza, Kota S. Sasaki, Taro Kaiju, Gurlal Gill, Haruhiko Kishima, Shinji Nishimoto和Takufumi Yanagisa wa组成的团队，在两只成年日本猕猴（Macaca fuscata）身上进行了一系列实验，旨在收集涵盖多种任务的综合性无线ECoG数据。他们的研究成果以题为《Longitudinal multitask wireless electrocorticography data from two fully implanted nonhuman primates》的论文形式，发表在《Scientific Data》期刊上。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，他们为两只日本猕猴手术植入了靶向传感器运动皮层的双侧完全植入式无线ECoG系统（Brain Interchange ONE）。其次，他们设计了包含静息态、听觉聆听、自主按键、伸手运动和体感诱发电位（SEP）在内的多种实验范式。第三，他们开发了定制软件系统，实现了无线神经信号与外部行为/刺激事件信号的精确同步采集。最后，他们将所有原始数据转换为遵循脑成像数据结构（BIDS）标准的格式，确保了数据的可重用性和与主流神经生理学软件的互操作性。

数据记录

本研究产生的数据集已公开在OpenNeuro平台（编号ds006890）。数据严格按照BIDS颅内脑电（iEEG）扩展标准进行组织，包含两只猕猴（monkeyc和monkeyb）在术后数百天内多个会话（session）的记录。每个会话目录下包含EDF格式的原始ECoG信号文件（采样率1 kHz）、事件标记文件（_events.tsv）、通道描述文件（_channels.tsv）以及包含采集元数据的JSON文件。数据完整性高，缺失样本率低（Monkey B: 0.60%±0.55%；Monkey C: 0.85%±0.46%），且缺失段已被标记以便于预处理。

技术验证

研究人员通过多种分析验证了数据的质量和长期稳定性。

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  阻抗稳定性：定期监测的电极阻抗显示，两只猕猴的阻抗值在数百天的记录期内均保持在可接受范围内（≤3 kΩ），表明电极-组织界面接触良好且稳定。
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  频带功率分析：对静息态信号进行的功率谱分析表明，theta、alpha、beta、low-gamma和high-gamma等主要神经振荡频段的功率在长期记录中保持相对稳定，未出现显著漂移或衰减。
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  运动任务验证：通过分析伸手任务和按键任务（仅Monkey C）的事件相关频谱扰动（ERSP），研究人员发现运动开始时high-gamma（~60-90 Hz）频段功率 consistently 升高，且这种反应在拓扑图上清晰地聚集在传感器运动皮层电极上。此外，在Monkey C的按键任务中，发现传感器运动皮层的三个通道的高gamma ERSP与每日平均运动速度呈显著正相关，表明记录的神经信号与行为表现具有功能关联。
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  听觉任务验证：在被动聆听音乐三和弦（如Do, Mi, So）的任务中，ECoG信号在时间域上显示出与三个音符 onset 对齐的 distinct 峰值，在时频域上则在每个音符出现时出现低频段的瞬时功率激增。这些听觉诱发反应在长期记录中保持稳定，且最强反应出现在可能靠近颞叶听觉皮层的侧方电极上。
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  体感诱发电位（SEP）验证：通过刺激腕部正中神经诱发的SEP，在刺激后约23毫秒处观察到一个稳定的早期皮层反应峰值。该峰值的幅度和潜伏期在长期的术后记录中保持一致，进一步证实了电极功能的长期稳健性。

综上所述，这项研究成功构建并发布了一个来自非人灵长类动物的、长期、多任务的无线ECoG数据集。通过系统的技术验证，研究团队证实了所使用的完全植入式无线系统能够提供高质量、高稳定性的皮层信号记录，覆盖了从静息态到感觉、运动等多种行为条件。该数据集严格按照BIDS标准组织，极大地方便了数据的共享和再利用。这一宝贵资源为神经科学家深入探索长期皮层动力学、研究跨模态交互、以及开发新一代更为鲁棒和通用的脑机接口解码算法提供了坚实的基础。它有望加速非人灵长类动物模型研究和转化型BCI设计的进程，对推动神经工程和认知神经科学领域的发展具有重要意义。