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.

Pre-maps : An Educational Programme for Reading Tactile Maps

It is demanding for children with visual impairment to become aware of the world beyond their immediate experience. They need to learn to control spatial experiences as a whole and understand the relationships between objects, surfaces and themselves. Tactile maps can be an excellent source of information for depicting space and environment. By means of tactile maps children can develop their spatial understanding more efficiently than through direct travel experiences supplemented with verbal explanations. Tactile maps can help children when they are learning to understand environmental, spatial, and directional concepts. The ability to read tactile maps is not self-evident; it is a skill, which must be learned. The main research question was: can children who are visually impaired learn to read tactile maps at the preschool age if they receive structural teaching? The purpose of this study was to develop an educational program for preschool children with visual impairment, the aim of which was to teach them to read tactile maps in order to strengthen their orientation skills and to encourage them to explore the world beyond their immediate experience. The study is a multiple case study describing the development of the map program consisting of eight learning tasks. The program was developed with one preschooler who was blind, and subsequently the program was implemented with three other children. Two of the children were blind from birth, one child had lost her vision at the age of two, and one child had low vision. The program was implemented in a normal preschool. Another objective of the pre-map program was to teach the preschooler with visual impairment to understand the concept of a map. The teaching tools were simple, map-like representations called pre-maps. Before a child with visual impairment can read a comprehensive tactile map, it is important to learn to understand map symbols, and how a three-dimensional model changes to a two-dimensional tactile map. All teaching sessions were videotaped; the results are based on the analysis of the videotapes. Two of the children completed the program successfully, and learned to read a tactile map. The two other children felt happy during the sessions, but it was problematic for them to engage fully in the instruction. One of the two eventually completed the program, while the other developed predominantly emerging skills. The results of the children's performances and the positive feedback from the teachers, assistants and the parents proved that this pre-map program is appropriate teaching material for preschool children who are visually impaired. The program does not demand high-level expertise; also parents, preschool teachers, and school assistants can carry out the program.

Optimisation Problems in Wireless Sensor Networks : Local Algorithms and Local Graphs

This thesis studies optimisation problems related to modern large-scale distributed systems, such as wireless sensor networks and wireless ad-hoc networks. The concrete tasks that we use as motivating examples are the following: (i) maximising the lifetime of a battery-powered wireless sensor network, (ii) maximising the capacity of a wireless communication network, and (iii) minimising the number of sensors in a surveillance application. A sensor node consumes energy both when it is transmitting or forwarding data, and when it is performing measurements. Hence task (i), lifetime maximisation, can be approached from two different perspectives. First, we can seek for optimal data flows that make the most out of the energy resources available in the network; such optimisation problems are examples of so-called max-min linear programs. Second, we can conserve energy by putting redundant sensors into sleep mode; we arrive at the sleep scheduling problem, in which the objective is to find an optimal schedule that determines when each sensor node is asleep and when it is awake. In a wireless network simultaneous radio transmissions may interfere with each other. Task (ii), capacity maximisation, therefore gives rise to another scheduling problem, the activity scheduling problem, in which the objective is to find a minimum-length conflict-free schedule that satisfies the data transmission requirements of all wireless communication links. Task (iii), minimising the number of sensors, is related to the classical graph problem of finding a minimum dominating set. However, if we are not only interested in detecting an intruder but also locating the intruder, it is not sufficient to solve the dominating set problem; formulations such as minimum-size identifying codes and locating dominating codes are more appropriate. This thesis presents approximation algorithms for each of these optimisation problems, i.e., for max-min linear programs, sleep scheduling, activity scheduling, identifying codes, and locating dominating codes. Two complementary approaches are taken. The main focus is on local algorithms, which are constant-time distributed algorithms. The contributions include local approximation algorithms for max-min linear programs, sleep scheduling, and activity scheduling. In the case of max-min linear programs, tight upper and lower bounds are proved for the best possible approximation ratio that can be achieved by any local algorithm. The second approach is the study of centralised polynomial-time algorithms in local graphs these are geometric graphs whose structure exhibits spatial locality. Among other contributions, it is shown that while identifying codes and locating dominating codes are hard to approximate in general graphs, they admit a polynomial-time approximation scheme in local graphs.

Tactile processing in human somatosensory and auditory cortices

Tactile sensation plays an important role in everyday life. While the somatosensory system has been studied extensively, the majority of information has come from studies using animal models. Recent development of high-resolution anatomical and functional imaging techniques has enabled the non-invasive study of human somatosensory cortex and thalamus. This thesis provides new insights into the functional organization of the human brain areas involved in tactile processing using magnetoencephalography (MEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI). The thesis also demonstrates certain optimizations of MEG and fMRI methods. Tactile digit stimulation elicited stimulus-specific responses in a number of brain areas. Contralateral activation was observed in somatosensory thalamus (Study II), primary somatosensory cortex (SI; I, III, IV), and post-auditory belt area (III). Bilateral activation was observed in secondary somatosensory cortex (SII; II, III, IV). Ipsilateral activation was found in the post-central gyrus (area 2 of SI cortex; IV). In addition, phasic deactivation was observed within ipsilateral SI cortex and bilateral primary motor cortex (IV). Detailed investigation of the tactile responses demonstrated that the arrangement of distal-proximal finger representations in area 3b of SI in humans is similar to that found in monkeys (I). An optimized MEG approach was sufficient to resolve such fine detail in functional organization. The SII region appeared to contain double representations for fingers and toes (II). The detection of activations in the SII region and thalamus improved at the individual and group levels when cardiac-gated fMRI was used (II). Better detection of body part representations at the individual level is an important improvement, because identification of individual representations is crucial for studying brain plasticity in somatosensory areas. The posterior auditory belt area demonstrated responses to both auditory and tactile stimuli (III), implicating this area as a physiological substrate for the auditory-tactile interaction observed in earlier psychophysical studies. Comparison of different smoothing parameters (III) demonstrated that proper evaluation of co-activation should be based on individual subject analysis with minimal or no smoothing. Tactile input consistently influenced area 3b of the human ipsilateral SI cortex (IV). The observed phasic negative fMRI response is proposed to result from interhemispheric inhibition via trans-callosal connections. This thesis contributes to a growing body of human data suggesting that processing of tactile stimuli involves multiple brain areas, with different spatial patterns of cortical activation for different stimuli.

Optimisation problems in wireless sensor networks

This thesis studies optimisation problems related to modern large-scale distributed systems, such as wireless sensor networks and wireless ad-hoc networks. The concrete tasks that we use as motivating examples are the following: (i) maximising the lifetime of a battery-powered wireless sensor network, (ii) maximising the capacity of a wireless communication network, and (iii) minimising the number of sensors in a surveillance application. A sensor node consumes energy both when it is transmitting or forwarding data, and when it is performing measurements. Hence task (i), lifetime maximisation, can be approached from two different perspectives. First, we can seek for optimal data flows that make the most out of the energy resources available in the network; such optimisation problems are examples of so-called max-min linear programs. Second, we can conserve energy by putting redundant sensors into sleep mode; we arrive at the sleep scheduling problem, in which the objective is to find an optimal schedule that determines when each sensor node is asleep and when it is awake. In a wireless network simultaneous radio transmissions may interfere with each other. Task (ii), capacity maximisation, therefore gives rise to another scheduling problem, the activity scheduling problem, in which the objective is to find a minimum-length conflict-free schedule that satisfies the data transmission requirements of all wireless communication links. Task (iii), minimising the number of sensors, is related to the classical graph problem of finding a minimum dominating set. However, if we are not only interested in detecting an intruder but also locating the intruder, it is not sufficient to solve the dominating set problem; formulations such as minimum-size identifying codes and locating–dominating codes are more appropriate. This thesis presents approximation algorithms for each of these optimisation problems, i.e., for max-min linear programs, sleep scheduling, activity scheduling, identifying codes, and locating–dominating codes. Two complementary approaches are taken. The main focus is on local algorithms, which are constant-time distributed algorithms. The contributions include local approximation algorithms for max-min linear programs, sleep scheduling, and activity scheduling. In the case of max-min linear programs, tight upper and lower bounds are proved for the best possible approximation ratio that can be achieved by any local algorithm. The second approach is the study of centralised polynomial-time algorithms in local graphs – these are geometric graphs whose structure exhibits spatial locality. Among other contributions, it is shown that while identifying codes and locating–dominating codes are hard to approximate in general graphs, they admit a polynomial-time approximation scheme in local graphs.