Resultados

Para probar la hipótesis de que las propiedades del estímulo en la fóvea afectan a las respuestas de las neuronas del FEF, entrenamos a dos monos (Maccaca mulatta) para que buscaran un objetivo moviendo libremente sus ojos entre 10 objetos (Fig. 1A). Mientras los monos realizaban la tarea de búsqueda de alimento, registramos la actividad de las neuronas individuales del FEF utilizando electrodos extracelulares. Cinco objetivos potenciales (T; forma de T) y cinco distractores (forma de +) se dispusieron en la pantalla de forma que cuando el animal miraba a uno de los objetos, no podía haber más de otro objeto en la RF (círculo grande en la Fig. 1A). Una T estaba cargada con una recompensa, que los animales recibían si la fijaban durante 500 ms. Dado que los distractores nunca proporcionaban ninguna recompensa, los animales tendían a buscar entre las T, fijando cada una durante unos 600 ms hasta que encontraban el objetivo y recibían la recompensa (17). Las fijaciones de los distractores fueron escasas (menos del 5% de las fijaciones) y fueron significativamente (P = 8,70 × 10-158, prueba t pareada; n = 231) y sustancialmente más cortas que las fijaciones de los objetivos potenciales (613,7 ± 48,9 ms).

Estudios anteriores han demostrado que poco después del inicio de la matriz, las respuestas neuronales del FEF diferencian entre un objetivo y un distractor en el RF en tareas de búsqueda visual estándar (18, 19). Encontramos un resultado similar en nuestra población cuando apareció el array: La respuesta a un objetivo potencial en la RF (trazo oscuro, Fig. 1B) era sistemáticamente mayor que la respuesta a un distractor en la RF (trazo claro, Fig. 1B). Esta diferencia comenzó a ser consistentemente significativa ∼180 ms después del inicio de la matriz (barra negra en el eje x de la Fig. 1B; P < 0,01, prueba t pareada cada milisegundo en la función de densidad de picos). Utilizando ensayos en los que el punto de fijación fue sustituido por un estímulo y otro estímulo apareció en la RF, la respuesta media en una ventana de 150 ms que comenzaba 150 ms después del inicio de la matriz fue significativamente mayor cuando una T estaba en la RF que cuando un distractor estaba en la RF . A nivel de una sola neurona, 40 neuronas respondieron significativamente más a una T en el RF que a un distractor en el RF (P < 0,05, prueba t), mientras que sólo cuatro tuvieron una respuesta significativamente mayor al distractor, un número que está dentro de la tasa de falsos positivos.

Un efecto similar se observó cuando clasificamos los datos en función de lo que estaba en el RF y en la fóvea. La Fig. 2A muestra la respuesta media normalizada de 193 neuronas del FEF alineadas por el inicio de la matriz en función tanto de la identidad del estímulo en el RF como de la identidad del estímulo en la fóvea para fijaciones que duraron al menos 300 ms (línea discontinua vertical). Aunque la diferencia entre la respuesta a un T en la RF y la respuesta a un distractor en la RF es visible (comparar los trazos oscuros y claros en la Fig. 2A, en particular los trazos azules oscuros y claros), el resultado más obvio es la actividad mucho mayor cuando un distractor estaba en la fóvea (trazos azules) que cuando un T estaba en la fóvea (trazos verdes), que era similar a la respuesta de línea de base (línea discontinua horizontal).

Cuando comparamos las respuestas basadas en lo que estaba en la fóvea, 107 de 204 neuronas mostraron respuestas significativamente mayores cuando un distractor estaba en la fóvea que cuando un T estaba en la fóvea (P < 0,05, pruebas t; puntos azules, Fig. 2B), mientras que sólo 24 respondieron más cuando un objetivo estaba en la fóvea (puntos verdes, Fig. 2B). En toda la población de 204 neuronas, la respuesta media cuando un distractor estaba en la fóvea (22,13 ± 1,76 sp/s; ventana de 150 ms que comienza 150 ms después del inicio del array) fue significativamente mayor que cuando un T estaba en la fóvea (15,30 ± 1.21 sp/s; P = 1,64 × 10-15, prueba de rangos con signo de Wilcoxon; Fig. 2B) y la respuesta cuando un T estaba en la fóvea no era significativamente diferente de la actividad de línea base observada en los 100 ms antes del inicio del conjunto (14,25 ± 1,11 sp/s; P = 0,269). El efecto de la identidad del estímulo en la fóvea fue significativo tanto cuando una T estaba en la RF (P = 8,18 × 10-15; Fig. 2C) como cuando un distractor estaba en la RF (P = 1,41 × 10-9; Fig. 2D). Cabe destacar que tanto la diferencia de respuesta como el número de neuronas que mostraron una diferencia significativa fueron sustancialmente mayores cuando se comparó la identidad del estímulo en la fóvea (Fig. 2B) que cuando se comparó la identidad del estímulo en el RF (Fig. 1C). Así, el efecto de la identidad del estímulo en la fóvea es mucho mayor que el efecto de la identidad del estímulo en el RF.

La fuerte modulación de la respuesta neuronal por la identidad del objeto en la fóvea también se observó durante la búsqueda visual en curso. La Fig. 3A muestra la respuesta media normalizada de la población de todas las 231 neuronas durante la búsqueda en curso a partir de fijaciones de al menos 150 ms (línea discontinua vertical) y en las que había un estímulo en la fóvea y un estímulo en la RF. Para éste y los siguientes análisis, hemos agrupado las respuestas a los T y a los distractores en el RF, pero los resultados son cualitativamente similares si restringimos los análisis a una sola de las dos categorías de estímulos, como se ilustra en la Fig. 2 B-D. La respuesta cuando un distractor estaba en la fóvea (trazo azul, Fig. 3A) fue sustancial y significativamente (P = 2,34 × 10-21, prueba de rango con signo de Wilcoxon; n = 231 neuronas; Fig. 3B) mayor que cuando un T estaba en la fóvea (trazo verde, Fig. 3A). Curiosamente, esta diferencia comenzó ∼140 ms antes del inicio de la fijación (barra negra en el eje x de la Fig. 3A; P < 0,01, prueba t emparejada en cada milisegundo) y fue significativa en 100 de 231 neuronas (P < 0,05, pruebas t) y en la población en su conjunto (P = 8,17 × 10-7, prueba de rango con signo de Wilcoxon; Fig. 3C) en la ventana de 100 ms antes del inicio de la fijación. Esta es una proporción mayor de neuronas que la proporción que muestra la reubicación tradicional de la RF en el FEF (20), y sugiere que el conocimiento de la identidad del estímulo que está a punto de ser fijado afecta a una gran proporción de las neuronas en el FEF y puede ser independiente de la reubicación de la RF previamente documentada.

La modulación de la respuesta neuronal por el estímulo en la fóvea se observó en todas las clases de neuronas según la categoría de la sacada guiada por la memoria (las definiciones de las clases se proporcionan en Métodos SI). La Fig. S2 muestra los datos de la Fig. 3B para las 157 neuronas que tenían suficientes datos de mapeo de sacadas guiadas por la memoria para caracterizar las neuronas como visuales (Fig. S2A), de visuomovimiento (Fig. S2B) o de movimiento (Fig. S2C). Para cada clase de neurona, encontramos que la respuesta a un estímulo en la RF era significativamente mayor cuando un distractor estaba en la fóvea que cuando un T estaba en la fóvea (todos P < 6 × 10-4, pruebas de rango con signo de Wilcoxon). Además, el porcentaje de neuronas que respondieron significativamente más cuando un distractor estaba en la fóvea que cuando un objetivo estaba en la fóvea no fue estadísticamente diferente en cada población .

Para cuantificar la magnitud del efecto de cada factor sobre la respuesta de todas las 231 neuronas, ejecutamos un modelo ANOVA sobre las respuestas neuronales de una ventana de 150 ms a partir del inicio de la fijación utilizando la identidad del objeto en la fóvea y la identidad del objeto en la RF como variables fijas y la identidad de la neurona como variable aleatoria. La identidad de la neurona es un identificador asociado a cada neurona. La incluimos como variable aleatoria para tener en cuenta la capacidad de respuesta global de la neurona; de este modo, el ANOVA puede tratar con respuestas no normalizadas entre neuronas con diferentes ganancias y variaciones de respuesta. El único factor fijo significativo fue la identidad del objeto en la fóvea (P = 0,00054). La magnitud de este factor fue aproximadamente 30 veces más fuerte que el factor que representa la identidad del objeto en la RF (3,413 comparado con 0,113) y no hubo una interacción lineal significativa entre los factores fijos (P = 0,97). Obsérvese que el efecto de la identidad del estímulo en el RF es considerablemente más débil en la búsqueda visual en curso en comparación con el inicio del array. Esto se debe a cierta heterogeneidad en las respuestas al estímulo en la RF en la búsqueda continua. A nivel de una sola neurona, 110 (51%) neuronas mostraron un efecto significativo de la identidad del objeto en la fóvea, en comparación con sólo 38 (18%) de las neuronas con efecto en la RF. Sólo unas pocas neuronas mostraron alguna interacción entre las variables fijas (valor absoluto medio de los coeficientes ANOVA para todas las neuronas = 1,339).

Para comprobar si el gran efecto de la identidad del objeto en la fóvea puede representar un cambio en la ganancia de respuesta, observamos dos pares de condiciones en las que comparamos la respuesta a un objeto en la RF (Fig. 3D) o la actividad cuando no había nada en la RF (Fig. 3E) en función de la identidad del objeto en la fóvea. Si el aumento de la actividad se debe a un aumento consistente de la ganancia, entonces la actividad debería estar correlacionada, con una pendiente que es significativamente diferente de 1 y con pendientes que son las mismas tanto si un estímulo estaba en el RF como si no. Encontramos que tanto si un estímulo estaba en la RF como si no, la actividad cuando un distractor estaba en la fóvea era un poco más de 1,2 veces mayor que cuando un T estaba en la fóvea, con pendientes de mejor ajuste de 1,23 ± 0,079 (P = 8,1 × 10-82, R2 = 0,81) con un objeto en la RF (Fig. 3D) y 1,26 ± 0,081 (P = 4,9 × 10-90, R2 = 0,84) sin nada en la RF (Fig. 3E). Los interceptos de los ajustes fueron cercanos al origen (3,57 ± 2,26 sp/s con un objeto en la RF y 1,17 ± 1,88 sp/s sin nada en la RF), lo que demuestra que la diferencia de actividad podría deberse fácilmente a un cambio de ganancia. Para confirmar que esto no se debía enteramente a la capacidad de respuesta general de las neuronas individuales, trazamos la relación de la actividad con un distractor en la fóvea dividida por la actividad con una T en la fóvea para las condiciones en las que había un objeto en el RF o nada en el RF (Fig. 3F). Las proporciones en las dos condiciones estaban correlacionadas (P = 0,0081), pero, lo que es más importante, la mayoría de las células se encuentran en un grupo en el cuadrante superior derecho (Fig. 3F), lo que significa que tienen una ganancia positiva en ambas condiciones. Si sólo observamos las neuronas que mostraron un efecto significativo de la identidad del objeto en la fóvea a partir del análisis ANOVA descrito en el párrafo anterior, entonces el 75,2% (82 de 109) se encuentran en el cuadrante superior derecho (Fig. 3F) y la correlación es mucho más fuerte (P = 2,35 × 10-6, R2 = 0,189), con una pendiente de 1,03 ± 0,41 y un intercepto de 0,73 ± 0,81. Por lo tanto, los datos son consistentes con la hipótesis de que la identidad del estímulo en la fóvea cambia la ganancia de la respuesta neuronal y que este cambio de ganancia es relativamente consistente entre las neuronas y las sesiones y es independiente de la capacidad de respuesta general de cada neurona.

Proponemos que la reducida respuesta observada cuando una T está en la fóvea se debe a un mecanismo que suprime las respuestas en toda la representación periférica en la FEF, minimizando así la posibilidad de que se genere una sacada cuando la fijación debería mantenerse. Hemos demostrado previamente que los animales raramente fijan las T previamente examinadas (menos del 5% de las fijaciones), lo que no les dará una recompensa (17). Dado que las duraciones de fijación de los T previamente fijados son bimodales (Fig. 4A), podemos probar nuestra hipótesis examinando las respuestas durante los dos tipos de fijación. Si la respuesta reducida que se observa cuando el animal fija una T se debe a una entrada supresiva destinada a evitar que el animal siga adelante, entonces deberíamos ver una supresión cuando el animal fovea una T previamente fijada durante una larga duración (>350 ms; línea discontinua vertical en la Fig. 4A), aunque debería saber que no obtendrá una recompensa del estímulo. Del mismo modo, deberíamos ver una respuesta fuerte, similar a la que se produce cuando el distractor está en la fóvea, si el animal sólo fovea la T previamente fijada durante una corta duración (<350 ms). Alternativamente, si la modulación de la respuesta se debe puramente a la identidad del estímulo en la fóvea, entonces predeciríamos que la duración de la fijación no debería afectar a la respuesta cuando se fija una T previamente vista.

La Fig. 4B muestra la respuesta de las neuronas a un T previamente fijado en la fóvea para duraciones de fijación largas y cortas, así como la respuesta media a un distractor y a un T no visto en la fóvea (líneas sin barras de error). Todos los datos proceden de ensayos con fijaciones que duraron más de 150 ms (línea discontinua vertical en la Fig. 4B). En las fijaciones en las que los animales fovearon la T previamente fijada durante más de 350 ms, la respuesta se suprimió a un nivel que no fue significativamente diferente de la respuesta cuando una T no vista estaba en la fóvea (P = 0,406, prueba de rango con signo de Wilcoxon; n = 207; ventana de 100 ms que comienza 50 ms después del inicio de la fijación; Fig. 4C). Para las fijaciones de corta duración, la respuesta fue significativamente mayor que para las de mayor duración (P = 8,32 × 10-19) y fue estadísticamente indistinguible de la respuesta cuando un distractor estaba en la fóvea (P = 0,165, prueba de rango con signo de Wilcoxon; Fig. 4D). Esto es coherente con nuestra hipótesis de que las respuestas en la FEF se suprimen cuando el animal mantiene la fijación durante períodos más largos.

Todos los análisis presentados hasta ahora utilizaron las respuestas alineadas por el inicio de la fijación cuando los animales hicieron una sacada lejos de la RF de la neurona. En consonancia con estudios anteriores, cuando los animales hicieron una sacada hacia el RF, la respuesta de la población aumentó hasta los niveles más altos que medimos (Fig. 5A). En particular, a partir de ∼180 ms antes de que se realizara la sacada, esta actividad relacionada con el movimiento no se vio afectada por la identidad del estímulo en la fóvea (línea negra gruesa en el eje x, Fig. 5A; P < 0,01, pruebas t pareadas cada milisegundo). Si se observa la actividad en la ventana de 100 ms que precede a la sacada, no hubo diferencias significativas en la respuesta en función de lo que estaba actualmente en la fóvea (P = 0,978, prueba de rango con signo de Wilcoxon; n = 138; Fig. 5B), y esto fue cierto incluso en el subconjunto de neuronas que mostraron un efecto significativo de la identidad del objeto en la fóvea en el análisis ANOVA descrito anteriormente (P = 0,801; n = 71). Además, las métricas de las sacadas fueron similares en ambos casos (los detalles se proporcionan en Resultados SI). Por lo tanto, en el tiempo que precede a la sacada, la identidad del estímulo en la fóvea ya no afecta a la actividad relacionada con el movimiento o al propio movimiento, y la identidad del estímulo que acabará en la fóvea empieza a tener un efecto sobre las respuestas en otras localizaciones alejadas del objetivo de la sacada (como se muestra en la Fig. 3A).