In monkeys, posterior parietal and premotor cortex play an important integrative role in polymodal motion processing. In contrast, our understanding of the convergence of senses in humans is only at its beginning. To test for equivalencies between macaque and human polymodal motion processing, we used functional MRI in normals while presenting moving visual, tactile, or auditory stimuli. Increased neural activity evoked by all three stimulus modalities was found in the depth of the intraparietal sulcus (IPS), ventral premotor, and lateral inferior postcentral cortex. The observed activations strongly suggest that polymodal motion processing in humans and monkeys is supported by equivalent areas. The activations in the depth of IPS imply that this area constitutes the human equivalent of macaque area VIP.

ABSTRACT Background While deep brain stimulation (DBS) in the subthalamic nucleus (STN) improves motor functions in Parkinson’s disease (PD), it has also been associated with increased impulsivity. Methods A combined approach of eye-tracking and high-density EEG was used to investigate how high- and low-frequency DBS impact impulsive actions in the antisaccade task in a cohort of ten persons with PD. Computational modelling of the behavioral outcomes allowed a nuanced insight into the effect of DBS on response inhibition and action selection processes. Results: Against our expectations, both 130 Hz- and 60 Hz-DBS improved response inhibition as both resulted in a reduced rate of early reflexive errors. Correspondingly, DBS with both frequencies led to increased desynchronization of beta power during the preparatory period which may be a correlate of anticipatory activation in the oculomotor network. Low-frequency DBS additionally was associated with increased midfrontal theta power, an established marker of cognitive control. While higher midfrontal theta power predicted longer antisaccade latencies in off-DBS state on a trial-by-trial basis, 130 Hz-DBS reversed this relationship. As informed by the computational model, 130 Hz-DBS further led to a shift in the speed-accuracy trade-off causing an acceleration and error-proneness of actions later in the trial. Conclusions Our results disentangle the impact of DBS on early and late impulsive actions. Only 130 Hz-DBS may disrupt theta-mediated cognitive control mechanisms via medial frontal – STN pathways that are involved in delaying action selection. 60 Hz-DBS may provide beneficial effects on response inhibition without the detrimental effect on action selection seen with 130 Hz-DBS. Funding This study was supported by the SUCCESS program of Philipps-University Marburg (JW), the Hessian Ministry of Sciences and the Arts, clusterproject: The Adaptive Mind – TAM (FB / AK) and the German Research Foundation (DFG). International Research Training Group 1901 (FB / AK)

Abstract Despite motion on the retina with every saccade, we perceive the world as stable. But whether this stability is a result of neurons constructing a spatial map or continually remapping a retinal representation is unclear. Previous work has focused on the perceptual consequences of shifts in the horizontal and vertical dimensions, but torsion is another key component in ocular orienting that – unlike horizontal and vertical movements – produces a natural misalignment between spatial and retinal coordinates. Here we took advantage of oblique eye orientation-induced retinal torsion to examine perisaccadic orientation perception. We found that orientation perception was largely predicted by the retinal image throughout each trial. Surprisingly however, we observed a significant presaccadic remapping of the percept consistent with maintaining a stable (but spatially inaccurate) retinotopic perception throughout the saccade. These findings strongly suggest that our seamless perceptual stability relies on retinotopic signals that are remapped with each saccade.

Abstract The encoding of three-dimensional visual spatial information is of ultimate importance in everyday life, in particular for successful navigation toward targets or threat avoidance. Eye-movements challenge this spatial encoding: 2-3 times per second, they shift the image of the outside world across the retina. The macaque ventral intraparietal area (VIP) stands out from other areas of the dorsal ‘where’ pathway of the primate visual cortical system: many neurons encode visual information irrespective of horizontal and vertical eye position. But does this gaze invariance of spatial encoding at the single neuron level also apply to egocentric distance? Here, concurrent with recordings from area VIP, monkeys fixated a central target at one of three distances (vergence), while a visual stimulus was shown at one of seven distances (disparity). Most neurons’ activity was modulated independently by both disparity and eye vergence, demonstrating a different type of invariance than for visual directions. By using population activity, we were able to decode egocentric distance of a stimulus which demonstrates that egocentric distances are nonetheless represented within the neuronal population. Our results provide further strong evidence for a role of area VIP in 3D space encoding.

ABSTRACT A remarkable feature of primate behavior is the ability to predict future events based on past experience and current sensory cues. To understand how the brain plans movements in the presence of unstable cues, we recorded gaze-related activity in the frontal cortex of two monkeys engaged in a quasi-predictable cue-conflict task. Animals were trained to look toward remembered visual targets in the presence of a landmark that shifted with fixed amplitude but randomized direction. As simulated by a probabilistic model based on known physiology/behavior, gaze end points assumed a circular distribution around the target, mirroring the possible directions of the landmark shift. This predictive strategy was reflected in frontal cortex activity (especially supplementary eye fields), which anticipated future gaze distributions before the actual landmark shift. In general, these results implicate prefrontal cortex in the predictive integration of environmental cues and their learned statistical properties to mitigate spatial uncertainty.

Abstract Postural instability marks one of the most disabling features of Parkinson’s disease (PD), but only reveals itself after affected brain areas have already been significantly damaged. Thus, there is a need to detect deviations in balance and postural control before visible symptoms occur. In this study, we visually perturbed balance in the anterior-posterior direction using sinusoidal oscillations of a moving room in virtual reality at different frequencies. We tested three groups: individuals with PD under dopaminergic medication, an age-matched control group, and a group of young healthy adults. We tracked their centre of pressure and their full-body motion. We investigated sway amplitudes and applied newly introduced phase-locking analyses to investigate responses across participants’ bodies. Patients exhibited significantly higher sway amplitudes as compared to the control subjects. However, their sway was phase-locked to the visual motion like that of age-matched and young healthy adults. Furthermore, all groups successfully compensated for the visual perturbation by – most likely reflexively - phase-locking their sway to the stimulus. As frequency of the perturbation increased, distribution of phase-locking (PL) across the body revealed a shift of the highest PL-values from the upper body towards the hip-region for young healthy adults, which could not be observed in patients and elderly healthy adults. Our findings suggest an impaired neuromuscular stability, but intact visuomotor processing in early stages of PD, while less flexibility to adapt postural strategy to different perturbations revealed to be an effect of age rather than disease. New & Noteworthy A better understanding of visuomotor control in Parkinson’s disease (PD) potentially serves as a tool for earlier diagnosis, which is crucial for improving patient’s quality of life. In our study, we assess body sway responses to visual perturbations of the balance control system in patients with early-to-mid stage PD, using motion tracking along with recently established phase-locking techniques. Our findings suggest patients at this stage to have an impaired muscular stability but intact visuomotor control.

Abstract The analysis of eye-movements is a non-invasive, reliable and fast method to detect and quantify brain (dys-)functions. Here, we investigated the performance of two novel eye-trackers: the Thomas-Oculus-Motus-research mobile (TOM-rm) and the TOM-research stationary (TOM-rs) and compared it with the performance of a well-established video-based eye-tracker, i.e., the EyeLink 1000 (EL). The TOM-rm is a fully integrated, tablet-based mobile device that presents visual stimuli and records head-unrestrained eye-movements at 30Hz without additional infrared (IR) illumination. The TOM-rs is a stationary, video-based eye-tracker that records eye-movements at either high spatial or high temporal resolution. We compared the performance of all three eye-trackers in two different behavioral tasks: pro– and anti-saccade and free viewing. We collected data from human subjects while running all three eye-tracking devices in parallel. Parameters requiring a high spatial or temporal resolution (e.g., saccade latency or gain), as derived from the data, differed significantly between the EL and the TOM-rm in the pro– and anti-saccade task. In the free viewing task, larger noise and the lower frame rate of the TOM-rm caused deviations of the results with respect to the EL. Differences between results derived from the TOM-rs and the EL were most likely due to experimental conditions, which could not be optimized for both systems simultaneously. We conclude that the TOM-rm can be used for measuring eye-movements reliably at comparably low spatial and temporal resolution. The TOM-rs, on the other hand, can provide high-resolution oculomotor data at least on a par with an established reference system.

Summary Visual landmarks influence spatial cognition [1–3], navigation [4,5] and goal-directed behavior [6–8], but their influence on visual coding in sensorimotor systems is poorly understood [6,9–11]. We hypothesized that visual responses in frontal cortex control gaze areas encode potential targets in an intermediate gaze-centered / landmark-centered reference frame that might depend on specific target-landmark configurations rather than a global mechanism. We tested this hypothesis by recording neural activity in the frontal eye fields (FEF) and supplementary eye fields (SEF) while head-unrestrained macaques engaged in a memory-delay gaze task. Visual response fields (the area of visual space where targets modulate activity) were tested for each neuron in the presence of a background landmark placed at one of four oblique configurations relative to the target stimulus. 102 of 312 FEF and 43 of 256 SEF neurons showed spatially tuned response fields in this task. We then fit these data against a mathematical continuum between a gaze-centered model and a landmark-centered model. When we pooled data across the entire dataset for each neuron, our response field fits did not deviate significantly from the gaze-centered model. However, when we fit response fields separately for each target-landmark configuration, the best fits shifted (mean 37% / 40%) toward landmark-centered coding in FEF / SEF respectively. This confirmed an intermediate gaze / landmark-centered mechanism dependent on local (configuration-dependent) interactions. Overall, these data show that external landmarks influence prefrontal visual responses, likely helping to stabilize gaze goals in the presence of variable eye and head orientations. Highlights Prefrontal visual responses recorded in the presence of visual landmarks Response fields showed intermediate gaze / landmark-centered organization This influence depended on specific target-landmark configurations