ABSTRACT Magnitude dimensions such as time and numerosity are fundamental components of our visual experience, allowing us to understand the environment and interact with it. Different magnitudes are however not processed independently from each other, but show a relationship whereby the perception of one dimension depends on the others (“magnitude integration”). In this study, we use electroencephalography (EEG) to address whether such integration may arise from a shared brain processing stage where different dimensions are integrated together, or from independent parallel processes interfering with each other. In the experiment, participants judged either the average numerosity or duration of dynamic dot-array stimuli concurrently modulated in both dimensions. First, the behavioural results show a magnitude integration effect in both tasks, with duration affecting the judgement of numerosity and vice versa. The EEG results further show that both numerosity and duration significantly modulate event-related potentials at several distinct latencies. Crucially, however, we identified a significant interaction between numerosity and duration emerging in a specific latency window (360-460 ms) irrespective of the task performed by participants. In this latency window, the modulation of ERPs provided by the interfering magnitude dimension can be predicted by the strength of the behavioural bias. Our results thus support the idea of different magnitude dimensions converging onto a shared perceptual processing stage mediating their integration. Overall, our results demonstrate a clear electrophysiological signature of magnitude integration between numerosity and time, and provide new evidence for a shared representational system encompassing different magnitude dimensions.

The magnitude dimensions of visual stimuli, such as their numerosity, duration, and size, are intrinsically linked, leading to mutual interactions across them. Namely, the perception of one magnitude is influenced by the others, so that a large stimulus is perceived to last longer in time compared to a smaller one, and vice versa. The nature of such interaction is however still debated. In the present study we address whether magnitude integration could arise from 'automatic' perceptual processes, independently from the task performed, or whether it arises from active decision making. In two separate experiments, participants watched a series of dot-array stimuli modulated in numerosity, duration, and item size. In one case (task condition), the task required them to judge the stimuli in each trial, with the specific dimension to judge indicated by a cue presented after each stimulus. In the other case (passive condition), instead, participants passively watched the stimuli. The behavioural results obtained in the task show robust magnitude integration effects across all three dimensions. Then, we identified a neural signature of magnitude integration by showing that relatively early event-related potentials can predict the effect measured behaviourally. Finally, we demonstrate an almost identical modulation of brain responses in passive viewing, occurring at the same processing stages linked to the behavioural effect. The results thus suggest that magnitude integration likely occurs via automatic perceptual processes that are engaged irrespective of the task-relevance of the stimuli, and independently from decision making.

The human brain is endowed with an intuitive sense of number allowing to perceive the approximate quantity of items in a scene, or 'numerosity'. This ability is not limited to items distributed in space, but also to events unfolding in time and to the average numerosity of dynamic scenes. How the brain computes and represents the average numerosity over time however remains mostly unclear. Here we investigate the mechanisms and electrophysiological (EEG) signature of average numerosity perception. To do so, we used dynamic stimuli composed of 3-12 arrays presented for 50 ms each, and asked participants to judge the average numerosity of the sequence. Our results first show that the weight of different arrays in the sequence in determining the judgement is subject to both primacy and recency effects, depending on the length of the sequence. Moreover, we show systematic perceptual adaptation effects across trials, with the bias on numerical estimates depending on both the average numerosity and length of the preceding stimulus. The EEG results show numerosity-sensitive brain responses starting very early after stimulus onset, and that activity around the offset of the sequence can predict both the accuracy and precision of judgments. Additionally, we show a neural signature of the adaptation effect at around 300 ms, whereby the amplitude of brain responses can predict the strength of the bias. Overall, our findings support the existence of a dedicated, low-level perceptual mechanism involved with the computation of average numerosity, and highlight the processing stages involved with such process.

Abstract In humans, very few studies have directly tested the link between the neural coding of time and space. Here we combined ultra-high field functional magnetic resonance imaging with neuronal-based modeling to investigate how and where the processing and the representation of a visual stimulus duration is linked to that of its spatial location. Results show a transition in the neural response to duration: from monotonic and spatially-dependent in early visual cortex, to unimodal and spatially-invariant in frontal cortex. This transition begins in extrastriate areas V3AB, and it fully displays in the intraparietal sulcus (IPS), where both unimodal and monotonic responses are present and where neuronal populations are selective to either space, time or both. In IPS, space and time topographies show a specific relationship, although along the cortical hierarchy duration maps compared to spatial ones are smaller in size, less clustered and more variable across participants. These results help to identify the mechanisms through which humans perceive the duration of a visual object with a specific spatial location and precisely characterize the functional link between time and space processing, highlighting the importance of space-time interactions in shaping brain responses.

Time is a fundamental dimension of everyday experiences. We can unmistakably sense its passage and adjust our behavior accordingly. Despite its ubiquity, the neuronal mechanisms underlying the capacity to perceive time remains unclear. Here, in two experiments using ultra-high-field 7-Tesla functional magnetic resonance imaging, we show that in the medial premotor cortex of the human brain, neural units tuned to different durations are orderly mapped in contiguous portions of the cortical surface, so as to form chronomaps. The response of each portion in a chronomap is enhanced by preferred and neighboring durations and suppressed by non-preferred durations represented in distant portions of the map. These findings identify duration-sensitive tuning as a neural mechanism underlying the recognition of time and demonstrate for the first time that the representation of an abstract feature such as time can be instantiated by a topographical arrangement of duration-sensitive neural populations.

How does the human brain represent millisecond unit of time? A recent neuroimaging study revealed the existence in the human premotor cortex of a topographic representation of time i.e., neuronal units selectively responsive to specific durations and topographically organized on the cortical surface. By using high resolution functional Magnetic Resonance Images here, we go futher this previous work, showing duration preferences across a wide network of cortical and subcortical brain areas: from cerebellum to primary visual, parietal, premotor and prefrontal cortices. Most importantly, we identify the functional connectivity structure between these different brain areas and their duration selective neural units. The results highlight the role of the cerebellum as the network hub and that of medial premotor cortex as the final stage of duration recognition. Interestingly, when a specific duration is presented, only the communication between the units selective to that duration become particularly active. These findings identify duration tuning and topographic connectivity as possible mechanisms underlying our capacity of telling time.### Competing Interest Statement

ABSTRACT Perceptual history plays an important role in sensory processing and decision making, shaping how we perceive and judge external objects and events. Indeed, past stimuli can bias what we are currently seeing in an attractive fashion, making a current stimulus to appear more similar to its preceding one than it actually is. Such attractive effects across successive stimuli appear to be ubiquitous, affecting almost every aspect of perception – from very basic visual attributes (i.e., orientation) to more complex features (i.e., face identity) – suggesting that they may reflect a fundamental principle of brain processing. However, it is unclear whether the ubiquitous nature of these effects is due to an underlying centralised mechanism mediating all of them, or by the existence of separate mechanisms implemented independently in different perceptual pathways. Here we address this question by assessing the behavioural and neural signature of perceptual history in audition and vision, in the context of time perception. Our results first show a double dissociation between the two modalities, whereby the behavioural effect of perceptual history shows opposite patterns of selectivity for the features and position of the stimuli. Electroencephalography results further support a difference between audition and vision, demonstrating that the signature of perceptual history unfolds according to different dynamics in the two modalities and show different relations with the behavioural effect. Overall, our results suggest that the effect of perceptual history may be mediated by different and at least partially independent mechanisms based on the same computational principle, implemented in different sensory pathways. SIGNIFICANCE STATEMENT The recent history of stimulation, or perceptual history, plays a fundamental role in perception, shaping what we see according to what we saw in the past. The brain mechanisms mediating the integration of past and present perceptual information are however still unclear. In this study we asked whether perceptual history operates via a centralized mechanism shared across sensory modalities, or via distinct modality-specific mechanisms. Our findings show a double dissociation in attractive perceptual history effects across vision and audition, while EEG data show neural signatures of perceptual history with distinct dynamics and properties. Overall, we thus demonstrate that perceptual history affects sensory processing starting from the earliest level of processing, within distinct modality-specific sensory pathways.