Many cortical structures have elevated firing rates during working memory, but it is not known how the activity is maintained. To investigate whether reverberating activity is important, we studied the temporal structure of local field potential (LFP) activity and spiking from area LIP in two awake macaques during a memory-saccade task. Using spectral analysis, we found spatially tuned elevated power in the gamma band (25–90 Hz) in LFP and spiking activity during the memory period. Spiking and LFP activity were also coherent in the gamma band but not at lower frequencies. Finally, we decoded LFP activity on a single-trial basis and found that LFP activity in parietal cortex discriminated between preferred and anti-preferred direction with approximately the same accuracy as the spike rate and predicted the time of a planned movement with better accuracy than the spike rate. This finding could accelerate the development of a cortical neural prosthesis.

The neural events associated with visually guided reaching begin with an image on the retina and end with impulses to the muscles. In between, a reaching plan is formed. This plan could be in the coordinates of the arm, specifying the direction and amplitude of the movement, or it could be in the coordinates of the eye because visual information is initially gathered in this reference frame. In a reach-planning area of the posterior parietal cortex, neural activity was found to be more consistent with an eye-centered than an arm-centered coding of reach targets. Coding of arm movements in an eye-centered reference frame is advantageous because obstacles that affect planning as well as errors in reaching are registered in this reference frame. Also, eye movements are planned in eye coordinates, and the use of similar coordinates for reaching may facilitate hand-eye coordination.

Recent development of neural prosthetics for assisting paralyzed patients has focused on decoding intended hand trajectories from motor cortical neurons and using this signal to control external devices. In this study, higher level signals related to the goals of movements were decoded from three monkeys and used to position cursors on a computer screen without the animals emitting any behavior. Their performance in this task improved over a period of weeks. Expected value signals related to fluid preference, the expected magnitude, or probability of reward were decoded simultaneously with the intended goal. For neural prosthetic applications, the goal signals can be used to operate computers, robots, and vehicles, whereas the expected value signals can be used to continuously monitor a paralyzed patient's preferences and motivation.

Brain imagination to control external devices Studies in monkeys have implicated the brain's posterior parietal cortex in high-level coding of planned and imagined actions. Aflalo et al. implanted two microelectrode arrays in the posterior parietal cortex of a tetraplegic patient (see the Perspective by Pruszynski and Diedrichsen). They asked the patient to imagine various types of limb or eye movements. As predicted, motor imagery involved the same types of neural population activity involved in actual movements, which could potentially be exploited in prosthetic limb control. Science , this issue p. 906 ; see also p. 860

In primates, planning movements to selected targets involves a number of areas in the anatomically connected frontal and parietal cortex, but how these areas of the brain interact is poorly understood. Pesaran et al. simultaneously recorded spikes and local field potentials in dorsal premotor and parietal reach region, and found that correlations between the two areas increase when monkeys are free to choose which movement among several alternatives to make than when they are following instructions. The authors hypothesize that such coordinated activity between the areas may influence movement choices. In primates, planning movements to selected targets involves a number of areas in anatomically connected frontal and parietal cortex, but how these areas interact is poorly understood. This paper simultaneously records spikes and local field potentials in dorsal pre-motor and parietal reach region and find that correlations between the two areas increase when monkeys choose which movement among several alternatives to make, rather than when they are following instructions. We often face alternatives that we are free to choose between. Planning movements to select an alternative involves several areas in frontal and parietal cortex1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 that are anatomically connected into long-range circuits12. These areas must coordinate their activity to select a common movement goal, but how neural circuits make decisions remains poorly understood. Here we simultaneously record from the dorsal premotor area (PMd) in frontal cortex and the parietal reach region (PRR) in parietal cortex to investigate neural circuit mechanisms for decision making. We find that correlations in spike and local field potential (LFP) activity between these areas are greater when monkeys are freely making choices than when they are following instructions. We propose that a decision circuit featuring a sub-population of cells in frontal and parietal cortex may exchange information to coordinate activity between these areas. Cells participating in this decision circuit may influence movement choices by providing a common bias to the selection of movement goals.

1. The cortex of the inferior parietal lobule (IPL) contains neurons whose activity is related to saccadic eye movements. The exact role of the IPL in relation to saccades remains, however, unclear. In this and the companion paper, we approach this problem by quantifying many of the spatial and temporal parameters of the saccade-related (S) activity. These parameters have hitherto been largely unstudied. 2. The activity of single neurons was recorded from Macaca mulatta monkeys while they were performing a delayed-saccade task. The analysis presented here is based on 161 neurons recorded from the lateral intraparietal area (LIP), a recently defined subdivision of the IPL; and 54 neurons recorded from the neighboring part of the IPL, area 7a. Overall, 409 IPL neurons were isolated in this study. 3. The typical activity of IPL neurons during the delayed-saccade task has three basic phases: light sensitive (LS), memory (M), and S. These basic phases are common to neurons of both areas LIP and 7a. In each phase (LS, M, and S), individual neurons may or may not be active. Most LIP neurons, however, are active in more than one phase. 4. To compare the activity levels of different neurons, the actual firing rate was weighted by each neuron's background level, yielding an "activity index" for each neuron, in each phase of the task. We calculated the activity index for the LS and M phases and for three phases related to the saccade: a presaccadic (Pre-S), a saccade-coincident (S-Co), and a postsaccadic (Post-S) phase. For area LIP neurons the median values of the activity index were high for the LS, M, Pre-S, and S-Co activities, and slightly lower in the Post-S period. In area 7a the median values were low for the LS phase and, in particular, for the M and Pre-S phases, somewhat higher coincident with the saccade, and high post-saccadically. 5. In area LIP, in each phase, 49-63% of the neurons had excitatory activity, and 10-17% had inhibitory responses. 6. In contrast, in area 7a excitatory responses were most frequent in the Post-S phase (56%). Excitation was particularly infrequent during M (28%) and Pre-S (22%). The incidence of inhibitory responses varied too (4-18%). The time course of inhibition was roughly opposite that of excitation; the highest frequency of inhibitory responses occurred during the saccade.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)