Rezultate

Pentru a testa ipoteza că proprietățile stimulului de la fovea afectează răspunsurile neuronilor din FEF, am antrenat două maimuțe (Maccaca mulatta) să caute o țintă prin mișcarea liberă a ochilor printre 10 obiecte (Fig. 1A). În timp ce maimuțele efectuau sarcina de căutare a hranei, am înregistrat activitatea de la neuronii FEF individuali folosind electrozi extracelulari. Cinci ținte potențiale (Ts; forma T) și cinci distractori (forma +) au fost aranjate pe ecran în așa fel încât, atunci când animalul se uita la unul dintre obiecte, nu putea fi mai mult de un alt obiect în RF (cercul mare din Fig. 1A). Un T a fost încărcat cu o recompensă, pe care animalele o primeau dacă o fixau timp de 500 ms. Deoarece distractorii nu au oferit niciodată nicio recompensă, animalele au avut tendința de a căuta printre T-uri, fixându-le pe fiecare timp de aproximativ 600 ms până când au găsit ținta și au primit recompensa (17). Fixările distractorilor au fost rare (mai puțin de 5 % din fixări) și au fost semnificativ (P = 8,70 × 10-158, test t împerecheat; n = 231) și substanțial mai scurte decât fixările țintelor potențiale (613,7 ± 48,9 ms).

Studii anterioare au arătat că, la scurt timp după debutul matricei, răspunsurile neuronale FEF diferențiază între o țintă și un distractor în RF în sarcinile standard de căutare vizuală (18, 19). Am găsit un rezultat similar în populația noastră atunci când a apărut matricea: Răspunsul la o țintă potențială în RF (urmă întunecată, Fig. 1B) a fost în mod constant mai mare decât răspunsul la un distractor în RF (urmă ușoară, Fig. 1B). Această diferență a început să devină în mod constant semnificativă ∼180 ms după apariția matricei (bara neagră pe axa x din Fig. 1B; P < 0.01, test t împerecheat la fiecare milisecundă pe funcția de densitate a vârfurilor). Utilizând încercări în care punctul de fixare a fost înlocuit cu un stimul și un alt stimul a apărut în RF, răspunsul mediu într-o fereastră de 150 ms care începe la 150 ms după debutul matricei a fost semnificativ mai mare atunci când un T a fost în RF decât atunci când un distractor a fost în RF . La nivelul unui singur neuron, 40 de neuroni au răspuns semnificativ mai mult la un T în RF decât la un distractor în RF (P < 0,05, test t), în timp ce doar patru au avut un răspuns semnificativ mai mare la distractor, un număr care se încadrează în rata fals-pozitivă.

Un efect similar a fost observat atunci când am sortat datele pe baza a ceea ce se afla în RF și la fovea. Fig. 2A prezintă răspunsul mediu normalizat al 193 de neuroni FEF aliniați în funcție de debutul matricei ca funcție atât de identitatea stimulului în RF, cât și de identitatea stimulului la fovea pentru fixările care au durat cel puțin 300 ms (linie verticală punctată). Deși diferența dintre răspunsul la un T în RF și răspunsul la un distractor în RF este vizibilă (comparați urmele întunecate și ușoare din Fig. 2A, în special urmele albastru închis și albastru deschis), rezultatul mai evident este activitatea mult mai mare atunci când un distractor se afla la fovea (urme albastre) decât atunci când un T se afla la fovea (urme verzi), care a fost similară răspunsului de bază (linia punctată orizontală).

Când am comparat răspunsurile pe baza a ceea ce se afla la fovea, 107 din 204 neuroni au prezentat răspunsuri semnificativ mai mari atunci când un distractor se afla la fovea decât atunci când un T se afla la fovea (P < 0,05, teste t; puncte albastre, Fig. 2B), în timp ce doar 24 au răspuns mai mult atunci când o țintă se afla la fovea (puncte verzi, Fig. 2B). În întreaga populație de 204 neuroni, răspunsul mediu atunci când un distractor se afla la fovea (22,13 ± 1,76 sp/s; fereastra de 150 ms care începe la 150 ms după debutul matricei) a fost semnificativ mai mare decât atunci când un T se afla la fovea (15,30 ± 1.21 sp/s; P = 1,64 × 10-15, testul Wilcoxon signed-rank; Fig. 2B) și răspunsul atunci când un T se afla la fovea nu a fost semnificativ diferit de activitatea de bază observată în 100 ms înainte de debutul matricei (14,25 ± 1,11 sp/s; P = 0,269). Efectul identității stimulului la fovea a fost semnificativ atât atunci când un T a fost în RF (P = 8,18 × 10-15; Fig. 2C), cât și atunci când un distractor a fost în RF (P = 1,41 × 10-9; Fig. 2D). Este demn de remarcat faptul că atât diferența de răspuns, cât și numărul de neuroni care au prezentat o diferență semnificativă au fost substanțial mai mari atunci când s-a comparat identitatea stimulului la fovea (Fig. 2B) decât atunci când s-a comparat identitatea stimulului în RF (Fig. 1C). Astfel, efectul identității stimulului la fovea este mult mai mare decât efectul identității stimulului în RF.

Modificarea puternică a răspunsului neuronal de către identitatea obiectului la fovea a fost observată și în timpul căutării vizuale în curs. Fig. 3A prezintă răspunsul mediu normalizat la populația tuturor celor 231 de neuroni în timpul căutării în curs de desfășurare de la fixări de cel puțin 150 ms (linie punctată verticală) și în care a existat un stimul la fovea și un stimul în RF. Pentru această analiză și pentru următoarele analize, am reunit răspunsurile la Ts și distractorii din RF, dar rezultatele sunt calitativ similare dacă restricționăm analizele la doar una dintre cele două categorii de stimuli, așa cum este ilustrat în Fig. 2 B-D. Răspunsul atunci când un distractor a fost la fovea (urmă albastră, Fig. 3A) a fost substanțial și semnificativ (P = 2.34 × 10-21, testul Wilcoxon signed-rank; n = 231 neuroni; Fig. 3B) mai mare decât atunci când un T a fost la fovea (urmă verde, Fig. 3A). Interesant, această diferență a început cu ∼140 ms înainte de debutul fixării (bara neagră pe axa x din Fig. 3A; P < 0,01, test t împerecheat la fiecare milisecundă) și a fost semnificativă în 100 din neuronii 231 (P < 0,05, teste t) și în întreaga populație (P = 8,17 × 10-7, test Wilcoxon signed-rank; Fig. 3C) în fereastra 100-ms înainte de debutul fixării. Aceasta este o proporție mai mare de neuroni decât proporția care prezintă refacerea RF tradițională în FEF (20) și sugerează că cunoștințele despre identitatea stimulului care urmează să fie fixat afectează o proporție mare de neuroni în FEF și poate fi independentă de refacerea RF documentată anterior.

Modularea răspunsului neuronal de către stimulul de la fovea a fost observată în toate clasele de neuroni, așa cum au fost clasificate în sacada ghidată de memorie (definițiile claselor sunt furnizate în SI Metode). Fig. S2 prezintă datele din Fig. 3B pentru neuronii 157 care au avut suficiente date de cartografiere a sacadelor ghidate de memorie pentru a caracteriza neuronii ca neuronii vizuali (Fig. S2A), de vizuomovare (Fig. S2B) sau de mișcare (Fig. S2C). Pentru fiecare clasă de neuroni, am constatat că răspunsul la un stimul în RF a fost semnificativ mai mare atunci când un distractor se afla la fovea decât atunci când un T se afla la fovea (toate P < 6 × 10-4, testele Wilcoxon signed-rank). În plus, procentul de neuroni care au răspuns semnificativ mai mult atunci când un distractor a fost la fovea decât atunci când o țintă a fost la fovea nu a fost diferit statistic în fiecare populație .

Pentru a cuantifica magnitudinea efectului fiecărui factor asupra răspunsului tuturor celor 231 de neuroni, am rulat un model ANOVA pe răspunsurile neuronale dintr-o fereastră de 150 de ms începând de la debutul fixării, folosind identitatea obiectului de la fovea și identitatea obiectului din RF ca variabile fixe și identitatea neuronului ca variabilă aleatorie. Identitatea neuronului este un identificator asociat fiecărui neuron. Am inclus-o ca variabilă aleatorie pentru a lua în considerare capacitatea generală de răspuns a neuronului; în acest fel, ANOVA poate face față răspunsurilor nenormalizate între neuronii cu câștiguri de răspuns și variații diferite. Singurul factor fix semnificativ a fost identitatea obiectului la fovea (P = 0,00054). Magnitudinea acestui factor a fost de aproximativ 30 de ori mai puternică decât factorul reprezentând identitatea obiectului în RF (3,413 comparativ cu 0,113) și nu a existat o interacțiune liniară semnificativă între factorii fixi (P = 0,97). Rețineți că efectul identității stimulului în RF este considerabil mai slab în căutarea vizuală în curs de desfășurare în comparație cu debutul matricei. Acest lucru se datorează unei anumite eterogenități în răspunsurile la stimulul din RF în căutarea în curs de desfășurare. La nivelul unui singur neuron, 110 (51%) neuroni au prezentat un efect semnificativ al identității obiectului la fovea, în comparație cu doar 38 (18%) dintre neuronii cu efect RF. Doar câțiva neuroni au arătat vreo interacțiune între variabilele fixe (valoarea absolută medie a coeficienților ANOVA pentru toți neuronii = 1.339).

Pentru a testa dacă efectul mare al identității obiectului la fovea poate reprezenta o schimbare în câștigul de răspuns, am analizat două perechi de condiții în care am comparat răspunsul la un obiect în RF (Fig. 3D) sau activitatea atunci când nu era nimic în RF (Fig. 3E) în funcție de identitatea obiectului la fovea. Dacă creșterea activității se datorează unei creșteri consistente a câștigului, atunci activitatea ar trebui să fie corelată, cu o pantă care este semnificativ diferită de 1 și cu pante care sunt aceleași indiferent dacă un stimul a fost sau nu în RF. Am constatat că, indiferent dacă un stimul se afla sau nu în RF, activitatea atunci când un distractor se afla la fovea a fost de puțin mai mult de 1,2 ori mai mare decât atunci când un T se afla la fovea, cu pantele cele mai bine ajustate de 1,23 ± 0,079 (P = 8,1 × 10-82, R2 = 0,81) cu un obiect în RF (Fig. 3D) și 1,26 ± 0,081 (P = 4,9 × 10-90, R2 = 0,84) fără nimic în RF (Fig. 3E). Interceptele ajustărilor au fost apropiate de origine (3,57 ± 2,26 sp/s cu un obiect în RF și 1,17 ± 1,88 sp/s fără nimic în RF), arătând că diferența de activitate ar putea fi cu ușurință datorată unei modificări de câștig. Pentru a confirma că acest lucru nu se datorează în întregime reactivității generale a neuronilor individuali, am trasat raportul dintre activitatea cu un distractor la fovea împărțit la activitatea cu un T la fovea pentru condițiile în care un obiect era în RF sau nimic nu era în RF (Fig. 3F). Rapoartele în cele două condiții au fost corelate (P = 0,0081), dar, mai important, majoritatea celulelor se află într-un grup în cadranul din dreapta sus (Fig. 3F), ceea ce înseamnă că au un câștig pozitiv în ambele condiții. Dacă ne uităm doar la neuronii care au prezentat un efect semnificativ al identității obiectului la fovea din analiza ANOVA descrisă în paragraful anterior, atunci 75,2% (82 din 109) se află în cadranul din dreapta sus (Fig. 3F) și corelația este mult mai puternică (P = 2,35 × 10-6, R2 = 0,189), cu o pantă de 1,03 ± 0,41 și o interceptare de 0,73 ± 0,81. Astfel, datele sunt în concordanță cu ipoteza că identitatea stimulului la fovea modifică câștigul răspunsului neuronal și că această modificare a câștigului este relativ consecventă între neuroni și sesiuni și este independentă de capacitatea generală de răspuns a fiecărui neuron.

Propunem că răspunsul redus observat atunci când un T se află la fovea se datorează unui mecanism care suprimă răspunsurile în întreaga reprezentare periferică în FEF, minimizând astfel șansa ca o sacadă să fie generată atunci când fixarea ar trebui să fie menținută. Am arătat anterior că animalele rareori fixează T-urile examinate anterior (mai puțin de 5% din fixări), ceea ce nu le va oferi o recompensă (17). Deoarece duratele de fixare a Ts fixate anterior sunt bimodale (Fig. 4A), putem testa ipoteza noastră prin examinarea răspunsurilor în timpul celor două tipuri de fixare. Dacă răspunsul redus observat atunci când animalul fixează un T se datorează unei intrări supresive menite să împiedice animalul să treacă mai departe, atunci ar trebui să vedem suprimarea atunci când animalul fixează un T fixat anterior pentru o durată lungă (>350 ms; linia verticală punctată în Fig. 4A), chiar dacă ar trebui să știe că nu va obține o recompensă de la stimul. În mod similar, ar trebui să observăm un răspuns puternic, similar cu cel din momentul în care distractorul se află la fovea, dacă animalul focalizează doar T-ul fixat anterior pentru o durată scurtă (<350 ms). În mod alternativ, dacă modularea răspunsului se datorează pur și simplu identității stimulului la fovea, atunci am putea prezice că durata de fixare nu ar trebui să afecteze răspunsul atunci când se fixează un T văzut anterior.

Fig. 4B prezintă răspunsul neuronilor la un T fixat anterior la fovea pentru duratele de fixare lungă și scurtă, precum și răspunsul mediu la un T distractor și nevăzut la fovea (linii fără bare de eroare). Toate datele provin din încercări cu fixări care au durat mai mult de 150 ms (linia verticală punctată în Fig. 4B). În fixările în care animalele au urmărit T-ul fixat anterior timp de mai mult de 350 ms, răspunsul a fost suprimat la un nivel care nu a fost semnificativ diferit de răspunsul atunci când un T nevăzut a fost la fovea (P = 0.406, testul Wilcoxon signed-rank; n = 207; fereastra 100-ms care începe la 50 ms după debutul fixării; Fig. 4C). Pentru fixările de scurtă durată, răspunsul a fost semnificativ mai mare decât pentru duratele mai lungi (P = 8,32 × 10-19) și a fost imposibil de distins din punct de vedere statistic de răspunsul atunci când un distractor se afla la fovea (P = 0,165, testul Wilcoxon signed-rank; Fig. 4D). Acest lucru este în concordanță cu ipoteza noastră că răspunsurile în FEF sunt suprimate atunci când animalul menține fixarea pentru durate mai lungi.

Toate analizele prezentate până acum au utilizat răspunsurile aliniate de începutul fixării atunci când animalele au făcut o sacadă departe de RF a neuronului. În concordanță cu studiile anterioare, atunci când animalele au făcut o sacadă către RF, răspunsul populației a crescut până la cele mai înalte niveluri pe care le-am măsurat (Fig. 5A). În mod notabil, începând cu ∼180 ms înainte de efectuarea saccadei, această activitate legată de mișcare nu a fost afectată de identitatea stimulului la fovea (linia neagră groasă pe axa x, Fig. 5A; P < 0.01, teste t perechi în fiecare milisecundă). Privind activitatea în fereastra 100-ms care precede sacada, nu a existat nicio diferență semnificativă în răspuns în funcție de ceea ce se afla în prezent la fovea (P = 0.978, testul Wilcoxon signed-rank; n = 138; Fig. 5B), iar acest lucru a fost valabil chiar și în subgrupul de neuroni care a arătat un efect semnificativ al identității obiectului la fovea în analiza ANOVA descrisă mai sus (P = 0.801; n = 71). În plus, metricile sacadelor au fost similare în ambele cazuri (detaliile sunt furnizate în Rezultatele SI). Astfel, în timpul premergător saccadei, identitatea stimulului la fovea nu mai afectează activitatea legată de mișcare sau mișcarea în sine, iar identitatea stimulului care va ajunge la fovea începe să aibă un efect asupra răspunsurilor în alte locații îndepărtate de obiectivul saccadei (așa cum se arată în Fig. 3A).

.