Activity in regions of the brain have been correlated with decision making but determining whether such relationships are correlative or causative has been challenging; using a technique to reversibly inactivate brain areas in monkeys reveals that although there is decision-related activity in the lateral intraparietal (LIP) area, LIP is not critical for the perceptual decisions studied here. Activity in 'area LIP', the lateral intraparietal cortex of the brain, has long been associated with evidence accumulation in sensory decision-making tasks, but a causal role in decision-making has never been established. Leor Katz et al. confirmed that choice-related activity occurs in area LIP and motion-stimulus-related activity in area MT (middle temporal) in rhesus monkeys performing a challenging motion discrimination task. Surprisingly, inactivation in LIP did not impair decision-making, but inactivation of neurons in area MT did. LIP inactivation did influence behaviour in a free-choice task. These findings point to a dissociation between decision-related activity in LIP and the causal role of such activity in decision-making, and indicate that recordings from area LIP in monkeys do not necessarily provide insight into computations involved in decision-making. During decision making, neurons in multiple brain regions exhibit responses that are correlated with decisions1,2,3,4,5,6. However, it remains uncertain whether or not various forms of decision-related activity are causally related to decision making7,8,9. Here we address this question by recording and reversibly inactivating the lateral intraparietal (LIP) and middle temporal (MT) areas of rhesus macaques performing a motion direction discrimination task. Neurons in area LIP exhibited firing rate patterns that directly resembled the evidence accumulation process posited to govern decision making2,10, with strong correlations between their response fluctuations and the animal’s choices. Neurons in area MT, in contrast, exhibited weak correlations between their response fluctuations and choices, and had firing rate patterns consistent with their sensory role in motion encoding1. The behavioural impact of pharmacological inactivation of each area was inversely related to their degree of decision-related activity: while inactivation of neurons in MT profoundly impaired psychophysical performance, inactivation in LIP had no measurable impact on decision-making performance, despite having silenced the very clusters that exhibited strong decision-related activity. Although LIP inactivation did not impair psychophysical behaviour, it did influence spatial selection and oculomotor metrics in a free-choice control task. The absence of an effect on perceptual decision making was stable over trials and sessions and was robust to changes in stimulus type and task geometry, arguing against several forms of compensation. Thus, decision-related signals in LIP do not appear to be critical for computing perceptual decisions, and may instead reflect secondary processes. Our findings highlight a dissociation between decision correlation and causation, showing that strong neuron-decision correlations do not necessarily offer direct access to the neural computations underlying decisions.

Making informed decisions in noisy environments requires integrating sensory information over time. However, recent work has suggested that it may be difficult to determine whether an animal’s decision-making strategy relies on evidence integration or not. In particular, strategies based on extrema-detection or random snapshots of the evidence stream may be difficult or even impossible to distinguish from classic evidence integration. Moreover, such non-integration strategies might be surprisingly common in experiments that aimed to study decisions based on integration. To determine whether temporal integration is central to perceptual decision making, we developed a new model-based approach for comparing temporal integration against alternative “non-integration” strategies for tasks in which the sensory signal is composed of discrete stimulus samples. We applied these methods to behavioral data from monkeys, rats, and humans performing a variety of sensory decision-making tasks. In all species and tasks, we found converging evidence in favor of temporal integration. First, in all observers across studies, the integration model better accounted for standard behavioral statistics such as psychometric curves and psychophysical kernels. Second, we found that sensory samples with large evidence do not contribute disproportionately to subject choices, as predicted by an extrema-detection strategy. Finally, we provide a direct confirmation of temporal integration by showing that the sum of both early and late evidence contributed to observer decisions. Overall, our results provide experimental evidence suggesting that temporal integration is an ubiquitous feature in mammalian perceptual decision-making. Our study also highlights the benefits of using experimental paradigms where the temporal stream of sensory evidence is controlled explicitly by the experimenter, and known precisely by the analyst, to characterize the temporal properties of the decision process.

Abstract Recent evidence suggests that microsaccades are causally linked to the attention-related modulation of neurons – specifically, that microsaccades towards the attended location are required for the subsequent changes in firing rate. These findings have raised questions about whether attention-related modulation is due to different states of attention as traditionally assumed or might instead be a secondary effect of microsaccades. Here, in two rhesus macaques, we tested the relationship between microsaccades and attention-related modulation in the superior colliculus, a brain structure crucial for allocating attention. We found that attention-related modulation emerged even in the absence of microsaccades, was already present prior to microsaccades towards the cued stimulus, and persisted through the suppression of activity that accompanied all microsaccades. Nonetheless, consistent with previous findings, we also found significant attention-related modulation when microsaccades were directed towards, rather than away from, the cued location. Thus, in contrast to the prevailing hypothesis, microsaccades are not necessary for attention-related modulation, at least not in the superior colliculus. They do, however, provide an additional marker for the state of attention, especially at times when attention is shifting from one location to another.

Abstract Optogenetics affords new opportunities to interrogate neuronal circuits that control behavior. In primates, the usefulness of optogenetics in studying cognitive functions remains a challenge. The technique has been successfully wielded, but behavioral effects have been demonstrated primarily for sensorimotor processes. Here, we tested whether brief optogenetic suppression of primate superior colliculus can change performance in a covert attention task, in addition to previously reported optogenetic effects on saccadic eye movements. We used an attention task that required the monkey to detect and report a stimulus change at a cued location via joystick release, while ignoring changes at an uncued location. When the cued location was positioned in the response fields of transduced neurons in the superior colliculus, transient light delivery coincident with the stimulus change disrupted the monkey's detection performance, significantly lowering hit rates. When the cued location was elsewhere, hit rates were unaltered, indicating that the effect was spatially specific and not a motor deficit. Hit rates for trials with only one stimulus were also unaltered, indicating that the effect depended on selection among distractors rather than a low-level visual impairment. Psychophysical analysis revealed that optogenetic suppression increased perceptual threshold, but only for locations matching the transduced site. These data show that optogenetic manipulations can cause brief and spatially specific deficits in covert attention, independent of sensorimotor functions. This dissociation of effect, and the temporal precision provided by the technique, demonstrates the utility of optogenetics in interrogating neuronal circuits that mediate cognitive functions in the primate.

Summary Correlated variability (spike count correlations, r SC ) in a population of neurons can constrain how information is read out, depending on behavioral task and neuronal tuning. Here we tested whether r SC also depends on neuronal functional class. We recorded from populations of neurons in macaque superior colliculus (SC), a structure that contains well-defined functional classes. We found that during a guided saccade task, different classes of neurons exhibited differing degrees of r SC . “Delay class” neurons displayed the highest r SC , especially during the delay epoch of saccade tasks that relied on working memory. This was only present among Delay class neurons within the same hemisphere. The dependence of r SC on functional class indicates that subpopulations of SC neurons occupy distinct circuit niches with distinct inputs. Such subpopulations should be accounted for differentially when attempting to model or infer population coding principles in the SC, or elsewhere in the primate brain.

The evolution of the primate brain is marked by a dramatic increase in the number of neocortical areas that process visual information. This cortical expansion supports two hallmarks of high-level primate vision, the ability to selectively attend to particular visual features and the ability to recognize a seemingly limitless number of complex visual objects. Given their prominent roles in high-level vision for primates, it is commonly assumed that these cortical processes supersede the earlier versions of these functions accomplished by the evolutionarily older brain structures that lie beneath the cortex. Contrary to this view, here we show that the superior colliculus (SC), a midbrain structure conserved across all vertebrates, is necessary for the normal expression of attention-related modulation and object selectivity in a newly identified region of macaque temporal cortex. Using a combination of psychophysics, causal perturbations and fMRI, we identified a localized region in the temporal cortex that is functionally dependent on the SC. Targeted electrophysiological recordings in this cortical region revealed neurons with strong attention-related modulation that was markedly reduced during attention deficits caused by SC inactivation. Many of these neurons also exhibited selectivity for particular visual objects, and this selectivity was also reduced during SC inactivation. Thus, the SC exerts a causal influence on high level visual processing in cortex at a surprisingly late stage where attention and object selectivity converge, perhaps determined by the elemental forms of perceptual processing the SC has supported since before there was a neocortex.

Face processing is fundamental to primates and has been extensively studied in higher-order visual cortex. Here we report that visual neurons in the midbrain superior colliculus (SC) display a preference for faces, that the preference emerges within 50ms of stimulus onset - well before "face patches" in visual cortex - and that this activity can distinguish faces from other visual objects with accuracies of ~80%. This short-latency preference in SC depends on signals routed through early visual cortex, because inactivating the lateral geniculate nucleus, the key relay from retina to cortex, virtually eliminates visual responses in SC, including face-related activity. These results reveal an unexpected circuit in the primate visual system for rapidly detecting faces in the periphery, complementing the higher-order areas needed for recognizing individual faces.