Resultater

For at teste hypotesen om, at stimulusens egenskaber ved fovea påvirker neuronernes responser i FEF, trænede vi to aber (Maccaca mulatta) til at søge efter et mål ved frit at bevæge deres øjne blandt 10 objekter (Fig. 1A). Mens aberne udførte fourageringsopgaven, registrerede vi aktiviteten fra enkelte FEF-neuroner ved hjælp af ekstracellulære elektroder. Fem potentielle mål (Ts; T-form) og fem distraktorer (+-form) blev arrangeret på skærmen på en sådan måde, at når dyret kiggede på et af objekterne, kunne der ikke være mere end ét andet objekt i RF (stor cirkel i Fig. 1A). Et T var belagt med en belønning, som dyrene modtog, hvis de fikserede det i 500 ms. Da distraktorer aldrig gav nogen belønning, havde dyrene en tendens til at søge blandt Ts’erne og fikserede hver enkelt i ca. 600 ms, indtil de fandt målet og modtog belønningen (17). Fixeringer af distraktorer var sjældne (mindre end 5% af fixeringerne) og var signifikant (P = 8.70 × 10-158, parret t-test; n = 231) og væsentligt kortere end fixeringer af potentielle mål (613.7 ± 48.9 ms).

Forrige undersøgelser har vist, at kort efter arraystart differentierer FEF-neuronale svar mellem et mål og distraktor i RF i standard visuelle søgeopgaver (18, 19). Vi fandt et lignende resultat i vores population, da arrayet dukkede op: Responsen på et potentielt mål i RF (mørkt spor, Fig. 1B) var konsekvent højere end responsen på en distraktor i RF (lyst spor, Fig. 1B). Denne forskel begyndte at blive konsekvent signifikant ∼180 ms efter arrayets begyndelse (sort streg på x-aksen i Fig. 1B; P < 0.01, parret t-test hvert millisekund på spiketæthedsfunktionen). Ved hjælp af forsøg, hvor fikseringspunktet blev erstattet af en stimulus, og en anden stimulus optrådte i RF, var den gennemsnitlige respons i et 150 ms vindue, der starter 150 ms efter arraystart, signifikant større, når en T var i RF, end når en distraktor var i RF . På enkelt neuronniveau reagerede 40 neuroner signifikant mere på en T i RF end på en distraktor i RF (P < 0.05, t-test), mens kun fire havde et signifikant større respons på distraktoren, et antal, der ligger inden for den falsk-positive rate.

En lignende effekt blev set, da vi sorterede data baseret på, hvad der var i RF og ved fovea. Fig. 2A viser den gennemsnitlige normaliserede respons af 193 FEF-neuroner justeret efter arraystart som en funktion af både stimulusidentitet i RF og stimulusidentitet ved fovea for fikseringer, der varede mindst 300 ms (lodret stiplet linje). Selv om forskellen mellem responsen på en T i RF og responsen på en distraktor i RF er synlig (sammenlign mørke og lyse spor i Fig. 2A, især de mørke og lyseblå spor), er det mere indlysende resultat den meget højere aktivitet, når en distraktor var ved fovea (blå spor) end når en T var ved fovea (grønne spor), som svarede til baseline-responsen (vandret stiplet linje).

Når vi sammenlignede svarene baseret på, hvad der var ved fovea, viste 107 af 204 neuroner signifikant højere svar, når en distraktor var ved fovea, end når en T var ved fovea (P < 0,05, t-test; blå punkter, Fig. 2B), mens kun 24 reagerede mere, når et mål var ved fovea (grønne punkter, Fig. 2B). På tværs af populationen af 204 neuroner var den gennemsnitlige respons, når en distraktor var ved fovea (22.13 ± 1.76 sp / s; 150 ms vindue, der starter 150 ms efter arraystart), signifikant større end når en T var ved fovea (15.30 ± 1.21 sp/s; P = 1.64 × 10-15, Wilcoxon signed-rank test; Fig. 2B), og responsen, når en T var ved fovea, var ikke signifikant forskellig fra den baselineaktivitet, der blev set i 100 ms før arraystart (14.25 ± 1.11 sp/s; P = 0.269). Effekten af stimulusidentitet ved fovea var signifikant både, når en T var i RF (P = 8.18 × 10-15; Fig. 2C) og når en distraktor var i RF (P = 1.41 × 10-9; Fig. 2D). Det er værd at bemærke, at både responsforskellen og antallet af neuroner, der viste en signifikant forskel, var væsentligt større ved sammenligning af stimulusens identitet ved fovea (Fig. 2B) end ved sammenligning af stimulusens identitet i RF (Fig. 1C). Således er effekten af stimulusens identitet ved fovea langt større end effekten af stimulusens identitet i RF.

Den stærke modulation af den neuronale respons ved identiteten af objektet ved fovea blev også observeret under igangværende visuel søgning. Fig. 3A viser det gennemsnitlige normaliserede respons på populationen af alle 231 neuroner under igangværende søgning fra fikseringer på mindst 150 ms (lodret stiplet linje), og hvor der var en stimulus ved fovea og en stimulus i RF’en. Til denne og de følgende analyser har vi samlet svarene på Ts og distraktorer i RF, men resultaterne er kvalitativt ens, hvis vi begrænser analyserne til kun en af de to stimuluskategorier, som illustreret i Fig. 2 B-D. Responsen, når en distraktor var ved fovea (blå spor, Fig. 3A), var væsentligt og signifikant (P = 2.34 × 10-21, Wilcoxon signed-rank test; n = 231 neuroner; Fig. 3B) højere, end når en T var ved fovea (grøn spor, Fig. 3A). Interessant nok begyndte denne forskel ∼140 ms før fikseringsstart (sort søjle på x-aksen i Fig. 3A; P < 0.01, parret t-test ved hvert millisekund) og var signifikant i 100 af 231 neuroner (P < 0.05, t-test) og i populationen som helhed (P = 8.17 × 10-7, Wilcoxon signed-rank test; Fig. 3C) i 100-ms-vinduet før fikseringsstart. Dette er en større andel af neuroner end den andel, der viser traditionel RF-remapping i FEF (20), og det antyder, at viden om identiteten af den stimulus, der er ved at blive fikseret, påvirker en stor del af neuronerne i FEF og kan være uafhængig af tidligere dokumenteret RF-remapping.

Modulationen af neuronresponset ved stimulus ved fovea blev set i alle klasser af neuroner som kategoriseret i den hukommelsesstyrede saccade (klassedefinitioner er angivet i SI Metoder). Fig. S2 plotter dataene fra Fig. 3B for de 157 neuroner, der havde tilstrækkelige hukommelsesstyrede saccade-kortlægningsdata til at karakterisere neuronerne som visuelle (Fig. S2A), visuomovement (Fig. S2B) eller bevægelse (Fig. S2C) neuroner. For hver neuronklasse fandt vi, at responsen på en stimulus i RF var signifikant større, når en distraktor var ved fovea, end når en T var ved fovea (alle P < 6 × 10-4, Wilcoxon signed-rank tests). Desuden var procentdelen af neuroner, der reagerede signifikant mere, når en distraktor var ved fovea, end når et mål var ved fovea, ikke statistisk forskellig på tværs af hver population .

For at kvantificere størrelsen af effekten af hver faktor på responsen af alle 231 neuroner kørte vi en ANOVA-model på de neuronale responser fra et vindue på 150 ms, der starter ved fikseringsstart ved hjælp af identiteten af objektet ved fovea og identiteten af objektet i RF som faste variabler og neuronidentitet som en tilfældig variabel. Neuronidentitet er en identifikator, der er knyttet til hvert neuron. Vi inkluderede dette som en tilfældig variabel for at tage hensyn til neuronets overordnede responsen; på denne måde kan ANOVA’en håndtere ikke-normaliserede responser på tværs af neuroner med forskellige responsgevinster og variationer. Den eneste signifikante faste faktor var identiteten af objektet ved fovea (P = 0,00054). Størrelsen af denne faktor var ca. 30 gange stærkere end den faktor, der repræsenterede identiteten af objektet i RF (3,413 sammenlignet med 0,113), og der var ingen signifikant lineær interaktion mellem de faste faktorer (P = 0,97). Bemærk, at virkningen af stimulusidentiteten i RF er betydeligt svagere i igangværende visuel søgning sammenlignet med arraystart. Dette skyldes en vis heterogenitet i reaktionerne på stimulus i RF’en i den igangværende søgning. På enkelt-neuronniveau viste 110 (51 %) neuroner en signifikant effekt af objektidentitet ved fovea sammenlignet med kun 38 (18 %) af neuronerne med RF-effekt. Kun få neuroner viste nogen interaktion mellem de faste variabler (gennemsnitlig absolut værdi af ANOVA-koefficienterne for alle neuroner = 1.339).

For at teste, om den store effekt af objektidentitet ved fovea kan repræsentere en ændring i responsforbedring, så vi på to par betingelser, hvor vi sammenlignede responsen på et objekt i RF (Fig. 3D) eller aktiviteten, når intet var i RF (Fig. 3E) som en funktion af identiteten af objektet ved fovea. Hvis stigningen i aktivitet skyldes en konsekvent forstærkningsforøgelse, bør aktiviteten være korreleret, med en hældning, der er signifikant forskellig fra 1, og med hældninger, der er de samme, uanset om en stimulus var i RF eller ej. Vi fandt, at uanset om en stimulus var i RF eller ej, var aktiviteten, når en distraktor var ved fovea, lidt mere end 1,2 gange større, end når en T var ved fovea, med bedst tilpassede hældninger på 1,23 ± 0,079 (P = 8,1 × 10-82, R2 = 0,81) med et objekt i RF (Fig. 3D) og 1,26 ± 0,081 (P = 4,9 × 10-90, R2 = 0,84) med intet i RF (Fig. 3E). Intercepterne af tilpasningerne var tæt på oprindelsen (3.57 ± 2.26 sp/s med et objekt i RF og 1.17 ± 1.88 sp/s med intet i RF), hvilket viser, at forskellen i aktivitet let kunne skyldes en forstærkningsændring. For at bekræfte, at dette ikke udelukkende skyldtes individuelle neuroners overordnede reaktionsevne, plottede vi forholdet mellem aktiviteten med en distraktor ved fovea divideret med aktiviteten med et T ved fovea for betingelser, hvor et objekt var i RF eller intet var i RF (Fig. 3F). Forholdet i de to betingelser var korreleret (P = 0,0081), men endnu vigtigere er det, at størstedelen af cellerne ligger i en klynge i den øverste højre kvadrant (Fig. 3F), hvilket betyder, at de har en positiv gevinst i begge betingelser. Hvis vi kun ser på neuroner, der viste en signifikant effekt af objektidentitet ved fovea fra ANOVA-analysen beskrevet i det foregående afsnit, så ligger 75.2% (82 af 109) i den øverste højre kvadrant (Fig. 3F), og korrelationen er meget stærkere (P = 2.35 × 10-6, R2 = 0.189), med en hældning på 1.03 ± 0.41 og et intercept på 0.73 ± 0.81. Således er dataene i overensstemmelse med hypotesen om, at identiteten af stimulus ved fovea ændrer forstærkningen af neuronresponset, og at denne forstærkningsændring er relativt konsistent på tværs af neuroner og sessioner og er uafhængig af den samlede responsivitet af hvert neuron.

Vi foreslår, at den reducerede respons, der ses, når et T er ved fovea, skyldes en mekanisme, der undertrykker responser i hele den perifere repræsentation i FEF og derved minimerer chancen for, at der genereres en saccade, når fikseringen bør opretholdes. Vi har tidligere vist, at dyr sjældent fikserer tidligere undersøgte Ts (mindre end 5% af fixeringerne), hvilket ikke vil give dem en belønning (17). Fordi fiksationsvarigheder af tidligere fikserede Ts er bimodale (Fig. 4A), kan vi teste vores hypotese ved at undersøge svarene under de to typer fiksation. Hvis den reducerede respons, der ses, når dyret fikserer et T, skyldes et undertrykkende input, der har til formål at holde dyret fra at gå videre, så bør vi se undertrykkelse, når dyret ser en tidligere fikseret T i en lang varighed (>350 ms; lodret stiplet linje i Fig. 4A), selv om det burde vide, at det ikke vil få en belønning fra stimulus. På samme måde bør vi se et stærkt respons, svarende til det, når distraktoren er ved fovea, hvis dyret kun foveaterer det tidligere fikserede T i en kort varighed (<350 ms). Alternativt, hvis responsmodulationen udelukkende skyldes identiteten af stimulus ved fovea, ville vi forudsige, at fikseringsvarigheden ikke bør påvirke responsen, når et tidligere set T fikseres.

Fig. 4B viser neuronernes respons på en tidligere fikseret T ved fovea for lange og korte fikseringsvarigheder samt den gennemsnitlige respons på en distraktor og usynlig T ved fovea (linjer uden fejlbarrer). Alle data er fra forsøg med fikseringer, der varede i mere end 150 ms (lodret stiplet linje i Fig. 4B). I fikseringer, hvor dyrene foveaterede det tidligere fikserede T i mere end 350 ms, blev responsen undertrykt til et niveau, der ikke var signifikant forskelligt fra responsen, når et usynligt T var ved fovea (P = 0,406, Wilcoxon signed-rank test; n = 207; 100 ms vindue, der starter 50 ms efter fikseringens begyndelse; Fig. 4C). For fixationer af kort varighed var responsen signifikant højere end for længere varighed (P = 8.32 × 10-19) og var statistisk ikke til at skelne fra responsen, når en distraktor var ved fovea (P = 0.165, Wilcoxon signed-rank test; Fig. 4D). Dette er i overensstemmelse med vores hypotese om, at responser i FEF undertrykkes, når dyret opretholder fiksering i længere tid.

Alle de hidtil præsenterede analyser anvendte de responser, der er justeret ved starten af fiksering, når dyrene lavede en saccade væk fra neuronets RF. I overensstemmelse med tidligere undersøgelser, når dyrene lavede en saccade til RF, ramped responsen af populationen op til de højeste niveauer, vi målte (Fig. 5A). Især blev denne bevægelsesrelaterede aktivitet, der startede ∼180 ms før saccaden blev udført, ikke påvirket af stimulusens identitet ved fovea (tyk sort linje på x-aksen, Fig. 5A; P < 0.01, parrede t-tests hvert millisekund). Hvis man ser på aktiviteten i 100-ms-vinduet, der fører op til saccaden, var der ingen signifikant forskel i respons som funktion af, hvad der aktuelt var ved fovea (P = 0.978, Wilcoxon signed-rank test; n = 138; Fig. 5B), og dette var sandt selv i den undergruppe af neuroner, der viste en signifikant effekt af objektidentitet ved fovea i ANOVA-analysen beskrevet ovenfor (P = 0.801; n = 71). Desuden var saccademetrikkerne ens i begge tilfælde (detaljer er angivet i SI Results). I tiden op til saccaden påvirker identiteten af stimulus ved fovea således ikke længere den bevægelsesrelaterede aktivitet eller selve bevægelsen, og identiteten af den stimulus, der vil ende ved fovea, begynder at have en effekt på responser i andre steder væk fra saccademålet (som vist i Fig. 3A).