This study reports that the size of the primary visual cortex correlates negatively with the magnitude of two common visual illusions. The size of primary visual cortex may therefore modulate conscious visual experience. The surface area of human primary visual cortex (V1) varies substantially between individuals for unknown reasons. We found that this variability was strongly and negatively correlated with the magnitude of two common visual illusions, where two physically identical objects appear different in size as a result of their context. Because such illusions dissociate conscious perception from physical stimulation, our findings indicate that the surface area of V1 predicts variability in conscious experience.

Human perception is invariably accompanied by a graded feeling of confidence that guides metacognitive awareness and decision-making. It is often assumed that this arises solely from the feed-forward encoding of the strength or precision of sensory inputs. In contrast, interoceptive inference models suggest that confidence reflects a weighted integration of sensory precision and expectations about internal states, such as arousal. Here we test this hypothesis using a novel psychophysical paradigm, in which unseen disgust-cues induced unexpected, unconscious arousal just before participants discriminated motion signals of variable precision. Across measures of perceptual bias, uncertainty, and physiological arousal we found that arousing disgust cues modulated the encoding of sensory noise. Furthermore, the degree to which trial-by-trial pupil fluctuations encoded this nonlinear interaction correlated with trial level confidence. Our results suggest that unexpected arousal regulates perceptual precision, such that subjective confidence reflects the integration of both external sensory and internal, embodied states.

Abstract Previous research suggests the magnitudes of the Ebbinghaus, Delboeuf, Ponzo, and tilt illusion all depend on the cortical distance between the neural representations of target stimuli and the surrounding context. However, several psychophysical studies found no compelling association between these illusions, calling this hypothesis into question. Here we ask if these discrepant reports could arise from methodological differences between these studies. We ran a battery of visual size illusion and basic discrimination tasks with carefully matched geometric properties, using a classical forced choice design. Ebbinghaus and Delboeuf illusion magnitudes are strongly correlated, consistent with the idea that they reflect the same underlying mechanism. Ponzo illusion magnitude also correlates with these two illusions, despite to a lesser extent, indicative that both shared and independent factors govern these illusions. Interestingly, the classical arrowhead version of the Mueller-Lyer illusion does not correlate with any of the other illusions or the ability to discriminate line length. This suggests that an altogether separate process underlies this perceptual effect. We further demonstrate that presenting stimuli briefly with central fixation critically affects measurements of the Ebbinghaus illusion. Taken together, our findings therefore highlight the importance of experimental parameters when probing relationships between perceptual effects and their links to neural processing.

Abstract Correctly estimating the influence of uncertainty on our decisions is a critical metacognitive faculty. However, the relationship between sensory uncertainty (or its inverse, precision), decision accuracy, and subjective confidence is currently unclear. Although some findings indicate that healthy adults exhibit an illusion of over-confidence, under-confidence in response to sensory uncertainty has also been reported. One reason for this ambiguity is that stimulus intensity and precision are typically confounded with one another, limiting the ability to assess their independent contribution to metacognitive biases. Here we report four psychophysical experiments controlling these factors, finding that healthy human participants are systematically under-confident when discriminating low-precision stimuli. This bias remains even when decision accuracy and reaction time are accounted for, indicating that a performance-independent computation partially underpins the influence of sensory precision on confidence. We further show that this influence is linked to fluctuations in arousal and individual differences in the neuroanatomy of the left superior parietal lobe and middle insula. These results illuminate the neural and physiological correlates of precision misperception in metacognition. Significance Statement The ability to recognize the influence of sensory uncertainty on our decisions underpins the veracity of self-monitoring, or metacognition. In the extreme, a systematic confidence bias can undermine decision accuracy and potentially underpin disordered self-insight in neuropsychiatric illness. Previously it was unclear if metacognition accurately reflects changes in sensory precision, in part due to confounding effects of stimulus intensity and precision. Here we overcome these limitations to repeatedly demonstrate a robust precision-related confidence bias. Further, we reveal novel neuroanatomical and physiological markers underlying this metacognitive bias. These results suggest a unique state-based computational mechanism may drive subjective confidence biases and further provide new avenues for investigating maladaptive awareness of uncertainty in neuropsychiatric disorders.

The processing of motion changes throughout the visual hierarchy, from spatially restricted ‘local motion’ in early visual cortex to more complex large-field ‘global motion’ at later stages. Here we used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to examine spatially selective responses in these areas related to the processing of random-dot stimuli defined by differences in motion. We used population receptive field (pRF) analyses to map retinotopic cortex using bar stimuli comprising coherently moving dots. In the first experiment, we used three separate background conditions: no background dots (dot-defined bar-only), dots moving coherently in the opposite direction to the bar (kinetic boundary) and dots moving incoherently in random directions (global motion). Clear retinotopic maps were obtained for the bar-only and kinetic-boundary conditions across visual areas V1-V3 and in higher dorsal areas. For the global-motion condition, retinotopic maps were much weaker in early areas and became clear only in higher areas, consistent with the emergence of global-motion processing throughout the visual hierarchy. However, in a second experiment we demonstrate that this pattern is not specific to motion-defined stimuli, with very similar results for a transparent-motion stimulus and a bar defined by a static low-level property (dot size) that should have driven responses particularly in V1. We further exclude explanations based on stimulus visibility by demonstrating that the observed differences in pRF properties do not follow the ability of observers to localise or attend to these bar elements. Rather, our findings indicate that dorsal extrastriate retinotopic maps may primarily be determined by the visibility of the neural responses to the bar relative to the background response (i.e. neural signal-to-noise ratios) and suggests that claims about stimulus selectivity from pRF experiments must be interpreted with caution.

Abstract The segregation of processes into cortical layers is a convergent feature in animal evolution. However, it remains unclear how changes in the cortical layer architecture affect sensory system function and dysfunction. To address this, we conducted layer-specific in-vivo 7T-MRI of the primary somatosensory cortex in younger and older adults and in an adult with congenital arm loss. Input layer IV was enlarged and more myelinated in older adults, which drove extended sensory input signals, whereas with congenital arm loss, input layer IV contralateral to the missing limb had shrunk. Age-related cortical thinning was driven by deep layers, and accompanied by altered functional modulation and behavioral readouts. Neuronal calcium imaging and histology across aging mice revealed altered excitatory/inhibitory balance, with deep-layer cell loss and overall increased parvalbumin cell density as potential neural underpinnings. We here uncover the segregation of processes into cortical layers and its unique age-related profile.

Peripheral vision is limited by crowding, the disruptive effect of clutter on object recognition. Crowding varies markedly around the visual field, with e.g. stronger performance decrements in the upper vs. lower visual field. Crowding also changes object appearance - target and flanker objects appear more similar (assimilation) in some instances and dissimilar (repulsion) in others. Here we examined whether these performance and appearance effects co-vary, and in turn whether a common cortical factor could drive all of these effects. Participants judged the orientation of a target Gabor with and without flankers in 3 experiments. The first placed a flanker in either the ipsilateral or (the more cortically distant) contralateral hemifield. Although crowding was observed, flanker location had no effect. We next measured recognition at a range of eccentricities in the upper and lower field, observing that both threshold elevation (performance) and assimilative errors (appearance) were higher in the upper vs. lower field. Similarly, flankers on the radial axis around fixation produced high threshold elevation and assimilation, while tangential flankers gave lower elevation and repulsion errors. This common pattern of variations in performance and appearance is well described by a population-coding model of crowding that varies the weighted combination of target vs. flanker population responses. We further demonstrate that neither the cortical distance between elements nor receptive-field size variations can account for the observed variations. Instead, using a series of models we show that the common factor could be receptive field overlap - the intermixing of the spatial distribution of target/flanker responses. That is, crowding is strong (with high threshold elevation and assimilation) when the degree of overlap in the spatial distribution of population responses is high, and reduced (with low threshold elevation and repulsion) when these responses are separable.

The problems with classical frequentist statistics have recently received much attention, yet the enthusiasm of researchers to adopt alternatives like Bayesian inference remains modest. Here I present the bootstrapped evidence test, an objective resampling procedure that takes the precision with which both the experimental and null hypothesis can be estimated into account. Simulations and reanalysis of actual experimental data demonstrate that this test minimizes false positives while maintaining sensitivity. It is equally applicable to a wide range of situations and thus minimizes problems arising from analytical flexibility. Critically, it does not dichotomize the results based on an arbitrary significance level but instead quantifies how well the data support either the alternative or the null hypothesis. It is thus particularly useful in situations with considerable uncertainty about the expected effect size. Because it is non-parametric, it is also robust to severe violations of assumptions made by classical statistics.

Population receptive field (pRF) modelling is a common technique for estimating the stimulus-selectivity of populations of neurons using neuroimaging. Here, we aimed to address if pRF properties estimated with this method depend on the spatio-temporal structure and the predictability of the mapping stimulus. We mapped the polar angle preference and tuning width of voxels in visual cortex (V1-V4) of healthy, adult volunteers. We compared sequences orderly sweeping through the visual field or jumping from location to location employing stimuli of different width (45deg vs 6deg) and cycles of variable duration (8s vs 60s). While we did not observe any systematic influence of stimulus predictability, the temporal structure of the sequences significantly affected tuning width estimates. Ordered designs with large wedges and short cycles produced systematically smaller estimates than random sequences. Interestingly, when we used small wedges and long cycles, we obtained larger tuning width estimates for ordered than random sequences. We suggest that, ordered and random mapping protocols show different susceptibility to other design choices such as stimulus type and duration of the mapping cycle and can produce significantly different pRF results.

Abstract It remains unknown to what extent the human visual system interprets information about complex scenes without conscious analysis. Here we used visual masking techniques to assess whether illusory contours (Kanizsa shapes) are perceived when the inducing context creating this illusion does not reach awareness. In the first experiment we tested perception directly by having participants discriminate the orientation of an illusory contour. In the second experiment, we exploited the fact that the presence of an illusory contour enhances performance on a spatial localization task. Moreover, in the latter experiment we also used a different masking method to rule out the effect of stimulus duration. Our results suggest that participants do not perceive illusory contours when they are unaware of the inducing context. This is consistent with theories of a multistage, recurrent process of perceptual integration. Our findings thus challenge some reports, including those from neurophysiological experiments in anaesthetized animals. Furthermore, we discuss the importance to test the presence of the phenomenal percept directly with appropriate methods.