Sensory auditory processing and intuitive sound detection : an investigation of musical experts and nonexperts

The auditory system can detect occasional changes (deviants) in acoustic regularities without the need for subjects to focus their attention on the sound material. Deviant detection is reflected in the elicitation of the mismatch negativity component (MMN) of the event-related potentials. In the studies presented in this thesis, the MMN is used to investigate the auditory abilities for detecting similarities and regularities in sound streams. To investigate the limits of these processes, professional musicians have been tested in some of the studies. The results show that auditory grouping is already more advanced in musicians than in nonmusicians and that the auditory system of musicians can, unlike that of nonmusicians, detect a numerical regularity of always four tones in a series. These results suggest that sensory auditory processing in musicians is not only a fine tuning of universal abilities, but is also qualitatively more advanced than in nonmusicians. In addition, the relationship between the auditory change-detection function and perception is examined. It is shown that, contrary to the generally accepted view, MMN elicitation does not necessarily correlate with perception. The outcome of the auditory change-detection function can be implicit and the implicit knowledge of the sound structure can, after training, be utilized for behaviorally correct intuitive sound detection. These results illustrate the automatic character of the sensory change detection function.

Cognitive deficits and the Paced Auditory Serial Addition Test performance among patients with multiple sclerosis

Multiple sclerosis (MS) is a chronic, inflammatory disease of the central nervous system, characterized especially by myelin and axon damage. Cognitive impairment in MS is common but difficult to detect without a neuropsychological examination. Valid and reliable methods are needed in clinical practice and research to detect deficits, follow their natural evolution, and verify treatment effects. The Paced Auditory Serial Addition Test (PASAT) is a measure of sustained and divided attention, working memory, and information processing speed, and it is widely used in MS patients neuropsychological evaluation. Additionally, the PASAT is the sole cognitive measure in an assessment tool primarly designed for MS clinical trials, the Multiple Sclerosis Functional Composite (MSFC). The aims of the present study were to determine a) the frequency, characteristics, and evolution of cognitive impairment among relapsing-remitting MS patients, and b) the validity and reliability of the PASAT in measuring cognitive performance in MS patients. The subjects were 45 relapsing-remitting MS patients from Seinäjoki Central Hospital, Department of Neurology and 48 healthy controls. Both groups underwent comprehensive neuropsychological assessments, including the PASAT, twice in a one-year follow-up, and additionally a sample of 10 patients and controls were evaluated with the PASAT in serial assessments five times in one month. The frequency of cognitive dysfunction among relapsing-remitting MS patients in the present study was 42%. Impairments were characterized especially by slowed information processing speed and memory deficits. During the one-year follow-up, the cognitive performance was relatively stable among MS patients on a group level. However, the practice effects in cognitive tests were less pronounced among MS patients than healthy controls. At an individual level the spectrum of MS patients cognitive deficits was wide in regards to their characteristics, severity, and evolution. The PASAT was moderately accurate in detecting MS-associated cognitive impairment, and 69% of patients were correctly classified as cognitively impaired or unimpaired when comprehensive neuropsychological assessment was used as a "gold standard". Self-reported nervousness and poor arithmetical skills seemed to explain misclassifications. MS-related fatigue was objectively demonstrated as fading performance towards the end of the test. Despite the observed practice effect, the reliability of the PASAT was excellent, and it was sensitive to the cognitive decline taking place during the follow-up in a subgroup of patients. The PASAT can be recommended for use in the neuropsychological assessment of MS patients. The test is fairly sensitive, but less specific; consequently, the reasons for low scores have to be carefully identified before interpreting them as clinically significant.

Human brain mechanisms of auditory and audiovisual selective attention

Selective attention refers to the process in which certain information is actively selected for conscious processing, while other information is ignored. The aim of the present studies was to investigate the human brain mechanisms of auditory and audiovisual selective attention with functional magnetic resonance imaging (fMRI), electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG). The main focus was on attention-related processing in the auditory cortex. It was found that selective attention to sounds strongly enhances auditory cortex activity associated with processing the sounds. In addition, the amplitude of this attention-related modulation was shown to increase with the presentation rate of attended sounds. Attention to the pitch of sounds and to their location appeared to enhance activity in overlapping auditory-cortex regions. However, attention to location produced stronger activity than attention to pitch in the temporo-parietal junction and frontal cortical regions. In addition, a study on bimodal attentional selection found stronger audiovisual than auditory or visual attention-related modulations in the auditory cortex. These results were discussed in light of Näätänen s attentional-trace theory and other research concerning the brain mechanisms of selective attention.

Human brain networks of auditory attention and working memory

This thesis examines brain networks involved in auditory attention and auditory working memory using measures of task performance, brain activity, and neuroanatomical connectivity. Auditory orienting and maintenance of attention were compared with visual orienting and maintenance of attention, and top-down controlled attention was compared to bottom-up triggered attention in audition. Moreover, the effects of cognitive load on performance and brain activity were studied using an auditory working memory task. Corbetta and Shulman s (2002) model of visual attention suggests that what is known as the dorsal attention system (intraparietal sulcus/superior parietal lobule, IPS/SPL and frontal eye field, FEF) is involved in the control of top-down controlled attention, whereas what is known as the ventral attention system (temporo-parietal junction, TPJ and areas of the inferior/middle frontal gyrus, IFG/MFG) is involved in bottom-up triggered attention. The present results show that top-down controlled auditory attention also activates IPS/SPL and FEF. Furthermore, in audition, TPJ and IFG/MFG were activated not only by bottom-up triggered attention, but also by top-down controlled attention. In addition, the posterior cerebellum and thalamus were activated by top-down controlled attention shifts and the ventromedial prefrontal cortex (VMPFC) was activated by to-be-ignored, but attention-catching salient changes in auditory input streams. VMPFC may be involved in the evaluation of environmental events causing the bottom-up triggered engagement of attention. Auditory working memory activated a brain network that largely overlapped with the one activated by top-down controlled attention. The present results also provide further evidence of the role of the cerebellum in cognitive processing: During auditory working memory tasks, both activity in the posterior cerebellum (the crus I/II) and reaction speed increased when the cognitive load increased. Based on the present results and earlier theories on the role of the cerebellum in cognitive processing, the function of the posterior cerebellum in cognitive tasks may be related to the optimization of response speed.

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.

Neurochemical regulation of auditory information processing studied with EEG/MEG: application to schizophrenia

Cognitive impairments of attention, memory and executive functions are a fundamental feature of the pathophysiology of schizophrenia. The neurophysiological and neurochemical changes in the auditory cortex are shown to underlie cognitive impairmentsin schizophrenia patients. Functional state of the neural substrate of auditory information processing could be objectively and non-invasively probed with auditory event-related potentials (ERPs) and event- related fields (ERFs). In the current work, we explored the neurochemical effect on the neural origins of auditory information processing in relation to schizophrenia. By means of ERPs/ERFs we aimed to determine how neural substrates of auditory information processing are modulated by antipsychotic medication in schizophrenia spectrum patients (Studies I, II) and by neuropharmacological challenges in healthy human subjects (Studies III, IV). First, with auditory ERPs we investigated the effects of olanzapine (Study I) and risperidone (Study II) in a group of patients with schizophrenia spectrum disorders. After 2 and 4 weeks of treatment, olanzapine has no significant effects on mismatch negativity(MMN) and P300, which, as it has been suggested, respectively reflect preattentive and attention-dependent information processing. After 2 weeks of treatment, risperidone has no significant effect on P300, however risperidone reduces P200 amplitude. This latter effect of risperidone on neural resources responsible for P200 generation could be partly explained through the action of dopamine. Subsequently, we used simultaneous EEG/MEG to investigate the effects of memantine (Study III) and methylphenidate (Study IV) in healthy subjects. We found that memantine modulates MMN response without changing other ERP components. This could be interpreted as being due to the possible influence of memantine through the NMDA receptors on auditory change- detection mechanism, with processing of auditory stimuli remaining otherwise unchanged. Further, we found that methylphenidate does not modulate the MMN response. This finding could indicate no association between catecholaminergic activities and electrophysiological measures of preattentive auditory discrimination processes reflected in the MMN. However, methylphenidate decreases the P200 amplitudes. This could be interpreted as a modulation of auditory information processing reflected in P200 by dopaminergic and noradrenergic systems. Taken together, our set of studies indicates a complex pattern of neurochemical influences produced by the antipsychotic drugs in the neural substrate of auditory information processing in patients with schizophrenia spectrum disorders and by the pharmacological challenges in healthy subjects studied with ERPs and ERFs.

Auditory - Visual Matching in Learning Disabilities : Intervention Studies from Finland and Sweden

The present thesis discusses relevant issues in education: 1) learning disabilities including the role of comorbidity in LDs, and 2) the use of research-based interventions. This thesis consists of a series of four studies (three articles), which deepens the knowledge of the field of special education. Intervention studies (N=242) aimed to examine whether training using a nonverbal auditory-visual matching computer program had a remedial effect in different learning disabilities, such as developmental dyslexia, Attention Deficit Disorder (ADD) and Specific Language Impairment (SLI). These studies were conducted in both Finland and Sweden. The intervention’s non-verbal character made an international perspective possible. The results of the intervention studies confirmed, that the auditory-visual matching computer program, called Audilex had positive intervention effects. In Study I of children with developmental dyslexia there were also improvements in reading skills, specifically in reading nonsense words and reading speed. These improvements in tasks, which are thought to rely on phonological processing, suggest that such reading difficulties in dyslexia may stem in part from more basic perceptual difficulties, including those required to manage the visual and auditory components of the decoding task. In Study II the intervention had a positive effect on children with dyslexia; older students with dyslexia and surprisingly, students with ADD also benefited from this intervention. In conclusion, the role of comorbidity was apparent. An intervention effect was evident also in students’ school behavior. Study III showed that children with SLI experience difficulties very similar to those of children with dyslexia in auditory-visual matching. Children with language-based learning disabilities, such as dyslexia and SLI benefited from the auditory-visual matching intervention. Also comorbidity was evident among these children; in addition to formal diagnoses, comorbidity was explored with an assessment inventory, which was developed for this thesis. Interestingly, an overview of the data of this thesis shows positive intervention effects in all studies despite learning disability, language, gender or age. These findings have been described by a concept inter-modal transpose. Self-evidently these issues need further studies. In learning disabilities the aim in the future will also be to identify individuals at risk rather than by deficit; this aim can be achieved by using research-based interventions, intensified support in general education and inclusive special education. Keywords: learning disabilities, developmental dyslexia, attention deficit disorder, specific language impairment, language-based learning disabilities, comorbidity, auditory-visual matching, research-based interventions, inter-modal transpose

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.