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.

Abstract It has recently been shown that large-scale propagation of blood-oxygen level dependent (BOLD) activity is constrained by anatomical connections and reflects transitions between behavioral states. It remains to be seen, however, if the propagation of BOLD activity can also relate to the brain anatomical structure at a more local scale. Here, we hypothesized that BOLD propagation reflects structured neuronal activity across early visual field maps. To explore this hypothesis, we characterize the propagation of BOLD activity across V1, V2 and V3 using a modeling approach that aims to disentangle the contributions of local activity and directed interactions in shaping BOLD propagation. It does so by estimating the effective connectivity (EC) and the excitability of a noise-diffusion network to reproduce the spatiotemporal covariance structure of the data. We apply our approach to 7T fMRI recordings acquired during resting state (RS) and visual field mapping (VFM). Our results reveal different EC interactions and changes in cortical excitability in RS and VFM, and point to a reconfiguration of feedforward and feedback interactions across the visual system. We conclude that the propagation of BOLD activity has functional relevance, as it reveals directed interactions and changes in cortical excitability in a task-dependent manner.

Summary Low-level visual perception deteriorates during healthy aging. We hypothesized that age-related retinal and cortical structure deteriorations affect perception through specific disruptions of neural function. We measured perceptual visual acuity in fifty healthy adults aged 20-80 years. We then measured these participants’ early visual field map (V1, V2 and V3) functional population receptive field (pRF) sizes and structural surface areas using fMRI, and their retinal structure using high-definition optical coherence tomography. With increasing age visual acuity decreased, pRF sizes increased, visual field maps surface areas decreased, and retinal thickness decreased. Among these measures, only functional pRF sizes predicted perceptual visual acuity. PRF sizes were in turn predicted by cortical structure only (surface areas), which were only predicted by retinal structure (thickness). We propose that age-related retinal structural deterioration disrupts cortical structure, thereby disrupting cortical functional neural interactions that normally sharpen visual position selectivity: the resulting functional disruption underlies age-related perceptual deterioration.

Abstract Human early visual cortex response amplitudes monotonically increase with numerosity (object number), regardless of object size and spacing. However, numerosity is typically considered a high-level visual or cognitive feature, while early visual responses follow image contrast in the spatial frequency domain. We found that, at fixed contrast, aggregate Fourier power (at all orientations and spatial frequencies) followed numerosity closely but nonlinearly with little effect of object size, spacing or shape. This would allow straightforward numerosity estimation from spatial frequency domain image representations. Using 7T fMRI, we showed monotonic responses originate in primary visual cortex (V1) at the stimulus’s retinotopic location. Responses here and in neural network models followed aggregate Fourier power more closely than numerosity. Truly numerosity tuned responses emerged after lateral occipital cortex and were independent of retinotopic location. We propose numerosity’s straightforward perception and neural responses may have built on behaviorally beneficial spatial frequency analyses in simpler animals.

Sensory and motor cortices each contain multiple topographic maps with the structure of sensory organs (such as the retina or cochlea) mapped onto the cortical surface. These sensory maps are hierarchically organized. For example, visual field maps contain neurons that represent increasing large parts of visual space with increasingly complex responses. Some visual neurons respond to stimuli with a particular numerosity, the number of objects in a set. We recently discovered a parietal topographic numerosity map where neural numerosity preferences progress gradually across the cortical surface, analogous to sensory maps. Following this analogy, we hypothesised that there may be multiple numerosity maps. Numerosity perception is implicated in many cognitive functions including foraging, multiple object tracking, dividing attention, decision making and mathematics. Here we use ultra-high-field (7T) fMRI and neural model-based analyses to reveal numerosity-selective neural populations organized into six widely separated topographic maps in each hemisphere. Although we describe subtle differences between these maps, their properties are very similar, unlike in sensory map hierarchies. These maps are found in areas implicated in object recognition, motion perception, attention control, decision-making and mathematics. Multiple numerosity maps may allow interactions with these many cognitive systems, suggesting a broad role for quantity processing in supporting many perceptual and cognitive functions.

The brain exhibits a gradual transition in responses to visual event duration and frequency through the visual processing hierarchy: from monotonically increasing to timing-tuned responses. Over their hierarchies, properties of both response types are progressively transformed. Here, we implement simulations based on artificial neural networks to investigate the requirements of neural systems for the emergence of such responses and their properties' transformations. We see that recurrent networks develop monotonic responses whose properties' progressions over network layers resemble those over brain areas. Furthermore, recurrent networks can further develop tuned responses, but only with training, a gradual transition between monotonic and tuned responses emerges. Particularly, if this training is done on predictable sequences, the tuned properties' progressions resemble those observed in the brain. These results suggest that the emergence of visual timing-tuned responses and the subsequent hierarchical transformations of these responses result from recurrent neural computation and predictive processing of sensory event timing.

Humans and many animals rapidly and accurately perceive numerosity, the number of objects, in a visual image. The numerosity of recently viewed images influences our perception of the current image's numerosity: numerosity adaptation. How does numerosity adaptation affect responses to numerosity in the brain? Recent studies show both early visual responses that monotonically increase with numerosity, and later numerosity-tuned responses that peak at different (preferred) numerosities in different neural populations. We have recently shown that numerosity adaptation affects the preferred numerosity of numerosity-tuned neural populations. We have also shown that early visual monotonic responses reflect image contrast, which follows numerosity closely. Here we ask how monotonic responses in the early visual cortex are affected by adaptation to different numerosities, using ultra-high field (7T) fMRI and neural model-based analyses. FMRI response amplitudes increased monotonically with numerosity throughout the early visual field maps (V1-V3, hV4, LO1-LO2 & V3A/B). This increase in response amplitudes becomes less steep after adaptation to higher numerosities, with this effect becoming stronger through the early visual hierarchy. This suppression of responses to numerosity is consistent with perceptual effects where adaptation to high numerosities reduces the perceived numerosity. These results imply that numerosity adaptation effects in later numerosity-tuned neural populations may originate in early visual areas that respond to image contrast in the adapting image.

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.