Learning Nonlinear Visual Processing from Natural Images

The paradigm of computational vision hypothesizes that any visual function -- such as the recognition of your grandparent -- can be replicated by computational processing of the visual input. What are these computations that the brain performs? What should or could they be? Working on the latter question, this dissertation takes the statistical approach, where the suitable computations are attempted to be learned from the natural visual data itself. In particular, we empirically study the computational processing that emerges from the statistical properties of the visual world and the constraints and objectives specified for the learning process. This thesis consists of an introduction and 7 peer-reviewed publications, where the purpose of the introduction is to illustrate the area of study to a reader who is not familiar with computational vision research. In the scope of the introduction, we will briefly overview the primary challenges to visual processing, as well as recall some of the current opinions on visual processing in the early visual systems of animals. Next, we describe the methodology we have used in our research, and discuss the presented results. We have included some additional remarks, speculations and conclusions to this discussion that were not featured in the original publications. We present the following results in the publications of this thesis. First, we empirically demonstrate that luminance and contrast are strongly dependent in natural images, contradicting previous theories suggesting that luminance and contrast were processed separately in natural systems due to their independence in the visual data. Second, we show that simple cell -like receptive fields of the primary visual cortex can be learned in the nonlinear contrast domain by maximization of independence. Further, we provide first-time reports of the emergence of conjunctive (corner-detecting) and subtractive (opponent orientation) processing due to nonlinear projection pursuit with simple objective functions related to sparseness and response energy optimization. Then, we show that attempting to extract independent components of nonlinear histogram statistics of a biologically plausible representation leads to projection directions that appear to differentiate between visual contexts. Such processing might be applicable for priming, \ie the selection and tuning of later visual processing. We continue by showing that a different kind of thresholded low-frequency priming can be learned and used to make object detection faster with little loss in accuracy. Finally, we show that in a computational object detection setting, nonlinearly gain-controlled visual features of medium complexity can be acquired sequentially as images are encountered and discarded. We present two online algorithms to perform this feature selection, and propose the idea that for artificial systems, some processing mechanisms could be selectable from the environment without optimizing the mechanisms themselves. In summary, this thesis explores learning visual processing on several levels. The learning can be understood as interplay of input data, model structures, learning objectives, and estimation algorithms. The presented work adds to the growing body of evidence showing that statistical methods can be used to acquire intuitively meaningful visual processing mechanisms. The work also presents some predictions and ideas regarding biological visual processing.

Quest for authenticity - representation of the Sami image in Christmas tourism

Tourism is one of important livelihoods in Lapland. Christmas tourism was launched in the early 1980s and it became a success story - being labelled as the most epochal tourism product in Finland. Hence, today Christmas tourists are one of the most significant foreign groups arriving to Lapland during the winter season and contributing considerably to the economics of the northeastern periphery of the EU. Christmas tourism concentrates around Father Christmas who uses reindeer for transportation. The Sämi are the only indigenous people in the EU. They are all stereotypically perceived to be reindeer herders. Somehow these three, that is, Santa Claus, reindeer and the Sämi, have been incorporated into same fairytale dominion. In practice, this has happened by using the most visible cultural but also significant identity marker of the Sämi, the Sämi costume. This, in turn, has created controversy over authenticity due to manners in which the costume is used in tourism - often in imitational, mismatched forms by non-Sämi. In this thesis, after relevant literature review I intend to establish how the Sâmi are represented in Christmas tourism through visual data consisting of ten images from three foreign sources. Then I clarify why and to whom it matters of how the Sâmi are represented in Christmas tourism with the aid of 65 questionnaires and nineteen expert interviews collected mainly in the Finnish Sâmi Home Region in October 2009. Through the multiplicity of the voices of various interest and ethnic groups and by using critical discourse analysis I attempt to give an overview of the respondents' opinions and look at some preliminary solutions to the controversy. Based on my data, the non-Sami appear to accept the Sami costume usage in Christmas tourism most readily. Consequently, respect and attitudinal changes have become the respondents' propositions in addition to common set of rules of how the Sami image could be appropriated without violating the integrity of the Sami people, or a similar system of S¿m¡ Duodji trademark guaranteeing the authenticity of the tourism products. Additionally, though half of the interviewees explicate Sami presence in Christmas tourism by adding local flavour to otherwise commercial enterprise, the other half see no rationale to connect facts with fiction, that is, the Sami with Santa Claus.

Quest for authenticity - representation of the Sami image in Christmas tourism

Tourism is one of important livelihoods in Lapland. Christmas tourism was launched in the early 1980s and it became a success story - being labelled as the most epochal tourism product in Finland. Hence, today Christmas tourists are one of the most significant foreign groups arriving to Lapland during the winter season and contributing considerably to the economics of the northeastern periphery of the EU. Christmas tourism concentrates around Father Christmas who uses reindeer for transportation. The Sämi are the only indigenous people in the EU. They are all stereotypically perceived to be reindeer herders. Somehow these three, that is, Santa Claus, reindeer and the Sämi, have been incorporated into same fairytale dominion. In practice, this has happened by using the most visible cultural but also significant identity marker of the Sämi, the Sämi costume. This, in turn, has created controversy over authenticity due to manners in which the costume is used in tourism - often in imitational, mismatched forms by non-Sämi. In this thesis, after relevant literature review I intend to establish how the Sâmi are represented in Christmas tourism through visual data consisting of ten images from three foreign sources. Then I clarify why and to whom it matters of how the Sâmi are represented in Christmas tourism with the aid of 65 questionnaires and nineteen expert interviews collected mainly in the Finnish Sâmi Home Region in October 2009. Through the multiplicity of the voices of various interest and ethnic groups and by using critical discourse analysis I attempt to give an overview of the respondents' opinions and look at some preliminary solutions to the controversy. Based on my data, the non-Sami appear to accept the Sami costume usage in Christmas tourism most readily. Consequently, respect and attitudinal changes have become the respondents' propositions in addition to common set of rules of how the Sami image could be appropriated without violating the integrity of the Sami people, or a similar system of S¿m¡ Duodji trademark guaranteeing the authenticity of the tourism products. Additionally, though half of the interviewees explicate Sami presence in Christmas tourism by adding local flavour to otherwise commercial enterprise, the other half see no rationale to connect facts with fiction, that is, the Sami with Santa Claus.

La modernización entre cafetales : San José, Costa Rica, 1880-1930

This work examines the urban modernization of San José, Costa Rica, between 1880 and 1930, using a cultural approach to trace the emergence of the bourgeois city in a small Central American capital, within the context of order and progress. As proposed by Henri Lefebvre, Manuel Castells and Edward Soja, space is given its rightful place as protagonist. The city, subject of this study, is explored as a seat of social power and as the embodiment of a cultural transformation that took shape in that space, a transformation spearheaded by the dominant social group, the Liberal elite. An analysis of the product built environment allows us to understand why the city grew in a determined manner: how the urban space became organized and how its infrastructure and services distributed. Although the emphasis is on the Liberal heyday from 1880-1930, this study also examines the history of the city since its origins in the late colonial period through its consolidation as a capital during the independent era, in order to characterize the nineteenth century colonial city that prevailed up to 1890 s. A diverse array of primary sources including official acts, memoirs, newspaper sources, maps and plans, photographs, and travelogues are used to study the initial phase of San Jose s urban growth. The investigation places the first period of modern urban growth at the turn of the nineteenth century within the prevailing ideological and political context of Positivism and Liberalism. The ideas of the city s elite regarding progress were translated into and reflected in the physical transformation of the city and in the social construction of space. Not only the transformations but also the limits and contradictions of the process of urban change are examined. At the same time, the reorganization of the city s physical space and the beginnings of the ensanche are studied. Hygiene as an engine of urban renovation is explored by studying the period s new public infrastructure (including pipelines, sewer systems, and the use of asphalt pavement) as part of the Saneamiento of San José. The modernization of public space is analyzed through a study of the first parks, boulevards and monuments and the emergence of a new urban culture prominently displayed in these green spaces. Parks and boulevards were new public and secular places of power within the modern city, used by the elite to display and educate the urban population into the new civic and secular traditions. The study goes on to explore the idealized image of the modern city through an analysis of European and North American travelogues and photography. The new esthetic of theatrical-spectacular representation of the modern city constructed a visual guide of how to understand and come to know the city. A partial and selective image of generalized urban change presented only the bourgeois facade and excluded everything that challenged the idea of progress. The enduring patterns of spatial and symbolic exclusion built into Costa Rica s capital city at the dawn of the twentieth century shed important light on the long-term political social and cultural processes that have created the troubled urban landscapes of contemporary Latin America.

Rhetoric and Representation : Exploring the Cultural Meaning of the Natural Sciences in Contemporary Popular Science Writing and Literature

Kirjallisuuden- ja kulttuurintutkimus on viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana tullut yhä enenevässä määrin tietoiseksi tieteen ja taiteen suhteen monimutkaisesta luonteesta. Nykyään näiden kahden kulttuurin tutkimus muodostaa oman kenttänsä, jolla niiden suhdetta tarkastellaan ennen kaikkea dynaamisena vuorovaikutuksena, joka heijastaa kulttuurimme kieltä, arvoja ja ideologisia sisältöjä. Toisin kuin aiemmat näkemykset, jotka pitävät tiedettä ja taidetta toisilleen enemmän tai vähemmän vastakkaisina pyrkimyksinä, nykytutkimus lähtee oletuksesta, jonka mukaan ne ovat kulttuurillisesti rakentuneita diskursseja, jotka kohtaavat usein samankaltaisia todellisuuden mallintamiseen liittyviä ongelmia, vaikka niiden käyttämät metodit eroavatkin toisistaan. Väitöskirjani keskittyy yllä mainitun suhteen osa-alueista popularisoidun tietokirjallisuuden (muun muassa Paul Davies, James Gleick ja Richard Dawkins) käyttämän kielen ja luonnontieteistä ideoita ammentavan kaunokirjallisuuden (muun muassa Jeanette Winterson, Tom Stoppard ja Richard Powers) hyödyntämien keinojen tarkasteluun nojautuen yli 30 teoksen kattavaa aineistoa koskevaan tyylin ja teemojen tekstianalyysiin. Populaarin tietokirjallisuuden osalta tarkoituksenani on osoittaa, että sen käyttämä kieli rakentuu huomattavassa määrin sellaisille rakenteille, jotka tarjoavat mahdollisuuden esittää todellisuutta koskevia argumentteja mahdollisimman vakuuttavalla tavalla. Tässä tehtävässä monilla klassisen retoriikan määrittelemillä kuvioilla on tärkeä rooli, koska ne auttavat liittämään sanotun sisällön ja muodon tiukasti toisiinsa: retoristen kuvioiden käyttö ei näin ollen edusta pelkkää tyylikeinoa, vaan se myös usein kiteyttää argumenttien taustalla olevat tieteenfilosofiset olettamukset ja auttaa vakiinnuttamaan argumentoinnin logiikan. Koska monet aikaisemmin ilmestyneistä tutkimuksista ovat keskittyneet pelkästään metaforan rooliin tieteellisissä argumenteissa, tämä väitöskirja pyrkii laajentamaan tutkimuskenttää analysoimalla myös toisenlaisten kuvioiden käyttöä. Osoitan myös, että retoristen kuvioiden käyttö muodostaa yhtymäkohdan tieteellisiä ideoita hyödyntävään kaunokirjallisuuteen. Siinä missä popularisoitu tiede käyttää retoriikkaa vahvistaakseen sekä argumentatiivisia että kaunokirjallisia ominaisuuksiaan, kuvaa tällainen sanataide tiedettä tavoilla, jotka usein heijastelevat tietokirjallisuuden kielellisiä rakenteita. Toisaalta on myös mahdollista nähdä, miten kaunokirjallisuuden keinot heijastuvat popularisoidun tieteen kerrontatapoihin ja kieleen todistaen kahden kulttuurin dynaamisesta vuorovaikutuksesta. Nykyaikaisen populaaritieteen retoristen elementtien ja kaunokirjallisuuden keinojen vertailu näyttää lisäksi, kuinka tiede ja taide osallistuvat keskusteluun kulttuurimme tiettyjen peruskäsitteiden kuten identiteetin, tiedon ja ajan merkityksestä. Tällä tavoin on mahdollista nähdä, että molemmat ovat perustavanlaatuisia osia merkityksenantoprosessissa, jonka kautta niin tieteelliset ideat kuin ihmiselämän suuret kysymyksetkin saavat kulttuurillisesti rakentuneen merkityksensä.

Toward Figural Fantasy : The Representation of Consciousness in Modern American Fantasy Literature

Tajunnanesitys amerikkalaisessa heterodiegeettisessä fantasiakirjallisuudessa on muuttunut merkittävästi viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana: kerrontaa orientoiva ja tarinamaailmaa havainnoiva tajunta on vähin erin vaihtunut kaikkitietävästä kertojasta tarinan sisäiseksi henkilöhahmoksi. Kertoja on samalla vetäytynyt yhä syvemmälle kerronnan kulissien taakse. Tämä tutkielma hahmottaa ja analysoi kyseistä muutosta siirtymänä kertojakeskeisestä kerronnasta kohti henkilökeskeistä kerrontaa. Tutkielmassa tajunnanesityksen teoreettisen kehyksen muodostavat F. K. Stanzelin kertojakeskeisen ja henkilökeskeisen kerrontatilanteen käsitteet. Kerrontatilanteita tarkennetaan fokalisaation, vapaan epäsuoran esityksen, sisäisen monologin ja psykonarraation teorioiden avulla. Tutkielma jakaantuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa vertaillaan kahta prototyyppistä fantasiaromaania syväluotaavan narratologisen analyysin keinoin. Kertojakeskeistä kerrontaa edustaa Fritz Leiberin "The Swords of Lankhmar" (1968) ja henkilökeskeistä kerrontaa George R. R. Martinin "A Game of Thrones" (1996). Toisessa osassa tarkastellaan pääpiirteittäin kuuttatoista muuta aikaansa edustavaa fantasiaromaania ja hahmotetaan tajunnanesityksen muutoksen kronologista kulkua. Yhdessä osat ilmentävät, kuinka amerikkalainen heterodiegeettinen fantasiakirjallisuus on muuttunut kerrontateknisesti henkilökeskeisemmäksi. Tutkielma on ensimmäinen laatuaan, ja sen on tarkoitus luoda pohjaa uudenlaiselle modernin fantasiakirjallisuuden tutkimukselle ja kirjalliselle arvostukselle.

Playing "Nordic": The Women of Niskavuori, Agri/Culture, and Imagining Finland on the Third Reich Stage

The theatrical censorship of the Third Reich considered the playwright's race and politics alongside the content of the drama. Given the political stigma of its "leftist" author, it is rather surprising that Hella Wuolijoki's Niskavuoren naiset opened in 1938 at the Staatliches Schauspielhaus in Hamburg. The play ran for fourteen performances before being closed by the Reichsdramaturgie, apparently at the instigation of Finnish critics. Yet this was not the end of the play's or its author's fortunes in the Third Reich, as the possibility of staging the play was raised several times over the next four years, coming to a close in 1942. Playing "Nordic" examines the ideological and theatrical background of this extended "cultural performance," as a means to reopening and reconstructing the work of the 1938 Die Frauen auf Niskavuori. Written by a Finnish, northern, "Nordic" author, and preoccupied with the dynamics of rural culture in an increasingly urbanized world, Niskavuoren naiset was understood in the Third Reich to illustrate and reinforce the racial, agri/cultural themes of Blut und Boden ("veri ja maa"). Playing "Nordic" examines this thematic relationship in three phases. The first phase uses archival materials to investigate the Reichsdramaturgie's understanding of the play and its author, and its ongoing discussion of Wuolijoki from 1937 to 1942. Play evaluator Sigmund Graff's description of Niskavuoren naiset as hamsunartig, or "Hamsun-esque," inspires the second phase of the dissertation, which first elaborates the meanings of Blut und Boden through a reading of contemporary "racial" theory and anthropology, and then assesses the representation of Finland within this discourse, one of the dominant cultural paradigms of the Third Reich. Imaging Finland for German audiences, the play stood among analogous, continued efforts to represent Finland and the rural life in the Third Reich, colored by Blut und Boden: art and agricultural exhibitions, essays and propaganda literature, mass demonstrations of the peasantry. This wider framework for the performance of "Finland" materializes the abstract or theoretical program of Blut und Boden in its everyday performed meanings; as such it provides the essential background for reading the Hamburg production of Die Frauen auf Niskavuori, which sustains the third and final phase. The German translation and the Hamburg photographic record are compared with the Helsinki premiere to assess the impact of Blut und Boden on the representation of Wuolijoki's play in the Third Reich. The journalistic critical response illuminates the effect that the dramatic complex of rural and racial values - generically identified as Bauerndrama in the Third Reich - had on the reception of the play; at the same time, both visual and critical documents also suggest possible moments of theatrical dissent in the Hamburg production. Playing "Nordic" undertakes a documentary and cultural reading of the changing theatrical meanings of Wuolijoki's Niskavuoren naiset as it crossed the frontier from Finland to the stage of the Third Reich. It also provides a model for the ways theatrical signification operates within a network of cultural and ideological meanings, suggesting the ideological work of theatrical production depends on, reinforces, and contests that tissue of values. Although Finnish criticism of Niskavuoren naiset has assumed the play's Blut und Boden resonance contributed to Wuolijoki's success in the Third Reich, this study shows a considerably more complex situation. This revealing production dramatizes the changing uses of plays in a politicized national and transnational context. As part of the framing of "Nordic" identity on the wider stage of the Third Reich, Die Frauen auf Niskavuori exemplifies the conjunction of concurrent - sometimes independent, sometimes interlocking - "racial" and national ideologies.

Vilijonkka ikkunassa - Tove Janssonin muumiteosten kuva, sana ja liike

Tove Jansson (1914--2001) was a Finnish illustrator, author, artist, caricaturist and comic artist. She is best known for her Moomin Books, written in Swedish, which she illustrated herself, and published between 1945 and 1977. My study focuses on the interweaving of images and words in Jansson s picturebooks, novels and short stories situated in the fantasy world of Moomin Valley. In particular, it concentrates on Jansson s development of a special kind of aesthetics of movement and stasis, based upon both illustration and text. The conventions of picturebook art and illustration are significant to both Jansson s visual art and her writing, and she was acutely conscious of them. My analysis of Jansson s work begins by discussing her first published picturebooks and less familiar illustrations (before she began her Moomin books) and I then proceed to discuss her three Moomin picturebooks, The Book about Moomin, Mymble and Little My; Who Will Comfort Toffle?, and The Dangerous Journey. The discussion moves from images to words and from words to images: Barthes s (1982) concept of anchoring and, in particular, what he calls relaying , form a point of reading and viewing Moomin texts and illustrations in a complementary relation, in which the message s unity occurs on a higher level: that of the story, the anecdote, the diegesis . The eight illustrated Moomin novels and one collection of short stories are analysed in a similar manner, taking into account the academic discourse about picturebooks which was developed in the last decade of the 20th century and beginning of the 21st century by, among others, scholars such as Nodelman, Rhedin, Doonan, Thiele, Stephens, Lewis, Nikolajeva and Scott. In her Moomin books, Jansson uses a wide variety of narrative and illustrative styles which are complementary to each other. Each book is different and unique in its own way, but a certain development or progression of mood and representation can be seen when assessing the series as a whole. Jansson s early stories are happy and adventurous but her later Moomin novels, beginning from Moominland Midwinter, focus more on the interiority of the characters, placing them in difficult situations which approximate social reality. This orientation is also reflected in the representation of movement and space. The books which were published first include more obviously descriptive passages, exemplifying the tradition of literary pictorialism. Whereas in Jansson s later work, the space develops into something that is alive which can have an enduring effect on the characters personalities and behaviour. This study shows how the idea of an image a dynamic image -- forms a holistic foundation for Jansson s imagination and work. The idea of central perspective, or frame, for instance, provided inspiration for whole stories or in the way that she developed her characters, as in the case of the Fillyjonk, who is a complex female figure, simultaneously frantic and prim. The idea of movement is central to the narrative art of picturebooks and illustrated texts, particularly in relation to the way that action is depicted. Jansson, however, also develops a specific choreography of characters in which poses and postures signify action, feelings and relationships. Here, I use two ideas from modern dance, contraction and release (Graham), to characterise the language of movement which is evident in Jansson s words and images. In Jansson s final Moomin novels and short stories, the idea of space becomes more and more dynamic and closely linked with characterisation. My study also examines a number of Jansson s early sketches for her Moomin novels, in which movement is performed much more dramatically than in those illustrations which appeared in the last novels to be published.

Visual completion in an illusory figure

The visual systems of humans and animals represent physical reality in a modified way, depending on the specific demands that the species in question has for survival. The ability to perceive visual illusions is found in independently evolved visual systems, from honeybees to humans. In humans, the ability emerges early, at the age of four months. Thus the perception of illusion is likely to reflect visual processes of fundamental importance for object perception in natural vision. The experiments reported in this thesis employed various modifications of the Kanizsa triangle, a drawn configuration composed of three black disks with missing sectors on a white background. The sectors appear to form the tips of a triangle. The visual system completes the physically empty area between the disks, generally called inducers, with giving the perception of an illusory triangle. The illusory triangle consists of an illusory surface bounded by illusory contours; the triangle appears brighter than and to lie above the background. If the sectors are coloured, the colour fills the illusory area, a phenomenon known as neon colour spreading . We investigated spatial limitations on the perception of Kanizsa-type illusions and how other stimuli and viewing parameters affected these limitations. We also studied complex configurations thick, bent, mobile and chromatic inducers - to determine whether illusions combining several attributes can be perceived. The results suggest that the visual system is highly effective in completing a percept. The perception of an illusory figure is spatially scale invariant when perceived at threshold. The processing time and the number of fixations modify the percept, making the perception of the illusion more probable in various viewing conditions. Furthermore, the fact that the illusion can be perceived when only one inducer is physically present at any given moment indicates the potential of single inducers. Apparently, modelling illusory figure perception will require a combination of low-level, local processes and higher-level integrative processes. Our studies with stimuli combining several attributes relevant to object perception demonstrate that the perception of an illusory figure is flexible and is maintained also when it contains colour and volume and when shown in movement. All in all, the results confirm the assumed importance of the visual processes related with the perception of illusory figures in everyday viewing. This is indicated by the variety of inducer modifications that can be made without destroying the percept. Furthermore, the illusion can acquire additional attributes from such modifications. Due to individual differences in the perception of illusory figures, universal values for absolute performance are not always meaningful, but stable trends and general relations do exist.

Visual search and eye movements: Studies of perceptual span

In visual search one tries to find the currently relevant item among other, irrelevant items. In the present study, visual search performance for complex objects (characters, faces, computer icons and words) was investigated, and the contribution of different stimulus properties, such as luminance contrast between characters and background, set size, stimulus size, colour contrast, spatial frequency, and stimulus layout were investigated. Subjects were required to search for a target object among distracter objects in two-dimensional stimulus arrays. The outcome measure was threshold search time, that is, the presentation duration of the stimulus array required by the subject to find the target with a certain probability. It reflects the time used for visual processing separated from the time used for decision making and manual reactions. The duration of stimulus presentation was controlled by an adaptive staircase method. The number and duration of eye fixations, saccade amplitude, and perceptual span, i.e., the number of items that can be processed during a single fixation, were measured. It was found that search performance was correlated with the number of fixations needed to find the target. Search time and the number of fixations increased with increasing stimulus set size. On the other hand, several complex objects could be processed during a single fixation, i.e., within the perceptual span. Search time and the number of fixations depended on object type as well as luminance contrast. The size of the perceptual span was smaller for more complex objects, and decreased with decreasing luminance contrast within object type, especially for very low contrasts. In addition, the size and shape of perceptual span explained the changes in search performance for different stimulus layouts in word search. Perceptual span was scale invariant for a 16-fold range of stimulus sizes, i.e., the number of items processed during a single fixation was independent of retinal stimulus size or viewing distance. It is suggested that saccadic visual search consists of both serial (eye movements) and parallel (processing within perceptual span) components, and that the size of the perceptual span may explain the effectiveness of saccadic search in different stimulus conditions. Further, low-level visual factors, such as the anatomical structure of the retina, peripheral stimulus visibility and resolution requirements for the identification of different object types are proposed to constrain the size of the perceptual span, and thus, limit visual search performance. Similar methods were used in a clinical study to characterise the visual search performance and eye movements of neurological patients with chronic solvent-induced encephalopathy (CSE). In addition, the data about the effects of different stimulus properties on visual search in normal subjects were presented as simple practical guidelines, so that the limits of human visual perception could be taken into account in the design of user interfaces.

Dynamics of contour, object and face processing in the human visual cortex

The neural basis of visual perception can be understood only when the sequence of cortical activity underlying successful recognition is known. The early steps in this processing chain, from retina to the primary visual cortex, are highly local, and the perception of more complex shapes requires integration of the local information. In Study I of this thesis, the progression from local to global visual analysis was assessed by recording cortical magnetoencephalographic (MEG) responses to arrays of elements that either did or did not form global contours. The results demonstrated two spatially and temporally distinct stages of processing: The first, emerging 70 ms after stimulus onset around the calcarine sulcus, was sensitive to local features only, whereas the second, starting at 130 ms across the occipital and posterior parietal cortices, reflected the global configuration. To explore the links between cortical activity and visual recognition, Studies II III presented subjects with recognition tasks of varying levels of difficulty. The occipito-temporal responses from 150 ms onwards were closely linked to recognition performance, in contrast to the 100-ms mid-occipital responses. The averaged responses increased gradually as a function of recognition performance, and further analysis (Study III) showed the single response strengths to be graded as well. Study IV addressed the attention dependence of the different processing stages: Occipito-temporal responses peaking around 150 ms depended on the content of the visual field (faces vs. houses), whereas the later and more sustained activity was strongly modulated by the observers attention. Hemodynamic responses paralleled the pattern of the more sustained electrophysiological responses. Study V assessed the temporal processing capacity of the human object recognition system. Above sufficient luminance, contrast and size of the object, the processing speed was not limited by such low-level factors. Taken together, these studies demonstrate several distinct stages in the cortical activation sequence underlying the object recognition chain, reflecting the level of feature integration, difficulty of recognition, and direction of attention.

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.