1 Abstract How does the human brain combine information across the eyes? It has been known for many years that cortical normalisation mechanisms implement ‘ocularity invariance’: equalising neural responses to spatial patterns presented either monocularly or binocularly. Here we used a novel combination of electrophysiology, psychophysics, pupillometry and computational modelling to ask whether this invariance also holds for flickering luminance stimuli with no spatial contrast. We find dramatic violations of ocularity invariance for these stimuli, both in cortex and also in the subcortical pathways that govern pupil diameter. Specifically, we find substantial binocular facilitation in both pathways with the effect being strongest in cortex. Near-linear binocular additivity (instead of ocularity invariance) was also found using a perceptual luminance matching task. Ocularity invariance is therefore not a ubiquitous feature of visual processing, and the brain appears to repurpose a generic normalisation algorithm for different visual functions by adjusting the amount of interocular suppression.

Two potential stereoscopic cues that underlie the perception of motion-in-depth (MID) are changes in retinal disparity over time (CD) and interocular velocity differences (IOVD). These cues have independent spatiotemporal sensitivity profiles, suggesting that they are processed by distinct neural mechanisms. Here, we test whether we can accurately decode the patterns of electroencephalogram (EEG) signals that are generated in response to CD- and IOVD-isolating stimuli. Our results show that the decoder could distinguish between signals generated from CD and IOVD cues moving towards or away in depth. Critically, decoding performance could not be accounted for by differences in signal due to behavioural keyboard responses or by static disparity cues. Results from a cross-trained decoder indicated the presence of a relatively late neural mechanism that codes stereomotion irrespective of the low-level cues. These findings support the hypothesis that while CD and IOVD stimuli must drive very different initial neuronal mechanisms, they converge on a more central, amodal ‘motion-in-depth’ computation.

1 Abstract The diameter of the pupil fluctuates in response to levels of ambient light and is regulated by the autonomic nervous system. Increasing light in one eye causes both pupils to constrict, implying the system must combine signals across the two eyes – a process of binocular integration occurring independently of visual cortex. Distinct classes of retinal photoreceptor are involved in controlling and maintaining pupil diameter, with cones and rods driving the initial constriction and intrinsically photosensitive retinal ganglion cells maintaining diameter over prolonged time periods. Here, we investigate binocular combination by targeting different photoreceptor pathways using the silent substitution method to modulate the input spectra. We find different patterns of binocular response in each pathway, and across the first and second harmonic frequencies. At the first harmonic, luminance and S-cone responses showed strong binocular facilitation, and weak interocular suppression. Melanopsin responses were invariant to the number of eyes stimulated. Notably, the L-M pathway involved binocular inhibition, whereby responses to binocular stimulation were weaker than for monocular stimulation. The second harmonic involved strong interocular suppression in all pathways, but with some evidence of binocular facilitation. Our results are consistent with a computational model of binocular signal combination (implemented in a Bayesian hierarchical framework), in which the weight of interocular suppression differs across pathways. We also find pathway differences in response phase, consistent with different lag times for phototransduction. This work demonstrates for the first time the algorithm governing binocular combination in the autonomic nervous system.

Abstract It is unclear whether our brain extracts and processes time information using a single centralized mechanism or through a network of distributed mechanisms, which are specific for modality and time range. Visual adaptation has previously been used to investigate the mechanisms underlying time perception for millisecond intervals. Here, we investigated whether a well-known duration aftereffect induced by motion adaptation in the sub-second range (referred to as ‘perceptual timing’), also occurs in the supra-second range (called ‘interval timing’), which is more accessible to cognitive control. Participants judged the relative duration of two intervals after spatially localized adaptation to drifting motion. Adaptation substantially compressed the apparent duration of a 600 ms stimulus in the adapted location, whereas it had a much weaker effect on a 1200 ms interval. Discrimination thresholds after adaptation improved slightly relative to baseline, implying that the duration effect cannot be ascribed to changes in attention or to noisier estimates. A novel computational model of duration perception can explain these results, and also bidirectional shifts of perceived duration after adaptation reported in other studies. We suggest that we can use adaptation to visual motion as a tool to investigate the mechanisms underlying time perception at different time scales.