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Functional Imaging with Reinforcement, Eyetracking, and Physiological Monitoring

We use functional brain imaging (fMRI) to study neural circuits that underlie decision-making.  To understand how outcomes affect decision processes, ...

Our visual system enables us to recognize visual objects across a wide range of spatial scales. The neural mechanisms underlying these abilities are still poorly understood. Size- or scale-independent representation of visual objects might be supported by processing in primary visual cortex (V1). Neurons in V1 are selective for spatial frequency and thus represent visual information in specific spatial wavebands. We tested whether different receptive field properties of neurons in V1 scale with preferred spatial wavelength. Specifically, we investigated the size of the area that enhances responses, i.e., the grating summation field, the size of the inhibitory surround, and the distance dependence of signal coupling, i.e., the linking field.

Scale-invariance of receptive field properties in primary visual cortex.

Unser visuelle System erm&ouml;glicht es uns, visuelle Objekte in einem breiten Spektrum von r&auml;umlichen Skalen zu erkennen. Die neuronalen Mechanismen diese F&auml;higkeiten werden nach wie vor unzureichend verstanden. Gr&ouml;&szlig;e oder Skala-unabh&auml;ngige Darstellung visueller Objekte m&ouml;glicherweise durch die Verarbeitung in der prim&auml;ren Sehrinde (V1) unterst&uuml;tzt. Neuronen in V1 sind selektiv f&uuml;r r&auml;umliche Frequenz und somit visuelle Informationen in bestimmten r&auml;umlichen Frequenzen vertreten. Wir haben getestet, ob verschiedene empf&auml;nglich Feldeigenschaften der Neuronen im V1 mit bevorzugten r&auml;umlichen Wellenl&auml;nge zu skalieren. Speziell, untersuchten wir die Gr&ouml;&szlig;e des Bereichs, die Antworten, d. h. erh&ouml;ht die Gitter-Summierung Feld, die Gr&ouml;&szlig;e der hemmenden Surround und die Distanz-Abh&auml;ngigkeit der Signal-Kopplung, d.h. das Verkn&uuml;pfungsfeld.

Skala-Invarianz empf&auml;nglich Feldeigenschaften in der prim&auml;ren Sehrinde.

A number of studies have investigated the localization of briefly flashed targets during saccades to understand how the brain perceptually compensates for changes in gaze direction. Typical version saccades, i.e., saccades between two points of the horopter, are not only associated with changes in gaze direction, but also with large transient changes of ocular vergence. These transient changes in vergence have to be compensated for just as changes in gaze direction. We investigated depth judgments of perisaccadically flashed stimuli relative to continuously present references and report several novel findings. First, disparity thresholds increased around saccade onset. Second, for horizontal saccades, depth judgments were prone to systematic errors: Stimuli flashed around saccade onset were perceived in a closer depth plane than persistently shown references with the same retinal disparity. Briefly before and after this period, flashed stimuli tended to be perceived in a farther depth plane. Third, depth judgments for upward and downward saccades differed substantially: For upward, but not for downward saccades we observed the same pattern of mislocalization as for horizontal saccades. Finally, unlike localization in the fronto-parallel plane, depth judgments did not critically depend on the presence of visual references. Current models fail to account for the observed pattern of mislocalization in depth.

Depth perception during saccades.

Eine Reihe von Studien haben untersucht, die Lokalisierung von kurz blitzte Ziele w&auml;hrend der Sakkaden zu verstehen, wie das Gehirn Wahrnehmung &Auml;nderungen in Blickrichtung ausgleicht. Typische Version Sakkaden, d.h. Sakkaden zwischen zwei Punkten der Horopter, sind nicht nur verbunden mit Ver&auml;nderungen in der Blickrichtung, sondern auch mit gro&szlig;en vor&uuml;bergehende &Auml;nderungen der okul&auml;re vergenz. Diese vor&uuml;bergehenden Ver&auml;nderungen in vergenz m&uuml;ssen ebenso wie &Auml;nderungen in Blickrichtung kompensiert werden. Wir untersuchten Tiefe Urteile des Perisaccadically geflasht Reize Relative kontinuierlich Referenzen und Bericht mehrere neuartige Erkenntnisse pr&auml;sentieren. Erstens erh&ouml;ht Disparit&auml;t Schwellenwerte um Saccade auftreten. Zweitens mussten die Tiefe Urteile f&uuml;r horizontale Sakkaden, anf&auml;llig f&uuml;r systematische Fehler: Reize um Saccade Beginn geblitzt wurden in einer engeren Tiefe Ebene als anhaltend angezeigten Verweise mit der gleichen Netzhaut Unterschiede empfunden. Kurz vor und nach diesem Zeitraum blitzte Reize, die tendenziell in weiter Tiefe Ebene wahrgenommen werden. Drittens Tiefe Urteile f&uuml;r nach oben und unten Sakkaden unterschieden sich erheblich: f&uuml;r nach oben, aber nicht f&uuml;r abw&auml;rts Sakkaden wir beobachteten das gleiche Muster der Mislocalization f&uuml;r horizontale Sakkaden. Schlie&szlig;lich im Gegensatz zur Lokalisierung in der Fronto-parallele Ebene, Tiefe Urteile nicht kritisch auf das Vorhandensein von visuellen Referenzen abh&auml;ngig. Aktuelle Modelle nicht die beobachteten Muster der Mislocalization in die Tiefe zu ber&uuml;cksichtigen.

Tiefe Wahrnehmung w&auml;hrend der Sakkaden.

The use of functional magnetic resonance imaging (fMRI) in non-human primates is on the increase. It is known that the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal varies not only as a function of local neuronal energy consumption but also as a function of cardiac and respiratory activity. We mapped these cyclic cardiac and respiratory artifacts in anesthetized macaque monkeys and present an objective analysis of their impact on estimates of functional connectivity (fcMRI). Voxels with significant cardiac and respiratory artifacts were found in much the same regions as previously reported for awake humans. We show two example seeds where removing the artifacts clearly decreased the number of false positive and false negative correlations. In particular, removing the artifacts reduced correlations in the so-called resting state network. Temporal bandpass filtering or spatial smoothing may help to reduce the effects of artifacts in some cases but are not an adequate replacement for an algorithm that explicitly models and removes cyclic cardiac and respiratory artifacts.

Effects of heartbeat and respiration on macaque fMRI: implications for functional connectivity.

Der Einsatz der funktionellen Kernspintomographie (fMRI) in nicht-menschlichen Primaten ist auf dem Vormarsch. Es ist bekannt, dass das Blut-Sauerstoff-Niveau-abh&auml;ngigen (BOLD) Signal nicht nur als Funktion der lokalen neuronalen Energieverbrauch, sondern auch als Funktion der Herz- und Atmungs-Aktivit&auml;t variiert. Wir diese zyklische Herz- und Atemwege Artefakte in narkotisierten Makaken zugeordnet und eine objektive Analyse ihrer Auswirkungen auf den Sch&auml;tzungen der funktionelle Konnektivit&auml;t (FcMRI) zu pr&auml;sentieren. Voxel mit signifikante kardiale und respiratorische Artefakte im viel die gleichen Regionen wie bereits berichtet f&uuml;r wach Menschen gefunden. Wir zeigen zwei Beispiel-Samen, wo die Artefakte entfernen deutlich die Zahl der falsch positive und falsch negative Korrelationen abgenommen. Entfernen die Artefakte reduziert insbesondere Korrelationen im sogenannten ruhenden Zustand Netz. Zeitliche Bandpass Filter oder r&auml;umliche Gl&auml;ttung kann dazu beitragen, die Verringerung der Auswirkungen der Artefakte in einigen F&auml;llen sind jedoch keinen geeigneten Ersatz f&uuml;r einen Algorithmus, der explizit modelliert und zyklische kardiale und respiratorische Artefakte entfernt.

Auswirkungen von Herzschlag und Atmung auf Makaken fMRI: Implikationen f&uuml;r die funktionelle Konnektivit&auml;t.

The spatially uniform mislocalization of stimuli flashed around the onset of fast eye-movements (perisaccadic shift) has previously been explained by an inaccurate internal representation of current eye position. However, this hypothesis does not account for the observation that continuously presented stimuli are correctly localized during saccades. Here we show that the two findings are not mutually exclusive. The novelty of our approach lies in our interpretation of the extraretinal signal which, in contrast to other models, is not considered an (erroneous) estimate of current eye-position. Based on the reafference principle, our model assumes that the extraretinal signal is optimal in that it accurately predicts the neural representation of the retinal position of a continuously present stimulus. Perisaccadic shift arises as a consequence of maintaining stable perisaccadic position estimates for continuously present stimuli under the physiologically plausible assumption of temporal low-pass filtering in the afferent visual pathway. Consequently, our model reconciles the reafference principle with the finding of perisaccadic shift.

Perisaccadic mislocalization as optimal percept.

Die r&auml;umlich einheitliche Mislocalization Reize, um das Auftreten von schnellen Augenbewegungen (Perisaccadic Schicht) blitzte ist zuvor durch eine ungenaue interne Darstellung der aktuellen Position des Auges erkl&auml;rt worden. Jedoch ber&uuml;cksichtigt diese Hypothese nicht f&uuml;r die Beobachtung, dass kontinuierlich dargebotenen Reize w&auml;hrend der Sakkaden korrekt lokalisiert werden. Hier zeigen wir, dass die zwei Feststellungen nicht gegenseitig ausschlie&szlig;en. Die Neuheit unseres Ansatzes liegt in unserer Interpretation des extraretinal-Signals, die im Gegensatz zu anderen Modellen, keine (fehlerhafte) Sch&auml;tzung der aktuellen Auge-Position gehalten wird. Basierend auf dem Reafference-Prinzip, unser Modell wird davon ausgegangen, dass das extraretinal Signal optimal ist, insofern es wird genau die neurale Darstellung der Netzhaut Stellung kontinuierlich vorhanden Ansporn vorhersagt. Perisaccadic Verschiebung entsteht infolge Pflege stabile Perisaccadic Stellung Sch&auml;tzungen f&uuml;r kontinuierlich vorhanden Reize unter physiologisch plausible Annahme der zeitlichen Tiefpass-Filterung in der afferenten visuelle Weg. Unser Modell gleicht daher das Reafference-Prinzip mit der Feststellung der Perisaccadic Verschiebung.

Perisaccadic Mislocalization als optimale Percept.

Sensory decisions may be influenced by non-sensory information regarding reward magnitude or reward likelihood. Given identical sensory information, it is more optimal to choose an option if it is a priori more likely to be correct and hence rewarded (prior reward likelihood bias), or if it yields a larger reward, given that it is the correct choice (reward magnitude bias). Here, we investigated the ability of macaque monkeys to integrate reward magnitude and prior reward likelihood information into a categorical decision about stimuli with high signal strength but variable decision uncertainty. In the asymmetric reward magnitude condition, monkeys over-adjusted their decision criterion such that they chose the highly rewarded alternative far more often than was optimal; in contrast, monkeys did not adjust their decision criterion in response to asymmetric reward likelihood. This finding shows that in this setting, monkeys did not adjust their decision criterion based on the product of reward likelihood and reward magnitude as has been reported to be the case in value-based decisions that do not involve decision uncertainty due to stimulus categorization.

Suboptimal integration of reward magnitude and prior reward likelihood in categorical decisions by monkeys.

Sensorische Entscheidungen k&ouml;nnen durch nicht-sensorische Informationen zur Belohnung Helligkeit oder Belohnung Wahrscheinlichkeit beeinflusst werden. Identische sensorische Informationen gegeben, es ist mehr eine Option zu w&auml;hlen, wenn es von vornherein eher richtig ist optimal und daher belohnt (vorherige Belohnung Wahrscheinlichkeit Bias), oder wenn es eine gr&ouml;&szlig;ere Belohnung ergibt, da ist es die richtige Wahl (Belohnung Helligkeit Bias). Hier untersuchten wir die F&auml;higkeit der Makaken, Belohnung Helligkeit und vorherige Belohnung Wahrscheinlichkeit Informationen in eine kategorische Entscheidung &uuml;ber Reize mit hoher Signalst&auml;rke aber Variable Entscheidung Unsicherheit zu integrieren. In der asymmetrischen Belohnung Helligkeit Bedingung over-adjusted Affen ihre Entscheidungskriterium, so dass sie die hoch belohnte Alternative weit h&auml;ufiger w&auml;hlten als optimale war; im Gegensatz dazu f&uuml;r die Affen nicht ihre Entscheidungskriterium als Reaktion auf asymmetrische Belohnung Wahrscheinlichkeit angepasst werden. Dieses Ergebnis zeigt, dass diese Einstellung Affen nicht ihre Entscheidungskriterium angepasst, basierend auf den Produkten der Belohnung Wahrscheinlichkeit und Belohnung Helligkeit wie vermeldet wurde, der Fall in Value based Entscheidungen sein, die Entscheidung Unsicherheit aufgrund der Reiz Kategorisierung nicht betreffen.

Suboptimale Integration von Belohnung Helligkeit und vorherige Belohnung Wahrscheinlichkeit im kategorischen Rechtsprechung Affen.

The dorsal medial frontal cortex (dMFC) is highly active during choice behavior. Though many models have been proposed to explain dMFC function, the conflict monitoring model is the most influential. It posits that dMFC is primarily involved in detecting interference between competing responses thus signaling the need for control. It accurately predicts increased neural activity and response time (RT) for incompatible (high-interference) vs. compatible (low-interference) decisions. However, it has been shown that neural activity can increase with time on task, even when no decisions are made. Thus, the greater dMFC activity on incompatible trials may stem from longer RTs rather than response conflict. This study shows that (1) the conflict monitoring model fails to predict the relationship between error likelihood and RT, and (2) the dMFC activity is not sensitive to congruency, error likelihood, or response conflict, but is monotonically related to time on task.

The dorsal medial frontal cortex is sensitive to time on task, not response conflict or error likelihood.

Der dorsale mediale frontale Kortex (dMFC) ist w&auml;hrend der Wahl Verhalten sehr aktiv. Obwohl viele Modelle dMFC-Funktion erkl&auml;ren vorgeschlagen wurden, ist der Konflikt &Uuml;berwachung Modell einflussreichsten. Er postuliert, dass die dMFC in erster Linie f&uuml;r die Erkennung von St&ouml;rungen zwischen konkurrierenden Antworten so signalisieren die Notwendigkeit der Kontrolle beteiligt ist. Es Vorhersage erh&ouml;hte neuronale Aktivit&auml;t und Reaktion Zeit (RT) f&uuml;r unvereinbar (hoch-Interferenz) vs. kompatibel (niedrig-Interferenz) Entscheidungen. Jedoch hat sich gezeigt, dass neuronale Aktivit&auml;t mit der Zeit auf Aufgabe erh&ouml;hen kann, selbst wenn keine Entscheidungen getroffen werden. Somit kann die gr&ouml;&szlig;ere dMFC-Aktivit&auml;t auf inkompatible Studien stammen aus l&auml;ngeren RTs als Antwort Konflikt. Diese Studie zeigt, dass (1) der &Uuml;berwachung geht nicht auf die Beziehung zwischen Fehler-Wahrscheinlichkeit und RT (2) die dMFC-Aktivit&auml;t Vorhersagen Konflikt nicht auf die Kongruenz, Fehler-Wahrscheinlichkeit oder Antwort Konflikt reagiert, aber monoton sich auf Zeit auf Aufgabe bezieht.

Der dorsale mediale frontale Kortex reagiert empfindlich auf Zeit auf Aufgabe, nicht Antwort Konflikte oder Fehler-Wahrscheinlichkeit.

Conflict, error likelihood, and RT: Response to Brown & Yeung et al.

Konflikt, Fehler-Wahrscheinlichkeit und RT: Antwort zu Brown &amp; Yeung Et Al.

In vivo transcranial and noninvasive cavitation detection with blood-brain barrier (BBB) opening in nonhuman primates is hereby reported. The BBB in monkeys was opened transcranically using focused ultrasound (FUS) in conjunction with microbubbles. A passive cavitation detector, confocal with the FUS transducer, was used to identify and monitor the bubble behavior. During sonication, the cavitation spectrum, which was found to be region-, pressure-, and bubble-dependent, provided real-time feedback regarding the opening occurrence and its properties. These findings demonstrate feasibility of transcranial, cavitation-guided BBB opening using FUS and microbubbles in noninvasive human applications.

Feasibility of noninvasive cavitation-guided blood-brain barrier opening using focused ultrasound and microbubbles in nonhuman primates.

In Vivo Transkranielle und nichtinvasive Kavitation Erkennung mit Blut - Hirn-Schranke (BBB) wird die Er&ouml;ffnung in nicht-menschlichen Primaten hiermit gemeldet. Die BBB bei Affen war ge&ouml;ffneten Transcranically mit fokussierten Ultraschall (FUS) in Verbindung mit Mikrobl&auml;schen. Ein passive Kavitation-Detektor, mit dem FUS-Messumformer, konfokale wurde verwendet, um zu identifizieren und &uuml;berwachen Sie das Verhalten der Blase. W&auml;hrend Sonorisierung sorgte das Kavitation-Spektrum, das festgestellt wurde, dass um Regionen - Druck- und Blase abh&auml;ngig zu werden, in Echtzeit Feedback &uuml;ber das &Ouml;ffnung eintreten und seine Eigenschaften. Diese Ergebnisse zeigen Machbarkeit Transkranielle, Kavitation-gef&uuml;hrte BBB mit FUS und Mikrobl&auml;schen in nicht-invasive menschliche Anwendungen &ouml;ffnen.

Durchf&uuml;hrbarkeit der nichtinvasiven Kavitation-gef&uuml;hrte Blut - Hirn-Schranke &ouml;ffnen mit Ultraschall und Mikrobl&auml;schen in nicht-menschlichen Primaten konzentriert.

The blood-brain barrier (BBB) is a specialized vascular system that impedes entry of all large and the vast majority of small molecules including the most potent central nervous system (CNS) disease therapeutic agents from entering from the lumen into the brain parenchyma. Microbubble-enhanced, focused ultrasound (ME-FUS) has been previously shown to disrupt noninvasively, selectively, and transiently the BBB in small animals in vivo. For the first time, the feasibility of transcranial ME-FUS BBB opening in non-human primates is demonstrated with subsequent BBB recovery. Sonications were combined with two different types of microbubbles (customized 4-5 Âµm and DefinityÂ®). 3T MRI was used to confirm the BBB disruption and to assess brain damage.

Noninvasive, transient and selective blood-brain barrier opening in non-human primates in vivo.

Die Blut - Hirn-Schranke (BBB) ist eine spezialisierte Gef&auml;&szlig;system, die Eingabe von allen grossen und die &uuml;berwiegende Mehrheit der kleinen Molek&uuml;le, einschlie&szlig;lich die potentesten zentrales Nervensystem (ZNS) Krankheit Therapeutika der Gehirn-Parenchym aus dem Lumen eingehen behindert. Microbubble-enhanced, fokussierten Ultraschall (ME-FUS) zuvor nachweislich st&ouml;ren Bauteilqualit&auml;t, selektiv, und vor&uuml;bergehend die BBB in Kleintiere in-vivo. Zum ersten Mal wird die Machbarkeit der Transkranielle ME-FUS-BBB-Er&ouml;ffnung in nicht-menschlichen Primaten mit BBB Erholung demonstriert. Sonications wurden mit zwei verschiedenen Arten von Mikrobl&auml;schen (angepasste 4-5 &micro;m und Definity &reg;) kombiniert. 3T MRI wurde verwendet, um die BBB-St&ouml;rung zu best&auml;tigen und um Hirnsch&auml;den zu bewerten.

Article	Year
Scale-invariance of receptive field properties in primary visual cortex. BMC neuroscience\| PubMed ID: 17562009	2007
Depth perception during saccades. Journal of vision\| PubMed ID: 19146328	2008
Effects of heartbeat and respiration on macaque fMRI: implications for functional connectivity. Neuropsychologia\| PubMed ID: 19969009	2010
Perisaccadic mislocalization as optimal percept. Journal of vision\| PubMed ID: 20884594	2010
Suboptimal integration of reward magnitude and prior reward likelihood in categorical decisions by monkeys. Frontiers in neuroscience\| PubMed ID: 21151367	2010
The dorsal medial frontal cortex is sensitive to time on task, not response conflict or error likelihood. NeuroImage\| PubMed ID: 21168515	2011
Conflict, error likelihood, and RT: Response to Brown & Yeung et al. NeuroImage\| PubMed ID: 21554960	2011
Feasibility of noninvasive cavitation-guided blood-brain barrier opening using focused ultrasound and microbubbles in nonhuman primates. Applied physics letters\| PubMed ID: 21580802	2011
Noninvasive, transient and selective blood-brain barrier opening in non-human primates in vivo. PloS one\| PubMed ID: 21799913	2011

Tobias Teichert

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