Coding of grip type and action goal in premotor and parietal grasping neurons

Abstract

Per raggiungere e afferrare è necessario un complesso sistema neuronale per trasformare le proprietà fisiche degli oggetti in atti motori appropriati ad interagire con essi, e per organizzare questi atti in azioni finalizzate al conseguimento di uno scopo finale. Precedenti studi hanno indagato il contributo che singoli neuroni parietali e premotori possono fornire alla codifica del tipo di prensione da utilizzare per l’afferramento o dello scopo finale dell’azione in cui l’atto di afferramento è incluso. Tuttavia, nessun lavoro ha mai preso in considerazione se e come questi aspetti cruciali per l’organizzazione dell’azione possano essere codificati simultaneamente a livello di singolo neurone. In questo studio abbiamo registrato neuroni di afferramento dall’area parietale inferiore PFG e dall’area premotoria ventrale F5 di tre scimmie, mentre esse eseguivano semplici azioni “prendere per mangiare” e “prendere per piazzare”, ciascuna utilizzando almeno due tipi diversi di prensione per afferrare l’oggetto bersaglio (un pezzo di cibo o un oggetto). I risultati hanno mostrato che, in entrambe le aree, circa il 40% dei neuroni registrati codificano il tipo di prensione utilizzato per l’afferramento, indipendentemente dallo scopo finale dell’azione. Un numero inferiore di cellule (15% in F5 e 12% in PFG) è invece selettivo per lo scopo d’azione, indipendentemente dal tipo di prensione utilizzato per compiere l’afferramento. Infine, il 27% dei neuroni presenta un effetto combinato di entrambe le variabili. Le analisi di popolazione hanno dimostrato inoltre che la selettività per il tipo di prensione è generalmente maggiore di quella per lo scopo d’azione. La diversa eccitabilità elettrica e i pattern di connessioni delle aree F5 e PFG indicano che le loro proprietà funzionali simili potrebbero contribuire in modo diverso all’organizzazione delle azioni finalizzate. Questi risultati suggeriscono inoltre che lo scopo finale, ossia il “perché” di un’azione, possa interagire con la codifica di “come” gli atti motori che la compongono debbano essere eseguiti anche livello di singoli neuroni nella corteccia parietale inferiore e premotora ventrale.

Reaching and grasping require a complex neuronal system for turning objects physical properties into the appropriate motor acts for interacting with them, and to organize these acts into actions aimed at achieving a specific final behavioural goal. Previous studies investigated the relative contribution provided by single parietal and premotor neurons to the encoding of the grip type which had to be employed for grasping, or the final goal of the whole action in which the grasping act was embedded. However, no study has attempted to verify whether and how these aspects, which are crucial for action organization, could be simultaneously encoded at the single neuron level. In this study we recorded grasping neurons from the inferior parietal area PFG and the ventral premotor area F5 of three monkeys when they were performing simple “grasp-to-eat” and “grasp-to-place” actions, by using at least two distinct types of grip for each one. Results showed that, in both areas, about 40% of the recorded neurons encode the type of grip used for grasping, regardless of the final action goal. A lower number of cells (15% in area F5 and 12% in PFG) was, in contrast, selective only for the action goal, regardless of the type of grip employed for grasping the target. Finally, 27% of the recorded neurons showed an interaction effect of both grip type and action goal. Population analyses also showed that the selectivity for the type of grip is generally higher than that for the action final goal. The differences in terms of electrical excitability and patterns of connections between areas F5 and PFG indicate that their similar functional properties could differently contribute to the organization of intentional goal directed actions. These results also suggest that the final goal, that is the “why” of an action, and the type of grip, that is “how” its motor acts have to be performed, can interact even at the single neuron level in the inferior parietal and ventral premotor cortices.