Neurophysiological mechanisms of visual attention control by the prefrontal cortex

Abstract

The present PhD thesis examines the neural mechanisms of selective visuοspatial attention and the role of the prefrontal cortex (PFC). Selective attention is central to cognition and adaptive behavior. In everyday life, we rely on instructions or knowledge of the location or features of the objects we search for in order to efficiently guide our attention. When location is the relevant instruction for the deployment of our attention, we refer to spatial attention, whereas when we use non-spatial features such as color, shape, size, of the relevant object, we refer to feature attention. Numerous studies have shown that attention has a profound influence on the representation of stimuli in the brain by selectively enhancing the representation of behaviorally relevant stimuli and suppressing the representation of distracting stimuli. The prefrontal cortex is considered to play a central role in this process with the frontal eye field (FEF) being a source of spatial attention signals that bias activity in visual areas in favor of attended stimuli. However, it is largely unknown whether prefrontal regions anterior to the FEF contribute to this process and through which mechanisms.To examine the role of ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC), a region anterior to the FEF, in spatial attention, we performed simultaneous extracellular recordings with multiple electrodes from vlPFC, FEF and visual area V4 in two macaques engaged in a covert spatial attention task. Monkeys were presented with an array of four gratings and were subsequently instructed by a central spatial cue to covertly attend to one of them and report its orientation using a joystick (post-cueing task). In another version of the same task, the spatial instruction was presented before the onset of the array and had to be memorized during a delay period (pre-cueing task). We recorded both spikes and local field potentials (LFPs). In the post-cueing task, following the cue onset, spiking activity is modulated by spatial attention in all areas, but spatial attention effects emerge significantly earlier in PFC compared to V4. No significant difference in the onset of spatial attention effects is found between FEF and vlPFC. Within V4, LFP power and spike-LFP coherence, two measures of oscillatory activity and neural synchrony, are significantly enhanced by spatial attention in gamma frequencies (>30 Hz) whereas they are reduced in lower frequencies (4-30 Hz). Within PFC, theta power and coherence (4-8 Hz) are significantly enhanced with shifts of attention inside the receptive field (RF). Across the two areas, phase coupling between spikes and LFPs is only established when attention is directed to the common RF both in the theta and gamma frequency bands. Results from spike-LFP coherence between V4 and PFC and a Granger causality analysis between LFPs indicate a PFC origin for theta interactions and a V4 origin for gamma interactions. Notably, attentional effects in theta and gamma V4-PFC coherence show a significant positive correlation indicating a theta–gamma band interdependence. Effects in theta band coherence emerge significantly earlier compared to the effects in the gamma band coherence suggesting that theta interactions shape the subsequent gamma enhancement. Based on these results, we suggest that the early spike-theta locked input from PFC to V4 acts as a trigger in order to bias activity of the relevant population within V4. In the absence of such an input to V4, during the condition that attention is directed outside the RF, local mechanisms within V4 seem to mediate the filtering of the distractor. Spikes and gamma oscillations within V4 are tightly locked to the phase of the theta oscillations as quantified by the increased spike-theta LFP coherence and theta–gamma phase-amplitude coupling. Stronger phase amplitude coupling during filtering of a distractor is associated with faster reaction times. Moreover, the theta phase of gamma enhancements differs between the two attention conditions in V4. Interestingly, a similar difference in the relative theta phase of LFPs across the two areas is seen between the two attention conditions. Importantly, the exact phase of theta-gamma coupling is behaviorally relevant as demonstrated by the analysis of error trials supporting the importance of the precise timing of these interactions for successful outcome. Thus, filtering of the unattended stimulus within V4 is likely mediated by three mechanisms: (a) by increased local competitive interactions expressed as an increase in theta LFP power, (b) by locally constraining spikes and gamma oscillations in time and (c) by limiting spikes and local gamma activity related to the distractor to a particular theta phase that may gate inputs to downstream areas and reduce processing downstream. During the presentation of the cue, before the onset of the array and the subsequent delay period (pre-cueing task), spiking activity and theta power in PFC are robustly modulated by spatial attention. Specifically, theta power is increased for shifts of attention inside the RF transiently during 100-400 ms after the onset of the cue. Only within this time window, activities in PFC and V4 are functionally coupled in the theta frequency band and phase delays resemble the ones observed in the post-cueing task. This finding further supports the existence of an early time window where theta interactions are maximal between PFC and V4, are driven by PFC and are related to shifts of attention inside the common RF. Moreover, spatial attention effects in the firing activity of V4 emerge before the array onset in the absence of visual stimulation showing that the spatial instruction/attention position is encoded in V4 activity even in the absence of a visual stimulus inside the RF. We suggest that this early theta interaction between PFC and V4 is crucial for biasing activity of the V4 population processing the stimulus inside the RF and overriding local mechanisms of competitive interactions within V4. Moreover, our results indicate that filtering of the distractor is largely implemented locally within V4 though lateral inhibition expressed as an increase in low frequency activity and particularly theta oscillatory activity.

Στην παρούσα διατριβή ερευνήσαμε τους νευρωνικούς μηχανισμούς ελέγχου της επιλεκτικής οπτικής και χωρικής προσοχής και το ρόλο του προμετωπιαίου φλοιού (ΠΜΦ). Η επιλεκτική προσοχή έχει σημαντικό ρόλο στις γνωσιακές λειτουργίες και την ευέλικτη συμπεριφορά. Στην καθημερινή μας ζωή, χρησιμοποιούμε οδηγίες ή την γνώση μας σχετικά με τη θέση ή άλλα χαρακτηριστικά, όπως χρώμα, σχήμα, μέγεθος, του αντικειμένου που ψάχνουμε έτσι ώστε να κατευθύνουμε την προσοχή μας σε αυτό. Όταν γνωρίζουμε εκ των προτέρων την θέση του προς αναζήτηση αντικειμένου αναφερόμαστε σε χωρική προσοχή ενώ όταν γνωρίζουμε άλλα χαρακτηριστικά του αντικειμένου αυτού αναφερόμαστε σε προσοχή σε χαρακτηριστικά. Πολυάριθμες έρευνες έχουν δείξει ότι η προσοχή επηρεάζει την νευρωνική αναπαράσταση των ερεθισμάτων είτε ενισχύοντας την αναπαράσταση των σχετικών ερεθισμάτων είτε καταστέλλοντας την αναπαράσταση των μη σχετικών ερεθισμάτων. Έχει δειχτεί ότι περιοχές του ΠΜΦ συμμετέχουν στο δίκτυο των εγκεφαλικών περιοχών που ελέγχουν την οπτική προσοχή ενώ βλάβες σε αυτόν οδηγούν σε ελλείμματα προσοχής. Τα πρόσθια οφθαλμικά πεδία, μία περιοχή του ΠΜΦ, θεωρούνται η πηγή των χωρικών σημάτων προσοχής στις οπτικές περιοχές τα οποία κατευθύνουν τον ανταγωνισμό μεταξύ των πολλαπλών ερεθισμάτων που κατακλύζουν το οπτικό μας πεδίο, προς όφελος εκείνων που αποτελούν στόχο της προσοχής μας. Παρόλα αυτά, το αν άλλες περιοχές του ΠΜΦ συνεισφέρουν στη χωρική προσοχή και μέσω ποιων μηχανισμών επηρεάζουν την επιλεκτική επεξεργασία των σχετικών με τη συμπεριφορά ερεθισμάτων δεν έχει μελετηθεί επαρκώς. Στη συγκεκριμένη διατριβή εστιάσαμε στο ρόλο του κοιλιακού-πλάγιου προμετωπιαίου φλοιού, μιας περιοχής που εντοπίζεται πρόσθια των πρόσθιων οφθαλμικών πεδίων, στη χωρική προσοχή. Για το σκοπό αυτό, καταγράψαμε εξωκυττάρια νευρωνική δραστηριότητα με συστοιχίες ηλεκτροδίων ταυτόχρονα από τον κοιλιακό-πλάγιο προμετωπιαίο φλοιό, τα πρόσθια οφθαλμικά πεδία και την οπτική περιοχή V4 από τον εγκέφαλο δύο μακάκων. Κατά την διάρκεια των πειραματικών συνεδριών, τα πειραματόζωα πραγματοποιούσαν συμπεριφορική δοκιμασία άδηλης χωρικής προσοχής. Σε αυτήν την δοκιμασία, τα πειραματόζωα πρέπει αρχικά να εστιάσουν το βλέμμα τους σε ένα κεντρικό σημείο εστίασης που εμφανίζεται στην οθόνη. Ακολουθεί η εμφάνιση τεσσάρων σχαρωτών ερεθισμάτων στην περιφέρεια γύρω από το σημείο εστίασης και στη συνέχεια η εμφάνιση της χωρικής οδηγίας που υποδεικνύει τη θέση του ερεθίσματος-στόχου (δοκιμασία ύστερης χωρικής οδηγίας). Τα πειραματόζωα πρέπει άδηλα, χωρίς την κίνηση των ματιών, να στρέψουν την προσοχή τους στο ερέθισμα στόχο, να διακρίνουν τον προσανατολισμό των γραμμών του ερεθίσματος και να τον δηλώσουν με την χρήση ενός μοχλού. Σε μία άλλη εκδοχή της ίδιας δοκιμασίας, η χωρική οδηγία προηγείται της εμφάνισης των ερεθισμάτων και ακολουθεί μία περίοδος απομνημόνευσης όπου εμφανίζεται μόνο το σημείο εστίασης. Κατά την διάρκεια αυτών των δοκιμασιών, καταγράψαμε δυναμικά ενέργειας (ΔΕ) και τοπικά δυναμικά πεδίου (ΤΔΠ).Κατά την δοκιμασία της ύστερης χωρικής οδηγίας, η νευρωνική δραστηριότητα, όπως αντανακλάται στη συχνότητα εκφόρτισης ΔΕ, αυξάνεται με στρέψη της προσοχής εντός του υποδεκτικού πεδίου (ΥΠ) ενώ παραμένει σταθερή ή μειώνεται με στρέψη της προσοχής εκτός του ΥΠ και στις τρεις περιοχές που καταγράψαμε. Αυτές οι επιδράσεις της χωρικής προσοχής προκύπτουν σημαντικά νωρίτερα στις περιοχές του ΠΜΦ συγκριτικά με την V4. Επιπλέον, εντός της V4, η φασματική ισχύς και η συνάφεια μεταξύ ΔΕ και ΤΔΠ αυξάνεται με στατιστικά σημαντικό τρόπο στις γάμμα συχνότητες (>30 Hz) ενώ μειώνεται στις χαμηλές συχνότητες (4-30 Hz) με στρέψη της προσοχής εντός του ΥΠ. Εντός του ΠΜΦ, αντίστοιχη αύξηση στη φασματική ισχύ και την ΔΕ-ΤΔΠ συνάφεια παρατηρείται στις θήτα (4-8 Hz) συχνότητες με στρέψη της προσοχής εντός του ΥΠ. Σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ΠΜΦ-V4, παρατηρείται σταθερή σχέση φάσης μεταξύ ΔΕ και ΤΔΠ στις θήτα και στις γάμμα συχνότητες με στρέψη της προσοχής εντός του ΥΠ. Οι αναλύσεις συνάφειας και αιτιότητας κατά Granger δείχνουν ότι οι αλληλεπιδράσεις στις θήτα συχνότητες εκκινούν από τον ΠΜΦ ενώ η δραστηριότητα στην V4 ευθύνεται για τις γάμμα αλληλεπιδράσεις. Οι διακυμάνσεις στη συνάρτηση συνάφειας μεταξύ ΤΔΠ των δύο περιοχών που παρατηρούνται με την προσοχή στις θήτα και γάμμα συχνότητες εμφανίζουν θετική συσχέτιση, δηλαδή αυξήσεις στις θήτα συχνότητες σχετίζονται με αυξήσεις στις γάμμα συχνότητες. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οι αυξήσεις στις θήτα συχνότητες προηγούνται χρονικά των αυξήσεων στις γάμμα συχνότητες υποδεικνύοντας ότι οι θήτα αλληλεπιδράσεις πιθανώς να επάγουν τις γάμμα αλληλεπιδράσεις. Βάσει αυτών των αποτελεσμάτων, προτείνουμε ότι η ρυθμική εκφόρτιση ΔΕ στις θήτα συχνότητες στον ΠΜΦ μετά την εμφάνιση της χωρικής οδηγίας κατευθύνει τον ανταγωνισμό υπέρ του πληθυσμού της V4 που κωδικοποιεί την σχετική θέση στο χώρο. Απουσία θήτα συγχρονισμού μεταξύ ΔΕ-και ΤΔΠ στον ΠΜΦ και της αντίστοιχης εισόδου στην V4 κατά την στρέψη της προσοχής εκτός του ΥΠ, επικρατούν νευρωνικοί μηχανισμοί που υλοποιούνται εντός της οπτικής περιοχής με στόχο το φιλτράρισμα του μη σχετικού με την συμπεριφορά ερεθίσματος. Τα ΔΕ και οι ταλαντώσεις σε γάμμα συχνότητες τείνουν να αυξάνονται σε συγκεκριμένες φάσεις των θήτα ταλαντώσεων εντός της V4 και ισχυρότερη σύζευξη της θήτα φάσης με το πλάτος της γάμμα ταλάντωσης σχετίζεται με γρηγορότερους χρόνους απόκρισης κατά την στρέψη της προσοχής εκτός του ΥΠ. Επιπλέον, η θήτα φάση στην οποία συμβαίνει η αύξηση της γάμμα δραστηριότητας διαφέρει μεταξύ των δύο συνθηκών προσοχής στην V4. Μία αντίστοιχη διαφορά στις σχετικές φάσεις μεταξύ των ΤΔΠ των δύο περιοχών στις δύο συνθήκες προσοχής παρατηρείται σε θήτα συχνότητες. Η ακριβής φάση όπου συμβαίνει η θήτα-γάμμα σύζευξη εντός της V4 είναι κρίσιμη για την επιτυχή συμπεριφορά, όπως φαίνεται από την ανάλυση που αφορά στις λανθασμένες αποκρίσεις, υπογραμμίζοντας τη σημασία του μηχανισμού που εξασφαλίζει τις ακριβείς χρονικές συσχετίσεις των σημάτων αυτών. Επομένως, το φιλτράρισμα του μη-σχετικού ερεθίσματος διαμεσολαβείται εντός της V4 από τρείς μηχανισμούς: (α) αυξημένες ανασταλτικές ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις σε τοπικό επίπεδο που εκφράζονται ως αύξηση σε ισχύ ΤΔΠ σε θήτα συχνότητες, (β) χρονικό περιορισμό των αυξήσεων της νευρωνικής δραστηριότητας όπως αυτή αντανακλάται από τα ΔΕ και τη ρυθμική δραστηριότητα σε γάμμα συχνότητες και (γ) περιορισμό των ΔΕ και της γάμμα δραστηριότητας που σχετίζεται με το μη σχετικό ερέθισμα, σε συγκεκριμένη φάση της δραστηριότητας σε θήτα συχνότητες που μπορεί να λειτουργεί αποτρεπτικά για την περαιτέρω επεξεργασία στους επόμενους σταθμούς. Στις δοκιμασίες όπου η χωρική οδηγία προηγείται της εμφάνισης των ερεθισμάτων, η νευρωνική δραστηριότητα, όπως αντανακλάται στη συχνότητα εκφόρτισης των ΔΕ και τη φασματική ισχύ στις θήτα συχνότητες, αυξάνεται με στρέψη της προσοχής εντός του ΥΠ στον ΠΜΦ μετά την εμφάνιση της χωρικής οδηγίας. Ειδικότερα, οι αυξήσεις στην δραστηριότητα στις θήτα συχνότητες λαμβάνουν χώρα μόνο 100 με 400 ms μετά την εμφάνιση της χωρικής οδηγίας και μόνο μέσα σε αυτό το χρονικό παράθυρο υπάρχει λειτουργική σύνδεση στις θήτα συχνότητες μεταξύ ΠΜΦ και V4. Το συγκεκριμένο εύρημα υποστηρίζει την ύπαρξη ενός αρχικού χρονικού παραθύρου όπου οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των περιοχών μεγιστοποιούνται και ο ΠΜΦ καθοδηγεί τις αλληλεπιδράσεις στις θήτα συχνότητες που σχετίζονται με στρέψη της προσοχής εντός του ΥΠ. Εντός, της V4, οι σχετιζόμενες με τη χωρική προσοχή διακυμάνσεις της νευρωνικής δραστηριότητας συμβαίνουν πριν από την εμφάνιση των ερεθισμάτων, υποδεικνύοντας ότι πληροφορία για την θέση της προσοχής κωδικοποιείται στη δραστηριότητα της V4 απουσία οπτικών ερεθισμάτων στο ΥΠ. Προτείνουμε ότι η αρχική σύζευξη των δραστηριοτήτων των δύο περιοχών σε θήτα συχνότητες διαμορφώνει έμμεσα ή άμεσα τη δραστηριότητα σε γάμμα συχνότητες στη V4 στον πληθυσμό που κωδικοποιεί το ερέθισμα εντός του ΥΠ, υποσκελίζοντας τοπικούς μηχανισμούς ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων εντός της V4. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι ο χρονισμός των λειτουργικών αυτών αλληλεπιδράσεων είναι κρίσιμος για την επιτυχή συμπεριφορά. Επιπλέον, τα ευρήματά μας υποστηρίζουν την άποψη ότι το φιλτράρισμα διασπαστικών ερεθισμάτων πραγματοποιείται εντός του οπτικού φλοιού πιθανότατα μέσω πλάγιας αναστολής που εκφράζεται με αύξηση της ρυθμικής δραστηριότητας σε χαμηλές συχνότητες, όπως οι θήτα συχνότητες.