We introduce functional MRI methods for estimating the neuronal population receptive field (pRF). These methods build on conventional visual field mapping that measures responses to ring and wedge patterns shown at a series of visual field locations and estimates the single position in the visual field that produces the largest response. The new method computes a model of the population receptive field from responses to a wide range of stimuli and estimates the visual field map as well as other neuronal population properties, such as receptive field size and laterality. The visual field maps obtained with the pRF method are more accurate than those obtained using conventional visual field mapping, and we trace with high precision the visual field maps to the center of the foveal representation. We report quantitative estimates of pRF size in medial, lateral and ventral occipital regions of human visual cortex. Also, we quantify the amount of input from ipsi- and contralateral visual fields. The human pRF size estimates in V1-V3 agree well with electrophysiological receptive field measurements at a range of eccentricities in corresponding locations within monkey and human visual field maps. The pRF method is non-invasive and can be applied to a wide range of conditions when it is useful to link fMRI signals in the visual pathways to neuronal receptive fields.

The location of human area V5 (or MT) has been correlated with the intersection of the ascending limb of the inferior temporal sulcus (ALITS) and the lateral occipital sulcus (LO). This study was undertaken to attempt a replication and quantification of these observations using functional magnetic resonance imaging. V5 was significantly activated in 19 hemispheres with alternating, low contrast, random checkerboard patterns. We confirmed the stereotaxic location of V5 and were able to describe a fairly consistent sulcal pattern in the parieto-temporo-occipital cortex. V5 was usually (95%) buried within a sulcus, most commonly within the inferior temporal sulcus (ITS) (11%), the ascending limb of the ITS (ALITS) (53%) and the posterior continuation of the ITS (26%). The average distance from V5 of two identified anatomical landmarks of V5, the junctions of the LO and the ALITS, and the ITS and ALITS, were both 1 cm. However, the LO-ALITS junction often had to be determined by interpolation (47%), and was not always present even with interpolation (21%). In contrast, the ITS-ALITS junction was always present and V5 was usually (90%) located in a sulcus intersecting with this junction, making it a more reliable landmark for localizing V5 with respect to gross morphological features on individual cortical surfaces.

Numerosity, the set size of a group of items, is processed by the association cortex, but certain aspects mirror the properties of primary senses. Sensory cortices contain topographic maps reflecting the structure of sensory organs. Are the cortical representation and processing of numerosity organized topographically, even though no sensory organ has a numerical structure? Using high-field functional magnetic resonance imaging (at a field strength of 7 teslas), we described neural populations tuned to small numerosities in the human parietal cortex. They are organized topographically, forming a numerosity map that is robust to changes in low-level stimulus features. The cortical surface area devoted to specific numerosities decreases with increasing numerosity, and the tuning width increases with preferred numerosity. These organizational properties extend topographic principles to the representation of higher-order abstract features in the association cortex.

Human neuroimaging experiments typically localize motion-selective cortex (MT+) by contrasting responses to stationary and moving stimuli. It has long been suspected that MT+, located on the lateral surface at the temporal–occipital (TO) boundary, contains several distinct visual field maps, although only one coarse map has been measured. Using a novel functional MRI model–based method we identified two maps—TO-1 and TO-2—and measured population receptive field (pRF) sizes within these maps. The angular representation of the first map, TO-1, has a lower vertical meridian on its posterior side at the boundary with the lateral–occipital cortex (i.e., the LO-2 portion). The angular representation continues through horizontal to the upper vertical meridian at the boundary with the second map, TO-2. The TO-2 angle map reverses from upper to lower visual field at increasingly anterior positions. The TO maps share a parallel eccentricity map in which center-to-periphery is represented in the ventral-to-dorsal direction; both maps have an expanded foveal representation. There is a progressive increase in the pRF size from V1/2/3 to LO-1/2 and TO-1/2, with the largest pRF sizes in TO-2. Further, within each map the pRF size increases as a function of eccentricity. The visual field coverage of both maps extends into the ipsilateral visual field, with larger sensitivity to peripheral ipsilateral stimuli in TO-2 than that in TO-1. The TO maps provide a functional segmentation of human motion-sensitive cortex that enables a more complete characterization of processing in human motion-selective cortex.

Receptive field (RF) sizes and cortical magnification factor (CMF) are fundamental organization properties of the visual cortex. At increasing visual eccentricity, RF sizes increase and CMF decreases. A relationship between RF size and CMF suggests constancies in cortical architecture, as their product, the cortical representation of an RF (point image), may be constant. Previous animal neurophysiology studies of this question yield conflicting results. Here, we use fMRI to determine the relationship between the population RF (pRF) and CMF in humans. In average and individual data, the product of CMF and pRF size, the population point image, is near constant, decreasing slightly with eccentricity in V1. Interhemisphere and subject variations in CMF, pRF size, and V1 surface area are correlated, and the population point image varies less than these properties. These results suggest a V1 cortical processing architecture of approximately constant size between humans. Up the visual hierarchy, to V2, V3, hV4, and LO1, the population point image decreases with eccentricity, and both the absolute values and rate of change increase. PRF sizes increase between visual areas and with eccentricity, but when expressed in V1 cortical surface area (i.e., corticocortical pRFs), they are constant across eccentricity in V2/V3. Thus, V2/V3, and to some degree hV4, sample from a constant extent of V1. This may explain population point image changes in later areas. Consequently, the constant factor determining pRF size may not be the relationship to the local CMF, but rather pRF sizes and CMFs in visual areas from which the pRF samples.

Abstract Neurons in early visual cortex are not only sensitive to the image elements in their receptive field but also to the context determining whether the elements are part of an object or background. We here assessed the effect of objecthood in natural images on neuronal activity in early visual cortex, with fMRI in humans and electrophysiology in monkeys. We report that boundaries and interiors of objects elicit more activity than the background. Boundary effects occur remarkably early, implying that visual cortical neurons are tuned to features characterizing object boundaries in natural images. When a new image is presented the influence of the object interiors on neuronal activity occurs during a late phase of neuronal response and earlier when eye movements shift the image representation, implying that object representations are remapped across eye-movements. Our results reveal how object perception shapes the representation of natural images in early visual cortex.

Abstract Functional magnetic resonance imaging (FMRI) allows to non-invasively measure human brain activity at the millimeter scale. As such, it is widely used in computational neuroimaging studies that aim to build models to predict stimulus-induced neural responses in visual cortex. A popular method is population receptive field (PRF) mapping, which is able to characterize responses to a large range of stimuli. For each voxel, the PRF method estimates the best fitting receptive field properties (such as location and size in the visual field) using a coarse–to–fine approach which minimizes, but not eliminates, the risk of returning a local minimum. Here, we provide a Bayesian approach to the PRF method based on the slice sampler. Using this approach, we provide estimates of receptive field properties while at the same time being able to quantify their uncertainty. We test the performance of conventional and Bayesian approaches on simulated and empirical data.

Abstract Recent reviews emphasized the need for investigating the complexity of multiple subareas of word selectivity and how this relates to selectivity for other visual categories, at the individual level at a high spatial resolution (without normalization or smoothing). To investigate this, both on the brain surface and in the representational space of the occipitotemporal cortex, we presented 19 participants with images of 20 different categories during 7T fMRI. These categories included several word-like conditions, and in addition cover many of the dimensions that have been suggested to define object space, such as animacy and real-world size. In the left hemisphere, we found three subareas of the visual word form area (VWFA) and one extra subarea around the pFus face-selective area. We also observed several areas of selectivity to hands that could consistently guide the localization of word and face areas. No clear predictive anatomical landmarks were found. Results of the right hemisphere were less clear, in part due to weaker word selectivity. In the representational space, word selectivity stood out from other categories. It had multiple neighboring categories at a similar distance (e.g. faces, bodies, hands, cars), so no special relationship was found with for example, faces. These results enable a consistent and reliable way to locate subareas of word selectivity and may inspire future research into words in the representational space of the occipitotemporal cortex.

Previous studies demonstrated the existence of hand and tool areas in lateral and ventral occipitotemporal cortex (OTC), as well as an overlap between them. We reinvestigated this organization using 7T fMRI, benefiting from a higher signal-to-noise ratio than 3T. This enabled us to include a wider array of categories to achieve a more holistic perspective, and to omit certain spatial preprocessing steps. Despite these improvements, univariate analysis confirmed the existence of hand-tool overlap across OTC, which is striking given the omission of the spatial preprocessing steps that can influence overlap. There was significantly more overlap between hands and tools, compared to other overlap types in the left hemisphere of OTC. The overlap was also larger in the left lateral OTC as compared to the right lateral OTC. We found in all hand areas a differentiation between tools and other types of objects, although they still responded more to bodies than to tools. Regarding the tool areas, we observed a differentiation between hands and other categories such as faces and non-tool objects. Left hemisphere tool areas also differentiated between hands and bodies. When excluding the overlapping voxels from the hand and tool areas, they still showed a significant response to tools or hands (compared to objects or faces) respectively. Multi-voxel pattern analysis indicated that neural representations in the hand areas showed greater similarity between hands and tools than between hands and other objects. In the tool areas, the neural representations between tools and hands and between tools and other type of objects were all equally similar. To summarize, capitalizing on the benefits of 7T fMRI, we further substantiate the evidence in favor of hand-tool overlap in several regions of occipitotemporal cortex.

Abstract Perception of dynamic scenes in our environment results from the evaluation of visual features such as the fundamental spatial and temporal frequency components of a moving object. The ratio between these two components represents the object’s speed of motion. The human middle temporal cortex hMT+ has a crucial biological role in the direct encoding of object speed. However, the link between hMT+ speed encoding and the spatiotemporal frequency components of a moving object is still under explored. Here, we recorded high resolution 7T blood oxygen level-dependent BOLD responses to different visual motion stimuli as a function of their fundamental spatial and temporal frequency components. We fitted each hMT+ BOLD response with a 2D Gaussian model allowing for two different speed encoding mechanisms: 1) distinct and independent selectivity for the spatial and temporal frequencies of the visual motion stimuli 2) pure tuning for the speed of motion. We show that both mechanisms occur but in different neuronal groups within hMT+, with the largest subregion of the complex showing separable tuning for the spatial and temporal frequency of the visual stimuli. Both mechanisms were highly reproducible within participants, reconciling single cell recordings from MT in animals that have showed both encoding mechanisms. Our findings confirm that a more complex process is involved in the perception of speed than initially thought and suggest that hMT+ plays a primary role in the evaluation of the spatial features of the moving visual input.