Resultat
För att testa hypotesen att stimulusets egenskaper vid fovea påverkar reaktionerna hos neuronerna i FEF tränade vi två apor (Maccaca mulatta) att leta efter ett mål genom att fritt röra ögonen bland 10 objekt (Fig. 1A). Medan aporna utförde sökuppgiften registrerade vi aktiviteten från enskilda FEF-neuroner med hjälp av extracellulära elektroder. Fem potentiella mål (Ts; T-form) och fem distraktorer (+-form) arrangerades på skärmen på ett sådant sätt att när djuret tittade på ett av objekten kunde inte mer än ett annat objekt befinna sig i RF (stor cirkel i fig. 1A). Ett T var laddat med en belöning, som djuren fick om de fixerade det i 500 ms. Eftersom distraktorer aldrig gav någon belöning tenderade djuren att leta bland T:s och fixera var och en av dem i cirka 600 ms tills de hittade målet och fick belöningen (17). Fixeringar av distraktorer var sällsynta (mindre än 5 % av fixeringarna) och var signifikant (P = 8,70 × 10-158, parat t-test; n = 231) och betydligt kortare än fixeringar av potentiella mål (613,7 ± 48,9 ms).
Beteendeuppgift och respons från FEF-neuronerna. (A) Exempel på stimulusarrangemang i foraging-uppgiften, där fem potentiella mål (T) och fem distraktorer (+) presenterades. En T hade en flytande belöning kopplad till sig, så att när apan tittade på den i 500 ms fick den belöningen när den tittade på den. Stimuli var arrangerade så att när man tittade på ett stimulus (liten cirkel) var ett annat stimulus centrerat i FEF-neuronens RF (stor cirkel). (B) Normaliserade funktioner för populationens spiktäthet där ett T (mörkgrått spår) eller en distraktor (D; ljusgrått spår) befann sig i neuronens RF och djuret gjorde en saccad bort från RF. Tjockleken på spåren representerar SEM, där N är antalet neuroner i populationen. Det tjocka svarta spåret på x-axeln representerar tidpunkter då de två spåren var signifikant olika (P < 0,01, parat t-test varje millisekund). (C) Genomsnittliga svar från de 195 FEF-neuronerna som medelvärde under ett fönster på 150 ms som börjar 150 ms efter det att matrisen började. Varje punkt representerar aktiviteten hos en enskild cell där ett T fanns i RF jämfört med fixeringar där ett D fanns i RF. Aktiviteten i spridningen plottas som kvadratroten av spikfrekvensen för bättre visualisering.
Premiärstudier har visat att FEF-neuronala reaktioner strax efter att arrayen startar gör skillnad mellan ett mål och en distraktor i RF i vanliga visuella sökuppgifter (18, 19). Vi fann ett liknande resultat i vår population när arrayen dök upp: Svaret på ett potentiellt mål i RF (mörkt spår, fig. 1B) var konsekvent högre än svaret på en distraktor i RF (ljust spår, fig. 1B). Denna skillnad började bli konsekvent signifikant ∼180 ms efter det att matrisen började (svart stapel på x-axeln i fig. 1B; P < 0,01, parat t-test varje millisekund på spiktäthetsfunktionen). Med hjälp av försök där fixeringspunkten ersattes av ett stimulus och ett annat stimulus dök upp i RF, var den genomsnittliga responsen i ett 150 ms fönster som startade 150 ms efter att arrayen börjat signifikant större när en T var i RF än när en distraktor var i RF . På nivån för enskilda neuroner svarade 40 neuroner signifikant mer på ett T i RF än på en distraktor i RF (P < 0,05, t-test), medan endast fyra hade ett signifikant större svar på distraktorn, ett antal som ligger inom den falskt positiva frekvensen.
En liknande effekt sågs när vi sorterade data baserat på vad som fanns i RF och vid fovea. Fig. 2A visar den genomsnittliga normaliserade responsen hos 193 FEF-neuroner som är inriktade på arraystart som en funktion av både stimulusidentitet i RF och stimulusidentitet vid fovea för fixeringar som varade minst 300 ms (vertikal streckad linje). Även om skillnaden mellan svaret på ett T i RF och svaret på en distraktor i RF är synlig (jämför mörka och ljusa spår i fig. 2A, särskilt de mörka och ljusblå spåren), är det mer uppenbara resultatet den mycket högre aktiviteten när en distraktor befann sig vid fovean (blå spår) än när ett T befann sig vid fovean (gröna spår), vilket liknade baslinjesvaret (horisontell streckad linje).
(A) Genomsnittliga normaliserade svar från 193 FEF-neuroner som är inriktade på arraystart som en funktion av både stimulusidentitet i RF och stimulusidentitet vid fovea (fov) för fixeringar som varade minst 300 ms (vertikal streckad linje) och för vilka den följande saccaden gjordes bort från RF. Blå spår representerar en distraktor (D) vid fov, gröna spår representerar en T vid fov, mörka spår representerar en T i RF och ljusa spår representerar en D i RF. Den horisontella streckade linjen anger det genomsnittliga svaret före start av arrayen, och tjockleken på spåren representerar SEM, där N är antalet neuroner i populationen. (B-D) Genomsnittliga svar från FEF-neuronerna under ett fönster på 150 ms som börjar 150 ms efter att matrisen startat. Varje punkt representerar aktiviteten hos en enskild cell när en D var vid fov, plottat mot aktiviteten när en T var vid fov under förhållanden där alla stimulus var i RF (B), en T var i RF (C) och en D var i RF (D). Blå punkter anger neuroner som hade en signifikant högre respons när en D var vid fov, och gröna punkter anger neuroner som hade en signifikant högre respons när en T var vid fov (P < 0,05, t-test). sqrt(sp/s), kvadratroten av spikfrekvensen.
När vi jämförde svaren baserat på vad som fanns vid fovean visade 107 av 204 neuroner signifikant högre svar när en distraktor fanns vid fovean än när en T fanns vid fovean (P < 0,05, t-test; blå punkter, fig. 2B), medan endast 24 reagerade mer när ett mål fanns vid fovean (gröna punkter, fig. 2B). I hela populationen av 204 neuroner var det genomsnittliga svaret när en distraktor var vid fovea (22,13 ± 1,76 sp/s; 150 ms fönster som börjar 150 ms efter arraystart) signifikant större än när en T var vid fovea (15,30 ± 1.21 sp/s; P = 1,64 × 10-15, Wilcoxon signed-rank test; Fig. 2B) och svaret när en T var vid fovea skiljde sig inte signifikant från den baslinjeaktivitet som sågs under 100 ms före arraystart (14,25 ± 1,11 sp/s; P = 0,269). Effekten av stimulusidentitet vid fovea var signifikant både när ett T fanns i RF (P = 8,18 × 10-15; fig. 2C) och när en distraktor fanns i RF (P = 1,41 × 10-9; fig. 2D). Det är värt att notera att både svarsskillnaden och antalet neuroner som uppvisade en signifikant skillnad var betydligt större när man jämförde stimulusets identitet vid fovea (fig. 2B) än när man jämförde stimulusets identitet i RF (fig. 1C). Effekten av stimulusets identitet vid fovea är således mycket större än effekten av stimulusets identitet i RF.
Den starka moduleringen av neuronsvaret av objektets identitet vid fovea observerades också under pågående visuell sökning. Figur 3A visar det genomsnittliga normaliserade svaret till populationen av alla 231 neuroner under pågående sökning från fixeringar på minst 150 ms (vertikal streckad linje) och där det fanns ett stimulus vid fovea och ett stimulus i RF. För denna och följande analyser har vi sammanfört svaren på Ts och distraktorer i RF, men resultaten är kvalitativt likartade om vi begränsar analyserna till endast en av de två stimuluskategorierna, vilket illustreras i fig. 2 B-D. Svaret när en distraktor befann sig vid fovea (blått spår, fig. 3A) var väsentligt och signifikant (P = 2,34 × 10-21, Wilcoxon signed-rank test; n = 231 neuroner; fig. 3B) högre än när en T befann sig vid fovea (grönt spår, fig. 3A). Intressant nog började denna skillnad ∼140 ms före fixeringsstart (svart stapel på x-axeln i fig. 3A; P < 0,01, parat t-test vid varje millisekund) och var signifikant i 100 av 231 neuroner (P < 0,05, t-test) och i populationen som helhet (P = 8,17 × 10-7, Wilcoxon signed-rank-test; fig. 3C) i fönstret på 100 ms före fixeringsstart. Detta är en större andel neuroner än den andel som visar traditionell RF-remapping i FEF (20), och det tyder på att kunskapen om identiteten hos det stimulus som är på väg att fixeras påverkar en stor andel av neuronerna i FEF och kan vara oberoende av tidigare dokumenterad RF-remapping.
(A) Genomsnittliga normaliserade svar från 221 neuroner under pågående sökning från fixeringar på minst 150 ms (vertikal streckad linje) när en distraktor (D; blått) eller en potentiell T (grönt) befann sig vid fovean och där den följande saccaden skulle gå bort från RF. Den horisontella streckade linjen anger det genomsnittliga svaret före start av arrayen, och tjockleken på spåren representerar SEM, där N är antalet neuroner i populationen. Det tjocka svarta spåret på x-axeln representerar tidpunkter då de två spåren var signifikant olika (P < 0,01, parat t-test varje millisekund). Den obearbetade populationsresponsen illustreras i fig. S1. Genomsnittliga svar från enskilda FEF-neuroner på ett D vid fovean (fov) jämfört med ett T vid fovan visas under ett 100 ms fönster som börjar 50 ms efter fixeringsstart (B) eller 100 ms före fixeringsstart (C). Blå punkter visar neuroner som hade en signifikant högre respons när en D var vid fov, och gröna punkter visar neuroner som hade en signifikant högre respons när en T var vid fov (P < 0,05, t-test). sqrt(sp/s), kvadratroten av spikfrekvensen. Data visas separat för varje neuronklass i fig. S2. Medelaktiviteten hos enskilda FEF-neuroner till ett D vid fov jämfört med ett T vid fov visas under ett fönster på 100 ms som börjar 50 ms efter fixeringsstart med ett objekt i RF (D) eller utan objekt i RF (E). Data visas som sqrt(sp/s)-enheter i fig. S3. (F) Förhållandet mellan aktiviteten med ett D vid fov dividerat med svaret med ett T vid fovea för förhållanden där ett objekt fanns i RF eller ingenting fanns i RF.
Moduleringen av neuronsvaret av stimulus vid fovea sågs i alla klasser av neuroner som kategoriserades i den minnesstyrda saccaden (klassdefinitioner finns i SI Metod). I figur S2 visas data från figur 3B för de 157 neuronerna som hade tillräckliga data för kartläggning av minnesstyrd saccad för att karakterisera neuronerna som visuella (figur S2A), visuell rörelse (figur S2B) eller rörelse (figur S2C) neuronerna. För varje neuronklass fann vi att svaret på ett stimulus i RF var signifikant större när en distraktor fanns vid fovea än när en T fanns vid fovea (alla P < 6 × 10-4, Wilcoxon signed-rank-test). Dessutom var andelen neuroner som svarade signifikant mer när en distraktor var vid fovea än när ett mål var vid fovea inte statistiskt annorlunda i varje population .
För att kvantifiera storleken på effekten av varje faktor på responsen hos alla 231 neuroner körde vi en ANOVA-modell på de neuronala responserna från ett fönster på 150 ms som började vid fixeringsstart med identiteten hos objektet vid fovea och identiteten hos objektet i RF som fasta variabler och neuronidentiteten som slumpmässig variabel. Neuronidentitet är en identifierare som är kopplad till varje neuron. Vi inkluderade detta som en slumpmässig variabel för att ta hänsyn till neuronens övergripande responsivitet; på detta sätt kan ANOVA:n hantera icke-normaliserade responser över neuroner med olika responsförstärkningar och variationer. Den enda signifikanta fasta faktorn var identiteten på objektet vid fovea (P = 0,00054). Storleken på denna faktor var ungefär 30 gånger starkare än den faktor som representerade objektets identitet i RF (3,413 jämfört med 0,113) och det fanns ingen signifikant linjär interaktion mellan de fasta faktorerna (P = 0,97). Observera att effekten av stimulusidentiteten i RF är betydligt svagare vid pågående visuell sökning jämfört med arraystart. Detta beror på en viss heterogenitet i svaren på stimulus i RF vid pågående sökning. På nivån för enskilda neuron visade 110 (51 %) neuroner en signifikant effekt av objektidentitet vid fovea, jämfört med endast 38 (18 %) av neuronerna med RF-effekt. Endast ett fåtal neuroner visade någon interaktion mellan de fasta variablerna (genomsnittligt absolut värde av ANOVA-koefficienterna för alla neuroner = 1,339).
För att testa om den stora effekten av objektidentitet vid fovea kan representera en förändring i responsförstärkning tittade vi på två par förhållanden där vi jämförde responsen på ett objekt i RF (Fig. 3D) eller aktiviteten när inget fanns i RF (Fig. 3E) som funktion av objektidentiteten vid fovea. Om aktivitetsökningen beror på en konsekvent förstärkningsökning bör aktiviteten vara korrelerad, med en lutning som skiljer sig signifikant från 1 och med lutningar som är desamma oavsett om ett stimulus fanns i RF eller inte. Vi fann att oavsett om ett stimulus fanns i RF eller inte var aktiviteten när en distraktor fanns vid fovean lite mer än 1,2 gånger större än när ett T fanns vid fovean, med bäst anpassade lutningar på 1,23 ± 0,079 (P = 8,1 × 10-82, R2 = 0,81) med ett objekt i RF (Fig. 3D) och 1,26 ± 0,081 (P = 4,9 × 10-90, R2 = 0,84) med ingenting i RF (Fig. 3E). Intercepten för anpassningarna låg nära ursprunget (3,57 ± 2,26 sp/s med ett objekt i RF och 1,17 ± 1,88 sp/s med ingenting i RF), vilket visar att skillnaden i aktivitet lätt kan bero på en förstärkningsändring. För att bekräfta att detta inte helt och hållet berodde på enskilda neuroners övergripande responsivitet plottade vi förhållandet mellan aktiviteten med en distraktor vid fovea dividerat med aktiviteten med ett T vid fovea för förhållanden där ett objekt fanns i RF eller ingenting fanns i RF (fig. 3F). Förhållandena i de två förhållandena var korrelerade (P = 0,0081), men ännu viktigare är att majoriteten av cellerna ligger i ett kluster i den övre högra kvadranten (Fig. 3F), vilket innebär att de har en positiv förstärkning i båda förhållandena. Om vi bara tittar på neuroner som visade en signifikant effekt av objektidentitet vid fovea från ANOVA-analysen som beskrivs i föregående stycke, ligger 75,2 % (82 av 109) i den övre högra kvadranten (fig. 3F) och korrelationen är mycket starkare (P = 2,35 × 10-6, R2 = 0,189), med en lutning på 1,03 ± 0,41 och ett intercept på 0,73 ± 0,81. Således överensstämmer data med hypotesen att identiteten hos stimulus vid fovea förändrar förstärkningen av neuronsvaret och att denna förstärkningsförändring är relativt konsekvent mellan neuronerna och sessionerna och är oberoende av varje neurons totala responsivitet.
Vi föreslår att den minskade responsen som ses när ett T är vid fovean beror på en mekanism som undertrycker responsen i hela den perifera representationen i FEF, vilket minimerar chansen att en saccad genereras när fixeringen bör bibehållas. Vi har tidigare visat att djuren sällan fixerar tidigare undersökta Ts (mindre än 5 % av fixeringarna), vilket inte kommer att ge dem någon belöning (17). Eftersom fixeringstiden för tidigare fixerade Ts är bimodal (Fig. 4A) kan vi testa vår hypotes genom att undersöka reaktionerna under de två typerna av fixering. Om den minskade respons som ses när djuret fixerar ett T beror på en undertryckande input som syftar till att hindra djuret från att gå vidare, borde vi se undertryckning när djuret ser ett tidigare fixerat T under lång tid (>350 ms; vertikal streckad linje i fig. 4A), trots att det borde veta att det inte kommer att få någon belöning från stimulus. På samma sätt bör vi se en stark respons, liknande den när distraktorn befinner sig vid fovean, om djuret endast fovear det tidigare fixerade T under en kort tid (<350 ms). Alternativt, om responsmoduleringen enbart beror på stimulusets identitet vid fovean, skulle vi förutsäga att fixeringstiden inte bör påverka responsen när ett tidigare sett T fixeras.
(A) Fördelning av fixeringslängder när ett tidigare fixerat T (sett T) befann sig vid fovean. (B) Genomsnittliga normaliserade svar från 224 neuroner under pågående sökning från fixeringar på minst 150 ms (vertikal streckad linje) när ett tidigare fixerat T var vid fovean (fov) i <350 ms eller ≥350 ms eller ett ofixerat mål eller en distraktor var vid fovan. Tjockleken på spåren representerar SEM, där N är antalet neuroner i populationen. Det tjocka svarta spåret på x-axeln representerar tidpunkter då de två sedda T-spåren var signifikant olika (P < 0,01, parat t-test varje millisekund). D, distraktor. (C) Genomsnittliga svar från enskilda FEF-neuroner på en D vid fov jämfört med en tidigare fixerad T (fixering ≥ 350 ms) under ett fönster på 100 ms som börjar 50 ms efter fixeringsstart med ett objekt i RF. (D) Genomsnittliga svar från enskilda FEF-neuroner på en osedd T vid fov jämfört med en tidigare fixerad T (fixering < 350 ms) under ett 100 ms fönster som börjar 50 ms efter fixeringens början med ett objekt i RF. sqrt(sp/s), kvadratroten av spikfrekvensen.
Fig. 4B visar neuronernas respons på ett tidigare fixerat T vid fovea för långa och korta fixeringslängder, samt den genomsnittliga responsen på en distraktor och ett osynligt T vid fovea (linjer utan felstaplar). Alla data är från försök med fixeringar som varade i mer än 150 ms (vertikal streckad linje i fig. 4B). Vid fixeringar där djuren foveade det tidigare fixerade T i mer än 350 ms undertrycktes svaret till en nivå som inte skilde sig signifikant från svaret när ett osynligt T befann sig vid fovean (P = 0,406, Wilcoxon signed-rank test; n = 207; 100 ms fönster som börjar 50 ms efter fixeringens början; fig. 4C). För fixeringar med kort varaktighet var svaret signifikant högre än för längre varaktighet (P = 8,32 × 10-19) och var statistiskt sett omöjlig att skilja från svaret när en distraktor fanns vid fovean (P = 0,165, Wilcoxon signed-rank test; fig. 4D). Detta stämmer överens med vår hypotes att svaren i FEF undertrycks när djuret bibehåller fixering under längre tid.
Alla analyser som presenterats hittills använde sig av svaren som anpassats av fixeringens början när djuren gjorde en saccad bort från neuronens RF. I överensstämmelse med tidigare studier, när djuren gjorde en saccad till RF, ökade responsen hos populationen till de högsta nivåerna som vi mätte (fig. 5A). Noterbart är att med början ∼180 ms innan saccaden gjordes påverkades inte denna rörelserelaterade aktivitet av stimulusets identitet vid fovean (tjock svart linje på x-axeln, fig. 5A; P < 0,01, parade t-test varje millisekund). Om man tittar på aktiviteten i fönstret på 100 ms som leder fram till saccaden fanns det ingen signifikant skillnad i responsen som en funktion av vad som för tillfället fanns vid fovean (P = 0,978, Wilcoxon signed-rank test; n = 138; Fig. 5B), och detta gällde även i den delmängd neuroner som uppvisade en signifikant effekt av objektidentitet vid fovean i ANOVA-analysen som beskrivs ovan (P = 0,801; n = 71). Dessutom var saccadmetrikerna likartade i båda fallen (detaljer finns i SI Results). Under tiden före saccaden påverkar således identiteten hos stimulus vid fovea inte längre den rörelserelaterade aktiviteten eller själva rörelsen, och identiteten hos det stimulus som kommer att hamna vid fovea börjar ha en effekt på reaktioner på andra platser bort från saccademålet (vilket visas i fig. 3A).
(A) Genomsnittliga normaliserade svar från 221 neuroner under pågående sökning som anpassats efter saccadstart när djuret gjorde en saccad mot RF. Tjockleken på spåren representerar SEM, där N är antalet neuroner i populationen. Det tjocka svarta spåret på x-axeln representerar tidpunkter då de två spåren var signifikant olika (P < 0,01, parat t-test varje millisekund). D, distraktor. (B) Genomsnittliga svar från enskilda FEF-neuroner på ett D vid fovean (fov) jämfört med ett T vid fovan under ett fönster på 100 ms som börjar 100 ms före saccadebegynnandet. sqrt(sp/s), kvadratroten av spikfrekvensen.