Résultats

Pour tester l’hypothèse selon laquelle les propriétés du stimulus à la fovéa affectent les réponses des neurones du FEF, nous avons entraîné deux singes (Maccaca mulatta) à rechercher une cible en déplaçant librement leurs yeux parmi 10 objets (Fig. 1A). Pendant que les singes effectuaient la tâche de recherche de nourriture, nous avons enregistré l’activité de neurones uniques du FEF à l’aide d’électrodes extracellulaires. Cinq cibles potentielles (Ts ; forme T) et cinq distracteurs (forme +) étaient disposés sur l’écran de telle sorte que lorsque l’animal regardait l’un des objets, pas plus d’un autre objet ne pouvait se trouver dans la RF (grand cercle sur la Fig. 1A). Un T était chargé d’une récompense, que les animaux recevaient s’ils le fixaient pendant 500 ms. Comme les distracteurs ne donnaient jamais de récompense, les animaux avaient tendance à chercher parmi les T, fixant chacun d’eux pendant environ 600 ms jusqu’à ce qu’ils trouvent la cible et reçoivent la récompense (17). Les fixations des distracteurs étaient rares (moins de 5 % des fixations) et étaient significativement (P = 8,70 × 10-158, test t apparié ; n = 231) et sensiblement plus courtes que les fixations des cibles potentielles (613,7 ± 48,9 ms).

Des études antérieures ont montré que peu de temps après l’apparition du réseau, les réponses neuronales du FEF font la différence entre une cible et un distracteur dans la RF dans des tâches de recherche visuelle standard (18, 19). Nous avons trouvé un résultat similaire dans notre population lorsque le tableau est apparu : La réponse à une cible potentielle dans la RF (trace sombre, Fig. 1B) était systématiquement plus élevée que la réponse à un distracteur dans la RF (trace claire, Fig. 1B). Cette différence a commencé à devenir constamment significative ∼180 ms après l’apparition du tableau (barre noire sur l’axe des x de la figure 1B ; P < 0,01, test t apparié chaque milliseconde sur la fonction de densité de pointes). En utilisant des essais dans lesquels le point de fixation a été remplacé par un stimulus et un autre stimulus est apparu dans la RF, la réponse moyenne dans une fenêtre de 150 ms commençant 150 ms après le début du tableau était significativement plus grande quand un T était dans la RF que quand un distracteur était dans la RF . Au niveau d’un seul neurone, 40 neurones répondaient significativement plus à un T dans la RF qu’à un distracteur dans la RF (P < 0,05, test t), alors que seulement quatre avaient une réponse significativement plus grande au distracteur, un nombre qui se situe dans le taux de faux positifs.

Un effet similaire a été observé lorsque nous avons trié les données en fonction de ce qui était dans la RF et à la fovéa. La figure 2A montre la réponse normalisée moyenne de 193 neurones FEF alignés par le début du réseau en fonction de l’identité du stimulus dans la RF et de l’identité du stimulus à la fovéa pour les fixations qui ont duré au moins 300 ms (ligne pointillée verticale). Bien que la différence entre la réponse à un T dans la RF et la réponse à un distracteur dans la RF soit visible (comparez les traces sombres et claires dans la figure 2A, en particulier les traces bleues sombres et claires), le résultat le plus évident est l’activité beaucoup plus élevée lorsqu’un distracteur était à la fovéa (traces bleues) que lorsqu’un T était à la fovéa (traces vertes), qui était similaire à la réponse de base (ligne pointillée horizontale).

Lorsque nous avons comparé les réponses en fonction de ce qui se trouvait à la fovéa, 107 neurones sur 204 ont montré des réponses significativement plus élevées lorsqu’un distracteur se trouvait à la fovéa que lorsqu’un T se trouvait à la fovéa (P < 0,05, tests t ; points bleus, Fig. 2B), alors que seulement 24 ont répondu davantage lorsqu’une cible se trouvait à la fovéa (points verts, Fig. 2B). Dans l’ensemble de la population de 204 neurones, la réponse moyenne lorsqu’un distracteur se trouvait à la fovéa (22,13 ± 1,76 sp/s ; fenêtre de 150 ms commençant 150 ms après l’apparition du tableau) était significativement plus élevée que lorsqu’un T se trouvait à la fovéa (15,30 ± 1.21 sp/s ; P = 1,64 × 10-15, test de la rangée signée de Wilcoxon ; Fig. 2B) et la réponse lorsqu’un T était au niveau de la fovéa n’était pas significativement différente de l’activité de base observée dans les 100 ms précédant l’apparition du réseau (14,25 ± 1,11 sp/s ; P = 0,269). L’effet de l’identité du stimulus au niveau de la fovéa était significatif à la fois lorsqu’un T se trouvait dans la RF (P = 8,18 × 10-15 ; Fig. 2C) et lorsqu’un distracteur se trouvait dans la RF (P = 1,41 × 10-9 ; Fig. 2D). Il convient de noter que la différence de réponse et le nombre de neurones présentant une différence significative étaient nettement plus importants lorsque l’on comparait l’identité du stimulus à la fovéa (Fig. 2B) que lorsque l’on comparait l’identité du stimulus dans la RF (Fig. 1C). Ainsi, l’effet de l’identité du stimulus à la fovéa est beaucoup plus important que l’effet de l’identité du stimulus dans la RF.

La forte modulation de la réponse neuronale par l’identité de l’objet à la fovéa a également été observée pendant la recherche visuelle en cours. La figure 3A montre la réponse moyenne normalisée à la population de l’ensemble des 231 neurones pendant la recherche continue à partir de fixations d’au moins 150 ms (ligne pointillée verticale) et dans lesquelles il y avait un stimulus à la fovéa et un stimulus dans la RF. Pour cette analyse et les suivantes, nous avons regroupé les réponses aux Ts et aux distracteurs dans la RF, mais les résultats sont qualitativement similaires si nous limitons les analyses à une seule des deux catégories de stimulus, comme l’illustre la Fig. 2 B-D. La réponse lorsqu’un distracteur se trouvait à la fovéa (trace bleue, Fig. 3A) était sensiblement et significativement (P = 2,34 × 10-21, test de Wilcoxon signé ; n = 231 neurones ; Fig. 3B) plus élevée que lorsqu’un T se trouvait à la fovéa (trace verte, Fig. 3A). Il est intéressant de noter que cette différence a commencé ∼140 ms avant le début de la fixation (barre noire sur l’axe des x de la figure 3A ; P < 0,01, test t apparié à chaque milliseconde) et était significative dans 100 des 231 neurones (P < 0,05, tests t) et dans la population dans son ensemble (P = 8,17 × 10-7, test Wilcoxon signé ; figure 3C) dans la fenêtre de 100 ms avant le début de la fixation. Il s’agit d’une plus grande proportion de neurones que la proportion montrant un remappage RF traditionnel dans la FEF (20), et cela suggère que la connaissance de l’identité du stimulus qui est sur le point d’être fixé affecte une grande proportion des neurones dans la FEF et peut être indépendante du remappage RF précédemment documenté.

La modulation de la réponse neuronale par le stimulus au fovéa a été observée dans toutes les classes de neurones telles que catégorisées dans la saccade guidée par la mémoire (les définitions des classes sont fournies dans les méthodes SI). La figure S2 présente les données de la figure 3B pour les 157 neurones pour lesquels les données de cartographie de la saccade guidée par la mémoire étaient suffisantes pour caractériser les neurones comme étant des neurones visuels (figure S2A), de visuomouvement (figure S2B) ou de mouvement (figure S2C). Pour chaque classe de neurones, nous avons constaté que la réponse à un stimulus dans la FR était significativement plus importante lorsqu’un distracteur se trouvait à la fovéa que lorsqu’un T se trouvait à la fovéa (tous les P < 6 × 10-4, tests de Wilcoxon signés). En outre, le pourcentage de neurones qui ont répondu significativement plus lorsqu’un distracteur était à la fovéa que lorsqu’une cible était à la fovéa n’était pas statistiquement différent dans chaque population .

Pour quantifier l’ampleur de l’effet de chaque facteur sur la réponse de l’ensemble des 231 neurones, nous avons exécuté un modèle ANOVA sur les réponses neuronales d’une fenêtre de 150 ms commençant au début de la fixation en utilisant l’identité de l’objet à la fovéa et l’identité de l’objet dans la RF comme variables fixes et l’identité du neurone comme variable aléatoire. L’identité du neurone est un identifiant associé à chaque neurone. Nous l’avons incluse comme variable aléatoire pour prendre en compte la réactivité globale du neurone ; de cette façon, l’ANOVA peut traiter des réponses non normalisées entre des neurones ayant des gains et des variations de réponse différents. Le seul facteur fixe significatif était l’identité de l’objet à la fovéa (P = 0,00054). L’amplitude de ce facteur était environ 30 fois plus forte que le facteur représentant l’identité de l’objet dans la FR (3,413 contre 0,113) et il n’y avait pas d’interaction linéaire significative entre les facteurs fixes (P = 0,97). Il est à noter que l’effet de l’identité du stimulus dans la FR est considérablement plus faible dans la recherche visuelle en cours par rapport à l’apparition du tableau. Ceci est dû à une certaine hétérogénéité dans les réponses au stimulus dans la FR lors de la recherche continue. Au niveau des neurones, 110 (51%) neurones ont montré un effet significatif de l’identité de l’objet dans la fovéa, contre seulement 38 (18%) neurones avec un effet RF. Seuls quelques neurones ont montré une interaction entre les variables fixes (valeur absolue moyenne des coefficients ANOVA pour tous les neurones = 1,339).

Pour vérifier si l’effet important de l’identité de l’objet à la fovéa peut représenter un changement dans le gain de réponse, nous avons examiné deux paires de conditions dans lesquelles nous avons comparé la réponse à un objet dans la RF (Fig. 3D) ou l’activité lorsque rien n’était dans la RF (Fig. 3E) en fonction de l’identité de l’objet à la fovéa. Si l’augmentation de l’activité est due à une augmentation cohérente du gain, alors l’activité devrait être corrélée, avec une pente significativement différente de 1 et avec des pentes identiques qu’un stimulus soit dans la RF ou non. Nous avons constaté que, qu’un stimulus se trouve ou non dans la RF, l’activité lorsqu’un distracteur se trouvait dans la fovéa était un peu plus de 1,2 fois plus importante que lorsqu’un T se trouvait dans la fovéa, avec des pentes mieux ajustées de 1,23 ± 0,079 (P = 8,1 × 10-82, R2 = 0,81) avec un objet dans la RF (figure 3D) et de 1,26 ± 0,081 (P = 4,9 × 10-90, R2 = 0,84) sans objet dans la RF (figure 3E). Les intercepts des ajustements étaient proches de l’origine (3,57 ± 2,26 sp/s avec un objet dans la RF et 1,17 ± 1,88 sp/s avec rien dans la RF), ce qui montre que la différence d’activité pourrait facilement être due à un changement de gain. Pour confirmer que cela n’était pas entièrement dû à la réactivité globale des neurones individuels, nous avons tracé le rapport de l’activité avec un distracteur à la fovéa divisé par l’activité avec un T à la fovéa pour les conditions dans lesquelles un objet était dans la RF ou rien n’était dans la RF (Fig. 3F). Les ratios dans les deux conditions étaient corrélés (P = 0,0081), mais, plus important encore, la majorité des cellules se trouvent dans un groupe dans le quadrant supérieur droit (Fig. 3F), ce qui signifie qu’elles ont un gain positif dans les deux conditions. Si nous examinons uniquement les neurones qui ont montré un effet significatif de l’identité de l’objet au niveau de la fovéa à partir de l’analyse ANOVA décrite dans le paragraphe précédent, alors 75,2 % (82 sur 109) se trouvent dans le quadrant supérieur droit (figure 3F) et la corrélation est beaucoup plus forte (P = 2,35 × 10-6, R2 = 0,189), avec une pente de 1,03 ± 0,41 et un intercept de 0,73 ± 0,81. Ainsi, les données sont cohérentes avec l’hypothèse selon laquelle l’identité du stimulus au niveau de la fovéa modifie le gain de la réponse neuronale et que cette modification du gain est relativement cohérente entre les neurones et les sessions et est indépendante de la réactivité globale de chaque neurone.

Nous proposons que la réponse réduite observée lorsqu’un T est à la fovéa est due à un mécanisme qui supprime les réponses dans toute la représentation périphérique en FEF, minimisant ainsi la chance qu’une saccade soit générée lorsque la fixation devrait être maintenue. Nous avons précédemment montré que les animaux fixent rarement les Ts précédemment examinés (moins de 5% des fixations), qui ne leur donneront pas de récompense (17). Comme les durées de fixation des Ts précédemment fixés sont bimodales (Fig. 4A), nous pouvons tester notre hypothèse en examinant les réponses pendant les deux types de fixation. Si la réponse réduite observée lorsque l’animal fixe un T est due à une entrée suppressive visant à empêcher l’animal de passer à autre chose, alors nous devrions observer une suppression lorsque l’animal fixe un T précédemment fixé pendant une longue durée (>350 ms ; ligne pointillée verticale dans la Fig. 4A), même s’il sait qu’il n’obtiendra pas de récompense de ce stimulus. De même, nous devrions observer une réponse forte, similaire à celle obtenue lorsque le distracteur est à la fovéa, si l’animal ne fovéatise le T précédemment fixé que pendant une courte durée (<350 ms). Alternativement, si la modulation de la réponse est purement due à l’identité du stimulus à la fovéa, alors nous pourrions prédire que la durée de fixation ne devrait pas affecter la réponse lorsqu’un T précédemment vu est fixé.

Fig. 4B montre la réponse des neurones à un T précédemment fixé à la fovéa pour des durées de fixation longues et courtes, ainsi que la réponse moyenne à un distracteur et à un T non vu à la fovéa (lignes sans barres d’erreur). Toutes les données proviennent d’essais dont les fixations ont duré plus de 150 ms (ligne pointillée verticale dans la figure 4B). Dans les fixations où les animaux ont fixé le T précédemment fixé pendant plus de 350 ms, la réponse a été supprimée à un niveau qui n’était pas significativement différent de la réponse lorsqu’un T non vu se trouvait à la fovéa (P = 0,406, test de Wilcoxon signé ; n = 207 ; fenêtre de 100 ms commençant 50 ms après le début de la fixation ; Fig. 4C). Pour les fixations de courte durée, la réponse était significativement plus élevée que pour les durées plus longues (P = 8,32 × 10-19) et ne se distinguait pas statistiquement de la réponse lorsqu’un distracteur se trouvait à la fovéa (P = 0,165, test de Wilcoxon signé ; Fig. 4D). Ceci est cohérent avec notre hypothèse selon laquelle les réponses dans la FEF sont supprimées lorsque l’animal maintient la fixation pendant des durées plus longues.

Toutes les analyses présentées jusqu’à présent utilisaient les réponses alignées par le début de la fixation lorsque les animaux effectuaient une saccade loin de la RF du neurone. Conformément aux études précédentes, lorsque les animaux ont fait une saccade vers la FR, la réponse de la population a augmenté jusqu’aux niveaux les plus élevés que nous avons mesurés (Fig. 5A). Notamment, à partir de ∼180 ms avant la saccade, cette activité liée au mouvement n’a pas été affectée par l’identité du stimulus au niveau de la fovéa (ligne noire épaisse sur l’axe des x, Fig. 5A ; P < 0,01, tests t appariés chaque milliseconde). Si l’on examine l’activité dans la fenêtre de 100 ms précédant la saccade, on ne constate aucune différence significative dans la réponse en fonction de ce qui se trouve actuellement dans la fovéa (P = 0,978, test de Wilcoxon signé ; n = 138 ; figure 5B), et ce même dans le sous-ensemble de neurones qui a montré un effet significatif de l’identité de l’objet dans la fovéa dans l’analyse ANOVA décrite ci-dessus (P = 0,801 ; n = 71). En outre, la métrique des saccades était similaire dans les deux cas (les détails sont fournis dans les Résultats SI). Ainsi, dans la période précédant la saccade, l’identité du stimulus à la fovéa n’affecte plus l’activité liée au mouvement ou le mouvement lui-même, et l’identité du stimulus qui finira à la fovéa commence à avoir un effet sur les réponses dans d’autres endroits éloignés du but de la saccade (comme le montre la figure 3A).

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