Determinants of vascular cognitive impairment : White matter lesions, brain atrophy and their neuropsychological correlates

The concept of vascular cognitive impairment (VCI) covers a wide spectrum of cognitive dysfunctions related to cerebrovascular disease. Among the pathophysiological determinants of VCI are cerebral stroke, white matter lesions and brain atrophy, which are known to be important risk factors for dementia. However, the specific mechanisms behind the brain abnormalities and cognitive decline are still poorly understood. The present study investigated the neuropsychological correlates of particular magnetic resonance imaging (MRI) findings, namely, medial temporal lobe atrophy (MTA), white matter hyperintensities (WMH), general cortical atrophy and corpus callosum (CC) atrophy in subjects with cerebrovascular disease. Furthermore, the cognitive profile of subcortical ischaemic vascular disease (SIVD) was examined. This study was conducted as part of two large multidisciplinary study projects, the Helsinki Stroke Aging Memory (SAM) Study and the multinational Leukoaraiosis and Disability (LADIS) Study. The SAM cohort consisted of 486 patients, between 55 and 85 years old, with ischaemic stroke from the Helsinki University Hospital, Helsinki, Finland. The LADIS Study included a mixed sample of subjects (n=639) with age-related WMH, between 65 and 84 years old, gathered from 11 centres around Europe. Both studies included comprehensive clinical and neuropsychological assessments and detailed brain MRI. The relationships between the MRI findings and the neuropsychological test performance were analysed by controlling for relevant confounding factors such as age, education and other coexisting brain lesions. The results revealed that in elderly patients with ischaemic stroke, moderate to severe MTA was specifically related to impairment of memory and visuospatial functions, but mild MTA had no clinical relevance. Instead, WMH were primarily associated with executive deficits and mental slowing. These deficits mediated the relationship between WMH and other, secondary cognitive deficits. Cognitive decline was best predicted by the overall degree of WMH, whereas the independent contribution of regional WMH measures was low. Executive deficits were the most prominent cognitive characteristic in SIVD. Compared to other stroke patients, the patients with SIVD also presented more severe memory deficits, which were related to MTA. The cognitive decline in SIVD occurred independently of depressive symptoms and, relative to healthy control subjects, it was substantial in severity. In stroke patients, general cortical atrophy also turned out to be a strong predictor of cognitive decline in a wide range of cognitive domains. Moreover, in elderly subjects with WMH, overall CC atrophy was related to reduction in mental speed, while anterior CC atrophy was independently associated with frontal lobe-mediated executive functions and attention. The present study provides cross-sectional evidence for the involvement of WMH, MTA, general cortical atrophy and CC atrophy in VCI. The results suggest that there are multifaceted pathophysiological mechanisms behind VCI in the elderly, including both vascular ischaemic lesions and neurodegenerative changes. The different pathological changes are highly interrelated processes and together they may produce cumulative effects on cognitive decline.

Social perception and cognition : processing of gestures, postures and facial expressions in the human brain

Humans are a social species with the internal capability to process social information from other humans. To understand others behavior and to react accordingly, it is necessary to infer their internal states, emotions and aims, which are conveyed by subtle nonverbal bodily cues such as postures, gestures, and facial expressions. This thesis investigates the brain functions underlying the processing of such social information. Studies I and II of this thesis explore the neural basis of perceiving pain from another person s facial expressions by means of functional magnetic resonance imaging (fMRI) and magnetoencephalography (MEG). In Study I, observing another s facial expression of pain activated the affective pain system (previously associated with self-experienced pain) in accordance with the intensity of the observed expression. The strength of the response in anterior insula was also linked to the observer s empathic abilities. The cortical processing of facial pain expressions advanced from the visual to temporal-lobe areas at similar latencies (around 300 500 ms) to those previously shown for emotional expressions such as fear or disgust. Study III shows that perceiving a yawning face is associated with middle and posterior STS activity, and the contagiousness of a yawn correlates negatively with amygdalar activity. Study IV explored the brain correlates of interpreting social interaction between two members of the same species, in this case human and canine. Observing interaction engaged brain activity in very similar manner for both species. Moreover, the body and object sensitive brain areas of dog experts differentiated interaction from noninteraction in both humans and dogs whereas in the control subjects, similar differentiation occurred only for humans. Finally, Study V shows the engagement of the brain area associated with biological motion when exposed to the sounds produced by a single human being walking. However, more complex pattern of activation, with the walking sounds of several persons, suggests that as the social situation becomes more complex so does the brain response. Taken together, these studies demonstrate the roles of distinct cortical and subcortical brain regions in the perception and sharing of others internal states via facial and bodily gestures, and the connection of brain responses to behavioral attributes.

Oscillatory brain activity in memory disorders

Neuronal oscillations are thought to underlie interactions between distinct brain regions required for normal memory functioning. This study aimed at elucidating the neuronal basis of memory abnormalities in neurodegenerative disorders. Magnetoencephalography (MEG) was used to measure oscillatory brain signals in patients with Alzheimer s disease (AD), a neurodegenerative disease causing progressive cognitive decline, and mild cognitive impairment (MCI), a disorder characterized by mild but clinically significant complaints of memory loss without apparent impairment in other cognitive domains. Furthermore, to help interpret our AD/MCI results and to develop more powerful oscillatory MEG paradigms for clinical memory studies, oscillatory neuronal activity underlying declarative memory, the function which is afflicted first in both AD and MCI, was investigated in a group of healthy subjects. An increased temporal-lobe contribution coinciding with parieto-occipital deficits in oscillatory activity was observed in AD patients: sources in the 6 12.5 Hz range were significantly stronger in the parieto-occipital and significantly weaker in the right temporal region in AD patients, as compared to MCI patients and healthy elderly subjects. Further, the auditory steady-state response, thought to represent both evoked and induced activity, was enhanced in AD patients, as compared to controls, possibly reflecting decreased inhibition in auditory processing and deficits in adaptation to repetitive stimulation with low relevance. Finally, the methodological study revealed that successful declarative encoding and retrieval is associated with increases in occipital gamma and right hemisphere theta power in healthy unmedicated subjects. This result suggests that investigation of neuronal oscillations during cognitive performance could potentially be used to investigate declarative memory deficits in AD patients. Taken together, the present results provide an insight on the role of brain oscillatory activity in memory function and memory disorders.

Brain and Spinal Cavernomas : Helsinki Experience

Cavernomas are rare neurovascular lesions, encountered in up to 10% of patients harboring vascular abnormalities of the CNS. Cavernomas consist of dilated thin-walled sinusoids or caverns covered by a single layer of endothelium. Due to advancements in neuroradiology, the number of cavernoma patients coming to be evaluated in neurosurgical practice is increasing. In the present work, we summarized our results on the treatment of cavernomas. Particular attention was paid to uncommon locations or insufficiently investigated cavernomas, including 1. Intraventricular cavernomas; 2. Multiple cavernomas; 3. Spinal cavernomas; and 4. Temporal lobe cavernomas. After analyzing the patient series with these lesions, we concluded that: 1. IVCs are characterized by a high tendency to cause repetitive hemorrhages in a short period of time after the first event. In most patients, hemorrhages were not life-threatening. Surgery is indicated when re-bleedings are frequent and the mass-effect causes progressive neurological deterioration. Modern microsurgical techniques allow safe removal of the IVC, but surgery on fourth ventricle cavernomas carries increased risk of postoperative cranial nerve deficits. 2. In MC cases, when the cavernoma bleeds or generates drug-resistant epilepsy, microsurgical removal of the symptomatic lesion is beneficial to patients. In our series, surgical removal of the most active cavernoma usually the biggest lesion with signs of recent hemorrhage - was safe and prevented further bleedings. Epilepsy outcome showed the effectiveness of active treatment of MCs. However, due to the remaining cavernomas, epileptogenic activity can persist postoperatively, frequently necessitating long-term use of antiepileptic drugs. 3. Spinal cavernomas can cause severe neurological deterioration due to low tolerance of the spinal cord to mass-effect with progressive myelopathy. When aggravated by extralesional massive hemorrhage, neurological decline is usually acute and requires immediate treatment. Microsurgical removal of a cavernoma is effective and safe, improving neurological deficits. Sensorimotor deficits and pain improved postoperatively at a high rate, whereas bladder dysfunction remained essentially unchanged, causing social discomfort to patients. 4. Microsurgical removal of temporal lobe cavernomas is beneficial for patents suffering from drug-resistant epilepsy. In our series, 69% of patients with this condition became seizure-free postoperatively. Duration of epilepsy did not correlate with seizure prognosis. The most frequent disabling symptom at follow-up was memory disorder, considered to be the result of a complex interplay between chronic epilepsy and possible damage to the temporal lobe during surgery.

Temporal acuity in developmental dyslexia across the life span : Tactile, auditory, visual, and crossmodal estimations

Taustaa Kehityksellinen dysleksia (lukivaikeus) on erityinen lukemaan oppimisen vaikeus, johon liittyy usein myös vaikeuksia kirjoittamaan oppimisessa. Lukivaikeuden oletetaan useissa tapauksissa johtuvan vaikeudesta käsitellä kielen äännerakenteita (fonologinen prosessointi). Tämä poikkeavuus voi olla joko lukivaikeuden perimmäinen syy tai vaihtoehtoisesti ongelmat äänteiden käsittelyssä voivat heijastaa jotain vielä perustavamman tason vaikeutta. Eräs tällainen ehdotettu perustavan tasoin syy on poikkeavuus aistien toiminnoissa, erityisesti aistien aikatarkkuudessa. Aikatarkkuudella tarkoitetaan kykyä ja rajoja siinä, kuinka nopeasti esitettyä aistitiedon virtaa henkilö kykenee vastaanottamaan ja käsittelemään. Monet arjen toiminnot lukemisen rinnalla edellyttävät aistien erittäin tarkkaa ajallista erottelukykyä (esimerkiksi kuulo puheen ymmärtämisessä, tunto pintamateriaalin tunnistamisessa). Aikatarkkuusvaikeuksien esiintyvyyttä lukivaikeudessa on tutkittu aiemminkin, mutta yksimielisyyteen ei ole päästy siitä, onko kaikilla lukivaikeuksisilla näitä ongelmia tai mihin aisteihin vaikeudet mahdollisesti rajoittuvat. Myöskään ei tiedetä, havaitaanko aikatarkkuuden ongelmia kaiken ikäisillä lukivaikeuksisilla vai vaihteleeko mahdollinen ongelmien kuva iän mukana. Lisäksi on epäselvää, kuinka aikatarkkuuden ongelmat itseasiassa ovat yhteydessä kielen käsittelyn ja varsinaisen lukemisen vaikeuksiin. Tutkimussarjan aihe Tässä tutkimussarjassa aikatarkkuutta tutkittiin kolmessa yksittäisessä aistissa, joita olivat tunto, näkö ja kuulo, sekä kolmessa aistien välisessä yhdistelmässä, joita olivat audiotaktiilinen (kuulo-tunto), visuotaktiilinen (näkö-tunto) ja audiovisuaalinen (näkö-kuulo). Aikatarkkuutta arvioitiin kahdella eri menetelmällä, jotta saataisiin lisää tietoa siitä, missä tietyssä aikatarkkuuden osa-alueessa lukivaikeuksisilla mahdollisesti on vaikeuksia. Ensimmäisessä tehtävässä tutkittavan tuli arvioida, ovatko esitetyt ei-kielelliset ärsykkeet samanaikaisia vai eriaikaisia. Toisessa tehtävässä koehenkilön tuli arvioida esitettyjen ei-kielellisten ärsykkeiden esitysjärjestys. Molemmissa tehtävissä määriteltiin millisekuntitasolla (sekunnin tuhannesosa) se esitysnopeus, jolla koehenkilö kykeni arvioimaan ärsykkeiden ajalliset suhteet oikein. Englanninkielinen demonstraatio aikatarkkuustehtävistä löytyy internetistä (http://www.helsinki.fi/hum/ylpsy/neuropsy). Itse aikatarkkuustehtävien lisäksi tutkimussarjassa arvioitiin tutkimushenkilöiden päättelykykyä, kielellisiä toimintoja ja lukemista. Tutkimushenkilöt Tutkimuksiin osallistui 53 lukivaikeuksista ja 66 sujuvaa lukijaa, jotka oli jaettu kolmeen pääikäryhmään: lapset (8-12 vuotta), nuoret aikuiset (20-36 vuotta) ja ikääntyneemmät aikuiset (20-59 vuotta). Ikääntyneempien aikuisten ryhmä oli edelleen jaettu ikävuosikymmenluokkiin, mikä mahdollisti sen tutkimisen, vaikuttaako lisääntyvä aikuisikä lukivaikeuksisten aikatarkkuuteen (20-29, 30-39, 40-49 ja 50-59 -vuotiaat). Tutkimussarjan tulokset Aikatarkkuuden ongelmat lukivaikeuksisilla olivat yleistyneitä yli iän, aistien ja tehtävien Lukivaikeuksiset kaikissa pääikäryhmissä (lapset, nuoret aikuiset, ikääntyneemmän aikuiset) tarvitsivat samanikäisiä sujuvia lukijoita hitaamman esitystahdin, jotta he kykenivät arvioimaan ei-kielellisten ärsykkeiden ajallisen esitystavan oikein. Tämä aikatarkkuuden ongelma havaittiin lukivaikeuksisilla kaikissa aisteissa (tunto, kuulo, näkö) ja niiden yhdistelmissä (audiotaktiilinen, visuotaktiilinen, audiovisuaalinen). Lukivaikeuksisten aikatarkkuusongelmat ilmenivät edelleen molemmissa tehtävätyypeissä (samanaikaisuuden ja järjestyksen arvioinnissa). Aikatarkkuus ja sen ongelmat olivat yhteydessä äänteiden käsittelyyn Aikatarkkuus oli yhteydessä äänteiden käsittelykykyyn (fonologiseen prosessointiin), niin lapsilla kuin aikuisillakin, kaikissa aisteissa, niiden yhdistelmissä ja tehtävätyypeissä. Yhteys ei-kielellisen aikatarkkuuden ja kielellisten toimintojen välillä oli kuitenkin selkeämpi lukivaikeuksisilla kuin sujuvilla lukijoilla. Tämä tarkoittaa, että etenkin lukivaikeuksisilla ryhmätason huono aikatarkkuus oli yhteydessä huonoon äänteiden käsittelyyn (fonologiseen prosessointiin) ja päinvastoin. Suoraa yhteyttä lukemisen ja aikatarkkuuden välillä ei kuitenkaan havaittu. Lisääntyvä aikuisikä heikensi lukivaikeuksisten aikatarkkuutta suhteettoman paljon Tiedonkäsittelyn nopeuden on toistuvasti osoitettu hidastuvan normaalissa ikääntymisessä. Lisääntyvä aikuisikä (20-59 -vuotiailla) heikensikin sekä sujuvien että lukivaikeuksisten aikatarkkuutta. Toisin sanoen, mitä iäkkäämmästä aikuisesta oli kysymys, sitä hitaammin hänelle tuli esittää ärsykkeet, jotta hän kykeni arvioimaan niiden ajalliset suhteet oikein. Tämä ikään liittyvä tavanomainen hidastuminen oli kuitenkin yllättäen suhteettoman nopeaa lukivaikeuksisilla. Toisin sanoen, jo nuorilla lukivaikeuksisilla havaittu aikatarkkuuden vaikeus (ryhmäero verrattuna sujuviin lukijoihin) ei pysynyt saman suuruisena, vaan ryhmien ero kasvoi aikuisiän lisääntyessä. Tulosten merkitys Lukivaikeuden osoitettiin tässä tutkimussarjassa olevan yhteydessä yleistyneeseen vaikeuteen käsitellä ajassa nopeasti muuttuvaa ei-kielellistä aistitietoa (yli aistien ja niiden yhdistelmien, tehtävätyyppien, tutkittavien iän). Tämä osoittaa, että lukivaikeus ei ole ongelma, joka rajoittuu vain kielellisen materiaalin käsittelyn vaikeuksiin (äänteiden käsittely, lukeminen, kirjoittaminen). Nyt havaitut vaikeudet eivät myöskään rajoittuneet vain niihin aisteihin, jotka selkeimmin liittyvät lukemiseen (näkö) ja puhuttuun kieleen (kuulo); Ongelmia esiintyi myös muissa aisteissa (tunto). Lukivaikeuksisten lukijoiden ryhmätasolla havaittu aikatarkkuuden ongelma ei kuitenkaan heijastunut yksilötasolle; Jokainen lukivaikeuksinen ei ollut huono aikatarkkuustehtävissä. Näin ollen ei siis voida väittää, että kaikkien lukivaikeuksisten äänteiden käsittelyn tai lukemaan oppimisen vaikeudet voisivat selittyä aistien toimintojen poikkeavuudella. Aikatarkkuuden ongelmat eivät olleet yhteydessä varsinaiseen lukemiseen. Sekä lukivaikeuksisilla lapsilla että aikuisilla todettiin kuitenkin selkeä yhteys aikatarkkuuden ongelmien ja lukemaan oppimisen keskeisen ennakkoehdon, fonologisen prosessoinnin, välillä. Saattaa siis olla, että synnynnäinen aistien toimintojen poikkeavuus vaikuttaa yksilön suoriutumiseen jo ennen varsinaista lukemaan oppimista, kun ne taidot kehittyvät (fonologinen prosessointi), joille myöhempi lukemaan oppiminen perustuu. Ikäännyttäessä havaittu lukivaikeuksisten suhteettoman nopea aikatarkkuuden heikkeneminen osoittaa, että lukivaikeus ei voi olla ongelma, joka koskee vain lapsuusikää, tai vaikeus, joka johtuu vain kehityksen viivästymästä joka kurottaisiin iän myötä umpeen. Tulosten ymmärtämiseksi onkin muistettava kaksi seikkaa. Lukivaikeus on ensinnäkin yhdistetty synnynnäisiin, pieniin, poikkeavuuksiin aivojen rakenteissa ja toiminnoissa. Toisaalta tavanomaiseen ikääntymiseen liittyy se, että aivot kykenevät yhä huonommin korjaamaan ja kiertämään (kompensoimaan) pieniä vaurioita. Tämän perusteella tutkimussarjan tuloksista voidaan päätellä, että lukivaikeuksisten jo synnynnäisesti heikentyneet aivojen kompensointimahdollisuudet eivät ole yhtä tehokkaita puskuroimaan ikääntymisen tavanomaisia vaikutuksia kuin sujuvilla lukijoilla. Yllättävää kuitenkin on, että tämä korostunut heikkeneminen havaittiin jo suhteellisen nuorilla, työikäisillä, lukivaikeuksisilla, ennen 60 ikävuotta. Samanlaista ikäännyttäessä korostuvaa vaikeutta ei lukivaikeuksilla kuitenkaan havaittu päättelyssä, kielellisissä toiminnoissa tai itse lukemisessa. Vaikuttaakin siis siltä, että ne toiminnot, joita on harjaannutettu aktiivisesti, eivät heikkene kasvavan aikuisiän myötä yhtä suhteettomasti. Alkuperäiset artikkelit Laasonen M, Tomma-Halme J, Lahti-Nuuttila P, Service E, and Virsu V (2000) Rate of information segregation in developmentally dyslexic children, Brain and Language, 75(1), 66-81. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2001) Temporal order and processing acuity of visual, auditory, and tactile perception in developmentally dyslexic young adults, Cognitive, Affective, and Behavioral Neuroscience, 1(4), 394-410. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2002) Crossmodal temporal order and processing acuity in developmentally dyslexic young adults, Brain and Language, 80(3), 340-354. Laasonen M, Lahti-Nuuttila P, and Virsu V (2002) Developmentally impaired processing speed decreases more than normally with age, NeuroReport, 13(9), 1111-1113.

Spatial and temporal variability in midge (Nematocera) assemblages in shallow Finnish lakes (60−70 °N) : community-based modelling of past environmental change

Multi- and intralake datasets of fossil midge assemblages in surface sediments of small shallow lakes in Finland were studied to determine the most important environmental factors explaining trends in midge distribution and abundance. The aim was to develop palaeoenvironmental calibration models for the most important environmental variables for the purpose of reconstructing past environmental conditions. The developed models were applied to three high-resolution fossil midge stratigraphies from southern and eastern Finland to interpret environmental variability over the past 2000 years, with special focus on the Medieval Climate Anomaly (MCA), the Little Ice Age (LIA) and recent anthropogenic changes. The midge-based results were compared with physical properties of the sediment, historical evidence and environmental reconstructions based on diatoms (Bacillariophyta), cladocerans (Crustacea: Cladocera) and tree rings. The results showed that the most important environmental factor controlling midge distribution and abundance along a latitudinal gradient in Finland was the mean July air temperature (TJul). However, when the dataset was environmentally screened to include only pristine lakes, water depth at the sampling site became more important. Furthermore, when the dataset was geographically scaled to southern Finland, hypolimnetic oxygen conditions became the dominant environmental factor. The results from an intralake dataset from eastern Finland showed that the most important environmental factors controlling midge distribution within a lake basin were river contribution, water depth and submerged vegetation patterns. In addition, the results of the intralake dataset showed that the fossil midge assemblages represent fauna that lived in close proximity to the sampling sites, thus enabling the exploration of within-lake gradients in midge assemblages. Importantly, this within-lake heterogeneity in midge assemblages may have effects on midge-based temperature estimations, because samples taken from the deepest point of a lake basin may infer considerably colder temperatures than expected, as shown by the present test results. Therefore, it is suggested here that the samples in fossil midge studies involving shallow boreal lakes should be taken from the sublittoral, where the assemblages are most representative of the whole lake fauna. Transfer functions between midge assemblages and the environmental forcing factors that were significantly related with the assemblages, including mean air TJul, water depth, hypolimnetic oxygen, stream flow and distance to littoral vegetation, were developed using weighted averaging (WA) and weighted averaging-partial least squares (WA-PLS) techniques, which outperformed all the other tested numerical approaches. Application of the models in downcore studies showed mostly consistent trends. Based on the present results, which agreed with previous studies and historical evidence, the Medieval Climate Anomaly between ca. 800 and 1300 AD in eastern Finland was characterized by warm temperature conditions and dry summers, but probably humid winters. The Little Ice Age (LIA) prevailed in southern Finland from ca. 1550 to 1850 AD, with the coldest conditions occurring at ca. 1700 AD, whereas in eastern Finland the cold conditions prevailed over a longer time period, from ca. 1300 until 1900 AD. The recent climatic warming was clearly represented in all of the temperature reconstructions. In the terms of long-term climatology, the present results provide support for the concept that the North Atlantic Oscillation (NAO) index has a positive correlation with winter precipitation and annual temperature and a negative correlation with summer precipitation in eastern Finland. In general, the results indicate a relatively warm climate with dry summers but snowy winters during the MCA and a cool climate with rainy summers and dry winters during the LIA. The results of the present reconstructions and the forthcoming applications of the models can be used in assessments of long-term environmental dynamics to refine the understanding of past environmental reference conditions and natural variability required by environmental scientists, ecologists and policy makers to make decisions concerning the presently occurring global, regional and local changes. The developed midge-based models for temperature, hypolimnetic oxygen, water depth, littoral vegetation shift and stream flow, presented in this thesis, are open for scientific use on request.

Efficient Content-based Routing, Mobility-aware Topologies, and Temporal Subspace Matching

Event-based systems are seen as good candidates for supporting distributed applications in dynamic and ubiquitous environments because they support decoupled and asynchronous many-to-many information dissemination. Event systems are widely used, because asynchronous messaging provides a flexible alternative to RPC (Remote Procedure Call). They are typically implemented using an overlay network of routers. A content-based router forwards event messages based on filters that are installed by subscribers and other routers. The filters are organized into a routing table in order to forward incoming events to proper subscribers and neighbouring routers. This thesis addresses the optimization of content-based routing tables organized using the covering relation and presents novel data structures and configurations for improving local and distributed operation. Data structures are needed for organizing filters into a routing table that supports efficient matching and runtime operation. We present novel results on dynamic filter merging and the integration of filter merging with content-based routing tables. In addition, the thesis examines the cost of client mobility using different protocols and routing topologies. We also present a new matching technique called temporal subspace matching. The technique combines two new features. The first feature, temporal operation, supports notifications, or content profiles, that persist in time. The second feature, subspace matching, allows more expressive semantics, because notifications may contain intervals and be defined as subspaces of the content space. We also present an application of temporal subspace matching pertaining to metadata-based continuous collection and object tracking.

Spatial and temporal determinants of Finnish farmland bird populations

During the past decades agricultural intensification has caused dramatic population declines in a wide range of taxa related to farmland habitats, including farmland birds. In this thesis, I studied how boreal farmland landscape characteristics and agricultural land use affect the abundance and diversity of farmland birds using extensive field data collected by territory mapping of breeding farmland birds in various parts of Finland. My results show that the area and openness of agricultural areas are key determinants of farmland bird abundance and distribution. A landscape composition with enough open farmland combined with key habitats such as farmyards and wetland is likely to provide essential prerequisites for the occurrence of a rich farmland avifauna. In Finland, the majority of large areas suitable for open habitat specialists are located in southern and western parts of the country. However, the diversity of the species with an unfavourable conservation status in Europe (SPECs) had notable hotspot areas in northern and north-western agricultural areas. I found that in boreal agroecosystems farmland birds favour fields with springtime vegetative cover, especially agricultural grasslands and set-asides. Hence, in the spring cereal dominated Finnish agroecosystems it is the absence of field vegetation that may limit populations of many farmland bird species. It is likely that the decrease of crops providing vegetative cover in the spring, such as permanent grasslands, cultivated grass, and autumn-sown cereals, has greatly contributed to the declines of Finnish farmland birds. Grass crops have persistently declined in Finland as a consequence of specialization in crop production and the large-scale decline in livestock husbandry. Small-scale non-crop habitats, especially ditches and ditch margins, are also important for many bird species in the Finnish agroecosystems, but have dramatically declined during the last decades. A major problem for farmland bird conservation in Finland is the conflict between landscape structure and agricultural management. Areas with mixed and cattle farming are virtually absent from the large agricultural plains of southern and south-western Finland, where the landscape structure is more likely to be favourable for rich farmland bird assemblages. On the other hand, mixed and cattle farming is still rather frequent in northern and central parts of the country, where the landscape structure is not suitable for many farmland specialist birds requiring open landscapes. My results provide useful guidelines for farmland bird conservation, and imply that considerable attention needs to be paid to landscape factors when selecting areas for various conservational management actions, such as agri-environment schemes. Actions promoting the abundance of set-asides, grass crops, and ditches would markedly benefit Finnish farmland bird populations. Organic farming may benefit farmland birds, but it is not clear how general its beneficial effect is in boreal agroecosystems. The most urgent action aiming to preserve farmland biodiversity would be to support re-introducing and sustaining cattle farming by environmental subsidies. This would be especially beneficial in the southern parts of Finland, where the landscape characteristics and abundance of agricultural areas are most suitable for farmland birds and where cattle farming is currently rare.

Novel surgical and imaging methods of the middle ear and temporal bone

Välikorvaleikkauksiin usein liittyvän välikorvan ja kuuloluuketjun kirurgisen rekonstruktion tavoitteena on luoda olosuhteet, jotka mahdollistavat hyvän kuulon sekä välikorvan säilymisen tulehduksettomana ja ilmapitoisena. Välikorvan rekonstruktiossa on käytetty implanttimateriaaleina perinteisesti potilaan omia kudoksia sekä tarvittaessa erilaisia hajoamattomia biomateriaaleja, mm. titaania ja silikonia. Ongelmana biomateriaalien käytössä voi olla bakteerien adherenssi eli tarttuminen vieraan materiaalin pintaan, mikä saattaa johtaa biofilmin muodostumiseen. Tämä voi aiheuttaa kroonisen, huonosti antibiootteihin reagoivan infektion kudoksessa, mikä usein käytännössä johtaa uusintaleikkaukseen ja implantin poistoon. Maitohappo- ja glykolihappopohjaiset biologisesti hajoavat polymeerit ovat olleet kliinisessä käytössä jo vuosikymmeniä. Niitä on käytetty erityisesti tukimateriaaleina mm. ortopediassa sekä kasvo- ja leukakirurgiassa. Niitä ei ole toistaiseksi käytetty välikorvakirurgiassa. Korvan kuvantamiseen käytetään ensisijaisesti tietokonetomografiaa (TT). TT-tutkimuksen ongelmana on potilaan altistuminen suhteellisen korkealle sädeannokselle, joka kasvaa kumulatiivisesti, jos kuvaus joudutaan toistamaan. Väitöskirjatyö selvittää uuden, aiemmin kliinisessä työssä rutiinisti lähinnä hampaiston ja kasvojen alueen kuvantamiseen käytetyn rajoitetun kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen. Väitöskirjan kahdessa ensimmäisessä osatyössä tutkittiin ja verrattiin kahden kroonisia ja postoperatiivisia korvainfektioita aiheuttavan bakteerin, Staphylococcus aureuksen ja Pseudomonas aeruginosan, in vitro adherenssia titaanin, silikonin ja kahden eri biohajoavan polymeerin (PLGA) pintaan. Lisäksi tutkittiin materiaalien albumiinipinnoituksen vaikutusta adherenssiin. Kolmannessa osatyössä tutkittiin eläinmallissa PLGA:n biokompatibiliteettia eli kudosyhteensopivuutta kokeellisessa välikorvakirurgiassa. Chinchillojen välikorviin istutettiin PLGA-materiaalia, eläimiä seurattiin, ja ne lopetettiin 6 kk:n kuluttua operaatiosta. Biokompatibiliteetin arviointi perustui kliinisiin havaintoihin sekä kudosnäytteisiin. Neljännessä osatyössä tutkittiin kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen vertaamalla sen tarkkuutta perinteisen spiraali-TT:n tarkkuuteen. Molemmilla laitteilla kuvattiin ohimo- eli temporaaliluita korvan alueen kliinisesti ja kirurgisesti tärkeiden rakenteiden kuvantumisen tarkkuuden arvioimiseksi. Viidennessä osatyössä arvioitiin myös operoitujen temporaaliluiden kuvantumista kartiokeila-TT:ssa. Bakteeritutkimuksissa PLGA-materiaalin pintaan tarttui keskimäärin korkeintaan saman verran tai vähemmän bakteereita kuin silikonin tai titaanin. Albumiinipinnoitus vähensi bakteeriadherenssia merkitsevästi kaikilla materiaaleilla. Eläinkokeiden perusteella PLGA todettiin hyvin siedetyksi välikorvassa. Korvakäytävissä tai välikorvissa ei todettu infektioita, tärykalvon perforaatioita tai materiaalin esiin työntymistä. Kudosnäytteissä näkyi lievää tulehdusreaktiota ja fibroosia implantin ympärillä. Temporaaliluutöissä rajoitettu kartiokeila-TT todettiin vähintään yhtä tarkaksi menetelmäksi kuin spiraali-TT välikorvan ja sisäkorvan rakenteiden kuvantamisessa, ja sen aiheuttama kertasäderasitus todettiin spiraali-TT:n vastaavaa huomattavasti vähäisemmäksi. Kartiokeila-TT soveltui hyvin välikorvaimplanttien ja postoperatiivisen korvan kuvantamiseen. Tulokset osoittavat, että PLGA on välikorvakirurgiaan soveltuva, turvallinen ja kudosyhteensopiva biomateriaali. Biomateriaalien pinnoittaminen albumiinilla vähentää merkittävästi bakteeriadherenssia niihin, mikä puoltaa pinnoituksen soveltamista implanttikirurgiassa. Kartiokeila-TT soveltuu korvan alueen kuvantamiseen. Sen tarkkuus kliinisesti tärkeiden rakenteiden osoittamisessa on vähintään yhtä hyvä ja sen potilaalle aiheuttama sädeannos pienempi kuin nykyisen korva-spiraali-TT:n. Tämä tekee menetelmästä spiraali-TT:aa potilasturvallisemman vaihtoehdon erityisesti, jos potilaan tilanne vaatii seurantaa ja useampia kuvauksia, ja jos halutaan kuvata rajoitettuja alueita uni- tai bilateraalisesti.

Evaluation and modelling of the spatial and temporal variability of particulate matter in urban areas

This thesis contains three subject areas concerning particulate matter in urban area air quality: 1) Analysis of the measured concentrations of particulate matter mass concentrations in the Helsinki Metropolitan Area (HMA) in different locations in relation to traffic sources, and at different times of year and day. 2) The evolution of traffic exhaust originated particulate matter number concentrations and sizes in local street scale are studied by a combination of a dispersion model and an aerosol process model. 3) Some situations of high particulate matter concentrations are analysed with regard to their meteorological origins, especially temperature inversion situations, in the HMA and three other European cities. The prediction of the occurrence of meteorological conditions conducive to elevated particulate matter concentrations in the studied cities is examined. The performance of current numerical weather forecasting models in the case of air pollution episode situations is considered. The study of the ambient measurements revealed clear diurnal variation of the PM10 concentrations in the HMA measurement sites, irrespective of the year and the season of the year. The diurnal variation of local vehicular traffic flows seemed to have no substantial correlation with the PM2.5 concentrations, indicating that the PM10 concentrations were originated mainly from local vehicular traffic (direct emissions and suspension), while the PM2.5 concentrations were mostly of regionally and long-range transported origin. The modelling study of traffic exhaust dispersion and transformation showed that the number concentrations of particles originating from street traffic exhaust undergo a substantial change during the first tens of seconds after being emitted from the vehicle tailpipe. The dilution process was shown to dominate total number concentrations. Minimal effect of both condensation and coagulation was seen in the Aitken mode number concentrations. The included air pollution episodes were chosen on the basis of occurrence in either winter or spring, and having at least partly local origin. In the HMA, air pollution episodes were shown to be linked to predominantly stable atmospheric conditions with high atmospheric pressure and low wind speeds in conjunction with relatively low ambient temperatures. For the other European cities studied, the best meteorological predictors for the elevated concentrations of PM10 were shown to be temporal (hourly) evolutions of temperature inversions, stable atmospheric stability and in some cases, wind speed. Concerning the weather prediction during particulate matter related air pollution episodes, the use of the studied models were found to overpredict pollutant dispersion, leading to underprediction of pollutant concentration levels.