Wyniki

Aby przetestować hipotezę, że właściwości bodźca w fudze wpływają na odpowiedzi neuronów w FEF, wytrenowaliśmy dwie małpy (Maccaca mulatta) do poszukiwania celu przez swobodne poruszanie oczami wśród 10 obiektów (ryc. 1A). Podczas gdy małpy wykonywały zadanie żerowania, rejestrowaliśmy aktywność z pojedynczych neuronów FEF za pomocą elektrod zewnątrzkomórkowych. Pięć potencjalnych celów (Ts; kształt T) i pięć dystraktorów (kształt +) rozmieszczono na ekranie w taki sposób, że gdy zwierzę patrzyło na jeden z obiektów, w RF nie mógł znajdować się więcej niż jeden inny obiekt (duże koło na ryc. 1A). Jeden T był obciążony nagrodą, którą zwierzęta otrzymywały, jeśli zafiksowały go na 500 ms. Ponieważ dystraktory nigdy nie dostarczały nagrody, zwierzęta miały tendencję do poszukiwania wśród T, fiksując każdy z nich przez około 600 ms, dopóki nie znalazły celu i nie otrzymały nagrody (17). Fiksacje dystraktorów były rzadkie (mniej niż 5% fiksacji) i były znacząco (P = 8,70 × 10-158, sparowany test t; n = 231) i istotnie krótsze niż fiksacje potencjalnych celów (613,7 ± 48,9 ms).

Poprzednie badania wykazały, że krótko po rozpoczęciu tablicy, odpowiedzi neuronów FEF różnicują pomiędzy celem i dystraktorem w RF w standardowych zadaniach wyszukiwania wzrokowego (18, 19). Podobny wynik uzyskaliśmy w naszej populacji, gdy pojawiła się tablica: Odpowiedź na potencjalny cel w RF (ciemny ślad, ryc. 1B) była konsekwentnie wyższa niż odpowiedź na dystraktor w RF (jasny ślad, ryc. 1B). Ta różnica zaczęła być konsekwentnie znacząca ∼180 ms po pojawieniu się tablicy (czarny pasek na osi x na Rys. 1B; P < 0,01, sparowany test t co milisekundę na funkcji gęstości spajków). Używając prób, w których punkt fiksacji został zastąpiony przez bodziec i inny bodziec pojawił się w RF, średnia odpowiedź w 150-ms oknie rozpoczynającym się 150 ms po rozpoczęciu tablicy była znacząco większa, gdy T był w RF niż gdy dystraktor był w RF . Na poziomie pojedynczego neuronu 40 neuronów zareagowało znacząco bardziej na T w RF niż na dystraktor w RF (P < 0,05, test t), podczas gdy tylko cztery miały znacząco większą odpowiedź na dystraktor, liczba, która mieści się w granicach współczynnika fałszywych pozytywów.

Podobny efekt zaobserwowano, gdy posortowaliśmy dane na podstawie tego, co było w RF i w fovea. Rys. 2A pokazuje średnią znormalizowaną odpowiedź 193 neuronów FEF wyrównanych według początku tablicy jako funkcję zarówno tożsamości bodźca w RF jak i tożsamości bodźca w fovea dla fiksacji, które trwały co najmniej 300 ms (pionowa przerywana linia). Chociaż różnica między odpowiedzią na T w RF i odpowiedzią na dystraktor w RF jest widoczna (porównaj ciemne i jasne ślady na Rys. 2A, szczególnie ciemne i jasne niebieskie ślady), bardziej oczywistym wynikiem jest znacznie wyższa aktywność, gdy dystraktor był przy fovea (niebieskie ślady) niż gdy T był przy fovea (zielone ślady), co było podobne do odpowiedzi bazowej (pozioma linia przerywana).

Gdy porównaliśmy odpowiedzi na podstawie tego, co było w fovea, 107 z 204 neuronów wykazało znacząco wyższe odpowiedzi, gdy dystraktor był w fovea niż gdy T był w fovea (P < 0,05, testy t; niebieskie punkty, ryc. 2B), podczas gdy tylko 24 odpowiedziały więcej, gdy cel był w fovea (zielone punkty, ryc. 2B). W całej populacji 204 neuronów średnia odpowiedź, gdy dystraktor znajdował się w fovea (22,13 ± 1,76 sp/s; 150-ms okno rozpoczynające się 150 ms po początku tablicy) była znacząco większa niż gdy T znajdował się w fovea (15,30 ± 1.21 sp/s; P = 1,64 × 10-15, test Wilcoxona signed-rank; ryc. 2B), a odpowiedź, gdy T znajdował się przy fovea, nie różniła się istotnie od podstawowej aktywności obserwowanej w 100 ms przed początkiem tablicy (14,25 ± 1,11 sp/s; P = 0,269). Efekt identyczności bodźca przy fovei był istotny zarówno wtedy, gdy T znajdował się w RF (P = 8,18 × 10-15; ryc. 2C), jak i wtedy, gdy dystraktor znajdował się w RF (P = 1,41 × 10-9; ryc. 2D). Warto zauważyć, że zarówno różnica odpowiedzi, jak i liczba neuronów wykazujących istotną różnicę były istotnie większe, gdy porównywano tożsamość bodźca przy fovei (ryc. 2B) niż gdy porównywano tożsamość bodźca w RF (ryc. 1C). Tak więc, efekt tożsamości bodźca w fovea jest znacznie większy niż efekt tożsamości bodźca w RF.

Silna modulacja odpowiedzi neuronów przez tożsamość obiektu w fovea była również obserwowana podczas trwającego wyszukiwania wzrokowego. Ryc. 3A pokazuje średnią znormalizowaną odpowiedź na populację wszystkich 231 neuronów podczas trwającego wyszukiwania z fiksacji trwających co najmniej 150 ms (pionowa przerywana linia) i w których był bodziec w fovea i bodziec w RF. Dla tej i następnych analiz połączyliśmy odpowiedzi na Ts i dystraktory w RF, ale wyniki są jakościowo podobne, jeśli ograniczymy analizy tylko do jednej z dwóch kategorii bodźców, jak pokazano na ryc. 2 B-D. Odpowiedź, gdy dystraktor znajdował się przy fovea (niebieski ślad, ryc. 3A), była istotnie i znacząco (P = 2,34 × 10-21, test Wilcoxona; n = 231 neuronów; ryc. 3B) wyższa niż wtedy, gdy T znajdował się przy fovea (zielony ślad, ryc. 3A). Co ciekawe, ta różnica zaczęła się ∼ 140 ms przed początkiem fiksacji (czarny pasek na osi x na ryc. 3A; P < 0,01, sparowany test t na każdą milisekundę) i była znacząca w 100 z 231 neuronów (P < 0,05, testy t) i w całej populacji (P = 8,17 × 10-7, test Wilcoxona podpisany-rank; ryc. 3C) w 100-ms oknie przed początkiem fiksacji. Jest to większy odsetek neuronów niż odsetek wykazujący tradycyjne remapping RF w FEF (20) i sugeruje, że wiedza o tożsamości bodźca, który ma być utrwalony, wpływa na dużą część neuronów w FEF i może być niezależna od wcześniej udokumentowanego remappingu RF.

Modulacja odpowiedzi neuronów przez bodziec w fovie była widoczna we wszystkich klasach neuronów, jak skategoryzowano w saccade kierowanym pamięcią (definicje klas podano w SI Methods). Ryc. S2 przedstawia dane z ryc. 3B dla 157 neuronów, które miały wystarczające dane mapowania sakkady kierowanej pamięcią, aby scharakteryzować je jako neurony wzrokowe (ryc. S2A), wzrokowo-ruchowe (ryc. S2B) lub ruchowe (ryc. S2C). Dla każdej klasy neuronów stwierdziliśmy, że odpowiedź na bodziec w RF była znacząco większa, gdy dystraktor był w fovea niż gdy T był w fovea (wszystkie P < 6 × 10-4, testy Wilcoxon signed-rank). Ponadto odsetek neuronów, które reagowały znacząco bardziej, gdy rozpraszacz znajdował się w fovea niż gdy cel znajdował się w fovea, nie różnił się statystycznie w każdej populacji.

Aby określić wielkość wpływu każdego czynnika na odpowiedź wszystkich 231 neuronów, przeprowadziliśmy model ANOVA na odpowiedziach neuronów z okna 150-ms rozpoczynającego się na początku fiksacji, używając tożsamości obiektu w fovea i tożsamości obiektu w RF jako zmiennych stałych i tożsamości neuronu jako zmiennej losowej. Tożsamość neuronu jest identyfikatorem związanym z każdym neuronem. Uwzględniliśmy to jako zmienną losową, aby wziąć pod uwagę ogólną reaktywność neuronu; w ten sposób ANOVA może poradzić sobie z nienormalizowanymi odpowiedziami w neuronach o różnych wzmocnieniach i różnicach odpowiedzi. Jedynym istotnym stałym czynnikiem była tożsamość obiektu przy fovea (P = 0,00054). Wielkość tego czynnika była około 30-krotnie silniejsza niż czynnika reprezentującego tożsamość obiektu w RF (3,413 w porównaniu z 0,113) i nie było znaczącej interakcji liniowej między stałymi czynnikami (P = 0,97). Zauważmy, że efekt tożsamości bodźca w RF jest znacznie słabszy w trwającym poszukiwaniu wzrokowym w porównaniu z początkiem tablicy. Wynika to z pewnej heterogeniczności odpowiedzi na bodziec w RF w trwającym wyszukiwaniu. Na poziomie pojedynczych neuronów, 110 (51%) neuronów wykazało znaczący efekt tożsamości obiektu w fovea, w porównaniu do tylko 38 (18%) neuronów z efektem RF. Tylko kilka neuronów wykazało interakcję między stałymi zmiennymi (średnia wartość bezwzględna współczynników ANOVA dla wszystkich neuronów = 1,339).

Aby sprawdzić, czy duży efekt tożsamości obiektu w fovei może reprezentować zmianę wzmocnienia odpowiedzi, przyjrzeliśmy się dwóm parom warunków, w których porównaliśmy odpowiedź na obiekt w RF (ryc. 3D) lub aktywność, gdy nic nie było w RF (ryc. 3E) w funkcji tożsamości obiektu w fovei. Jeśli wzrost aktywności jest spowodowany stałym wzrostem wzmocnienia, to aktywność powinna być skorelowana, z nachyleniem, które jest znacząco różne od 1 i z nachyleniami, które są takie same, niezależnie od tego, czy bodziec był w RF, czy nie. Stwierdziliśmy, że niezależnie od tego, czy bodziec znajdował się w RF czy nie, aktywność, gdy dystraktor znajdował się przy fovea, była nieco ponad 1,2 razy większa niż gdy T znajdował się przy fovea, z najlepiej dopasowanymi zboczami 1,23 ± 0,079 (P = 8,1 × 10-82, R2 = 0,81) z obiektem w RF (ryc. 3D) i 1,26 ± 0,081 (P = 4,9 × 10-90, R2 = 0,84) z niczym w RF (ryc. 3E). Punkty przecięcia dopasowań były bliskie początkowi (3,57 ± 2,26 sp/s z obiektem w RF i 1,17 ± 1,88 sp/s z niczym w RF), co pokazuje, że różnica w aktywności mogła być łatwo spowodowana zmianą wzmocnienia. Aby potwierdzić, że nie wynikało to całkowicie z ogólnej reaktywności poszczególnych neuronów, wykreśliliśmy stosunek aktywności z dystraktorem w fovea podzielonej przez aktywność z T w fovea dla warunków, w których obiekt był w RF lub nic nie było w RF (ryc. 3F). Stosunki w tych dwóch warunkach były skorelowane (P = 0,0081), ale co ważniejsze, większość komórek leży w klastrze w prawym górnym kwadrancie (ryc. 3F), co oznacza, że mają one dodatnie wzmocnienie w obu warunkach. Jeśli spojrzymy tylko na neurony, które wykazały znaczący efekt tożsamości obiektu w fudze z analizy ANOVA opisanej w poprzednim paragrafie, to 75,2% (82 ze 109) leży w prawym górnym kwadrancie (ryc. 3F), a korelacja jest znacznie silniejsza (P = 2,35 × 10-6, R2 = 0,189), z nachyleniem 1,03 ± 0,41 i interceptem 0,73 ± 0,81. Tak więc dane są zgodne z hipotezą, że tożsamość bodźca w fudze zmienia wzmocnienie odpowiedzi neuronu i że ta zmiana wzmocnienia jest stosunkowo spójna między neuronami i sesjami i jest niezależna od ogólnej reaktywności każdego neuronu.

Proponujemy, że zmniejszona odpowiedź widoczna, gdy T znajduje się przy fovea, jest spowodowana mechanizmem, który tłumi odpowiedzi w całej peryferyjnej reprezentacji w FEF, minimalizując w ten sposób szansę, że sakkada zostanie wygenerowana, gdy fiksacja powinna być utrzymana. Wcześniej wykazaliśmy, że zwierzęta rzadko fiksują wcześniej badane T (mniej niż 5% fiksacji), które nie dadzą im nagrody (17). Ponieważ czas trwania fiksacji na uprzednio utrwalonych Ts jest dwumodalny (Rys. 4A), możemy przetestować naszą hipotezę badając odpowiedzi podczas dwóch typów fiksacji. Jeśli zredukowana odpowiedź obserwowana, gdy zwierzę fiksuje T, jest spowodowana wejściem tłumiącym, mającym na celu powstrzymanie zwierzęcia przed przejściem dalej, to powinniśmy zaobserwować tłumienie, gdy zwierzę fiksuje wcześniej utrwalony T przez długi czas (>350 ms; pionowa przerywana linia na Rys. 4A), mimo że powinno wiedzieć, że nie otrzyma nagrody za ten bodziec. Podobnie, powinniśmy zaobserwować silną odpowiedź, podobną do tej, gdy dystraktor znajduje się w fovea, jeśli zwierzę tylko fiksuje wcześniej utrwalony T przez krótki czas (<350 ms). Alternatywnie, jeśli modulacja odpowiedzi wynika wyłącznie z tożsamości bodźca w fovea, wtedy przewidywalibyśmy, że czas trwania fiksacji nie powinien wpływać na odpowiedź, gdy poprzednio widziany T jest fiksowany.

Rys. 4B przedstawia odpowiedź neuronów na poprzednio fiksowany T przy fowszu dla długiego i krótkiego czasu fiksacji, jak również średnią odpowiedź na dystraktor i niewidoczny T przy fowszu (linie bez słupków błędów). Wszystkie dane pochodzą z prób z fiksacjami trwającymi dłużej niż 150 ms (pionowa przerywana linia na ryc. 4B). W fiksacjach, w których zwierzęta wpatrywały się we wcześniej utrwalony T przez ponad 350 ms, odpowiedź była tłumiona do poziomu, który nie różnił się istotnie od odpowiedzi, gdy niewidoczny T znajdował się we fowszu (P = 0,406, test Wilcoxona; n = 207; 100-ms okno rozpoczynające się 50 ms po rozpoczęciu fiksacji; ryc. 4C). W przypadku fiksacji o krótkim czasie trwania, odpowiedź była znacząco wyższa niż w przypadku dłuższych czasów trwania (P = 8,32 × 10-19) i była statystycznie nie do odróżnienia od odpowiedzi, gdy dystraktor znajdował się przy fovea (P = 0,165, test Wilcoxona podpisanego rangą; ryc. 4D). Jest to zgodne z naszą hipotezą, że odpowiedzi w FEF są tłumione, gdy zwierzę utrzymuje fiksację przez dłuższy czas.

Wszystkie analizy przedstawione do tej pory wykorzystały odpowiedzi wyrównane przez początek fiksacji, gdy zwierzęta wykonały sakkadę z dala od RF neuronu. Zgodnie z poprzednimi badaniami, kiedy zwierzęta wykonały sakkadę w kierunku RF, odpowiedź populacji wzrastała do najwyższych poziomów, jakie zmierzyliśmy (ryc. 5A). Co ważne, począwszy od ∼ 180 ms przed wykonaniem sakkady, na tę aktywność związaną z ruchem nie miała wpływu tożsamość bodźca w fovea (gruba czarna linia na osi x, ryc. 5A; P < 0,01, sparowane testy t co milisekundę). Patrząc na aktywność w 100-ms oknie prowadzącym do sakkady, nie było znaczącej różnicy w odpowiedzi w funkcji tego, co było aktualnie w fovea (P = 0,978, Wilcoxon signed-rank test; n = 138; ryc. 5B), i było to prawdziwe nawet w podzbiorze neuronów, które wykazały znaczący efekt tożsamości obiektu w fovea w analizie ANOVA opisanej powyżej (P = 0,801; n = 71). Ponadto metryka sakkad była podobna w obu przypadkach (szczegóły podano w SI Wyniki). Tak więc, w czasie prowadzącym do sakkady, tożsamość bodźca w fovea nie wpływa już na aktywność związaną z ruchem lub sam ruch, a tożsamość bodźca, który zakończy się w fovea, zaczyna mieć wpływ na odpowiedzi w innych lokalizacjach z dala od celu sakkady (jak pokazano na ryc. 3A).

.