Abstract Spatial attention selectively enhances neural responses to visual stimuli. There are two long-standing hypotheses about how top-down feedback enhances sensory responses in areas like V4: First, by amplifying V1-to-V4 feedforward communication via 30-80Hz gamma-coherence. Second, via top-down feedback to V4 supra- and infra-granular layers. To test these hypotheses, we recorded distinct cell-types across macaque V1 and V4 layers. Attention increased both V1-V4 gamma-coherence and V4 spike-rates, yet with distinct laminar and cell-type profiles. Surprisingly, V1 gamma did not engage V4 excitatory neurons, but only Layer-4 fast-spiking interneurons. Similar observations were made in mouse visual-cortex, where feedforward gamma-influences preferentially recruit optogenetically-tagged PV+ and narrowwaveform SSt+ interneurons. By contrast, attention enhanced V4 spike-rates in both excitatory neurons and fast-spiking interneurons, with the strongest and earliest modulation in Layer-2/3, consistent with a feedback influence. These findings reveal distinct feedforward and feedback pathways for the attentional modulation of inter-areal coherence and spike rates, respectively.

Abstract Sharp-wave ripples (SWRs) are highly synchronous neuronal activity events. They have been predominantly observed in the hippocampus during offline states such as pause in exploration, slow-wave sleep and quiescent wakefulness. SWRs have been linked to memory consolidation, spatial navigation, and spatial decision-making. Recently, SWRs have been reported during visual search, a form of remote spatial exploration, in macaque hippocampus. However, the association between SWRs and multiple forms of awake conscious and goal-directed behavior is unknown. We report that ripple activity occurs in macaque visual areas V1 and V4 during focused spatial attention. The frequency of ripples is modulated by characteristics of the stimuli, by spatial attention directed toward a receptive field, and by the size of the attentional focus. Critically, the monkey’s reaction times in detecting behaviorally relevant stimulus changes was affected on trials with SWRs. These results show that ripple activity is not limited to hippocampal activity during offline states, rather they occur in the neocortex during active attentive states and vigilance behaviors.

Summary Achieving behavioral goals requires integration of sensory and cognitive information, across cortical laminae and cortical regions. How this computation is performed remains unknown. Using local field potential recordings and spectrally resolved conditional Granger causality (cGC) analysis, we mapped visual information flow, and its attentional modulation, between cortical layers within and between macaque areas V1 and V4. Stimulus induced inter-laminar information flow within V1 dominated upwardly, channeling information towards supragranular cortico-cortical output layers. Within V4, information flow dominated from granular to supragranular layers, but interactions between supragranular and infragranular layers dominated downwardly. Low-frequency across-area communication was stronger from V4 to V1, with little layer specificity. Gamma-band communication was stronger in the feedforward V1 to V4 direction. Attention to the receptive field of V1 decreased communication between all V1 layers, except for granular to supragranular layers interactions. Communication within V4, and from V1 to V4, increased with attention across all frequencies. While communication from V4 to V1 was stronger in lower frequency bands (4-25 Hz), attention modulated cGCs from V4 to V1 across all investigated frequencies. Our data show that top down cognitive processes result in reduced communication within cortical areas, increased feedforward communication across all frequency bands and increased gamma band feedback communication.

Abstract Cognitive neuroscience has made great strides in understanding the neural substrates of attention, but our understanding of its neuropharmacology remains incomplete. Although dopamine has historically been studied in relation to frontal functioning, emerging evidence suggests important dopaminergic influences in parietal cortex. We recorded single- and multi-unit activity whilst iontophoretically administering dopaminergic agonists and antagonists while rhesus macaques performed a spatial attention task. Out of 88 units, 50 revealed activity modulation by drug administration. Dopamine inhibited firing rates according to an inverted-U shaped dose-response curve and increased gain variability. Dopamine modulated attention-related rate changes and Fano Factors in broad and narrow-spiking units, respectively. D1 receptor antagonists diminished firing rates according to a monotonic function and interacted with attention modulating gain variability in broad-spiking units. Finally, both drugs decreased the pupil light reflex. These data show that dopamine shapes neuronal responses and modulates attentional processing in parietal cortex.

The comparison between perceived and unperceived trials at perceptual threshold isolates not only the core neuronal substrate of a particular conscious perception, but also aspects of brain activity that facilitate, hinder or tend to follow conscious perception. We take a step towards the resolution of these confounds by combining an analysis of ECoG neuronal responses observed during the presentation of faces partially masked by Continuous Flash Suppression, and those responses observed during the unmasked presentation of faces and other images in the same subjects. Neuronal activity in both the fusiform gyrus and the superior temporal sulcus discriminated seen vs. unseen faces in the masked paradigm and upright faces vs. other categories in the unmasked paradigm. However, only the former discriminated upright vs. inverted faces in the unmasked paradigm. Our results suggest a prominent role for the fusiform gyrus in the configural perception of faces.

Spontaneous fluctuations in cortical excitability influence sensory processing and behavior. These fluctuations, long known to reflect global changes in cortical state, were recently found to be modulated locally within a retinotopic map during spatially selective attention. We found that periods of vigorous (On) and faint (Off) spiking activity, the signature of cortical state fluctuations, were coordinated across brain areas along the visual hierarchy and tightly coupled to their retinotopic alignment. During top-down attention, this interareal coordination was enhanced and progressed along the reverse cortical hierarchy. The extent of local state coordination between areas was predictive of behavioral performance. Our results show that cortical state dynamics are shared across brain regions, modulated by cognitive demands and relevant for behavior.

The timing and accuracy of perceptual decision making is exquisitely sensitive to fluctuations in arousal. Although extensive research has highlighted the role of neural evidence accumulation in forming decisions, our understanding of how arousal impacts these processes remains limited. Here we isolated electrophysiological signatures of evidence accumulation alongside signals reflecting target selection, attentional engagement and motor output and examined their modulation as a function of both tonic and phasic arousal, indexed by baseline and task-evoked pupil diameter, respectively. For both pupillometric measures, the relationship with reaction time was best described by a second-order, U-shaped, polynomial. Additionally, the two pupil measures were predictive of a unique set of EEG signatures that together represent multiple information processing steps of perceptual decision-making, including evidence accumulation. Finally, we found that behavioural variability associated with fluctuations in both tonic and phasic arousal was largely mediated by variability in evidence accumulation.