Risultati

Per verificare l’ipotesi che le proprietà dello stimolo alla fovea influenzano le risposte dei neuroni nella FEF, abbiamo addestrato due scimmie (Maccaca mulatta) a cercare un obiettivo muovendo liberamente gli occhi tra 10 oggetti (Fig. 1A). Mentre le scimmie stavano eseguendo il compito di foraggiamento, abbiamo registrato l’attività da singoli neuroni FEF utilizzando elettrodi extracellulari. Cinque obiettivi potenziali (T; forma T) e cinque distrattori (forma +) sono stati disposti sullo schermo in modo che quando l’animale stava guardando uno degli oggetti, non più di un altro oggetto potrebbe essere nella RF (grande cerchio in Fig. 1A). Una T era caricata con una ricompensa, che gli animali ricevevano se la fissavano per 500 ms. Dal momento che i distrattori non hanno mai consegnato alcuna ricompensa, gli animali tendevano a foraggiare tra i T, fissando ciascuno per circa 600 ms fino a trovare l’obiettivo e ricevere la ricompensa (17). Fissazioni di distrattori erano rare (meno del 5% delle fissazioni) ed erano significativamente (P = 8.70 × 10-158, test t accoppiato; n = 231) e sostanzialmente più breve di fissazioni di potenziali obiettivi (613.7 ± 48.9 ms).

Studi precedenti hanno dimostrato che poco dopo l’inizio della matrice, risposte neuronali FEF differenziare tra un bersaglio e distrattore nella RF in compiti di ricerca visiva standard (18, 19). Abbiamo trovato un risultato simile nella nostra popolazione quando è apparsa la matrice: La risposta a un potenziale bersaglio nella RF (traccia scura, Fig. 1B) era costantemente superiore alla risposta a un distrattore nella RF (traccia chiara, Fig. 1B). Questa differenza ha cominciato a diventare costantemente significativa ∼180 ms dopo l’inizio della matrice (barra nera sull’asse x di Fig. 1B; P < 0,01, test t appaiato ogni millisecondo sulla funzione di densità di spike). Utilizzando prove in cui il punto di fissazione è stato sostituito da uno stimolo e un altro stimolo è apparso nella RF, la risposta media in una finestra di 150 ms che inizia 150 ms dopo l’inizio della matrice era significativamente maggiore quando un T era nella RF rispetto a quando un distrattore era nella RF. A livello di singolo neurone, 40 neuroni hanno risposto significativamente di più a un T nella RF che a un distrattore nella RF (P < 0.05, t test), mentre solo quattro hanno avuto una risposta significativamente maggiore al distrattore, un numero che rientra nel tasso di falsi positivi.

Un effetto simile è stato visto quando abbiamo ordinato i dati in base a ciò che era nella RF e alla fovea. La Fig. 2A mostra la risposta media normalizzata di 193 neuroni FEF allineati dall’inizio della matrice in funzione sia dell’identità dello stimolo nella RF che dell’identità dello stimolo alla fovea per le fissazioni che duravano almeno 300 ms (linea tratteggiata verticale). Anche se la differenza tra la risposta a un T nella RF e la risposta a un distrattore nella RF è visibile (confrontare le tracce scure e chiare in Fig. 2A, in particolare le tracce blu scuro e chiaro), il risultato più evidente è l’attività molto più alta quando un distrattore era alla fovea (tracce blu) che quando un T era alla fovea (tracce verdi), che era simile alla risposta di base (linea tratteggiata orizzontale).

Quando abbiamo confrontato le risposte basate su ciò che era alla fovea, 107 di 204 neuroni hanno mostrato risposte significativamente più elevate quando un distrattore era alla fovea di quando una T era alla fovea (P < 0.05, t test; punti blu, Fig. 2B), mentre solo 24 ha risposto più quando un obiettivo era alla fovea (punti verdi, Fig. 2B). In tutta la popolazione di 204 neuroni, la risposta media quando un distrattore era alla fovea (22.13 ± 1.76 sp/s; 150-ms finestra a partire 150 ms dopo l’inizio della matrice) era significativamente maggiore di quando un T era alla fovea (15.30 ± 1.21 sp / s; P = 1.64 × 10-15, Wilcoxon signed-rank test; Fig. 2B) e la risposta quando un T era alla fovea non era significativamente diversa dalla attività di base visto nel 100 ms prima dell’inizio della matrice (14.25 ± 1.11 sp / s; P = 0.269). L’effetto dell’identità dello stimolo alla fovea era significativo sia quando un T era nella RF (P = 8.18 × 10-15; Fig. 2C) sia quando un distrattore era nella RF (P = 1.41 × 10-9; Fig. 2D). Vale la pena notare che sia la differenza di risposta che il numero di neuroni che mostrano una differenza significativa erano sostanzialmente maggiori quando si confronta l’identità dello stimolo alla fovea (Fig. 2B) che quando si confronta l’identità dello stimolo nella RF (Fig. 1C). Così, l’effetto dell’identità dello stimolo alla fovea è molto più grande dell’effetto dell’identità dello stimolo nella RF.

La forte modulazione della risposta neuronale dall’identità dell’oggetto alla fovea è stata osservata anche durante la ricerca visiva in corso. La Fig. 3A mostra la risposta media normalizzata alla popolazione di tutti i 231 neuroni durante la ricerca in corso da fissazioni di almeno 150 ms (linea tratteggiata verticale) e in cui c’era uno stimolo alla fovea e uno stimolo nella RF. Per questa e le seguenti analisi, abbiamo raggruppato le risposte ai T e ai distrattori nella RF, ma i risultati sono qualitativamente simili se restringiamo le analisi a una sola delle due categorie di stimoli, come illustrato nella Fig. 2 B-D. La risposta quando un distrattore era alla fovea (traccia blu, Fig. 3A) era sostanzialmente e significativamente (P = 2.34 × 10-21, Wilcoxon signed-rank test; n = 231 neuroni; Fig. 3B) superiore a quando un T era alla fovea (traccia verde, Fig. 3A). È interessante notare che questa differenza ha iniziato ∼140 ms prima dell’inizio di fissazione (barra nera sull’asse x di Fig. 3A; P < 0.01, test t appaiato ad ogni millisecondo) ed è stato significativo in 100 di neuroni 231 (P < 0.05, test t) e nella popolazione nel suo complesso (P = 8.17 × 10-7, Wilcoxon signed-rank test; Fig. 3C) nella finestra 100-ms prima dell’inizio fissazione. Questa è una proporzione maggiore di neuroni rispetto alla proporzione che mostra remapping RF tradizionale in FEF (20), e suggerisce che la conoscenza circa l’identità dello stimolo che sta per essere fissato colpisce una gran parte dei neuroni in FEF e può essere indipendente dal remapping RF precedentemente documentato.

La modulazione della risposta neuronale dallo stimolo alla fovea è stato visto in tutte le classi di neuroni come categorizzato nella memoria-guidato saccade (definizioni di classe sono forniti in metodi SI). Fig. S2 traccia i dati di Fig. 3B per i 157 neuroni che avevano dati sufficienti memoria-guidato saccade mappatura per caratterizzare i neuroni come visiva (Fig. S2A), visuomovimento (Fig. S2B), o movimento (Fig. S2C) neuroni. Per ogni classe di neuroni, abbiamo trovato che la risposta a uno stimolo nella RF era significativamente maggiore quando un distrattore era alla fovea che quando un T era alla fovea (tutti P < 6 × 10-4, Wilcoxon signed-rank test). Inoltre, la percentuale di neuroni che hanno risposto significativamente più quando un distrattore era alla fovea che quando un obiettivo era alla fovea non era statisticamente diverso in ogni popolazione.

Per quantificare l’entità dell’effetto di ciascun fattore sulla risposta di tutti i 231 neuroni, abbiamo eseguito un modello ANOVA sulle risposte neuronali da una finestra di 150 ms a partire dall’inizio della fissazione utilizzando l’identità dell’oggetto alla fovea e l’identità dell’oggetto nella RF come variabili fisse e l’identità del neurone come variabile casuale. L’identità del neurone è un identificatore associato ad ogni neurone. L’abbiamo inclusa come variabile casuale per tenere conto della reattività complessiva del neurone; in questo modo, l’ANOVA può gestire le risposte non normalizzate tra i neuroni con diversi guadagni e variazioni di risposta. L’unico fattore fisso significativo era l’identità dell’oggetto alla fovea (P = 0,00054). La grandezza di questo fattore era circa 30 volte più forte del fattore che rappresenta l’identità dell’oggetto nella RF (3.413 rispetto a 0.113) e non c’era alcuna interazione lineare significativa tra i fattori fissi (P = 0.97). Si noti che l’effetto dell’identità dello stimolo nella RF è notevolmente più debole nella ricerca visiva in corso rispetto all’inizio della matrice. Ciò è dovuto a una certa eterogeneità nelle risposte allo stimolo nella RF nella ricerca in corso. A livello di singolo neurone, 110 (51%) neuroni hanno mostrato un effetto significativo dell’identità dell’oggetto alla fovea, rispetto a solo 38 (18%) dei neuroni con effetto RF. Solo pochi neuroni hanno mostrato alcuna interazione tra le variabili fisse (valore assoluto medio dei coefficienti ANOVA per tutti i neuroni = 1.339).

Per verificare se il grande effetto di identità dell’oggetto alla fovea può rappresentare un cambiamento nel guadagno di risposta, abbiamo guardato due coppie di condizioni in cui abbiamo confrontato la risposta a un oggetto nella RF (Fig. 3D) o l’attività quando nulla era nella RF (Fig. 3E) in funzione dell’identità dell’oggetto alla fovea. Se l’aumento dell’attività è dovuto a un aumento coerente del guadagno, allora l’attività dovrebbe essere correlata, con una pendenza che è significativamente diversa da 1 e con pendenze che sono le stesse se uno stimolo era nella RF o no. Abbiamo trovato che se uno stimolo era nella RF o no, l’attività quando un distrattore era alla fovea era un po ‘più di 1.2-fold maggiore di quando una T era alla fovea, con best-fit pendenze di 1.23 ± 0.079 (P = 8.1 × 10-82, R2 = 0.81) con un oggetto nella RF (Fig. 3D) e 1.26 ± 0.081 (P = 4.9 × 10-90, R2 = 0.84) con nulla nella RF (Fig. 3E). Intercette dei fits erano vicino all’origine (3.57 ± 2.26 sp / s con un oggetto nella RF e 1.17 ± 1.88 sp / s con nulla nella RF), mostrando che la differenza di attività potrebbe facilmente essere dovuto a un cambiamento di guadagno. Per confermare che questo non era dovuto interamente alla reattività complessiva dei singoli neuroni, abbiamo tracciato il rapporto dell’attività con un distrattore alla fovea diviso per l’attività con un T alla fovea per le condizioni in cui un oggetto era nella RF o niente era nella RF (Fig. 3F). I rapporti nelle due condizioni erano correlati (P = 0,0081), ma, cosa più importante, la maggior parte delle cellule si trovano in un cluster nel quadrante superiore destro (Fig. 3F), il che significa che hanno un guadagno positivo in entrambe le condizioni. Se guardiamo solo i neuroni che hanno mostrato un effetto significativo di identità dell’oggetto alla fovea dall’analisi ANOVA descritta nel paragrafo precedente, allora 75.2% (82 di 109) si trovano nel quadrante superiore destro (Fig. 3F) e la correlazione è molto più forte (P = 2.35 × 10-6, R2 = 0.189), con una pendenza di 1.03 ± 0.41 e una intercetta di 0.73 ± 0.81. Così, i dati sono coerenti con l’ipotesi che l’identità dello stimolo alla fovea cambia il guadagno della risposta neuronale e che questo cambiamento di guadagno è relativamente coerente tra i neuroni e sessioni ed è indipendente dalla reattività complessiva di ogni neurone.

Proponiamo che la risposta ridotta vista quando una T è alla fovea sia dovuta a un meccanismo che sopprime le risposte in tutta la rappresentazione periferica in FEF, minimizzando così la possibilità che una saccade sia generata quando la fissazione dovrebbe essere mantenuta. Abbiamo precedentemente dimostrato che gli animali raramente fissano i T precedentemente esaminati (meno del 5% delle fissazioni), che non daranno loro una ricompensa (17). Poiché le durate di fissazione dei T precedentemente fissati sono bimodali (Fig. 4A), possiamo verificare la nostra ipotesi esaminando le risposte durante i due tipi di fissazione. Se la risposta ridotta vista quando l’animale fissa un T è dovuta a un input soppressivo volto a impedire all’animale di andare avanti, allora dovremmo vedere la soppressione quando l’animale fissa un T precedentemente fissato per una lunga durata (>350 ms; linea tratteggiata verticale in Fig. 4A), anche se dovrebbe sapere che non riceverà una ricompensa dallo stimolo. Allo stesso modo, dovremmo vedere una forte risposta, simile a quella quando il distrattore è alla fovea, se l’animale fovea solo il T precedentemente fissato per una breve durata (<350 ms). In alternativa, se la modulazione della risposta è puramente dovuta all’identità dello stimolo alla fovea, allora dovremmo prevedere che la durata della fissazione non dovrebbe influenzare la risposta quando un T precedentemente visto viene fissato.

Fig. 4B mostra la risposta dei neuroni ad un T precedentemente fissato alla fovea per lungo e breve durata di fissazione, così come la risposta media ad un distrattore e non visto T alla fovea (linee senza barre di errore). Tutti i dati sono da prove con fissazioni che è durato per più di 150 ms (linea tratteggiata verticale in Fig. 4B). Nelle fissazioni in cui gli animali foveated la T precedentemente fissata per più di 350 ms, la risposta è stata soppressa ad un livello che non era significativamente diverso dalla risposta quando un T non visto era alla fovea (P = 0.406, Wilcoxon signed-rank test; n = 207; 100-ms finestra a partire 50 ms dopo l’inizio di fissazione; Fig. 4C). Per le fissazioni di breve durata, la risposta era significativamente più alta che per le durate più lunghe (P = 8.32 × 10-19) ed era statisticamente indistinguibile dalla risposta quando un distrattore era alla fovea (P = 0.165, Wilcoxon signed-rank test; Fig. 4D). Questo è coerente con la nostra ipotesi che le risposte in FEF sono soppresse quando l’animale mantiene la fissazione per periodi più lunghi.

Tutte le analisi presentate finora utilizzato le risposte allineate dall’inizio della fissazione quando gli animali fatto una saccade lontano dalla RF del neurone. Coerentemente con gli studi precedenti, quando gli animali hanno fatto una saccade verso la RF, la risposta della popolazione è aumentata fino ai livelli più alti che abbiamo misurato (Fig. 5A). In particolare, a partire ∼180 ms prima che la saccade è stata fatta, questa attività legata al movimento non è stata influenzata dall’identità dello stimolo alla fovea (linea nera spessa sull’asse x, Fig. 5A; P < 0.01, test t appaiati ogni millisecondo). Guardando l’attività nella finestra 100-ms che porta alla saccade, non c’era alcuna differenza significativa nella risposta in funzione di ciò che era attualmente alla fovea (P = 0.978, Wilcoxon signed-rank test; n = 138; Fig. 5B), e questo era vero anche nel sottoinsieme di neuroni che ha mostrato un effetto significativo di identità oggetto alla fovea nell’analisi ANOVA descritto sopra (P = 0.801; n = 71). Inoltre, le metriche saccade erano simili in entrambi i casi (i dettagli sono forniti in Risultati SI). Così, nel tempo che precede la saccade, l’identità dello stimolo alla fovea non influenza più l’attività legata al movimento o il movimento stesso, e l’identità dello stimolo che finirà alla fovea inizia ad avere un effetto sulle risposte in altre posizioni lontano dall’obiettivo saccade (come mostrato in Fig. 3A).