Ergebnisse

Um die Hypothese zu testen, dass die Eigenschaften des Reizes in der Fovea die Antworten der Neuronen im FEF beeinflussen, trainierten wir zwei Affen (Maccaca mulatta), nach einem Ziel zu suchen, indem sie ihre Augen frei zwischen 10 Objekten bewegten (Abb. 1A). Während die Affen die Futtersuchaufgabe ausführten, zeichneten wir die Aktivität einzelner FEF-Neuronen mit extrazellulären Elektroden auf. Fünf potenzielle Targets (Ts; T-Form) und fünf Distraktoren (+-Form) waren so auf dem Bildschirm angeordnet, dass sich, wenn das Tier auf eines der Objekte blickte, nicht mehr als ein anderes Objekt im RF befinden konnte (großer Kreis in Abb. 1A). Ein T war mit einer Belohnung beladen, die die Tiere erhielten, wenn sie es 500 ms lang fixierten. Da die Ablenker nie eine Belohnung lieferten, neigten die Tiere dazu, zwischen den T zu suchen und jedes für etwa 600 ms zu fixieren, bis sie das Ziel fanden und die Belohnung erhielten (17). Fixationen von Ablenkern waren selten (weniger als 5 % der Fixationen) und signifikant (P = 8,70 × 10-158, gepaarter t-Test; n = 231) und wesentlich kürzer als Fixationen von potenziellen Zielen (613,7 ± 48,9 ms).

Vorangegangene Studien haben gezeigt, dass die neuronalen Antworten des FEF kurz nach dem Beginn der Anordnung zwischen einem Ziel und einem Distraktor im RF bei Standardaufgaben der visuellen Suche unterscheiden (18, 19). Wir fanden ein ähnliches Ergebnis in unserer Population, als das Feld erschien: Die Reaktion auf ein potenzielles Ziel im RF (dunkle Spur, Abb. 1B) war durchweg höher als die Reaktion auf einen Distraktor im RF (helle Spur, Abb. 1B). Dieser Unterschied begann ∼180 ms nach Beginn des Arrays signifikant zu werden (schwarzer Balken auf der x-Achse von Abb. 1B; P < 0,01, gepaarter t-Test jede Millisekunde auf der Spike-Density-Funktion). Bei Versuchen, in denen der Fixationspunkt durch einen Stimulus ersetzt wurde und ein anderer Stimulus im RF erschien, war die mittlere Reaktion in einem 150 ms-Fenster, das 150 ms nach Beginn der Anordnung begann, signifikant größer, wenn sich ein T im RF befand, als wenn sich ein Distraktor im RF befand. Auf der Ebene der einzelnen Neuronen reagierten 40 Neuronen signifikant stärker auf ein T im RF als auf einen Distraktor im RF (P < 0,05, t-Test), während nur vier Neuronen signifikant stärker auf den Distraktor reagierten, eine Zahl, die innerhalb der Falsch-Positiv-Rate liegt.

Ein ähnlicher Effekt wurde beobachtet, als wir die Daten danach sortierten, was sich im RF und in der Fovea befand. Abb. 2A zeigt die mittlere normalisierte Antwort von 193 FEF-Neuronen, die nach dem Beginn der Anordnung ausgerichtet sind, als Funktion der Reizidentität im RF und der Reizidentität in der Fovea für Fixationen, die mindestens 300 ms dauerten (vertikale gestrichelte Linie). Obwohl der Unterschied zwischen der Reaktion auf ein T in der RF und der Reaktion auf einen Distraktor in der RF sichtbar ist (vergleiche dunkle und helle Spuren in Abb. 2A, insbesondere die dunkelblauen und hellblauen Spuren), ist das offensichtlichere Ergebnis die viel höhere Aktivität, wenn sich ein Distraktor in der Fovea befand (blaue Spuren), als wenn sich ein T in der Fovea befand (grüne Spuren), was der Grundlinienreaktion ähnlich war (horizontale gestrichelte Linie).

Bei einem Vergleich der Antworten auf der Grundlage dessen, was sich in der Fovea befand, zeigten 107 von 204 Neuronen signifikant höhere Antworten, wenn sich ein Distraktor in der Fovea befand, als wenn sich ein T in der Fovea befand (P < 0,05, t-Tests; blaue Punkte, Abb. 2B), während nur 24 Neuronen mehr reagierten, wenn sich ein Ziel in der Fovea befand (grüne Punkte, Abb. 2B). In der Gesamtpopulation von 204 Neuronen war die mittlere Reaktion, wenn sich ein Distraktor in der Fovea befand (22,13 ± 1,76 sp/s; 150-ms-Fenster, beginnend 150 ms nach Beginn der Anordnung), signifikant größer als wenn sich ein T in der Fovea befand (15,30 ± 1.21 sp/s; P = 1,64 × 10-15, Wilcoxon Signed-Rank-Test; Abb. 2B) und die Reaktion, wenn sich ein T an der Fovea befand, unterschied sich nicht signifikant von der Grundlinienaktivität, die in den 100 ms vor Arraybeginn beobachtet wurde (14,25 ± 1,11 sp/s; P = 0,269). Der Effekt der Stimulusidentität in der Fovea war signifikant, sowohl wenn sich ein T in der RF befand (P = 8,18 × 10-15; Abb. 2C) als auch wenn ein Distraktor in der RF war (P = 1,41 × 10-9; Abb. 2D). Es ist erwähnenswert, dass sowohl der Antwortunterschied als auch die Anzahl der Neuronen, die einen signifikanten Unterschied zeigten, beim Vergleich der Identität des Reizes in der Fovea (Abb. 2B) wesentlich größer waren als beim Vergleich der Identität des Reizes im RF (Abb. 1C). Somit ist der Effekt der Identität des Reizes in der Fovea weitaus größer als der Effekt der Identität des Reizes in der RF.

Die starke Modulation der neuronalen Antwort durch die Identität des Objekts in der Fovea wurde auch während der laufenden visuellen Suche beobachtet. Abb. 3A zeigt die mittlere normalisierte Antwort auf die Population aller 231 Neuronen während der laufenden Suche bei Fixationen von mindestens 150 ms (vertikale gestrichelte Linie), bei denen ein Reiz in der Fovea und ein Reiz im RF vorhanden war. Für diese und die folgenden Analysen haben wir die Antworten auf Ts und Distraktoren im RF gepoolt, aber die Ergebnisse sind qualitativ ähnlich, wenn wir die Analysen auf nur eine der beiden Stimuluskategorien beschränken, wie in Abb. 2 B-D dargestellt. Die Reaktion, wenn sich ein Distraktor in der Fovea befand (blaue Kurve, Abb. 3A), war wesentlich und signifikant (P = 2,34 × 10-21, Wilcoxon signed-rank test; n = 231 Neuronen; Abb. 3B) höher als wenn sich ein T in der Fovea befand (grüne Kurve, Abb. 3A). Interessanterweise begann dieser Unterschied ∼140 ms vor dem Fixationsbeginn (schwarzer Balken auf der x-Achse von Abb. 3A; P < 0,01, gepaarter t-Test bei jeder Millisekunde) und war bei 100 von 231 Neuronen (P < 0,05, t-Tests) und in der Population als Ganzes (P = 8,17 × 10-7, Wilcoxon signed-rank test; Abb. 3C) im 100-ms-Fenster vor dem Fixationsbeginn signifikant. Dies ist ein größerer Anteil von Neuronen als der Anteil, der traditionelles RF-Remapping in FEF zeigt (20), und es deutet darauf hin, dass das Wissen um die Identität des Reizes, der gerade fixiert wird, einen großen Anteil der Neuronen in FEF betrifft und unabhängig von zuvor dokumentiertem RF-Remapping sein kann.

Die Modulation der neuronalen Antwort durch den Reiz an der Fovea wurde in allen Klassen von Neuronen gesehen, wie sie in der gedächtnisgesteuerten Sakkade kategorisiert wurden (Klassendefinitionen finden sich in SI Methoden). In Abb. S2 sind die Daten aus Abb. 3B für die 157 Neuronen dargestellt, die über ausreichende Daten für die gedächtnisgesteuerte Sakkade verfügten, um die Neuronen als visuelle (Abb. S2A), visuomotorische (Abb. S2B) oder Bewegungsneuronen (Abb. S2C) zu charakterisieren. Für jede Klasse von Neuronen fanden wir heraus, dass die Reaktion auf einen Reiz im RF signifikant größer war, wenn sich ein Distraktor in der Fovea befand als wenn sich ein T in der Fovea befand (alle P < 6 × 10-4, Wilcoxon signed-rank tests). Darüber hinaus war der Prozentsatz der Neuronen, die signifikant mehr reagierten, wenn sich ein Distraktor in der Fovea befand, als wenn sich ein Ziel in der Fovea befand, in den einzelnen Populationen statistisch nicht unterschiedlich.

Um das Ausmaß des Effekts jedes Faktors auf die Reaktion aller 231 Neuronen zu quantifizieren, führten wir ein ANOVA-Modell für die neuronalen Reaktionen aus einem 150-ms-Fenster durch, das mit dem Fixationsbeginn begann, wobei die Identität des Objekts in der Fovea und die Identität des Objekts im RF als feste Variablen und die Neuronenidentität als Zufallsvariable verwendet wurden. Die Neuronenidentität ist eine Kennung, die mit jedem Neuron verbunden ist. Wir haben sie als Zufallsvariable aufgenommen, um die allgemeine Reaktionsfähigkeit des Neurons zu berücksichtigen; auf diese Weise kann die ANOVA mit nicht normalisierten Antworten zwischen Neuronen mit unterschiedlichen Reaktionsgewinnen und -schwankungen umgehen. Der einzige signifikante feste Faktor war die Identität des Objekts in der Fovea (P = 0,00054). Die Größe dieses Faktors war etwa 30-mal stärker als der Faktor, der die Identität des Objekts im RF repräsentierte (3,413 gegenüber 0,113), und es gab keine signifikante lineare Interaktion zwischen den festen Faktoren (P = 0,97). Man beachte, dass der Effekt der Stimulus-Identität im RF bei der laufenden visuellen Suche deutlich schwächer ist als beim Array-Onset. Dies ist auf eine gewisse Heterogenität in den Reaktionen auf den Stimulus im RF bei laufender Suche zurückzuführen. Auf der Ebene der einzelnen Neuronen zeigten 110 (51%) Neuronen einen signifikanten Effekt der Objektidentität in der Fovea, verglichen mit nur 38 (18%) der Neuronen mit RF-Effekt. Nur wenige Neuronen zeigten eine Interaktion zwischen den fixen Variablen (durchschnittlicher absoluter Wert der ANOVA-Koeffizienten für alle Neuronen = 1,339).

Um zu testen, ob der große Effekt der Objektidentität in der Fovea eine Veränderung der Reaktionsverstärkung darstellt, untersuchten wir zwei Paare von Bedingungen, in denen wir die Reaktion auf ein Objekt in der RF (Abb. 3D) oder die Aktivität, wenn sich nichts in der RF befand (Abb. 3E) als Funktion der Identität des Objekts in der Fovea verglichen. Wenn der Aktivitätsanstieg auf eine konsistente Verstärkung zurückzuführen ist, sollte die Aktivität korreliert sein, mit einer Steigung, die sich signifikant von 1 unterscheidet, und mit Steigungen, die gleich sind, unabhängig davon, ob sich ein Stimulus im RF befindet oder nicht. Wir fanden heraus, dass unabhängig davon, ob sich ein Stimulus in der RF befand oder nicht, die Aktivität, wenn sich ein Distraktor in der Fovea befand, etwas mehr als 1,2-mal größer war als wenn sich ein T in der Fovea befand, mit Steigungen von 1,23 ± 0,079 (P = 8,1 × 10-82, R2 = 0,81) mit einem Objekt in der RF (Abb. 3D) und 1,26 ± 0,081 (P = 4,9 × 10-90, R2 = 0,84) mit nichts in der RF (Abb. 3E). Die Schnittpunkte der Anpassungen lagen nahe am Ursprung (3,57 ± 2,26 sp/s mit einem Objekt im RF und 1,17 ± 1,88 sp/s ohne Objekt im RF), was zeigt, dass der Unterschied in der Aktivität leicht auf eine Verstärkungsänderung zurückzuführen sein könnte. Um zu bestätigen, dass dies nicht ausschließlich auf die allgemeine Reaktionsfähigkeit einzelner Neuronen zurückzuführen ist, haben wir das Verhältnis der Aktivität mit einem Distraktor in der Fovea dividiert durch die Aktivität mit einem T in der Fovea für die Bedingungen aufgetragen, in denen sich ein Objekt im RF oder nichts im RF befand (Abb. 3F). Die Verhältnisse in den beiden Bedingungen waren korreliert (P = 0,0081), aber, was noch wichtiger ist, die Mehrheit der Zellen liegt in einem Cluster im oberen rechten Quadranten (Abb. 3F), was bedeutet, dass sie in beiden Bedingungen einen positiven Gewinn haben. Wenn wir nur die Neuronen betrachten, die einen signifikanten Effekt der Objektidentität in der Fovea aus der im vorherigen Absatz beschriebenen ANOVA-Analyse zeigten, dann liegen 75,2 % (82 von 109) im oberen rechten Quadranten (Abb. 3F) und die Korrelation ist viel stärker (P = 2,35 × 10-6, R2 = 0,189), mit einer Steigung von 1,03 ± 0,41 und einem Achsenabschnitt von 0,73 ± 0,81. Die Daten stimmen also mit der Hypothese überein, dass die Identität des Stimulus an der Fovea die Verstärkung der neuronalen Antwort verändert und dass diese Verstärkungsänderung über Neuronen und Sitzungen hinweg relativ konsistent ist und unabhängig von der allgemeinen Reaktionsfähigkeit jedes Neurons ist.

Wir vermuten, dass die reduzierte Reaktion, die zu beobachten ist, wenn sich ein T in der Fovea befindet, auf einen Mechanismus zurückzuführen ist, der die Reaktionen in der gesamten peripheren Repräsentation in FEF unterdrückt und dadurch die Wahrscheinlichkeit minimiert, dass eine Sakkade erzeugt wird, wenn die Fixation beibehalten werden sollte. Wir haben bereits gezeigt, dass Tiere selten zuvor untersuchte Ts fixieren (weniger als 5 % der Fixationen), die ihnen keine Belohnung einbringen (17). Da die Fixationsdauer von zuvor fixierten Ts bimodal ist (Abb. 4A), können wir unsere Hypothese testen, indem wir die Reaktionen während der beiden Arten der Fixation untersuchen. Wenn die reduzierte Reaktion, die wir sehen, wenn das Tier ein T fixiert, auf einen unterdrückenden Input zurückzuführen ist, der darauf abzielt, das Tier davon abzuhalten, weiterzugehen, dann sollten wir eine Unterdrückung sehen, wenn das Tier ein zuvor fixiertes T für eine lange Dauer (>350 ms; vertikale gestrichelte Linie in Abb. 4A) fokussiert, obwohl es wissen sollte, dass es keine Belohnung durch den Stimulus erhalten wird. Ebenso sollten wir eine starke Reaktion sehen, ähnlich der, wenn sich der Distraktor in der Fovea befindet, wenn das Tier das zuvor fixierte T nur für eine kurze Dauer (<350 ms) foveiert. Wenn aber die Modulation der Reaktion nur auf die Identität des Reizes in der Fovea zurückzuführen ist, dann würde man vorhersagen, dass die Fixationsdauer die Reaktion nicht beeinflussen sollte, wenn ein zuvor gesehenes T fixiert wird.

Abb. 4B zeigt die Reaktion der Neuronen auf ein zuvor fixiertes T in der Fovea für lange und kurze Fixationsdauern sowie die mittlere Reaktion auf einen Distraktor und ein ungesehenes T in der Fovea (Linien ohne Fehlerbalken). Alle Daten stammen aus Versuchen mit Fixationen, die länger als 150 ms dauerten (vertikale gestrichelte Linie in Abb. 4B). Bei Fixationen, bei denen die Tiere das zuvor fixierte T für mehr als 350 ms fokussierten, wurde die Reaktion auf ein Niveau unterdrückt, das sich nicht signifikant von der Reaktion unterschied, wenn sich ein ungesehenes T in der Fovea befand (P = 0,406, Wilcoxon signed-rank test; n = 207; 100-ms-Fenster beginnend 50 ms nach Fixationsbeginn; Abb. 4C). Bei kurzen Fixationen war die Reaktion signifikant höher als bei längeren Fixationen (P = 8,32 × 10-19) und war statistisch nicht von der Reaktion zu unterscheiden, wenn sich ein Distraktor an der Fovea befand (P = 0,165, Wilcoxon signed-rank test; Abb. 4D). Dies stimmt mit unserer Hypothese überein, dass die Antworten im FEF unterdrückt werden, wenn das Tier die Fixation für längere Zeit beibehält.

Alle bisher vorgestellten Analysen verwendeten die Antworten, die durch den Beginn der Fixation ausgerichtet wurden, als die Tiere eine Sakkade weg vom RF des Neurons machten. In Übereinstimmung mit früheren Studien stieg die Reaktion der Population auf die höchsten Werte, die wir gemessen haben, wenn die Tiere eine Sakkade zum RF machten (Abb. 5A). Bemerkenswerterweise wurde diese bewegungsbezogene Aktivität, die ∼180 ms vor der Sakkade begann, nicht durch die Identität des Reizes in der Fovea beeinflusst (dicke schwarze Linie auf der x-Achse, Abb. 5A; P < 0,01, gepaarte t-Tests pro Millisekunde). Betrachtet man die Aktivität im 100-ms-Fenster vor der Sakkade, so ergab sich kein signifikanter Unterschied in der Reaktion in Abhängigkeit davon, was sich gerade in der Fovea befand (P = 0,978, Wilcoxon signed-rank test; n = 138; Abb. 5B), und dies galt sogar für die Untergruppe der Neuronen, die in der oben beschriebenen ANOVA-Analyse einen signifikanten Effekt der Objektidentität in der Fovea zeigten (P = 0,801; n = 71). Darüber hinaus waren die Sakkadenmetriken in beiden Fällen ähnlich (Details finden sich in SI Results). In der Zeit vor der Sakkade beeinflusst die Identität des Stimulus in der Fovea also nicht mehr die bewegungsbezogene Aktivität oder die Bewegung selbst, und die Identität des Stimulus, der in der Fovea landet, wirkt sich auf die Reaktionen an anderen Stellen aus, die vom Ziel der Sakkade entfernt sind (wie in Abb. 3A gezeigt).