Fehler im visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnis über Raum und Zeit

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Visuell-räumlichArbeitsgedächtnis(VSWM) umfasst kortikale Regionen entlang der dorsalen Sehbahn, die in Bezug auf den visuellen Raum topographisch organisiert sind. Es bleibt jedoch unklar, wie eine solche funktionale Organisation das VSWM-Verhalten über Raum und Zeit einschränken kann. Hier haben wir die VSWM-Leistung über den {{0}}-dimensionalen (2D) Raum in verschiedenen Retentionsintervallen bei menschlichen Probanden systematisch abgebildet, indem wir die gedächtnisgesteuerten und visuell geführten Sakkadenaufgaben in zwei Experimenten verwendet haben. Im Vergleich zu visuell geführten Sakkaden zeigten gedächtnisgesteuerte Sakkaden eine signifikante Zunahme unsystematischer Fehler oder Reaktionsvariabilität mit zunehmender Zielexzentrizität (3 Grad – 13 Grad Sehwinkel). Unsystematische Fehler nahmen auch mit zunehmender Verzögerung zu (1,5–3 s, Experiment 1; 0,5–5 s, Experiment 2), während es wenig oder keine Wechselwirkung zwischen Verzögerung und Exzentrizität gab. Kontinuierliche Bump-Attraktor-Modellierung deutete auf neurophysiologische und funktionelle Organisationsfaktoren bei den zunehmenden unsystematischen Fehlern in VSWM über Raum und Zeit hin. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass: (1) die VSWM-Darstellung durch die funktionale Topologie des visuellen Pfads für den 2D-Raum begrenzt sein kann; (2) Unsystematische Fehler können angesammeltes Rauschen widerspiegelnGedächtnispflegewährend systematische Fehler von nicht-mnemotechnischen Prozessen wie geräuschvoller sensomotorischer Transformation herrühren können; (3) Es kann unabhängige Mechanismen geben, die die räumliche und zeitliche Verarbeitung von VSWM unterstützen.

WIRKUNGEN VON CISTANCHE-ERGÄNZUNGSMITTEL: VERBESSERN SIE DAS GEDÄCHTNISY

Visuell-räumliches Arbeitsgedächtnis(VSWM) bezieht sich auf die vorübergehende Aufrechterhaltung und Manipulation visuell-räumlicher Informationen, um Verhaltensweisen zu planen und zu steuern. Trotz seiner zentralen Rolle in der Kognition höherer Ordnung1 weist VSWM unterschiedliche Präzisionsgrade auf. Jüngste Studien haben die Zunahme von Erinnerungsfehlern bei VSWM mit Satzgröße 2–4 hervorgehoben, während die Auswirkungen von Raum und Zeit auf die VSWM-Wiedergabetreue und die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen unklar bleiben. Diese Studie zielte darauf ab, die Variabilität der VSWM-Leistung über zweidimensionalen (2D) Raum und Zeit zu untersuchen, wobei sowohl Verhaltensexperimente als auch neurophysiologiebasierte Computermodelle verwendet wurden.

Frühere Verhaltensstudien von Menschen und Makaken haben ergeben, dass die VSWM-Leistung während einer Aufgabe mit verzögerter Reaktion je nach räumlichem Standort variiert. Es wurden sowohl systematische Fehler, die Verschiebung der mittleren Antwortpositionen, als auch unsystematische Fehler, die Fluktuation der Antworten um die mittlere Position herum, beobachtet. Das Verhaltensmuster dieser Fehler ist jedoch in den Studien uneinheitlich, und die neuronalen Quellen dieser Fehler sind unbekannt. Studien, die ein okulomotorisches Paradigma mit verzögerter Reaktion5 bei Makaken verwendeten, zeigten, dass Sakkaden zu erinnerten Orten eine systematische Aufwärtstendenz aufweisen, wobei Sakkadenendpunkte systematisch über dem Ziel verschoben sind6–8. Diese Studien berichten auch, dass sowohl systematische als auch unsystematische Fehler räumlich variieren und dass diese Fehler mit zunehmender Exzentrizität zuzunehmen scheinen6–8. Im Gegensatz dazu zeigten einige Studien9 eine foveale Verzerrung, die mit der Exzentrizität bei menschlichen Probanden zunimmt, wobei eine Aufgabe verwendet wurde, die das Abrufen einer einzelnen erinnerten Punktposition per Mausklick erfordert. Andere fanden eine räumliche QuadrantenverzerrungErinnerungErinnern Sie sich daran, dass es bei nichtmenschlichen Primaten10 und Menschen11,12 zur Mitte des Quadranten hin angezogen wird. Somit bleibt das genaue Muster von VSWM-Fehlern über den 2D-Raum unklar.

Eine Hauptquelle der VSWM-Variabilität über den Raum hinweg sind wahrscheinlich die funktionalen topografischen Einschränkungen der zugrunde liegenden neuronalen Substrate. Ein verteiltes Netzwerk von dorsalen kortikalen Regionen unterstützt die VSWM-Verarbeitung13–18, von denen die meisten eine Form der topografischen Kartierung des visuellen Raums aufweisen. Retinotope Karten sind ikonisch im frühen visuellen Kortex, wo benachbarte Neuronen rezeptive Felder an benachbarten räumlichen Orten im visuellen Feld haben19–22. Ähnliche Implikationen wurden für menschliche posteriore parietale Regionen, einschließlich des intraparietalen Sulcus oder lateralen intraparietalen Bereichs23–26, und präfrontale Regionen, einschließlich des präzentralen Sulcus oder der frontalen Augenfelder27–31, gemacht. Da die retinotopische Organisation des visuellen Systems von der Netzhaut bis zu den extrastriären Bereichen räumlich nicht einheitlich ist, kann sie möglicherweise die VSWM-Repräsentation über die Gesichtsfelder und die Repräsentation in den nachgelagerten Bereichen einschränken.

Integratives Neurowissenschaftsprogramm, Institut für Psychologie, Stony Brook University, Stony Brook, NY 11794, USA.

Es gibt mindestens zwei Eigenschaften der retinotopen Organisation, die die Verarbeitung und Darstellung visuell-räumlicher Informationen im Raum einschränken können, einschließlich der Variation der Photorezeptoren und der retinalen Ganglienzelldichte über die Retina32,33 und die kortikale Vergrößerung des zentralen Sehens34–41. VSWM-Leistungen, die sich sowohl im Mittelwert als auch in der Variabilität der Reaktionen widerspiegeln, sind möglicherweise weniger genau für periphere Ziele, da der kortikale Vergrößerungsfaktor abnimmt und die Größe des rezeptiven Felds mit zunehmender Zielexzentrizität im primären visuellen Kortex zunimmt38–41. Es ist auch ungewiss, inwieweit die funktionale Architektur nachgelagerter Bereiche die VSWM-Darstellung über die Gesichtsfelder hinweg weiter verzerren kann. Neuronen in den parietalen und insbesondere frontalen Regionen haben beträchtliche rezeptive Feldgrößen (bis zu 30 Grad Durchmesser), und diese Regionen höherer Ordnung haben im Vergleich zu den visuellen Bereichen eine viel gröbere funktionelle Organisation42–46. Es bleibt unbekannt, ob parietale und frontale Regionen eine tatsächliche räumliche Topographie aufweisen, die anders ist als eine ungefähr kontralaterale hemisphärische Darstellung. Eine kürzlich durchgeführte Studie an nichtmenschlichen Primaten deutete beispielsweise auf eine nicht-retinotope Organisation im dorsolateralen präfrontalen Kortex hin, die den visuell-mnemotechnischen Raum grob in Quadranten unterteilt10.

Abbildung 1. Experimentelles Aufgabendesign und Stimuli. Verteilung visueller Reize im Raum in Experiment 1 (a) und Experiment 2 (b). Stimulusorte über Versuche hinweg sind um die Ziele herum leicht jittered. Gedächtnisgeführte Sakkadenaufgabe (c) und visuell geführte Sakkadenaufgabe (d). Die Pfeile in (c) und (d) werden gezeigt, um die gedächtnisgesteuerte oder visuell geführte Sakkade zu veranschaulichen, die während der eigentlichen Experimente nicht gezeigt werden.

Die VSWM-Präzision variiert nicht nur räumlich, sondern auch im Laufe der Zeit. Der zeitliche Verlauf von systematischen und unsystematischen Fehlern in der VSWM-Darstellung ist nicht gut charakterisiert. Einige Studien an nichtmenschlichen Primaten fanden eine Zunahme unsystematischer Fehler mit zunehmender Verzögerungsdauer von bis zu 20 s8,47. Im Gegensatz dazu zeigten andere, dass sich unsystematische Fehler innerhalb der ersten 800 ms der Verzögerung anhäuften und stabil blieben6. In ähnlicher Weise schlugen einige vor, dass sich die meisten systematischen Fehler innerhalb der ersten Sekunde der Verzögerung akkumulierten6,8, während andere eine Zunahme der systematischen Abweichung bei Verzögerungen von bis zu 3 s zeigten9,48–50. Eine der Hauptquellen von VSWM-Fehlern über die Zeit kann eine Rauschakkumulation seinErinnerungWartung. Dorsolaterale präfrontale rezidivierende Mikroschaltkreise erzeugen eine selbsterhaltende neurale Aktivität während der ArbeitErinnerungVerzögerung, wodurch mnemonische Inhalte möglicherweise über die Zeit aufrechterhalten werden15. Eine solche anhaltende Aktivität ist durch Attraktornetzwerkmodelle mit lokal wiederkehrenden Erregungen und breiten Hemmungen in einem topographisch organisierten Kreislauf gekennzeichnet51–53, was stochastische Antriebe über die Verzögerung in Abwesenheit externer Eingaben demonstriert. Der Antrieb der Bump-Aktivitäten ist mit einer Variabilität der Verhaltensfehler von Versuch zu Versuch über eine Verzögerung verbunden52.

Hier untersuchten wir die VSWM-Darstellung über Raum und Zeit in zwei Experimenten, indem wir systematisch Verhaltensleistungsfehler über 2D-Raum und -Zeit bei menschlichen Probanden abbildeten (Abb. 1). In beiden Experimenten zeichneten wir die Augenpositionen während einer gedächtnisgesteuerten Sakkade (MGS) und einer visuell geführten Sakkade (VGS) auf. Wir haben systematische und unsystematische Fehler der primären und sekundären Sakkadenendpunkte über verschiedene Exzentrizitäten und verschiedene Längen verglichenErinnerungVerzögerungen und untersuchte mögliche Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Parametern. Wir erwarteten, dass sowohl systematische als auch unsystematische Fehler mit zunehmender visueller Exzentrizität zunehmen würden, aber nur unsystematische Fehler würden mit längeren Verzögerungsintervallen zunehmen. Darüber hinaus haben wir ein häufig verwendetes eindimensionales (1D) kontinuierliches Bump-Attraktor-Modell angewendet, um zu simulieren, inwieweit das Rauschen, das sich über eine Verzögerung in der wiederkehrenden Mikroschaltung ansammelt, zu den beobachteten Verhaltensfehlermustern beitragen kann. Die neuronale Dynamik bei verschiedenen Exzentrizitäten wurde durch eine unterschiedliche Anzahl von Neuronen im Modell modelliert, wobei mehr Neuronen die kortikale Vergrößerung bei einer kleineren Exzentrizität indizierten.

Abbildung 2. Gruppendurchschnitte von systematischen und unsystematischen Fehlern über den Raum. Die blauen (MGS) und roten (VGS) Kreise veranschaulichen die durchschnittliche Position und Variabilität der primären Sakkadenendpunkte (a) und der sekundären Sakkadenendpunkte (b). Zielorte werden als Schnittpunkte der durchgezogenen grauen Linien angezeigt. Die Mitte jedes blauen/roten Kreises stellt den mittleren Sakkadenendpunkt (systematische Fehler) dar, während der Radius die Sakkadenendpunktvariabilität (unsystematische Fehler) darstellt, die über die Probanden an jedem Zielort von Experiment 1 gemittelt wird. Alle Datenfiguren im Manuskript wurden in MATLAB54 generiert .

Ergebnisse

Versuch 1.

Sakkaden-Endpunkt-Bias und -Variabilität. Experimentelle Aufgaben und visuelle Stimuli sind in Abb. 1 dargestellt. Um die Gesamtmuster systematischer und unsystematischer Fehler im MGS relativ zum VGS zu visualisieren, haben wir die durchschnittliche Variabilität und die mittleren Endpunkte der primären (Abb. 2a) und sekundären (Abb 2b) Sakkaden für jeden Zielort. Eine systematische Einwärts-/Foveal- und Winkelverzerrung über den Raum hinweg war im MGS offensichtlich (Abb. 2; Ergänzende Abb. S1–S2). Im Vergleich zu visuell geführten AntwortenErinnerung-gelenkte Sakkaden waren weniger genau (t(9)=4.30, p=.002) und zeigten eine größere Variabilität (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="">

Auswirkung der Zielexzentrizität auf VSWM-Fehler. ANOVA mit wiederholten Messungen untersuchte die Innersubjekteffekte von Exzentrizität (3, 8, vs. 13 Grad Sehwinkel) und Aufgabe (MGS vs. VGS) (Tabelle 1A; Abb. 4, obere Reihe). Wir beobachteten signifikante Haupteffekte der Exzentrizität und des Aufgabentyps sowohl für systematische als auch für unsystematische Fehler der primären und sekundären Sakkaden-Endpunkte. Allerdings war die Wechselwirkung zwischen Aufgabe und Exzentrizität nur bei den unsystematischen Fehlern statistisch signifikant (Abb. 4c, d). Zusätzliche Analysen ergaben, dass die unsystematischen Fehler mit zunehmender Exzentrizität linear (primäre Sakkaden, 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; sekundäre Sakkaden, 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; Daten nicht gezeigt). Zusammenfassend zeigten Sakkaden-Endpunktfehler während der MGS eine Zunahme der Verzerrung und Variabilität mit zunehmender Exzentrizität, wobei sich das MGS-Variabilitätsmuster sowohl quantitativ als auch qualitativ von dem Muster der VGS unterschied.

Tabelle 1. Varianzanalysen mit wiederholten Messungen von VSWM-Fehlern in Experiment 1. „a“ gibt den p-Wert an, der durch die Greenhouse-Geisser-Methode aufgrund einer Verletzung der Sphärizität korrigiert wurde.

Abbildung 4. Sakkadenendpunktfehler über Aufgaben, Exzentrizitäten und Verzögerungen in Experiment 1. Die obere Reihe zeigt Fehler in MGS (schwarz) und VGS (hellgrau) über verschiedene Zielexzentrizitäten hinweg. Die untere Reihe zeigt Fehler im MGS über verschiedene Verzögerungsintervalle für jede Zielexzentrizität (3 Grad, hellgrau; 8 Grad, grau; 13 Grad, schwarz). Sowohl die systematischen als auch die unsystematischen Fehler nahmen mit zunehmender Exzentrizität zu, wobei die unsystematischen Fehler in der MGS linear und quadratisch stärker zunahmen als in der VGS. Unsystematische Fehler in der MGS häuften sich von Verzögerungsintervallen von 1,5- s bis 3- s signifikant für die primären und sekundären Sakkaden in einem ähnlichen Muster über Exzentrizitäten hinweg an.

Auswirkung der Verzögerung auf VSWM-Fehler über die Exzentrizität. Um zu untersuchen, wie VSWM-Fehler über Verzögerungsdauern bei den verschiedenen Exzentrizitäten variierten, führten wir eine Zweiweg-ANOVA mit wiederholten Messungen mit Exzentrizität (3, 8, vs. 13 Grad Sehwinkel) und Verzögerung (1,5, 2 vs. 3 s) durch. als Innersubjektfaktoren. Wir fanden einen signifikanten Haupteffekt der Verzögerung bei unsystematischen Fehlern, aber nicht bei systematischen Fehlern (Tabelle 1B; Abb. 4, untere Reihe). Insbesondere stiegen unsystematische Fehler während der MGS mit der Verzögerungsdauer sowohl für die primären als auch für die sekundären Sakkaden linear an (jeweils: t(9)=4.82, p=.002; t(9){{18 }}.36, p<.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,"><>

Es gab jedoch keine signifikanten Wechselwirkungen zwischen Exzentrizität und Verzögerung in der MGS, mit Ausnahme der systematischen Fehler der sekundären Sakkaden (Abb. 4f). Der Interaktionseffekt war mit einer linearen Abnahme der systematischen Fehler mit zunehmender Verzögerung bei der größten Exzentrizität (13 Grad Sehwinkel) im Gegensatz zu einer linearen Zunahme bei der mittleren Exzentrizität (8 Grad Sehwinkel) verbunden (Linearitätskontrast: t(9 )=− 3,53, p=,039), obwohl beide linearen Trends statistisch nicht signifikant waren (8 Grad Sehwinkel: t=1,64, p=). 27; 13 Sehwinkelgrad: t=− 2.10, p=.13). Die Verzögerung durch die Exzentrizitätsinteraktion näherte sich der Signifikanz für die unsystematischen Fehler in den sekundären Sakkaden.

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Versuch 2.

In Experiment 2 wollten wir die Ergebnisse von Experiment 1 replizieren und die Auswirkung der Retentionsdauer auf die VSWM-Leistung weiter untersuchen. Wir untersuchten daher Antwortfehler über einen größeren Bereich von Verzögerungsintervallen (0,5, 1, 1,5, 2, 3, 4 und 5 s). Auch hier zeigten ANOVAs mit wiederholten Messungen (Tabelle 2A; Abb. 5, obere Reihe) signifikante Haupteffekte des Aufgabentyps und der Exzentrizität für alle Arten von Fehlern und eine signifikante Wechselwirkung zwischen Aufgabe und Exzentrizität für die unsystematischen Fehler der sekundären Sakkaden. Während der MGS stiegen die unsystematischen Fehler der sekundären Sakkaden mit zunehmender Exzentrizität sowohl linear (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, Daten nicht gezeigt).

Die Auswirkungen der Verzögerung auf die VSWM-Leistung (Tabelle 2B; Abb. 5, untere Reihe) waren ähnlich wie die in Experiment 1 berichteten. Die Hauptwirkung der Verzögerung auf die unsystematischen Fehler war statistisch signifikant für die sekundären Sakkaden und näherte sich der Signifikanz für die primären Sakkaden zeigten jedoch keine signifikanten Wechselwirkungen mit der Exzentrizität. Post-hoc-Vergleiche zeigten signifikante Unterschiede in den unsystematischen Fehlern zwischen der Verzögerung von 4-s und 0.5-s (t(8)=6.08, p{{10 }}.006) und zwischen den 4-s und 1,5-s Verzögerung (t(8)=4.90, p=.025) für die sekundären Sakkaden . Es gab keine signifikanten Auswirkungen von Verzögerungen oder Verzögerungen durch Wechselwirkungen mit Exzentrizität auf die systematischen Fehler.

Abbildung 5. Sakkaden-Endpunktfehler über Aufgaben hinweg, Exzentrizitäten und Verzögerungen in Experiment 2. Siehe Notationen in Abb. 4. Systematische und unsystematische Fehler nahmen mit zunehmender Exzentrizität zu, mit einem größeren linearen und quadratischen Anstieg der unsystematischen Fehler im MGS als im VGS . Unsystematische Fehler in der MGS häuften sich von den 0.5-s- bis 5-s-Verzögerungsintervallen signifikant für die sekundären Sakkaden und zeigten eine tendenzielle Signifikanz für die primären Sakkaden in einem ähnlichen Muster über Exzentrizitäten hinweg.

Wir führten zusätzliche Analysen durch, um die Auswirkungen von Verzögerung und Exzentrizität auf gedächtnisgesteuerte Sakkaden weiter zu untersuchen. Zuerst haben wir einen Replikationsdatensatz für Experiment 2 von sechs früheren Probanden gesammelt, um zu untersuchen, ob sich die Leistung nach ausgiebigem Üben stabilisiert hat. ANOVAs mit wiederholten Messungen zeigten ähnliche Auswirkungen von Exzentrizität und Verzögerung in diesem Replikationsdatensatz (ergänzende Abb. S3; Tabelle S1) wie in Experiment 1 und im ersten Datensatz von Experiment 2. Bemerkenswerterweise nahmen unsystematische Fehler mit längerer Verzögerung signifikant und linear zu Dauer sowohl für die primäre (t(30)=4.20, p=.001) als auch für die sekundäre (t(30)=5.62, p<.001) saccades="" as="" in="" experiment="">

Zweitens führten wir Analysen auf individueller Ebene durch, indem wir beide Arten von MGS-Fehlern auf Exzentrizität, Verzögerungsdauer und ihr Produkt für jeden der neun Teilnehmer regressierten (ergänzende Abb. S4; Tabelle S2). Der Exzentrizitätskoeffizient für den systematischen Fehler war bei den primären und sekundären Sakkaden von zwei Probanden signifikant größer als Null, obwohl er für die unsystematischen Fehler bei den primären Sakkaden von sechs Probanden und den sekundären Sakkaden von acht Probanden größer als Null war. Die 95-Prozent-Konfidenzintervalle (CI) der Verzögerung enthielten keine Null für die unsystematischen Fehler, außer für die primären Sakkaden einer Person und die sekundären Sakkaden von drei Personen. Alle 95-Prozent-KI der Verzögerung für die systematischen Fehler und die meisten 95-Prozent-KI des Produkts aus Exzentrizität und Verzögerung enthielten nicht Null. Diese Einzelergebnisse bestätigten die Gruppenanalyse: In der MGS nahmen die unsystematischen Fehler mit größeren Zielexzentrizitäten und längeren Verzögerungsdauern zu, obwohl die Auswirkungen der Verzögerung schwächer waren als die der Exzentrizität.

Zusammengenommen zeigten in Experiment 2 Sakkaden-Endpunktfehler in der MGS auch eine größere Zunahme der Variabilität mit zunehmender Exzentrizität (3 bis 13 Grad Sehwinkel) und Verzögerungsdauer (0,5 bis 5 s) als in der VGS, und die beiden Faktoren scheinen unabhängig voneinander zu wirken. Im Gegensatz dazu variierte die systematische Verzerrung nicht über die Verzögerungsdauer und nahm über die Exzentrizitäten in ähnlicher Weise bei MGS und VGS zu.

Das simulierte Ergebnis für VSWM über Raum und Zeit.

Schließlich untersuchten wir die potenziellen neurophysiologischen Quellen von Verzögerungs- und Exzentrizitätseffekten auf VSWM-Fehler. Unter Anwendung eines kontinuierlichen 1D-Bump-Attractor-Modells52 simulierten wir den Mittelwert und die Variabilität der MGS-Endpunkte über sieben Verzögerungen (0,5 bis 5 s) und drei Exzentrizitäten (3 bis 13 Grad Sichtwinkel), wie in Experiment 2 verwendet Die Anzahl der neuralen Einheiten im Modell indizierte die kortikale Vergrößerung über das gesamte Gesichtsfeld (3 Grad, 933 Neuronen; 8 Grad, 402 Neuronen; 13 Grad, 256 Neuronen), basierend auf dem kortikalen Vergrößerungsfaktor, der in einer menschlichen Retinotopic-Mapping-Studie geschätzt wurde55. Wir haben 10 000 Versuche für jede Kombination aus Verzögerung und Exzentrizität simuliert (ergänzende Abb. S5). Wie von der vorherigen Modellierung51 erwartet, zeigten die simulierten unsystematischen Fehler, während die simulierten systematischen Fehler keine beträchtliche Variation über die Exzentrizität oder Verzögerung hinweg zeigten, erhebliche Zunahmen sowohl über die Exzentrizität als auch über die Verzögerung. Zusammenfassend replizierten die simulierten Daten die Haupteffekte der Verzögerung, erfassten jedoch nicht die systematischen Fehlermuster und die unabhängigen Auswirkungen von Exzentrizität und Verzögerung auf das MGS, wie in den Verhaltensdaten gezeigt.

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Diskussion

In der vorliegenden Studie haben wir untersucht, wie die VSWM-Darstellung über den 2D-Raum und die Zeit variiert. Unsere Verhaltensdaten zeigten, dass sowohl systematische als auch unsystematische Fehler von gedächtnisgesteuerten Sakkaden mit Exzentrizitäten zunahmen. Allerdings zeigten nur unsystematische Fehler ein qualitativ anderes Muster als visuell geführte Sakkaden. Diese Befunde folgen dem kortikalen Vergrößerungsmodell, was darauf hinweist, dass die retinotopen Organisationen der Sehbahn VSWM-Darstellungen einschränken können. Es ist auch offensichtlich, dass unsystematische Fehler von gedächtnisgesteuerten Sakkaden mit dem Retentionsintervall von bis zu 5 s zunahmen, obwohl der Effekt weniger robust und zwischen den Probanden variabler zu sein schien als der Effekt der Exzentrizität. Wir postulieren, dass unsystematische Fehler mit akkumuliertem neuronalem Rauschen bei der Aufrechterhaltung des Gedächtnisses in Übereinstimmung mit neurophysiologischen Modellen verbunden sind, während systematische Fehler aus nicht-gedächtnisbasierten Prozessen wie sensomotorischer Transformation stammen können. Das Fehlen von Exzentrizität durch Verzögerungsinteraktion im MGS legt ferner unabhängige Mechanismen nahe, die der räumlichen und zeitlichen Verarbeitung von VSWM zugrunde liegen.

Unsere Experimente zeigten konsistent erhöhte systematische und unsystematische Fehler in gedächtnisgesteuerten Sakkaden mit zunehmender Zielexzentrizität. Diese Ergebnisse stimmen eng mit früheren Studien überein, in denen bei Makaken mit einer ähnlichen MGS-Aufgabe7 und bei Menschen mit einer Aufgabe, die manuell gesteuerte Mausklicks erfordert, um Ziele im Weltraum zu lokalisieren, größere Reaktionsfehler mit größerer Zielexzentrizität berichtet wurden9. Wir erweitern frühere Forschungen und zeigen weiter, dass die Variabilität von gedächtnisgesteuerten Reaktionen über Exzentrizität hinweg über einen quantitativen Unterschied zu visuell geführten Reaktionen hinausgeht. Insbesondere stiegen unsystematische Fehler im MGS linear und quadratisch mit zunehmender Exzentrizität im Vergleich zu einem geringeren linearen Fehleranstieg im VGS. Diese Ergebnisse legen nahe, dass VSWM-Darstellungen über den 2D-Raum hinweg nicht homogen und über Exzentrizitäten hinweg nichtlinear sind. VSWM-Darstellungen können einen schärferen Übergang von der Fovea haben (<~3°) to="" parafovea=""><~5°) and="" demonstrate="" similar="" properties="" beyond="" parafovea="" (="">~5 Grad )32,33,56.

Ein möglicher neuronaler Mechanismus, der der räumlichen Heterogenität von VSWM-Fehlern zugrunde liegt, ist die Struktur der funktionalen topografischen Kartierung des Raums im visuellen System. Retinotope Eigenschaften der dorsalen Sehbahn, wie z. B. kortikale Vergrößerung, können VSWM-Darstellungen über das Gesichtsfeld hinweg einschränken, ähnlich wie visuelle Wahrnehmungs- und Aufmerksamkeitsleistungen über den Raum hinweg eingeschränkt werden36,39,57–59. Interessanterweise haben frühere Studien zum visuellen Kurzzeitgedächtnis eine Abnahme der visuellen Arbeitsgedächtniskapazität für Buchstaben mit zunehmender Exzentrizität von 4 Grad auf 10 Grad des Blickwinkels gezeigt, und der Effekt wurde teilweise abgeschwächt, nachdem der Stimulus entsprechend der kortikalen Vergrößerung neu skaliert wurde Faktor60. Unsere Ergebnisse einer nichtlinearen Zunahme unsystematischer Fehler über die Exzentrizität erweitern die Hypothese der kortikalen Vergrößerung auf VSWM für räumliche Standorte. Wie in früheren Studien zur Wahrnehmungsschärfe39 gezeigt wurde, ist der kortikale Vergrößerungsfaktor auch eine nichtlineare Funktion der Exzentrizität, die eine allmählich langsamere Abnahme von der Exzentrizität von 1,5 Grad auf 12 Grad des Sehwinkels zeigt. Die größeren VSWM-Fehler für periphere Ziele können von räumlicher Heterogenität der Wahrnehmungsverarbeitung in frühen visuellen Regionen herrühren. Alternativ könnte es von einer ungleichmäßigen mnemonischen Repräsentation über den Raum in den visuellen Regionen auf niedrigerer Ebene16,17 und in den posterioren parietalen und frontalen Regionen auf höherer Ebene mit einer weiteren Verzerrung in ihrer retinotopischen Organisation10,44 herrühren. Allerdings kann die kortikale Vergrößerung der frühen visuellen Regionen sowohl die perzeptive Kodierung als auch die mnemotechnische Aufrechterhaltung räumlicher Informationen im peripheren Gesichtsfeld einschränken. Wie genau kann sich die kortikale Vergrößerung auf die VSWM-Präzision im Raum auswirken? Es gibt mindestens zwei Mechanismen, einschließlich eines verringerten kortikalen Vergrößerungsfaktors und einer erhöhten rezeptiven Feldgröße, wenn die Zielexzentrizität zunimmt38,40,41,61,62. Da die Zelldichte in der zentralen visuellen Darstellung von V1 ungefähr gleich63 oder sogar höher64 als in der peripheren Darstellung ist, bedeutet eine Abnahme des kortikalen Vergrößerungsfaktors mit Exzentrizität, dass mehr Neuronen für die foveale Verarbeitung bestimmt sind.

Wie in den vorherigen Modellierungsstudien51 und in unseren Simulationsdaten (ergänzende Abb. S5) veranschaulicht, würde eine geringere Anzahl von Neuronen in einem lokalen VSWM-Mikroschaltkreis die stochastische Drift der Populationsaktivität und damit die Varianz der Netzwerkausgabe erhöhen. Es ist möglich, dass der größere unsystematische Fehler mit zunehmender Exzentrizität in unseren MGS-Daten die Verhaltensmanifestation des kortikalen Vergrößerungsfaktors und der Variabilität der wiederkehrenden Netzwerkaktivität im gesamten kortikalen Raum ist. Darüber hinaus kann eine größere Empfangsfeldgröße auch die Qualität der VSWM-Darstellung in der Peripherie verringern, da eine breite räumliche Abstimmung die Genauigkeit sowohl der Codierung als auch der Aufrechterhaltung von VSWM verringern kann. Zukünftige Studien könnten weiter untersuchen, wie sich die Größe des Gedächtnisfeldes im Bump-Attraktor-Netzwerk auf VSWM-Fehler auswirkt, indem sie die Struktur und Stärke der exzitatorischen und inhibitorischen synaptischen Übertragung systematisch variieren. Die zweite wichtige Beobachtung ist der unterschiedliche zeitliche Verlauf von systematischen und unsystematischen Fehlern über die Verzögerung. Wir fanden eine Anhäufung von unsystematischen Fehlern in gedächtnisgesteuerten Sakkaden, wenn sich die Verzögerungszeit auf bis zu 5 s verlängerte, während ein eher zufällig verteilter systematischer Fehler über die Zeit. Es stimmt mit vielen früheren Studien zum Arbeitsgedächtnis überein, die zeigen, dass je länger das Speicherintervall ist, desto größer ist die Variabilität des Gedächtnisabrufs für Farbe65,66, Orientierung48,66,67, Gesichtsreize66 und räumliche Position8,47. Im Gegensatz dazu variiert der mittlere Erinnerungsfehler für räumliche Ziele nicht signifikant mit der Verzögerungsdauer6,8,47.

Insbesondere replizierten und erweiterten unsere Ergebnisse die räumliche Arbeitsgedächtnisstudie von White und Kollegen8, die ein ähnliches MGS-Paradigma bei Makaken verwendeten. Im Vergleich zu Mustern unsystematischer Fehler im 2D-Raum schienen verzögerungsbezogene Fehlermuster jedoch größere individuelle Unterschiede aufzuweisen und schienen unabhängig von der Exzentrizität zu sein. Dennoch war der Effekt der Verzögerung über mehrere Sitzungen hinweg stabil und wurde im Replikationsdatensatz reproduziert (ergänzende Abb. S3). Was ist das neuronale Substrat der verschlechterten Gedächtnispräzision im Laufe der Zeit, was sich in der erhöhten Erinnerungsvariabilität mit längeren Verzögerungsdauern widerspiegelt? Die Darstellung von VSWM-Inhalten oder -Zielen ist mit anhaltender neuronaler Aktivität verbunden, die in verteilten kortikalen und subkortikalen Regionen während der Gedächtnisverzögerung beobachtet wird15, und die Variabilität der anhaltenden neuralen Aktivität während der Verzögerung kann der Verhaltensreaktionsvariabilität in einzelnen Studien zugrunde liegen5,52,68,69. Diese neuronale Variabilität akkumuliert sich allmählich im Laufe der Zeit, verbunden mit der Verschlechterung der Gedächtnisrepräsentation mit zunehmendem Retentionsintervall52. Wie in früheren Studien51 und der vorliegenden Studie (ergänzende Abb. S5) modelliert, verstärkt sich in einem Bump-Attraktor-Modell die zufällige Drift der neuronalen Aktivität der Population im Laufe der Zeit ohne externe sensorische Eingaben, wodurch unsystematische, nicht systematische Fehler mit längerer Verzögerung zunehmen Laufzeiten. Neben den lokal wiederkehrenden Mikroschaltkreismechanismen können auch andere neuronale Mechanismen, wie z. B. kurzzeitige synaptische Plastizität70–72, für Änderungen der Gedächtnispräzision über die Verzögerung verantwortlich sein. Während unsystematische Fehler von gedächtnisbezogenen Prozessen herrühren können, scheinen systematische Fehler weniger von der Aufrechterhaltung des Gedächtnisses abhängig zu sein. Hier haben wir festgestellt, dass sich systematische Fehler in unseren Verhaltensergebnissen und Computersimulationen nicht über die Verzögerungsintervalle ansammeln. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass systematische Fehler mit der Helligkeit des Raums8, der anfänglichen Kopf- und Augenposition6 und dem postsakkadischen Feedback7 variieren. Daher können systematische Fehler auf einem nicht-gedächtnisbasierten Mechanismus beruhen, wie z. B. einem lauten sensomotorischen Transformationsprozess, der retinotope Signale ungenau in motorische Befehle übersetzt6. Insbesondere zeigte eine Studie73, dass die Entladungsaktivitäten der kollikulären Sakkade-bezogenen Burst-Neuronen in einer genauen visuell geführten Sakkade und einer ungenauen gedächtnisgesteuerten Sakkade ähnlich sind, was darauf hindeutet, dass systematische Fehler durch Hinzufügen oder Weglassen von Signalen entstehen können, die dem nachgeschaltet sind oberer Colliculus.

Diese Signale können sich auf kinematische Einschränkungen bei der Sakkadenbildung beziehen74, wie z. B. eine Kompensation der präsakkadischen Orbitalposition, aber die genaue Rolle solcher Signale bei der Erzeugung systematischer Fehler in gedächtnisgesteuerten Reaktionen bleibt unklar. Dennoch konnten wir nicht ausschließen, dass systematische Fehler aus anderen kortikalen Regionen stammen, die an der räumlichen Verarbeitung und sensomotorischen Transformation beteiligt sind, wie z. B. FEF75 und IPS76,77. Zum Beispiel hat sich gezeigt, dass FEF eine Quadrantenweise neuronale Organisation zeigt, die möglicherweise mit einer systematischen Verzerrung von Gedächtnisreaktionen in Richtung der Mitte des Quadranten zusammenhängt10. Obwohl unsere Hauptergebnisse eine gedächtnisbasierte Theorie unsystematischer Fehler und eine nicht gedächtnisbasierte Theorie systematischer Fehler unterstützen, ist es wichtig, andere Möglichkeiten zu beachten. Sensomotorische Transformationen können auch eine Rolle bei der Akkumulation von Reaktionsvariabilität im Laufe der Zeit während der frühen Verzögerung6 oder während der gesamten Verzögerungszeit spielen75.

CISTANCHE-EXTRAKT: VERBESSERT DAS GEDÄCHTNIS

Es ist auch nicht bekannt, ob systematische Fehler in einigen Situationen mit der Aufrechterhaltung des Gedächtnisses zusammenhängen können. Systematische Fehler können nach 5 s, dem längsten Verzögerungsintervall, das wir verwendet haben, erheblich zunehmen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die mittleren Erinnerungsfehler für Orientierung48,49 oder Farbe50 über Gedächtnisverzögerungen anstiegen, wenn mehrere Items präsentiert wurden und wenn die Items aktiv im Gedächtnis gehalten wurden50. Weitere Studien sind erforderlich, um zu untersuchen, wo, wann und wie systematische und unsystematische Fehler auftreten. Räumliche Arbeitsgedächtnisparadigmen, die nicht auf sensomotorischer Transformation beruhen, wie z. B. eine verzögerte Match-to-Sample-Aufgabe78, können eine gute Alternative sein, um die Abhängigkeit von Verhaltensfehlern von der Gedächtniserhaltung zu testen. Die Untersuchung systematischer und unsystematischer VSWM-Fehler in klinischen Modellen wie der Parkinson-Krankheit79 und Schizophrenie80 kann auch das Verständnis der Art der Verhaltensfehler fördern und möglicherweise dazu beitragen, Verhaltensmarker zu entwickeln, um die Diagnose dieser Störungen zu unterstützen. Ein weiteres faszinierendes Ergebnis der vorliegenden Studie ist der Unterschied zwischen primären und sekundären Sakkaden. Insgesamt zeigten sekundäre Sakkaden eine robustere Aufgabe durch Exzentrizitätsinteraktion und Verzögerungseffekt im Vergleich zu primären Sakkaden. Es ist möglich, dass primäre und sekundäre Sakkaden unterschiedliche Komponenten von VSWM widerspiegeln. Primäre Sakkaden können enger mit einem anfänglichen motorischen Plan verknüpft sein, während korrigierende Sakkaden die Qualität der VSWM-Darstellung eher widerspiegeln81–83.

Daher können Fehler in den primären gedächtnisgesteuerten Sakkaden motorische Fehler beinhalten, die nicht von den visuell geführten Reaktionen unterscheidbar sind, was die schwächere Wechselwirkung zwischen Aufgabe und Exzentrizität erklärt. Konsequenterweise kann ein geringerer Verzögerungseffekt auf die primären Sakkaden auf konstante motorische Fehler über Verzögerungen hindeuten. Schließlich fanden wir wenig oder keine Wechselwirkung zwischen Exzentrizität und Verzögerung, was darauf hindeutet, dass die räumliche und zeitliche Verarbeitung von VSWM weitgehend unabhängig sein kann. Es ist möglich, dass die VSWM-Aufrechterhaltung über die Zeit mit lokaler neuraler Dynamik in Beziehung steht, wie z. B. der stochastischen Drift der neuralen Aktivität, die durch das Bump-Attraktor-Modell simuliert wird. Im Gegensatz dazu wird die VSWM-Darstellung über den Raum hinweg wahrscheinlich durch einen globaleren neuronalen Mechanismus eingeschränkt, wie z. B. die langreichweitige topografische Kartierung innerhalb und zwischen kortikalen Regionen. Ein solcher Kontrast zwischen den lokalen und globalen Mechanismen kann die Invarianz systematischer Fehler über Verzögerungen und Exzentrizität durch Verzögerungswechselwirkungen in den simulierten Daten (ergänzende Abb. S5) erklären, da das Modell nur lokale neuronale Dynamik erfasst, nicht aber Änderungen in interregionalen und intra- Regionale Topographie. Zukünftige Modelle sollten sowohl lokale als auch globale Mechanismen beinhalten, um räumliche Heterogenität in der VSWM-Verarbeitung zu simulieren.

Beispielsweise wäre der Aufbau eines zweidimensionalen VSWM-Modells, das die intraregionale (nicht-)topografische Organisation entlang der dorsalen Sehbahn, gemessen durch fMRT22 oder Elektrophysiologie10, enthält, entscheidend, um die VSWM-Verarbeitung im Raum zu verstehen. Darüber hinaus können groß angelegte Schaltungsmodelle weiter mit topografischen Faktoren integriert werden, wie z. B. interregionale topografische Verbindungen84 und kortiko-kortikale Abtastung85, um die räumliche Verarbeitung in VSWM besser zu erfassen. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Studie, wie Sakkaden-Endpunktfehler über zweidimensionalen Raum und Zeit variieren, indem eine okulomotorische Aufgabe mit verzögerter Reaktion bei menschlichen Probanden verwendet wird. Wir beobachteten unterschiedliche Zeitverläufe von systematischen und unsystematischen Fehlern über das Retentionsintervall, in denen die systematischen Fehler zufällig schwankten, während sich die unsystematischen Fehler bis zu 5 s zu akkumulieren schienen. Wir schlagen vor, dass unsystematische Fehler, nicht systematische Fehler, sich mehr auf gedächtnisbezogene Prozesse beziehen. Wir fanden auch eine Zunahme systematischer und unsystematischer Fehler mit zunehmender Zielexzentrizität. Die Wechselwirkung zwischen Exzentrizität und Aufgabe war signifikant für unsystematische Fehler, was auf eine mögliche Einschränkung der Retinotopie-Organisation bei der VSWM-Darstellung hinweist. Schließlich deutet das Fehlen einer Wechselwirkung zwischen Exzentrizität und Verzögerung auf potenziell unterschiedliche Mechanismen der VSWM-Verarbeitung über Raum und Zeit hin.