Visuaalis-spatiaalisten työmuistivalmiuksien yhteys (esi)matemaattisiin taitoihin ja merkitys osana matemaattisilta taidoiltaan heikkojen lasten ja nuorten kognitiivista profiilia

Tämän itsenäisistä osatutkimuksista koostuvan tutkimussarjan tavoitteena oli pyrkiä täydentämään kuvaa matemaattisilta taidoiltaan heikkojen lasten ja nuorten tiedonkäsittelyvalmiuksista selvittämällä, ovatko visuaalis-spatiaaliset työmuistivalmiudet yhteydessä matemaattiseen suoriutumiseen. Teoreettinen viitekehys rakentui Baddeleyn (1986, 1997) kolmikomponenttimallin ympärille. Työmuistikäsitys oli kuitenkin esikuvaansa laajempi sisällyttäen visuaalis-spatiaaliseen työmuistiin Cornoldin ja Vecchin (2003) termein sekä passiiviset varastotoiminnot että aktiiviset prosessointitoiminnot. Yhteyksiä työmuistin ja matemaattisten taitojen välillä tarkasteltiin viiden eri osatutkimuksen avulla. Kaksi ensimmäistä keskittyivät alle kouluikäisten lukukäsitteen hallinnan ja visuaalis-spatiaalisten työmuistivalmiuksen tutkimiseen ja kolme jälkimmäistä peruskoulun yhdeksäsluokkalaisten matemaattisten taitojen ja visuaalis-spatiaalisten työmuistitaitojen välisten yhteyksien selvittämiseen. Tutkimussarjan avulla pyrittiin selvittämään, ovatko visuaalis-spatiaaliset työmuistivalmiudet yhteydessä matemaattiseen suoriutumiseen sekä esi- että yläkouluiässä (osatutkimukset I, II, III, IV, V), onko yhteys spesifi rajoittuen tiettyjen visuaalis-spatiaalisten valmiuksien ja matemaattisen suoriutumisen välille vai onko se yleinen koskien matemaattisia taitoja ja koko visuaalis-spatiaalista työmuistia (osatutkimukset I, II, III, IV, V) tai työmuistia laajemmin (osatutkimukset II, III) sekä onko yhteys työmuistispesifi vai selitettävissä älykkyyden kaltaisella yleisellä päättelykapasiteetilla (osatutkimukset I, II, IV). Tutkimussarjan tulokset osoittavat, että kyky säilyttää ja käsitellä hetkellisesti visuaalis-spatiaalista informaatiota on yhteydessä matemaattiseen suoriutumiseen eikä yhteyttä voida selittää yksinomaan joustavalla älykkyydellä. Suoriutuminen visuaalis-spatiaalista työmuistia mittaavissa tehtävissä on yhteydessä sekä alle kouluikäisten esimatemaattisten taitojen hallintaan että peruskoulun yhdeksäsluokkalaisten matematiikan taitoihin. Matemaattisilta taidoiltaan heikkojen lasten ja nuorten visuaalis-spatiaalisten työmuistiresurssien heikkoudet vaikuttavat kuitenkin olevan sangen spesifejä rajoittuen tietyntyyppisissä muistitehtävissä vaadittaviin valmiuksiin; kaikissa visuaalis-spatiaalisen työmuistin valmiuksia mittaavissa tehtävissä suoriutuminen ei ole yhteydessä matemaattisiin taitoihin. Työmuistivalmiuksissa ilmenevät erot sekä alle kouluikäisten että kouluikäisten matemaattisilta taidoiltaan heikkojen ja normaalisuoriutujien välillä näyttävät olevan kuitenkin jossain määrin yhteydessä kielellisiin taitoihin viitaten vaikeuksien tietynlaiseen kasautumiseen; niillä matemaattisesti heikoilla, joilla on myös kielellisiä vaikeuksia, on keskimäärin laajemmat työmuistiheikkoudet. Osalla matematiikassa heikosti suoriutuvista on näin ollen selvästi keskimääräistä heikommat visuaalis-spatiaaliset työmuistivalmiudet, ja tämä heikkous saattaa olla yksi mahdollinen syy tai vaikeuksia lisäävä tekijä heikon matemaattisen suoriutumisen taustalla. Visuaalis-spatiaalisen työmuistin heikkous merkitsee konkreettisesti vähemmän mentaalista prosessointitilaa, joka rajoittaa oppimista ja suoritustilanteita. Tiedonkäsittelyvalmiuksien heikkous liittyy nimenomaan oppimisnopeuteen, ei asioiden opittavuuteen sinänsä. Mikäli oppimisympäristö ottaa huomioon valmiuksien rajallisuuden, työmuistiheikkoudet eivät todennäköisesti estä asioiden oppimista sinänsä. Avainsanat: Työmuisti, visuaalis-spatiaalinen työmuisti, matemaattiset taidot, lukukäsite, matematiikan oppimisvaikeudet

Developmental, functional brain imaging and electrophysiological evidence of visual and auditory working memory

Intact function of working memory (WM) is essential for children and adults to cope with every day life. Children with deficits in WM mechanisms have learning difficulties that are often accompanied by behavioral problems. The neural processes subserving WM, and brain structures underlying this system, continue to develop during childhood till adolescence and young adulthood. With functional magnetic resonance imaging (fMRI) it is possible to investigate the organization and development of WM. The present thesis aimed to investigate, using behavioral and neuroimaging methods, whether mnemonic processing of spatial and nonspatial visual information is segregated in the developing and mature human brain. A further aim in this research was to investigate the organization and development of audiospatial and visuospatial information processing in WM. The behavioral results showed that spatial and nonspatial visual WM processing is segregated in the adult brain. The fMRI result in children suggested that memory load related processing of spatial and nonspatial visual information engages common cortical networks, whereas selective attention to either type of stimuli recruits partially segregated areas in the frontal, parietal and occipital cortices. Deactivation mechanisms that are important in the performance of WM tasks in adults are already operational in healthy school-aged children. Electrophysiological evidence suggested segregated mnemonic processing of visual and auditory location information. The results of the development of audiospatial and visuospatial WM demonstrate that WM performance improves with age, suggesting functional maturation of underlying cognitive processes and brain areas. The development of the performance of spatial WM tasks follows a different time course in boys and girls indicating a larger degree of immaturity in the male than female WM systems. Furthermore, the differences in mastering auditory and visual WM tasks may indicate that visual WM reaches functional maturity earlier than the corresponding auditory system. Spatial WM deficits may underlie some learning difficulties and behavioral problems related to impulsivity, difficulties in concentration, and hyperactivity. Alternatively, anxiety or depressive symptoms may affect WM function and the ability to concentrate, being thus the primary cause of poor academic achievement in children.

Urban energy fluxes in Helsinki and their high frequency spectral corrections

Inadvertent climate modification has led to an increase in urban temperatures compared to the surrounding rural area. The main reason for the temperature rise is the altered energy portioning of input net radiation to heat storage and sensible and latent heat fluxes in addition to the anthropogenic heat flux. The heat storage flux and anthropogenic heat flux have not yet been determined for Helsinki and they are not directly measurable. To the contrary, turbulent fluxes of sensible and latent heat in addition to net radiation can be measured, and the anthropogenic heat flux together with the heat storage flux can be solved as a residual. As a result, all inaccuracies in the determination of the energy balance components propagate to the residual term and special attention must be paid to the accurate determination of the components. One cause of error in the turbulent fluxes is the fluctuation attenuation at high frequencies which can be accounted for by high frequency spectral corrections. The aim of this study is twofold: to assess the relevance of high frequency corrections to water vapor fluxes and to assess the temporal variation of the energy fluxes. Turbulent fluxes of sensible and latent heat have been measured at SMEAR III station, Helsinki, since December 2005 using the eddy covariance technique. In addition, net radiation measurements have been ongoing since July 2007. The used calculation methods in this study consist of widely accepted eddy covariance data post processing methods in addition to Fourier and wavelet analysis. The high frequency spectral correction using the traditional transfer function method is highly dependent on relative humidity and has an 11% effect on the latent heat flux. This method is based on an assumption of spectral similarity which is shown not to be valid. A new correction method using wavelet analysis is thus initialized and it seems to account for the high frequency variation deficit. Anyhow, the resulting wavelet correction remains minimal in contrast to the traditional transfer function correction. The energy fluxes exhibit a behavior characteristic for urban environments: the energy input is channeled to sensible heat as latent heat flux is restricted by water availability. The monthly mean residual of the energy balance ranges from 30 Wm-2 in summer to -35 Wm-2 in winter meaning a heat storage to the ground during summer. Furthermore, the anthropogenic heat flux is approximated to be 50 Wm-2 during winter when residential heating is important.

Ohjelmiston käyttöliittymään kohdistuvat riskit määrittelyvaiheen käyttöliittymäsuunnittelun jälkeen

Ohjelmiston loppukäyttäjiä suoraviivaisesti tukevan toiminnallisuuden ja tietosisällön määrittely on haastavaa, ja muutokset ohjelmiston määrityksiin aiheuttavat usein merkittäviä lisäkustannuksia ohjelmistoprojekteissa. Vaatimusmäärittelyn kattavuutta voidaan parantaa kartoittamalla käyttäjien työtehtävät sekä suunnittelemalla valmis käyttöliittymäratkaisu jo määrittelyvaiheen alussa, jolloin määritellyn tietosisällön ja toiminnallisuuden toimivuus loppukäyttäjien työtehtävien yhteydessä voidaan testata käyttöliittymäprototyyppien avulla. Testauksen lisäksi käyttöliittymäratkaisun näyttökuvia voidaan käyttää asiakkaan ja toimittajan välisenä neuvottelu- ja sopimusvälineenä, jonka perusteella valmistuneen ohjelmiston käyttöliittymäratkaisu voidaan hyväksyä projektin päätteeksi. Käyttöliittymän testauksesta huolimatta käyttöliittymäratkaisuun kohdistuu projektin aikana vielä useita riskejä. Koska yksittäiset näyttökuvat eivät kuvaa kattavasti käyttöliittymän toimintalogiikkaa, käyttöliittymän toteuttaminen pelkkien näyttökuvien perusteella johtaisi helposti väärinymmärryksistä aiheutuviin hallitsemattomiin muutoksiin käyttöliittymäratkaisussa. Väärinymmärrysten välttämiseksi käyttöliittymän toimintalogiikka kannattaa kuvata erikseen käyttötilanteiden etenemistä esittävien näyttökuvasarjojen avulla. Näyttökuvasarjojen laatiminen on kuitenkin työlästä, ja yksinkertaisistakin käyttötilanteista syntyy usein pitkiä kuvasarjoja. Tässä työssä kehitettyjen sanallisten käyttösekvenssikuvausten avulla yksinkertaisten käyttötilanteiden toimintalogiikka on mahdollista dokumentoida näyttökuvasarjoja tiiviimmin. Lisäksi toteutustyötä voidaan helpottaa täydentämällä dokumentaatiota tässä työssä kehitetyillä komponenttikohtaisilla toimintalogiikan kuvauksilla. Tässä tutkielmassa arvioidaan määrittelyvaiheessa suunniteltuun käyttöliittymäratkaisuun projektin aikana kohdistuvia riskejä sekä riskien minimointia erityisesti käyttöliittymän dokumentoinnin avulla. Esimerkkitapauksena käytetään NCC Rakennus Oy:n tuntitietojen kirjausohjelmiston kehitysprojektia, jonka toteutus on tarkoitus tehdä osana monille toimialoille suunnattua WM-data Oy:n tuotekehitysprojektia. Aiheluokat (Computing Reviews 1998): D.2.1, H.5.2

Carotid Stenosis, Endarterectomy, and the Brain : Brain microcirculation, diffusion, and cognitive function before and after carotid endarterectomy in patients with a high-grade carotid stenosis

Carotid atherosclerotic disease is a major cause of stroke, but it may remain clinically asymptomatic. The factors that turn the asymptomatic plaque into a symptomatic one are not fully understood, neither are the subtle effects that a high-grade carotid stenosis may have on the brain. The purpose of this study was to evaluate brain microcirculation, diffusion, and cognitive performance in patients with a high-grade stenosis in carotid artery, clinically either symptomatic or asymptomatic, undergoing carotid endarterectomy (CEA). We wanted to find out whether the stenoses are associated with diffusion or perfusion abnormalities of the brain or variation in the cognitive functioning of the patients, and to what extent the potential findings are affected by CEA, and compare the clinically symptomatic and asymptomatic subjects as well as strictly healthy controls. Coagulation and fibrinolytic parameters were compared with the rate microembolic signals (MES) in transcranial Doppler (TCD) and the macroscopic appearance of stenosing plaques in surgery. Patients (n=92) underwent CEA within the study. Blood samples pertaining to coagulation and fibrinolysis were collected before CEA, and the subjects underwent repeated TCD monitoring for MES. A subpopulation (n= 46) underwent MR imaging and repeated neuropsychological examination (preoperative, as well 4 and 100 days after CEA). In MRI, the average apparent diffusion coefficients were higher in the ipsilateral white matter (WM), and altough the interhemispheric difference was abolished by CEA, the levels remained higher than in controls. Symptomatic stenoses were associated with more sluggish perfusion especially in WM, and lower pulsatility of flow in TCD. All patients had poorer cognitive performance than healthy controls. Cognitive functions improved as expected by learning effect despite transient postoperative worsening in a few subjects. Improvement was greater in patients with deepest hypoperfusion, primarily in executive functions. Symptomatic stenoses were associated with higher hematocrit and tissue plasminogen activator antigen levels, as well as higher rate of MES and ulcerated plaques, and better postoperative improvement of vasoreactivity and pulsatility. In light of the findings, carotid stenosis is associated with differences in brain diffusion, perfusion, and cognition. The effect on diffusion in the ipsilateral WM, partially reversible by CEA, may be associated with WM degeneration. Asymptomatic and symptomatic subpopulations differ from each other in terms of hemodynamic adaptation and in their vascular physiological response to removal of stenosis. Although CEA may be associated with a transient cognitive decline, a true improvement of cognitive performance by CEA is possible in patients with the most pronounced perfusion deficits. Mediators of fibrinolysis and unfavourable hemorheology may contribute to the development of a symptomatic disease in patients with a high-grade stenosis.