Mechanisms of abstract decisions in the monkey frontal cortex

Abstract

Sensory stimulation evokes neuronal discharges that lead to the detection of a stimulus. However, the absence of a stimulus is also clearly behaviourally relevant if a decision about stimulus presence or absence is required. This thesis investigated if and how judgments about the absence of sensory evidence might be represented in the monkey brain, using a task designed to dissociate an abstract decision from motor preparation. Electrophysiological techniques were used to study the responses of single neurons. Neurons in the prefrontal and premotor cortices signalled the categorical decision about stimulus presence or absence, irrespective of a motor response. Remarkably, while one group of neurons responded to the presence of a stimulus, a second population actively increased firing rates whenever the monkey decided that a stimulus was absent. This surprising finding suggests a novel mechanism involved in abstract perceptual decision-making. In the framework of this thesis, a computational network was designed to quantitatively explore this new finding. The network provided new insights that complement the physiological findings. The electrophysiological and computational results reveal an integral part of abstract decision-making that lies at the heart of cognition and intelligence.

Stimulution sensorischer Organe führt zu neuronalen Entladungen, die die Detektion dieser Stimuli ermöglichen. Die Abwesenheit sensorische Stimulation kann allerdings gleichermaßen relevant für das Verhalten des Organismus sein, wenn die Detektion des entsprechenden Reizes ausschlaggebend für eine Entscheidung ist. Diese Dissertation untersuchte ob und wie die Entscheidungen über die Abwesenheit eines Reizes im frontalen Kortex repräsentiert sind. Rhesusaffen wurden dressiert eine Verhaltensaufgabe auszuführen, die sicherstellte, dass die Verarbeitung der Entscheidung über den Reiz unabhängig von der Vorbereitung der motorischen Handlung zur Kennzeichnung der Entscheidung untersucht werden konnte. Elektrophysiologische Ableitungen ermöglichten die Einsicht in die Antworteigenschaften der einzelnen Nervenzellen. Neurone im präfrontalen und prämotorischen Kortex der Affen signalisierten die abstrakte Entscheidung kategorisch: Reiz anwesend oder Reiz abwesend bevor eine motorische Handlung geplant werden konnte. Interessanterweise, antwortete eine Gruppe von Neuronen aktiv immer wenn der Affe den schwachen Reiz subjektiv wahrgenommen hatte, eine andere Population von Neuronen erhöhte ihre Feuerrate immer wenn der Affe entschied, dass der Reiz abwesend war. Diese überraschende Entdeckung ist ein Hinweis auf einen bisher unbeschriebenen Mechanismus der Kodierung der perzentuellen abstrakten Entscheidungen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde auch ein theoretisches neuronales Netzwerk entworfen, welches half die elektrophysiologischen Ergebnisse zu quantitativ zu untersuchen und diese zu ergänzen. Die Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Arbeit tragen bei zur Erklärung der Repräsentation der abstrakten Entscheidung der Primaten welche einen entscheidenden Baustein der Kognition und Intelligenz darstellen.