Errori nella memoria di lavoro visuospaziale nello spazio e nel tempo

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Visuospazialememoria di lavoro(VSWM) coinvolge le regioni corticali lungo il percorso visivo dorsale, che sono organizzate topograficamente rispetto allo spazio visivo. Tuttavia, non è chiaro come tale organizzazione funzionale possa limitare il comportamento di VSWM nello spazio e nel tempo. Qui, abbiamo mappato sistematicamente le prestazioni VSWM attraverso lo spazio {0}}dimensionale (2D) in vari intervalli di ritenzione in soggetti umani utilizzando le attività saccade guidate dalla memoria e visivamente guidate in due esperimenti. Rispetto alle saccadi guidate visivamente, le saccadi guidate dalla memoria hanno mostrato aumenti significativi degli errori non sistematici o della variabilità della risposta, con l'aumento dell'eccentricità del bersaglio (3 gradi -13 gradi di angolo visivo). Anche gli errori non sistematici aumentavano con l'aumentare del ritardo (1,5–3 s, Esperimento 1; 0,5–5 s, Esperimento 2), mentre c'era poca o nessuna interazione tra ritardo ed eccentricità. La modellazione continua dell'attrattore di urto ha suggerito fattori di organizzazione neurofisiologica e funzionale nei crescenti errori non sistematici in VSWM nello spazio e nel tempo. Questi risultati indicano che: (1) la rappresentazione VSWM può essere limitata dalla topologia funzionale del percorso visivo per lo spazio 2D; (2) Errori non sistematici possono riflettere il rumore accumulatomantenimento della memoriamentre gli errori sistematici possono derivare da processi non mnemonici come la trasformazione sensomotoria rumorosa; (3) Potrebbero esserci meccanismi indipendenti che supportano l'elaborazione spaziale e temporale di VSWM.

EFFETTI DEL SUPPLEMENTO DI CISTANCHE: MIGLIORA LA MEMORIAY

Memoria di lavoro visuospaziale(VSWM) si riferisce al mantenimento e alla manipolazione temporanei delle informazioni visuospaziali per pianificare e guidare i comportamenti. Nonostante il suo ruolo centrale nella cognizione di ordine superiore1, VSWM mostra vari gradi di precisione. Studi più recenti hanno evidenziato l'aumento degli errori di richiamo in VSWM con set size2–4, mentre gli effetti dello spazio e del tempo sulla fedeltà VSWM e sui meccanismi neurali sottostanti rimangono poco chiari. Questo studio mirava a esaminare la variabilità delle prestazioni VSWM nello spazio e nel tempo bidimensionale (2D), utilizzando sia esperimenti comportamentali che modelli computazionali basati sulla neurofisiologia.

Precedenti studi comportamentali su esseri umani e macachi hanno scoperto che le prestazioni del VSWM durante un'attività di risposta ritardata variano a seconda delle posizioni spaziali. Sono stati osservati sia l'errore sistematico, lo spostamento delle posizioni della risposta media, sia l'errore non sistematico, la fluttuazione delle risposte attorno alla posizione media. Tuttavia, il modello comportamentale di questi errori è incoerente tra gli studi e le fonti neurali di questi errori sono sconosciute. Gli studi che utilizzano un paradigma oculomotore a risposta ritardata5 nei macachi hanno mostrato che le saccadi in luoghi ricordati mostrano una tendenza sistematica verso l'alto, con gli endpoint delle saccadi sistematicamente spostati al di sopra del target6–8. Questi studi riportano anche che sia gli errori sistematici che quelli non sistematici variano nello spazio e che questi errori sembrano aumentare con l'aumentare dell'eccentricità6–8. Al contrario, alcuni studi9 hanno mostrato una distorsione foveale che aumenta con l'eccentricità nei soggetti umani, utilizzando un compito che richiedeva il richiamo di una singola posizione del punto ricordata tramite un clic del mouse. Altri hanno trovato una distorsione del quadrante nello spaziomemoriaricordo che attraeva verso il centro del quadrante nei primati non umani10 e nell'uomo11,12. Pertanto, il modello esatto degli errori VSWM nello spazio 2D rimane poco chiaro.

Una delle principali fonti di variabilità VSWM nello spazio sono probabilmente i vincoli topografici funzionali dei substrati neurali sottostanti. Una rete distribuita di regioni corticali dorsali supporta l'elaborazione VSWM13-18, la maggior parte delle quali mostra una qualche forma di mappatura topografica dello spazio visivo. Le mappe retinotopiche sono iconiche nella corteccia visiva iniziale, dove i neuroni vicini hanno campi ricettivi in ​​posizioni spaziali adiacenti nel campo visivo19-22. Implicazioni simili sono state fatte per le regioni parietali posteriori umane, compreso il solco intraparietale o l'area intraparietale laterale23–26, e le regioni prefrontali, compreso il solco precentrale oi campi oculari frontali27–31. Poiché l'organizzazione retinotopica del sistema visivo dalla retina alle aree extrastriate non è uniforme nello spazio, può potenzialmente vincolare la rappresentazione VSWM attraverso i campi visivi e la rappresentazione nelle aree a valle.

Programma di neuroscienze integrative, Dipartimento di Psicologia, Stony Brook University, Stony Brook, NY 11794, USA.

Esistono almeno due proprietà dell'organizzazione retinotopica che possono limitare l'elaborazione e la rappresentazione delle informazioni visuospaziali attraverso lo spazio, inclusa la variazione dei fotorecettori e la densità delle cellule gangliari retiniche attraverso la retina32,33 e l'ingrandimento corticale della visione centrale34-41. Le prestazioni del VSWM, riflesse sia dalla media che dalla variabilità delle risposte, forse meno accurate per i bersagli periferici, poiché il fattore di ingrandimento corticale diminuisce e la dimensione del campo ricettivo aumenta con l'aumento delle eccentricità del bersaglio nella corteccia visiva primaria38-41. È anche incerto fino a che punto l'architettura funzionale delle aree a valle possa distorcere ulteriormente la rappresentazione VSWM attraverso i campi visivi. I neuroni nelle regioni parietali e soprattutto frontali hanno notevoli dimensioni del campo ricettivo (fino a 30 gradi di diametro) e queste regioni di ordine superiore hanno organizzazioni funzionali molto più grossolane rispetto alle aree visive42-46. Non è noto se le regioni parietali e frontali mostrino una topografia spaziale effettiva diversa da una rappresentazione emisferica approssimativamente controlaterale. Ad esempio, uno studio recente sui primati non umani ha suggerito un'organizzazione non retinotopica nella corteccia prefrontale dorsolaterale che divide grosso modo lo spazio visivo-mnemonico in quadranti10.

Figura 1. Progettazione e stimoli del compito sperimentale. Distribuzione di stimoli visivi nello spazio nell'Esperimento 1 (a) e nell'Esperimento 2 (b). Le posizioni degli stimoli durante le prove sono leggermente agitate attorno ai bersagli. Compito saccadico guidato dalla memoria (c) e compito saccadico guidato visivamente (d). Le frecce in (c) e (d) sono mostrate per illustrare la saccade guidata dalla memoria o guidata visivamente, che non vengono mostrate durante gli esperimenti reali.

La precisione di VSWM non solo varia nello spazio, ma cambia anche nel tempo. L'andamento temporale degli errori sistematici e non sistematici nella rappresentazione VSWM non è ben caratterizzato. Alcuni studi su primati non umani hanno riscontrato un aumento degli errori non sistematici con un aumento della durata del ritardo fino a 20 s8,47. Al contrario, altri hanno mostrato che l'errore non sistematico si accumulava entro i primi 800 ms del ritardo e rimaneva stabile6. Allo stesso modo, alcuni hanno suggerito che la maggior parte degli errori sistematici si è accumulata entro il primo secondo del ritardo6,8, mentre altri hanno mostrato un aumento del bias sistematico con ritardi fino a 3 s9,48–50. Una delle principali fonti di errori VSWM nel tempo potrebbe essere l'accumulo di rumorememoriaManutenzione. I microcircuiti ricorrenti prefrontali dorsolaterali generano un'attività neurale autosufficiente rispetto al lavoromemoriaritardo, mantenendo potenzialmente i contenuti mnemonici nel tempo15. Tale attività persistente è caratterizzata da modelli di rete di attrattori con eccitazioni locali ricorrenti e ampie inibizioni in un circuito organizzato topograficamente51-53, che dimostrano le spinte stocastiche sul ritardo in assenza di input esterni. Le attività di spinta dell'urto sono associate alla variabilità degli errori comportamentali da una prova all'altra con un ritardo52.

Qui, abbiamo studiato la rappresentazione VSWM nello spazio e nel tempo in due esperimenti mappando sistematicamente gli errori di prestazione comportamentale nello spazio e nel tempo 2D in soggetti umani (Fig. 1). In entrambi gli esperimenti, abbiamo registrato le posizioni degli occhi durante un'attività di saccade guidata dalla memoria (MGS) e un'attività di saccade guidata visivamente (VGS). Abbiamo confrontato gli errori sistematici e non sistematici degli endpoint saccadici primari e secondari attraverso diverse eccentricità e varie lunghezze dimemoriaritardi ed esplorato potenziali interazioni tra questi due parametri. Ci aspettavamo che gli errori sia sistematici che non sistematici sarebbero aumentati con l'aumento dell'eccentricità visiva, ma solo gli errori non sistematici sarebbero aumentati con intervalli di ritardo più lunghi. Inoltre, abbiamo applicato un modello di attrattore di urto continuo unidimensionale (1D) comunemente usato per simulare in che misura il rumore accumulato in un ritardo nel microcircuito ricorrente può contribuire ai modelli di errore comportamentali osservati. La dinamica neurale a varie eccentricità è stata modellata da un numero diverso di neuroni nel modello, con più neuroni che indicizzano l'ingrandimento corticale a un'eccentricità minore.

Figura 2. Medie di gruppo degli errori sistematici e non sistematici nello spazio. I cerchi blu (MGS) e rosso (VGS) illustrano la posizione media e la variabilità degli endpoint primari della saccade (a) e degli endpoint secondari della saccade (b). Le posizioni dei target vengono visualizzate come l'intersezione delle linee grigie continue. Il centro di ciascun cerchio blu/rosso rappresenta l'endpoint medio della saccade (errori sistematici) mentre il raggio rappresenta la variabilità dell'endpoint della saccade (errori non sistematici) mediata tra i soggetti in ciascuna posizione target dell'Esperimento 1. Tutte le cifre dei dati nel manoscritto sono state generate in MATLAB54 .

Risultati

Esperimento 1.

Bias e variabilità dell'endpoint saccadico. I compiti sperimentali e gli stimoli visivi sono mostrati in Fig. 1. Per visualizzare i modelli complessivi di errori sistematici e non sistematici nell'MGS rispetto al VGS, abbiamo mostrato la variabilità media e gli endpoint medi del primario (Fig. 2a) e del secondario (Fig. 2b) saccadi per ciascuna località bersaglio. Una distorsione sistematica verso l'interno / foveale e angolare attraverso lo spazio era evidente nell'MGS (Fig. 2; Fig. S1-S2 supplementari). Rispetto alle risposte guidate visivamente,memoria-le saccadi guidate erano meno accurate (t(9)=4.30, p=.002) e mostravano una variabilità più ampia (t(9)=7.95, p<.001) in="" endpoint="" positions.="" as="" expected,="" the="" secondary="" saccades="" were="" more="" accurate="" (t(9)="3.47," p=".007)" and="" less="" variable="" (t(9)="13.50,"><.001) relative="" to="" the="" primary="" saccades,="" refecting="" response="" correction.="" figure="" 3="" shows="" the="" saccade="" endpoint="" distribution="" across="" eccentricities="" and="" delays="" of="" one="" typical="">

Effetto dell'eccentricità del bersaglio sugli errori VSWM. L'ANOVA a misure ripetute ha esaminato gli effetti all'interno del soggetto dell'eccentricità (3, 8, contro 13 gradi di angolo visivo) e del compito (MGS contro VGS) (Tabella 1A; Fig. 4, riga in alto). Abbiamo osservato gli effetti principali significativi dell'eccentricità e del tipo di attività sia per gli errori sistematici che non sistematici degli endpoint saccadici primari e secondari. Tuttavia, l'interazione tra compito ed eccentricità era statisticamente significativa solo per gli errori non sistematici (Fig. 4c, d). Ulteriori analisi hanno rivelato che gli errori non sistematici aumentavano significativamente con l'aumentare dell'eccentricità linearmente (saccadi primari, t=6.56, p<.001; secondary="" saccades,="" t="10.22,"><.001) and="" quadratically="" (primary="" saccades,="" t="−" 4.41,="" p=".003;" secondary="" saccades,="" t="−" 2.58,="" p=".059)" in="" the="" mgs,="" but="" only="" linearly="" (primary="" saccades,="" t="9.98,"><.001; secondary="" saccades,="" t="13.29,"><.001) in="" the="" vgs.="" interaction="" contrast="" analyses="" further="" confirmed="" a="" stronger="" linear="" (primary="" saccades,="" p="">.5; saccadi secondari, t(9)=6.54, p<.001) and="" quadratic="" trend="" (primary="" saccades,="" t(9)="−" 3.46,="" p=".014;" secondary="" saccades,="" p="">.1) in the MGS than the VGS for the unsystematic errors. The quadratic effect came from the smaller increase in response error from the eccentricity of 8° to 13° than from 3° to 8°. Both tasks showed similar linear trends of eccentricity for the systematic errors (p's>.7; dati non mostrati). In sintesi, gli errori dell'endpoint saccadico durante l'MGS hanno mostrato aumenti di bias e variabilità con l'aumento dell'eccentricità, con il modello di variabilità dell'MGS sia quantitativamente che qualitativamente diverso dal modello del VGS.

Tabella 1. Analisi della varianza a misure ripetute sugli errori VSWM nell'esperimento 1. "a" indica il valore p corretto dal metodo Greenhouse-Geisser a causa della violazione della sfericità.

Figura 4. Errori dell'endpoint saccadico tra attività, eccentricità e ritardi nell'esperimento 1. La riga superiore mostra gli errori nell'MGS (nero) e nel VGS (grigio chiaro) in diverse eccentricità del bersaglio. La riga inferiore mostra gli errori nell'MGS in diversi intervalli di ritardo per ciascuna eccentricità del target (3 gradi, grigio chiaro; 8 gradi, grigio; 13 gradi, nero). Sia gli errori sistematici che quelli non sistematici aumentavano all'aumentare dell'eccentricità, con un aumento lineare e quadratico maggiore nell'MGS rispetto al VGS per gli errori non sistematici. Gli errori non sistematici nell'MGS si sono accumulati da 1.5-s a 3-s intervalli di ritardo in modo significativo per le saccadi primarie e secondarie in uno schema simile tra le eccentricità.

Effetto del ritardo sugli errori VSWM attraverso l'eccentricità. Per esaminare in che modo gli errori VSWM variavano tra le durate di ritardo alle diverse eccentricità, abbiamo eseguito un'ANOVA a misure ripetute a due vie con eccentricità (3, 8, contro 13 gradi di angolo visivo) e ritardo (1,5, 2 contro 3 s) come fattori interni al soggetto. Abbiamo riscontrato un effetto principale significativo del ritardo negli errori non sistematici ma non negli errori sistematici (Tabella 1B; Fig. 4, riga inferiore). In particolare, gli errori non sistematici durante l'MGS sono aumentati con la durata del ritardo in modo lineare sia per le saccadi primarie che per quelle secondarie (rispettivamente: t(9)=4.82, p=.002; t(9){{18 }}.36, pag<.001), showing="" significant="" increases="" from="" the="" 1.5-s="" to="" 3-s="" delay="" conditions="" (primary="" saccades,="" t(9)="4.82," p=".003;" secondary="" saccades,="" t(9)="7.36,"><.001) and="" from="" the="" 2-s="" to="" 3-s="" delay="" conditions="" (primary="" saccades,="" t(9)="3.17," p=".034;" secondary="" saccades,="" t(9)="6.13,"><>

Tuttavia, non ci sono state interazioni significative tra eccentricità e ritardo nell'MGS, ad eccezione degli errori sistematici delle saccadi secondarie (Fig. 4f). L'effetto di interazione era correlato a una diminuzione lineare degli errori sistematici con un ritardo crescente all'eccentricità massima (13 gradi dell'angolo visivo) rispetto a un aumento lineare all'eccentricità media (8 gradi dell'angolo visivo) (contrasto di linearità: t(9 )=− 3,53, p=.039), sebbene entrambi gli andamenti lineari non fossero statisticamente significativi (8 gradi di angolo visivo: t=1.64, p=. 27; 13 gradi di angolo visivo: t=− 2.10, p=.13). Il ritardo dell'interazione dell'eccentricità si stava avvicinando al significato per gli errori non sistematici nelle saccadi secondarie.

EFFETTI DELL'INTEGRATORE DI CISTANCHE: MIGLIORA LA MEMORIA

Esperimento 2.

Nell'Esperimento 2, abbiamo mirato a replicare i risultati dell'Esperimento 1 e studiare ulteriormente l'effetto della durata della ritenzione sulle prestazioni del VSWM. Abbiamo quindi esaminato gli errori di risposta su un intervallo più ampio di intervalli di ritardo (0.5, 1, 1,5, 2, 3, 4 e 5 s). Ancora una volta, gli ANOVA a misure ripetute (Tabella 2A; Fig. 5, riga in alto) hanno rivelato effetti principali significativi del tipo di attività e dell'eccentricità per tutti i tipi di errori e una significativa interazione tra attività ed eccentricità per gli errori non sistematici delle saccadi secondarie. Durante l'MGS, gli errori non sistematici delle saccadi secondarie aumentavano con l'aumentare dell'eccentricità sia linearmente (t(8)=15.23, p<.001) and="" quadratically="" (t(8)="−3.98," p=".008);" such="" linear="" and="" the="" quadratic="" increase="" was="" significantly="" greater="" in="" the="" mgs="" than="" the="" vgs="" (linear="" contrast:="" t(8)="7.36,"><.001; quadratic="" contrast:="" t(8)="−3.10," p=".030)." other="" types="" of="" errors="" only="" linearly="" increased="" with="" increasing="" eccentricity=""><.003, data="" not="" shown)="" without="" significant="" quadratic="" trends="" (p's="">.10, dati non mostrati).

Gli effetti del ritardo sulle prestazioni del VSWM (Tabella 2B; Fig. 5, riga inferiore) erano simili a quelli riportati nell'Esperimento 1. L'effetto principale del ritardo sugli errori non sistematici era statisticamente significativo per le saccadi secondarie e si avvicinava alla significatività per le saccadi primarie ma non ha mostrato interazioni significative con l'eccentricità. I confronti post-hoc hanno rivelato differenze significative negli errori non sistematici tra 4-s e 0.{6}}s delay (t(8)=6.08, p{{10 }}.006) e tra 4-s e 1.{14}}s ritardo (t(8)=4.90, p=.025) per le saccadi secondarie . Non ci sono stati effetti significativi di ritardo o ritardo da interazioni di eccentricità sugli errori sistematici.

Figura 5. Errori dell'endpoint saccadico tra compiti, eccentricità e ritardi nell'Esperimento 2. Vedere le notazioni in Fig. 4. Gli errori sistematici e non sistematici aumentavano all'aumentare dell'eccentricità, con un aumento lineare e quadratico maggiore degli errori non sistematici nell'MGS rispetto al VGS . Gli errori non sistematici nell'MGS si sono accumulati dagli intervalli di ritardo da 0.5- a 5- s in modo significativo per le saccadi secondarie e avevano un trend significativo per le saccadi primarie con uno schema simile tra le eccentricità.

Abbiamo eseguito ulteriori analisi per studiare ulteriormente gli effetti del ritardo e dell'eccentricità sulle saccadi guidate dalla memoria. Innanzitutto, abbiamo raccolto un set di dati di replica per l'Esperimento 2 da sei soggetti precedenti per esaminare se le prestazioni si sono stabilizzate dopo un'ampia pratica. Gli ANOVA a misure ripetute hanno rivelato effetti simili di eccentricità e ritardo in questo set di dati di replica (Figura complementare S3; Tabella S1) a quelli osservati nell'Esperimento 1 e nel primo set di dati dell'Esperimento 2. In particolare, gli errori non sistematici sono aumentati in modo significativo e lineare con un ritardo più lungo durate sia per il primario (t(30)=4.20, p=.001) che per il secondario (t(30)=5.62, p<.001) saccades="" as="" in="" experiment="">

In secondo luogo, abbiamo condotto analisi a livello individuale facendo regredire entrambi i tipi di errori MGS sull'eccentricità, sulla durata del ritardo e sul loro prodotto per ciascuno dei nove partecipanti (Figura complementare S4; Tabella S2). Il coefficiente di eccentricità per l'errore sistematico era significativamente maggiore di zero nelle saccadi primarie e secondarie di due soggetti, sebbene fosse maggiore di zero per gli errori non sistematici nelle saccadi primarie di sei soggetti e nelle saccadi secondarie di otto soggetti. Gli intervalli di confidenza (CI) del ritardo al 95 percento non includevano zero per gli errori non sistematici, ad eccezione delle saccadi primarie di un soggetto e delle saccadi secondarie di tre soggetti. Tutti gli IC al 95% del ritardo per gli errori sistematici e la maggior parte degli IC al 95% del prodotto dell'eccentricità e del ritardo non includevano zero. Questi risultati individuali hanno confermato l'analisi di gruppo: nell'MGS, gli errori non sistematici sono aumentati con eccentricità del bersaglio più grandi e durate di ritardo più lunghe, sebbene gli effetti del ritardo fossero più deboli di quelli dell'eccentricità.

Presi insieme, nell'Esperimento 2, gli errori dell'endpoint saccadico nell'MGS hanno anche mostrato un maggiore aumento della variabilità con l'aumento dell'eccentricità (da 3 a 13 gradi di angolo visivo) e della durata del ritardo (0, da 5 a 5 s) rispetto al VGS, e i due fattori sembrano agire indipendentemente l'uno dall'altro. Al contrario, la distorsione sistematica non variava tra le durate di ritardo e aumentava tra le eccentricità in modo simile nell'MGS e nel VGS.

Il risultato simulato per VSWM nello spazio e nel tempo.

Infine, abbiamo esaminato le potenziali fonti neurofisiologiche di effetti di ritardo ed eccentricità sugli errori VSWM. Applicando un modello di attrattore di urto continuo 1D52, abbiamo simulato la media e la variabilità degli endpoint MGS attraverso sette ritardi (da 0,5 a 5 s) e tre eccentricità (da 3 a 13 gradi di angolo visivo) come utilizzato nell'esperimento 2 Il numero di unità neurali nel modello ha indicizzato l'ingrandimento corticale attraverso il campo visivo (3 gradi, 933 neuroni; 8 gradi, 402 neuroni; 13 gradi, 256 neuroni), in base al fattore di ingrandimento corticale stimato in uno studio di mappatura retinotopica umana55. Abbiamo simulato 10,000 prove per ciascuna combinazione di ritardo ed eccentricità (Figura complementare S5). Come previsto dalla modellazione precedente51, mentre gli errori sistematici simulati non hanno mostrato variazioni considerevoli nell'eccentricità o nel ritardo, gli errori non sistematici simulati hanno mostrato aumenti sostanziali sia nell'eccentricità che nel ritardo. In sintesi, i dati simulati hanno replicato i principali effetti del ritardo ma non sono riusciti a catturare i modelli di errore sistematici e gli effetti indipendenti dell'eccentricità e del ritardo sull'MGS, come mostrato nei dati comportamentali.

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Discussione

Nel presente studio, abbiamo studiato come la rappresentazione VSWM varia nello spazio e nel tempo 2D. I nostri dati comportamentali hanno mostrato che gli errori sia sistematici che non sistematici delle saccadi guidate dalla memoria aumentavano con le eccentricità. Tuttavia, solo gli errori non sistematici hanno mostrato un modello qualitativamente diverso dalle saccadi visivamente guidate. Questi risultati seguono il modello di ingrandimento corticale, indicando che le organizzazioni retinotopiche del percorso visivo possono vincolare le rappresentazioni VSWM. È anche evidente che gli errori non sistematici delle saccadi guidate dalla memoria aumentavano con l'intervallo di ritenzione fino a 5 s, anche se l'effetto sembrava essere meno robusto e più variabile tra i soggetti rispetto all'effetto dell'eccentricità. Postuliamo che gli errori non sistematici siano associati al rumore neuronale accumulato nel mantenimento della memoria in conformità con i modelli di neurofisiologia, mentre gli errori sistematici possono derivare da processi non basati sulla memoria come la trasformazione sensomotoria. La mancanza di eccentricità per interazione di ritardo nell'MGS suggerisce inoltre meccanismi indipendenti alla base dell'elaborazione spaziale e temporale di VSWM.

I nostri esperimenti hanno mostrato costantemente un aumento degli errori sistematici e non sistematici nelle saccadi guidate dalla memoria con l'aumento dell'eccentricità del bersaglio. Questi risultati confermano da vicino gli studi precedenti che riportavano maggiori errori di risposta con una maggiore eccentricità del bersaglio nei macachi che utilizzano un'attività MGS simile7 e negli esseri umani che utilizzano un'attività che richiede clic del mouse controllati manualmente per individuare i bersagli nello spazio9. Estendendo la ricerca precedente, mostriamo ulteriormente che la variabilità delle risposte guidate dalla memoria attraverso l'eccentricità era al di là di una differenza quantitativa rispetto alle risposte guidate visivamente. In particolare, gli errori non sistematici nel MGS sono aumentati linearmente e quadraticamente con l'aumentare dell'eccentricità rispetto a un minore aumento lineare dell'errore nel VGS. Questi risultati suggeriscono che le rappresentazioni VSWM non sono omogenee nello spazio 2D e non sono lineari attraverso le eccentricità. Le rappresentazioni VSWM possono avere una transizione più netta dalla fovea (<~3°) to="" parafovea=""><~5°) and="" demonstrate="" similar="" properties="" beyond="" parafovea="" (="">~5 gradi )32,33,56.

Un possibile meccanismo neurale alla base dell'eterogeneità spaziale degli errori VSWM è la struttura della mappatura topografica funzionale dello spazio nel sistema visivo. Le proprietà retinotopiche della via visiva dorsale, come l'ingrandimento corticale, possono vincolare le rappresentazioni VSWM attraverso il campo visivo in modo simile a limitare le prestazioni visive percettive e attenzionali attraverso lo spazio36,39,57-59. È interessante notare che studi precedenti sulla memoria visiva a breve termine hanno mostrato una diminuzione della capacità di memoria di lavoro visiva per le lettere con eccentricità crescente da 4 gradi a 10 gradi di angolo visivo e l'effetto è stato parzialmente attenuato dopo aver ridimensionato lo stimolo in base all'ingrandimento corticale fattore60. I nostri risultati di un aumento non lineare degli errori non sistematici attraverso l'eccentricità estendono ulteriormente l'ipotesi di ingrandimento corticale a VSWM per le posizioni spaziali. Come mostrato in studi precedenti sull'acuità percettiva39, il fattore di ingrandimento corticale è anche una funzione non lineare dell'eccentricità, che mostra una diminuzione gradualmente più lenta dall'eccentricità di 1,5 gradi a 12 gradi dell'angolo visivo. I maggiori errori VSWM per i target periferici possono derivare dall'eterogeneità spaziale dell'elaborazione percettiva nelle prime regioni visive. In alternativa, potrebbe derivare da una rappresentazione mnemonica irregolare attraverso lo spazio nelle regioni visive di livello inferiore16,17 e nelle regioni parietali posteriori e frontali di livello superiore con ulteriore distorsione nella loro organizzazione retinotopica10,44. Pertanto, l'ingrandimento corticale delle prime regioni visive può limitare sia la codifica percettiva che il mantenimento mnemonico delle informazioni spaziali nel campo visivo periferico. In che modo esattamente l'ingrandimento corticale può influire sulla precisione del VSWM nello spazio? Esistono almeno due meccanismi, tra cui un fattore di ingrandimento corticale ridotto e una maggiore dimensione del campo ricettivo all'aumentare dell'eccentricità del bersaglio38,40,41,61,62. Poiché la densità cellulare nella rappresentazione visiva centrale di V1 è più o meno la stessa63 o addirittura superiore64 a quella della rappresentazione periferica, una diminuzione del fattore di ingrandimento corticale con eccentricità significa più neuroni dedicati all'elaborazione foveale.

Come illustrato nei precedenti studi di modellizzazione51 e nei nostri dati di simulazione (Figura complementare S5), un numero minore di neuroni in un microcircuito VSWM locale aumenterebbe la deriva stocastica nell'attività della popolazione e quindi aumenterebbe la varianza dell'output della rete. È possibile che l'errore non sistematico più grande con l'aumento dell'eccentricità nei nostri dati MGS sia la manifestazione comportamentale del fattore di ingrandimento corticale e della variabilità nell'attività di rete ricorrente attraverso lo spazio corticale. Inoltre, una maggiore dimensione del campo ricettivo può anche ridurre la qualità della rappresentazione VSWM nella periferia, poiché un'ampia regolazione spaziale può ridurre la precisione sia della codifica che del mantenimento di VSWM. Studi futuri potrebbero esaminare ulteriormente come la dimensione del campo di memoria nella rete dell'attrattore bump influenzi gli errori VSWM variando sistematicamente la struttura e la forza della trasmissione sinaptica eccitatoria e inibitoria. La seconda osservazione importante è il diverso decorso temporale degli errori sistematici e non sistematici nel ritardo. Abbiamo riscontrato un accumulo di errori non sistematici nelle saccadi guidate dalla memoria poiché il periodo di ritardo si estendeva fino a 5 s, mentre un errore sistematico distribuito più casualmente nel tempo. Si allinea con molti studi precedenti sulla memoria di lavoro, dimostrando che più lungo è l'intervallo di ritenzione, maggiore è la variabilità del richiamo della memoria per colore65,66, orientamento48,66,67, stimoli facciali66 e posizione spaziale8,47. Al contrario, l'errore medio di richiamo per i bersagli spaziali non varia significativamente con la durata del ritardo6,8,47.

In particolare, i nostri risultati hanno replicato ed esteso lo studio sulla memoria di lavoro spaziale di White e colleghi8, che hanno utilizzato un paradigma MGS simile nei macachi. Tuttavia, rispetto ai modelli di errore non sistematico nello spazio 2D, i modelli di errore relativi al ritardo sembravano mostrare differenze individuali maggiori e sembravano indipendenti dall'eccentricità. Tuttavia, l'effetto del ritardo era stabile su più sessioni e riprodotto nel set di dati di replica (Figura complementare S3). Qual è il substrato neurale della precisione della memoria degradata nel tempo, come riflesso dalla maggiore variabilità del ricordo con durate di ritardo più lunghe? La rappresentazione dei contenuti o degli obiettivi della VSWM è associata all'attività neurale sostenuta osservata nelle regioni corticali e sottocorticali distribuite durante il ritardo di memoria15 e la variabilità dell'attività neurale persistente durante il ritardo può essere alla base della variabilità della risposta comportamentale nei singoli studi5,52,68,69. Questa variabilità neurale si accumula gradualmente nel tempo, associata al degrado della rappresentazione della memoria con un aumento dell'intervallo di ritenzione52. Come modellato da studi precedenti51 e dal presente studio (Figura complementare S5), in un modello di attrattore bump, la deriva casuale dell'attività neurale della popolazione migliora nel tempo in assenza di input sensoriali esterni, aumentando gli errori non sistematici e non sistematici con un ritardo più lungo durate. Oltre ai meccanismi locali ricorrenti dei microcircuiti, altri meccanismi neurali, come la plasticità sinaptica a breve termine70-72, possono anche spiegare i cambiamenti nella precisione della memoria nel ritardo. Mentre gli errori non sistematici possono derivare da processi relativi alla memoria, gli errori sistematici sembrano meno dipendenti dal mantenimento della memoria. Qui, abbiamo scoperto che gli errori sistematici non si accumulavano negli intervalli di ritardo nei nostri risultati comportamentali e nella simulazione computazionale. Inoltre, è stato dimostrato che gli errori sistematici variano con la luminosità della stanza8, le posizioni iniziali della testa e degli occhi6 e il feedback post-saccadico7. Pertanto, gli errori sistematici possono basarsi su un meccanismo non basato sulla memoria, come un processo di trasformazione sensomotoria rumoroso che traduce in modo impreciso i segnali retinotopici nei comandi motori6. In particolare, uno studio73 ha dimostrato che le attività di scarica dei neuroni burst correlati alla saccade collicolare sono simili in una saccade guidata visivamente accurata e in una saccade guidata dalla memoria imprecisa, indicando che errori sistematici possono derivare dall'aggiunta o dall'omissione di segnali che sono a valle del collicolo superiore.

Questi segnali possono essere correlati a vincoli cinematici sulla generazione di saccadi74, come una compensazione della posizione orbitale presaccadica, ma il ruolo esatto di tali segnali nel generare errori sistematici nelle risposte guidate dalla memoria rimane poco chiaro. Tuttavia, non possiamo escludere che errori sistematici provengano da altre regioni corticali coinvolte nell'elaborazione spaziale e nella trasformazione sensomotoria come FEF75 e IPS76,77. Ad esempio, è stato dimostrato che FEF dimostra un'organizzazione neurale in base al quadrante, possibilmente correlata a una distorsione sistematica delle risposte della memoria verso il centro del quadrante10. Sebbene i nostri risultati principali supportino una teoria degli errori non sistematici basata sulla memoria e una teoria degli errori sistematici non basata sulla memoria, è importante notare altre possibilità. Le trasformazioni sensomotorie possono anche svolgere un ruolo nell'accumulo di variabilità della risposta nel tempo durante il primo ritardo6 o durante il periodo di ritardo75.

ESTRATTO DI CISTANCHE: MIGLIORA LA MEMORIA

Non è inoltre noto se gli errori sistematici possano essere correlati al mantenimento della memoria in alcune situazioni. Gli errori sistematici possono aumentare sostanzialmente dopo 5 s, l'intervallo di ritardo più lungo che abbiamo utilizzato. Inoltre, è stato dimostrato che gli errori medi di richiamo per l'orientamento48,49 o il colore50 sono aumentati rispetto ai ritardi di memoria quando sono stati presentati più elementi e quando gli elementi sono stati attivamente mantenuti in memoria50. Sono necessari ulteriori studi per esaminare dove, quando e come si verificano errori sistematici e non sistematici. I paradigmi della memoria di lavoro spaziale che non si basano sulla trasformazione sensomotoria, come un compito di corrispondenza-campione ritardato78, possono essere una buona alternativa per testare la dipendenza degli errori comportamentali dal mantenimento della memoria. L'esame degli errori sistematici e non sistematici di VSWM in modelli clinici come il morbo di Parkinson79 e la schizofrenia80 può anche favorire la comprensione della natura degli errori comportamentali e potrebbe potenzialmente aiutare a sviluppare marcatori comportamentali per aiutare la diagnosi di questi disturbi. Un'altra scoperta interessante nel presente studio è la differenza tra saccadi primari e secondari. Nel complesso, le saccadi secondarie hanno mostrato un compito più robusto per l'interazione dell'eccentricità e l'effetto del ritardo rispetto alle saccadi primarie. È possibile che le saccadi primarie e secondarie riflettano diverse componenti di VSWM. Le saccadi primarie possono essere più strettamente legate a un piano motorio iniziale, mentre le saccadi correttive possono riflettere più da vicino la qualità della rappresentazione VSWM81–83.

In quanto tali, gli errori nelle saccadi guidate dalla memoria primaria possono comportare errori motori non differenziabili dalle risposte guidate visivamente, spiegando l'interazione più debole tra compito ed eccentricità. Coerentemente, un effetto di ritardo minore sulle saccadi primarie può indicare errori motori costanti attraverso i ritardi. Infine, abbiamo trovato poca o nessuna interazione tra eccentricità e ritardo, suggerendo che l'elaborazione spaziale e temporale di VSWM potrebbe essere in gran parte indipendente. È possibile che il mantenimento di VSWM nel tempo sia correlato alla dinamica neurale locale, come la deriva stocastica dell'attività neurale simulata dal modello dell'attrattore di urto. Al contrario, la rappresentazione VSWM nello spazio è probabilmente vincolata da un meccanismo neurale più globale, come la mappatura topografica a lungo raggio all'interno e attraverso le regioni corticali. Tale contrasto tra i meccanismi locali e globali può spiegare l'invarianza degli errori sistematici attraverso i ritardi e l'eccentricità dalle interazioni di ritardo nei dati simulati (Figura complementare S5) poiché il modello cattura solo la dinamica neurale locale ma non i cambiamenti interregionali e intra- topografia regionale. I modelli futuri dovrebbero incorporare meccanismi sia locali che globali per simulare l'eterogeneità spaziale nell'elaborazione VSWM.

Ad esempio, la costruzione di un modello VSWM bidimensionale che incorpori l'organizzazione intraregionale (non)topografica lungo il percorso visivo dorsale misurato mediante fMRI22 o elettrofisiologia10 sarebbe fondamentale per comprendere l'elaborazione VSWM nello spazio. Inoltre, i modelli di circuito su larga scala possono essere ulteriormente integrati con fattori topografici, come le connessioni topografiche interregionali84 e il campionamento cortico-corticale85, per acquisire meglio l'elaborazione spaziale in VSWM. In sintesi, il presente studio dimostra come gli errori dell'endpoint saccadico variano nello spazio e nel tempo bidimensionali utilizzando un'attività oculomotoria a risposta ritardata in soggetti umani. Abbiamo osservato diversi andamenti temporali di errore sistematico e non sistematico durante l'intervallo di ritenzione, durante il quale gli errori sistematici hanno fluttuato in modo casuale, mentre gli errori non sistematici sembravano accumularsi per un massimo di 5 s. Proponiamo che gli errori non sistematici, non gli errori sistematici, influenzino maggiormente i processi relativi alla memoria. Abbiamo anche riscontrato un aumento degli errori sistematici e non sistematici con l'aumento dell'eccentricità del bersaglio. L'interazione tra eccentricità e compito era significativa per errori non sistematici, indicando un potenziale vincolo dell'organizzazione retinotopica sulla rappresentazione VSWM. Infine, la mancanza di interazione tra eccentricità e ritardo suggerisce meccanismi potenzialmente distinti di elaborazione VSWM nello spazio e nel tempo.