Intracortical microstimulation of the somatosensory cortex offers the potential for creating a sensory neuroprosthesis to restore tactile sensation. Whereas animal studies have suggested that both cutaneous and proprioceptive percepts can be evoked using this approach, the perceptual quality of the stimuli cannot be measured in these experiments. We show that microstimulation within the hand area of the somatosensory cortex of a person with long-term spinal cord injury evokes tactile sensations perceived as originating from locations on the hand and that cortical stimulation sites are organized according to expected somatotopic principles. Many of these percepts exhibit naturalistic characteristics (including feelings of pressure), can be evoked at low stimulation amplitudes, and remain stable for months. Further, modulating the stimulus amplitude grades the perceptual intensity of the stimuli, suggesting that intracortical microstimulation could be used to convey information about the contact location and pressure necessary to perform dexterous hand movements associated with object manipulation.

The authors have withdrawn their manuscript owing to an error identified in the data processing pipeline. Therefore, the authors do not wish this work to be cited as reference for the project. If you have any questions, please contact the corresponding author.

A bstract Touch is critical for our ability to manipulate objects, as evidenced by the deficits incurred when touch is absent. To restore the sense of touch via electrical stimulation of the peripheral nerves requires that we understand how the parameters of stimulation shape the evoked sensation. To this end, we investigated the sensory consequences of changing the frequency of pulse trains (PF) delivered to the peripheral nerves of humans chronically implanted with multi-channel nerve cuff electrodes. We found that increases in PF led to systematic increases in perceived frequency, up to about 50 Hz, at which point further changes in PF had little to no impact on sensory quality. Above this transition frequency, ratings of perceived frequency levelled off, the ability to discriminate changes in PF was abolished, and verbal descriptors selected to characterize the sensation changed abruptly. We conclude that the quality of electrically evoked tactile sensations can be shaped by imposing temporal patterns on a fixed neural population, but this temporal patterning can only be resolved up to about 50 Hz. These findings highlight the importance of spike timing in shaping the quality of a sensation and will contribute to the development of encoding strategies for conveying touch feedback through bionic hands and feet.

A bstract Motor (M1) and somatosensory (S1) cortex play a critical role in motor control but the nature of the signaling between these structures is not known. To fill this gap, we recorded – in three human participants whose hands were paralyzed as a result of a spinal cord injury – the responses evoked in the hand and arm representations of primary motor cortex (M1) while we delivered ICMS to the somatosensory cortex (S1). We found that ICMS of S1 activated some M1 neurons at short, fixed latencies, locked to each pulse in a manner consistent with monosynaptic activation. However, most of the changes in M1 firing rates were much more variable in time, suggesting a more indirect effect of the stimulation. The spatial pattern of M1 activation varied systematically depending on the stimulating electrode: S1 electrodes that elicited percepts at a given hand location tended to activate M1 neurons with movement fields at the same location. However, the indirect effects of S1 ICMS on M1 were strongly context dependent, such that the magnitude and even sign relative to baseline varied across tasks. We tested the implications of these effects for brain-control of a virtual hand, in which ICMS was used to convey tactile feedback about object interactions. While ICMS-evoked activation of M1 disrupted decoder performance, this disruption could be minimized with biomimetic stimulation, which emphasizes contact transients at the onset and offset of grasp, reduces sustained stimulation, and has been shown to convey useful contact-related information. S ignificance Motor (M1) and somatosensory (S1) cortex play a critical role in motor control but the nature of the signaling between these structures is not known. To fill this gap, we recorded from M1 while delivering intracortical microstimulation (ICMS) to S1 of three human participants, whose hands were paralyzed by spinal cord injury. We found that ICMS activates M1 and that the motor fields of activated M1 neurons match the sensory fields of the stimulated S1 electrodes. These findings have important implications for using ICMS to convey tactile feedback for brain-controlled bionic hands. Indeed, the ICMS-evoked M1 activity worsens control of the hand. Fortunately, this effect is minimized by using biomimetic tactile feedback, which emphasizes contact transients and reduces sustained ICMS.

Summary Dexterous hand control requires not only a sophisticated motor system but also a sensory system to provide tactile and proprioceptive feedback. To date, the study of the neural basis of proprioception in cortex has focused primarily on reaching movements, at the expense of hand-specific behaviors such as grasp. To fill this gap, we record both the time-varying hand kinematics and the neural activity evoked in somatosensory and motor cortices as monkeys grasp a variety of different objects. We find that neurons in somatosensory cortex, as well as in motor cortex, preferentially track postures of multi-joint combinations spanning the entire hand. This contrasts with neural responses during reaching movements, which preferentially track movement kinematics of the arm rather than its postural configuration. These results suggest different representations of arm and hand movements likely adapted to suit the different functional roles of these two effectors.

A bstract Tactile nerve fibers fall into a few classes that can be readily distinguished based on their spatiotemporal response properties. Because nerve fibers reflect local skin deformations, they individually carry ambiguous signals about object features. In contrast, cortical neurons exhibit heterogeneous response properties that reflect computations applied to convergent input from multiple classes of afferents, which confer to them a selectivity for behaviorally relevant features of objects. The conventional view is that these complex response properties arise within the cortex itself, implying that sensory signals are not processed to any significant extent in the two intervening structures – the cuneate nucleus (CN) and the thalamus. To test this hypothesis, we recorded the responses evoked in CN to a battery of stimuli that have been extensively used to characterize tactile coding in both the periphery and cortex, including skin indentations, vibrations, random dot patterns, and scanned edges. We found that CN responses are more similar to their cortical counterparts than they are to their inputs: CN neurons receive input from multiple classes of nerve fibers, they have spatially complex receptive fields, and they exhibit selectivity for object features. Contrary to consensus, then, CN plays a key role in processing tactile information. S ignificance Perception is the outcome of the sequential processing of sensory signals at multiple stages along the neuraxis. The conventional view is that tactile signals are processed predominantly in the cerebral cortex. We tested this view by investigating the response properties of neurons in the cuneate nucleus (CN), the first potential stage of processing along the primary touch neuraxis. We found that CN responses more nearly resemble those of cortical neurons than they do those of nerve fibers: CN neurons have spatially complex receptive fields reflecting convergent input from multiple classes of nerve fibers and exhibit a selectivity for object features, absent in the nerve. We conclude that CN plays a key, early role in the processing of tactile information.

Abstract The cuneate nucleus (CN) is among the first sites along the neuraxis where proprioceptive signals can be integrated, transformed, and modulated. The objective of the study was to characterize the proprioceptive representations in CN. To this end, we recorded from single CN neurons in three monkeys during active reaching and passive limb perturbation. We found that many neurons exhibited responses that were tuned approximately sinusoidally to limb movement direction, as has been found for other sensorimotor neurons. The distribution of their preferred directions (PDs) was highly non-uniform and resembled that of muscle spindles within individual muscles, suggesting that CN neurons typically receive inputs from only a single muscle. We also found that the responses of proprioceptive CN neurons tended to be modestly amplified during active reaching movements compared to passive limb perturbations, in contrast to cutaneous CN neurons whose responses were not systematically different in the active and passive conditions. Somatosensory signals thus seem to be subject to a “spotlighting” of relevant sensory information rather than uniform suppression as has been suggested previously.

ABSTRACT Background Intracortical microstimulation (ICMS) is used to map neural circuits and restore lost sensory modalities such as vision, hearing, and somatosensation. The spatial effects of ICMS remain controversial: Stoney and colleagues proposed that the volume of somatic activation increased with stimulation intensity, while Histed et al. suggested activation density, but not somatic activation volume, increases with stimulation intensity. Objective We used computational modeling to quantify the spatial effects of ICMS intensity and unify the apparently paradoxical findings of Histed and Stoney. Methods We implemented a biophysically-based computational model of a cortical column comprising neurons with realistic morphology and representative synapses. We quantified the spatial effects of single pulse ICMS, including the radial distance to activated neurons and the density of activated neurons as a function of stimulation intensity. Results At all amplitudes, the dominant mode of somatic activation was by antidromic propagation to the soma following axonal activation, rather than via trans-synaptic activation. There were no occurrences of direct activation of somata or dendrites. The volume over which antidromic action potentials were initiated grew with stimulation amplitude, while the volume of somatic activations did not. However, the density of somatic activation within the activated volume increased with stimulation amplitude. Conclusions The results resolve the apparent paradox between Stoney and Histed’s results by demonstrating that the volume over which action potentials are initiated grows with ICMS amplitude, consistent with Stoney. However, the volume occupied by the activated somata remains approximately constant, while the density of activated neurons within that volume increase, consistent with Histed. HIGHLIGHTS Implemented a biophysically-based computational model of cortical column comprising cortical neurons with realistic morphology and representative synapses. Quantified the spatial patterns of neural activation by intracortical microstimulation to resolve the paradoxical findings of Stoney et al., 1968 and Histed et al., 2009. The dominant mode of neural activation near the electrode was direct (i.e., via antidromic propagation from direct activation of the axon) and not trans-synaptic. The dominant effect of increased ICMS intensity was to increase the density of activated neurons but not the volume of activation.

A bstract We are exquisitely sensitive to the microstructure and material properties of surfaces. In the peripheral nerves, two separate mechanisms convey texture information: coarse textural features are encoded in spatial patterns of activation that reflect their spatial layout and fine features are encoded in highly repeatable, texture specific temporal spiking patterns evoked as the skin moves across the surface. In the present study, we examined whether this temporal code is preserved in the responses of neurons in somatosensory cortex. To this end, we scanned a diverse set of everyday textures across the fingertip of awake macaques while recording the responses evoked in individual cortical neurons. We found that temporal spiking patterns are highly repeatable across multiple presentations of the same texture, with millisecond precision. As a result, texture identity can be reliably decoded from the temporal patterns themselves, even after information carried in the spike rates is eliminated. However, the combination of rate and timing does is more informative than either code in isolation. The temporal precision of the texture response is heterogenous across cortical neurons and depends on the submodality composition of their input and on their location along the somatosensory neuraxis. Furthermore, temporal spiking patterns in cortex dilate and contract with decreases and increases in scanning speed and this systematic relationship between speed and patterning may contribute to the observed perceptual invariance to speed. Finally, we find that the quality of a texture percept can be better predicted when these temporal patterns are taken into consideration. We conclude that high-precision spike timing complements rate-based signals to encode texture in somatosensory cortex.

A bstract Touch plays a key role in our experience of our body and our interactions with the world, from the objects we manipulate to the people we touch. While the tactile sensibility of the hand has been extensively characterized, much less is known about touch on other parts of the body. Despite the important role of the breast in nursing as well as in affective and sexual touch, little is known about its sensory properties. To fill this gap, we investigated the spatial acuity of the breast and compared it to that of the hand and back, body regions that span the range of tactile spatial acuity. First, we found that the tactile acuity of the breast was even lower than that of the back, heretofore the paragon of poor acuity. Second, acuity was lower for larger breasts, consistent with the hypothesis that innervation capacity does not scale with body size. Third, touches to different regions of the nipple were largely indistinguishable, suggesting that the nipple is a sensory unit. Fourth, localization errors were systematically biased toward the nipple and more so at greater distances from the breast.