Resultados

Para testar a hipótese de que as propriedades do estímulo no fóvea afetam as respostas dos neurônios em FEF, treinamos dois macacos (Maccaca mulatta) para procurar um alvo movendo livremente seus olhos entre 10 objetos (Fig. 1A). Enquanto os macacos estavam realizando a tarefa de forragem, nós registramos a atividade de neurônios FEF únicos usando eletrodos extracelulares. Cinco alvos potenciais (Ts; forma T) e cinco distractores (+ forma) foram dispostos na tela de forma que quando o animal estava a olhar para um dos objectos, não mais do que um outro objecto podia estar na RF (grande círculo na Fig. 1A). Um T foi carregado com uma recompensa, que os animais receberam se o fixassem por 500 ms. Como os distractores nunca entregaram qualquer recompensa, os animais tenderam a forragem entre os Ts, fixando cada um por cerca de 600 ms até encontrarem o alvo e receberem a recompensa (17). As fixações dos distractores foram raras (menos de 5% das fixações) e foram significativamente (P = 8,70 × 10-158, teste t pareado; n = 231) e substancialmente inferiores às fixações dos alvos potenciais (613,7 ± 48,9 ms).

Estudos anteriores mostraram que logo após o início da matriz, as respostas neuronais FEF diferenciam entre um alvo e um distração na RF em tarefas de busca visual padrão (18, 19). Encontramos um resultado semelhante em nossa população quando o array apareceu: A resposta a um alvo potencial na RF (traço escuro, Fig. 1B) foi consistentemente maior do que a resposta a um distator na RF (traço claro, Fig. 1B). Esta diferença começou a tornar-se consistentemente significativa ∼180 ms após o início do array (barra preta no eixo x da Fig. 1B; P < 0,01, teste t pareado a cada milissegundo na função de densidade de pico). Usando testes em que o ponto de fixação foi substituído por um estímulo e outro estímulo apareceu na RF, a resposta média em uma janela de 150 ms começando 150 ms após o início da matriz foi significativamente maior quando um T estava na RF do que quando um distator estava na RF . No nível de um único neurônio, 40 neurônios responderam significativamente mais a um T na RF do que a um distator na RF (P < 0,05, teste t), enquanto apenas quatro tiveram uma resposta significativamente maior ao distator, um número que está dentro da taxa de falsos positivos.

Um efeito semelhante foi visto quando ordenamos os dados com base no que estava na RF e no fóvea. A figura 2A mostra a resposta média normalizada de 193 neurônios FEF alinhados por array onset como uma função tanto da identidade do estímulo na RF quanto da identidade do estímulo no fovea para fixações que duraram pelo menos 300 ms (linha tracejada vertical). Embora a diferença entre a resposta a um T na RF e a resposta a um distator na RF seja visível (compare traços escuros e claros na Fig. 2A, particularmente os traços azul escuro e claro), o resultado mais óbvio é a atividade muito maior quando um distator estava no fovea (traços azuis) do que quando um T estava no fovea (traços verdes), que era semelhante à resposta de linha de base (linha de traços horizontais).

Quando comparamos as respostas baseadas no que estava no fovea, 107 dos 204 neurônios mostraram respostas significativamente maiores quando um distração estava no fovea do que quando um T estava no fovea (P < 0,05, testes t; pontos azuis, Fig. 2B), enquanto apenas 24 responderam mais quando um alvo estava no fovea (pontos verdes, Fig. 2B). Na população de 204 neurônios, a resposta média quando um distração estava no fóvea (22,13 ± 1,76 sp/s; janela de 150 ms iniciando 150 ms após o início da matriz) foi significativamente maior do que quando um T estava no fóvea (15,30 ± 1.21 sp/s; P = 1,64 × 10-15, teste de Wilcoxon assinado; Fig. 2B) e a resposta quando um T estava no fovea não foi significativamente diferente da atividade de linha de base vista nos 100 ms antes do início da matriz (14,25 ± 1,11 sp/s; P = 0,269). O efeito da identidade do estímulo no fóvea foi significativo tanto quando um T estava na RF (P = 8,18 × 10-15; Fig. 2C) como quando um distator estava na RF (P = 1,41 × 10-9; Fig. 2D). Vale ressaltar que tanto a diferença de resposta quanto o número de neurônios mostrando uma diferença significativa foram substancialmente maiores quando comparada a identidade do estímulo no fóvea (Fig. 2B) do que quando comparada a identidade do estímulo no RF (Fig. 1C). Assim, o efeito da identidade do estímulo no fóvea é muito maior do que o efeito da identidade do estímulo na RF.

A forte modulação da resposta neuronal pela identidade do objeto no fóvea também foi observada durante a busca visual em andamento. A figura 3A mostra a resposta média normalizada para a população de todos os 231 neurônios durante a busca contínua a partir de fixações de pelo menos 150 ms (linha vertical tracejada) e na qual houve um estímulo no fóvea e um estímulo na RF. Para esta e as análises seguintes, reunimos as respostas aos Ts e aos distractores na RF, mas os resultados são qualitativamente semelhantes se restringirmos as análises a apenas uma das duas categorias de estímulos, como ilustrado na Fig. 2 B-D. A resposta quando um distractor estava no fóvea (traço azul, Fig. 3A) foi substancial e significativamente (P = 2,34 × 10-21, teste de Wilcoxon assinado; n = 231 neurônios; Fig. 3B) maior do que quando um T estava no fóvea (traço verde, Fig. 3A). Curiosamente, esta diferença começou ∼140 ms antes do início da fixação (barra preta no eixo x da Fig. 3A; P < 0,01, teste t pareado a cada milissegundo) e foi significativa em 100 dos 231 neurônios (P < 0,05, teste t) e na população como um todo (P = 8,17 × 10-7, teste de Wilcoxon assinado-rank; Fig. 3C) na janela de 100 ms antes do início da fixação. Esta é uma proporção maior de neurônios do que a proporção que mostra a refilmagem tradicional de RF em FEF (20), e sugere que o conhecimento sobre a identidade do estímulo que está prestes a ser fixado afeta uma grande proporção dos neurônios em FEF e pode ser independente da refilmagem de RF previamente documentada.

A modulação da resposta neuronal pelo estímulo no fovea foi vista em todas as classes de neurônios como categorizada na sacada guiada pela memória (as definições de classe são fornecidas nos Métodos SI). Fig. S2 mostra os dados da Fig. 3B para os 157 neurônios que tinham dados suficientes do mapeamento da saccata guiado por memória para caracterizar os neurônios como visual (Fig. S2A), visuomovimento (Fig. S2B), ou movimento (Fig. S2C) de neurônios. Para cada classe de neurônios, descobrimos que a resposta a um estímulo na RF era significativamente maior quando um distração estava no fovea do que quando um T estava no fovea (todos P < 6 × 10-4, testes assinados por Wilcoxon). Além disso, a porcentagem de neurônios que responderam significativamente mais quando um distração estava no fóvea do que quando um alvo estava no fóvea não foi estatisticamente diferente em cada população .

Para quantificar a magnitude do efeito de cada fator na resposta de todos os 231 neurônios, executamos um modelo ANOVA nas respostas neuronais a partir de uma janela de 150 ms começando no início da fixação usando a identidade do objeto no fóvea e a identidade do objeto na RF como variáveis fixas e a identidade do neurônio como uma variável aleatória. A identidade do neurônio é um identificador associado a cada neurônio. Incluímos isso como uma variável aleatória para levar em conta a resposta global do neurônio; dessa forma, a ANOVA pode lidar com respostas não normalizadas entre neurônios com diferentes ganhos e variações de resposta. O único fator fixo significativo foi a identidade do objeto no fóvea (P = 0,00054). A magnitude deste fator foi cerca de 30 vezes mais forte que o fator que representa a identidade do objeto na RF (3,413 comparado com 0,113) e não houve interação linear significativa entre os fatores fixos (P = 0,97). Observe que o efeito da identidade do estímulo na RF é consideravelmente mais fraco na busca visual em andamento, em comparação com o início da matriz. Isto é devido a alguma heterogeneidade nas respostas ao estímulo na RF em busca contínua. No nível de um neurônio, 110 (51%) neurônios mostraram um efeito significativo da identidade do objeto no fóvea, comparado com apenas 38 (18%) neurônios com efeito de RF. Apenas alguns neurônios mostraram qualquer interação entre as variáveis fixas (valor médio absoluto dos coeficientes ANOVA para todos os neurônios = 1,339).

Para testar se o grande efeito da identidade do objeto no fóvea pode representar uma mudança no ganho de resposta, observamos dois pares de condições nas quais comparamos a resposta a um objeto na RF (Fig. 3D) ou a atividade quando nada estava na RF (Fig. 3E) em função da identidade do objeto no fóvea. Se o aumento da atividade é devido a um aumento consistente do ganho, então a atividade deve ser correlacionada, com uma inclinação significativamente diferente de 1 e com inclinações que são as mesmas quer um estímulo estivesse ou não na RF. Descobrimos que se um estímulo estava ou não na RF, a atividade quando um distração estava no fovea era um pouco mais que 1,2 vezes maior do que quando um T estava no fovea, com declives de 1,23 ± 0,079 (P = 8,1 × 10-82, R2 = 0,81) com um objeto na RF (Fig. 3D) e 1,26 ± 0,081 (P = 4,9 × 10-90, R2 = 0,84) com nada na RF (Fig. 3E). As interceptações dos ajustes foram próximas à origem (3,57 ± 2,26 sp/s com um objeto na RF e 1,17 ± 1,88 sp/s com nada na RF), mostrando que a diferença de atividade poderia ser facilmente devida a uma mudança de ganho. Para confirmar que isso não se deveu inteiramente à resposta global dos neurônios individuais, plotamos a relação da atividade com um distator no fovea dividido pela atividade com um T no fovea para condições nas quais um objeto estava na RF ou nada estava na RF (Fig. 3F). As razões nas duas condições estavam correlacionadas (P = 0,0081), mas, mais importante, a maioria das células está em um cluster no quadrante superior direito (Fig. 3F), o que significa que elas têm um ganho positivo em ambas as condições. Se observarmos apenas os neurônios que mostraram um efeito significativo da identidade do objeto no fovea da análise ANOVA descrita no parágrafo anterior, então 75,2% (82 de 109) estão no quadrante superior direito (Fig. 3F) e a correlação é muito mais forte (P = 2,35 × 10-6, R2 = 0,189), com uma inclinação de 1,03 ± 0,41 e uma intercepção de 0,73 ± 0,81. Assim, os dados são consistentes com a hipótese de que a identidade do estímulo no fóvea altera o ganho da resposta neuronal e que esse ganho é relativamente consistente entre neurônios e sessões e é independente da responsividade geral de cada neurônio.

Pomos que a resposta reduzida vista quando um T está no fóvea se deve a um mecanismo que suprime as respostas ao longo da representação periférica em FEF, minimizando assim a possibilidade de que seja gerada uma sacada quando a fixação deve ser mantida. Mostramos anteriormente que os animais raramente fixam Ts previamente examinados (menos de 5% das fixações), o que não lhes dará uma recompensa (17). Como as durações de fixação de Ts previamente fixadas são bimodais (Fig. 4A), podemos testar nossa hipótese examinando as respostas durante os dois tipos de fixação. Se a resposta reduzida observada quando o animal fixa um T é devida a um input supressivo com o objetivo de impedir que o animal se mova, então devemos ver a supressão quando o animal mergulha um T previamente fixado por uma longa duração (>350 ms; linha tracejada vertical na Fig. 4A), ainda que deva saber que não receberá uma recompensa pelo estímulo. Da mesma forma, devemos ver uma resposta forte, semelhante àquela quando o distractor está no fóvea, se o animal só mergulhar o T previamente fixado por uma curta duração (<350 ms). Alternativamente, se a modulação da resposta é puramente devida à identidade do estímulo no fóvea, então preveríamos que a duração da fixação não deveria afetar a resposta quando um T previamente visto está sendo fixado.

Fig. 4B mostra a resposta dos neurónios a um T previamente fixado no fovea para durações de fixação longas e curtas, bem como a resposta média a um distractor e a um T não visto no fovea (linhas sem barras de erro). Todos os dados são de ensaios com fixações que duraram mais de 150 ms (linha a tracejado vertical na Fig. 4B). Nas fixações em que os animais mergulharam o T previamente fixado por mais de 350 ms, a resposta foi suprimida até um nível que não foi significativamente diferente da resposta quando um T não visto estava no fovea (P = 0,406, teste de Wilcoxon assinado; n = 207; janela de 100 ms iniciando 50 ms após o início da fixação; Fig. 4C). Para fixações de curta duração, a resposta foi significativamente maior do que para durações maiores (P = 8,32 × 10-19) e foi estatisticamente indistinguível da resposta quando um distração estava no fovea (P = 0,165, teste de Wilcoxon assinado-rank; Fig. 4D). Isso é consistente com nossa hipótese de que as respostas em FEF são suprimidas quando o animal mantém a fixação por mais tempo.

Todas as análises apresentadas até agora utilizaram as respostas alinhadas pelo início da fixação quando os animais fizeram uma sacada longe da RF do neurônio. Consistente com estudos anteriores, quando os animais fizeram uma saccata para a RF, a resposta da população subiu para os níveis mais altos que medimos (Fig. 5A). Notavelmente, a partir de ∼180 ms antes da realização da saccata, esta atividade relacionada ao movimento não foi afetada pela identidade do estímulo no fovea (linha preta espessa no eixo x, Fig. 5A; P < 0,01, testes t pareados a cada milissegundo). Olhando para a atividade na janela de 100ms que leva à sacada, não houve diferença significativa na resposta em função do que estava atualmente no fovea (P = 0,978, teste de Wilcoxon assinado; n = 138; Fig. 5B), e isto foi verdade mesmo no subconjunto de neurônios que mostraram um efeito significativo da identidade do objeto no fovea na análise ANOVA descrita acima (P = 0,801; n = 71). Além disso, as métricas da sacada foram semelhantes em ambos os casos (detalhes são fornecidos nos Resultados do SI). Assim, no tempo que antecede a saccata, a identidade do estímulo no fóvea já não afecta a actividade relacionada com o movimento ou o próprio movimento, e a identidade do estímulo que acabará no fóvea começa a ter um efeito nas respostas noutros locais longe do objectivo da saccata (como mostrado na Fig. 3A).