Visual attention and decision-making in macaque monkeys : an electrophysiological study

Abstract

Nella vita di tutti i giorni l’interazione con il mondo esterno è mediata da diverse funzioni cognitive, spesso guidate dall’informazione visiva raccolta attraverso i movimenti oculari. Questa informazione viaggia verso la corteccia visiva primaria (V1) ma raggiunge anche strutture sottocorticali, come collicolo superiore (SC) e pulvinar, che sembrano essere fondamentali nel mediare l’elaborazione dell’informazione visiva in associazione con V1. La via retino-tettale-pulvinar garantisce una forma di visione V1-indipendente. Molti studi sperimentali hanno dimostrato un coinvolgimento di queste due strutture nel controllare e guidare i movimenti di raggiungimento e i movimenti saccadici degli occhi, così come nei processi cognitivi, quali attenzione visiva spaziale e presa di decisione. Qui, questi processi cognitivi sono investigati in due macachi usando diversi task comportamentali, in cui sono presentati stimoli visivi appartenenti a diverse categorie. Considerando ciò che è noto in letteratura, ipotizziamo che la categoria degli stimoli, l’effettore usato nelle risposte motorie (ovvero occhio o mano) e la richiesta attenzionale associata ai task, potrebbe guidare e modulare la performance comportamentale e l’attività neuronale. Per investigare questa ipotesi, è stata registrata l’attività neuronale di SC e pulvinar insieme alla risposta comportamentale, permettendo di studiare le proprietà visuomotorie e l’attività associata dei neuroni situati nelle strutture investigate. L’analisi del comportamento ha mostrato che 1) l’effettore usato (occhio versus mano) influenza la velocità della risposta comportamentale, 2) la categoria (non rilevante per il task) a cui lo stimolo appartiene influenza i tempi di reazione (RTs), e 3) la posizione dello stimolo nel campo visivo incide sulla latenza della sua detezione. Inoltre, l’analisi preliminare eseguita sulle risposte neuronali ci ha permesso di osservare che l’attività dei neuroni di SC e pulvinar sembra essere fortemente influenzata da questi tre fattori, suggerendo che loro giocano un ruolo nel selezionare il target visivo e guidare movimenti saccadici e di raggiungimento anche quando il soggetto deve scegliere tra due stimoli.

In everyday life, the interaction with the external world is mediated by different cognitive functions, often guided by the visual information collected through eye movements. This information travels towards the primary visual cortex (V1) but it reaches also subcortical structures, such as the superior colliculus (SC) and pulvinar, which seem to be fundamental in mediating the processing of visual information in association with V1. The retino-tectal-pulvinar pathway can provide, in addition, a form of V1-indipendent vision. Several studies have demonstrated an involvement of these two structures in controlling and guiding reaching and saccadic eye movements, as well as in cognitive processes such as visuo-spatial attention and decision-making. Here, these cognitive processes are investigated in two macaque monkeys using different behavioural tasks in which visual stimuli belonging to different categories are presented. Based on existing literature, we hypothesized that the category of stimuli, the effector used for the motor responses (i.e. eye or hand) and the attentional demand associated with the tasks, could guide and modulate the behavioural performance and the neuronal activity. To investigate these hypotheses, we recorded neuronal activity of SC and pulvinar together with the behavioural response, allowing to study the visuomotor properties and the associated activity of the neurons hosted in the investigated structures. The analysis of behaviour showed that 1) the effector used (eye versus hand) influences the behavioural response speed, 2) the (task irrelevant) stimulus category influences the reaction times (RTs), and 3) the stimulus position in the visual field affects the latency of its detection. Moreover, preliminary analysis performed on neuronal responses allowed us to observe that the activity of SC and pulvinar neurons appears to be strongly affected by these three factors, suggesting that they play a role in selecting visual target and guiding saccadic and reaching movements even when the subject has to choose between two stimuli.