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.

Processing of Stimulus Repetition and Change in the Somatosensory System: Recordings of Electrical and Magnetic Brain Responses

In the present work, effects of stimulus repetition and change in a continuous stimulus stream on the processing of somatosensory information in the human brain were studied. Human scalp-recorded somatosensory event-related potentials (ERPs) and magnetoencephalographic (MEG) responses rapidly diminished with stimulus repetition when mechanical or electric stimuli were applied to fingers. On the contrary, when the ERPs and multi-unit a ctivity (MUA) were directly recorded from the primary (SI) and secondary (SII) somatosensory cortices in a monkey, there was no marked decrement in the somatosensory responses as a function of stimulus repetition. These results suggest that this rate effect is not due to the response diminution in the SI and SII cortices. Obviously the responses to the first stimulus after a long "silent" period are nhanced due to unspecific initial orientation, originating in more broadly distributed and/or deeper neural structures, perhaps in the prefrontal cortices. With fast repetition rates not only the late unspecific but also some early specific somatosensory ERPs were diminished in amplitude. The fast decrease of the ERPs as a function of stimulus repetition is mainly due to the disappearance of the orientation effect and with faster repetition rates additively due to stimulus specific refractoriness. A sudden infrequent change in the continuous stimulus stream also enhanced somatosensory MEG responses to electric stimuli applied to different fingers. These responses were quite similar to those elicited by the deviant stimuli alone when the frequent standard stimuli were omitted. This enhancement was obviously due to the release from refractoriness because the neural structures generating the responses to the infrequent deviants had more time to recover from the refractoriness than the respective structures for the standards. Infrequent deviant mechanical stimuli among frequent standard stimuli also enhanced somatosensory ERPs and, in addition, they elicited a new negative wave which did not occur in the deviants-alone condition. This extra negativity could be recorded to deviations in the stimulation site and in the frequency of the vibratory stimuli. This response is probably a somatosensory analogue of the auditory mismatch negativity (MMN) which has been suggested to reflect a neural mismatch process between the sensory input and the sensory memory trace.

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.

Integrated semantic processing of complex pictures and spoken sentences - Evidence from event-related potentials

It has been suggested that semantic information processing is modularized according to the input form (e.g., visual, verbal, non-verbal sound). A great deal of research has concentrated on detecting a separate verbal module. Also, it has traditionally been assumed in linguistics that the meaning of a single clause is computed before integration to a wider context. Recent research has called these views into question. The present study explored whether it is reasonable to assume separate verbal and nonverbal semantic systems in the light of the evidence from event-related potentials (ERPs). The study also provided information on whether the context influences processing of a single clause before the local meaning is computed. The focus was on an ERP called N400. Its amplitude is assumed to reflect the effort required to integrate an item to the preceding context. For instance, if a word is anomalous in its context, it will elicit a larger N400. N400 has been observed in experiments using both verbal and nonverbal stimuli. Contents of a single sentence were not hypothesized to influence the N400 amplitude. Only the combined contents of the sentence and the picture were hypothesized to influence the N400. The subjects (n = 17) viewed pictures on a computer screen while hearing sentences through headphones. Their task was to judge the congruency of the picture and the sentence. There were four conditions: 1) the picture and the sentence were congruent and sensible, 2) the sentence and the picture were congruent, but the sentence ended anomalously, 3) the picture and the sentence were incongruent but sensible, 4) the picture and the sentence were incongruent and anomalous. Stimuli from the four conditions were presented in a semi-randomized sequence. Their electroencephalography was simultaneously recorded. ERPs were computed for the four conditions. The amplitude of the N400 effect was largest in the incongruent sentence-picture -pairs. The anomalously ending sentences did not elicit a larger N400 than the sensible sentences. The results suggest that there is no separate verbal semantic system, and that the meaning of a single clause is not processed independent of the context.

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.

Calculation of Sparking Potentials of SF6 and SF6-GAS Mixtures in Uniform and Non-Uniform Electric Fields

A simple formula is developed to predict the sparking potentials of SF6 and SF6-gas mixture in uniform and non-uniform fields. The formula has been shown to be valid over a very wide range from 1 to 1800 kPa·cm of pressure and electrode gap separation for mixtures containing 5 to 100% SF6. The calculated values are found to be in good agreement with the previously reported measurements in the literature. The formula should aid design engineers in estimating electrode-spacings and clearances in power apparatus and systems.

Sparking potentials and swarm coefficients in Freon and mixtures of Freon and air

The sparking potentials and swarm coefficients ( ionization and attachment coefficients) were measured in Freon and Freon-air mixtures over the range of 24·3 times 10-16≤ E/ N ≤ 303 times 10-16 V cm2. Addition of Freon increased the sparking potential, and the rate of increase of the attachment coefficient with increasing percentage of Froon in the mixture was much larger than the rate of change of the first ionization coefficient.

Townsend's First Ionization Coefficients and Sparking Potentials in Crossed Electric and Magnetic Fields

Townsend's first ionization coefficients have been measured in corssed electric and magnetic fields for values of B/p ranging from 0.013 TESLA. TORR-1 to 0.064 TESLA.TORR-1 and for 103 x 102¿ E/p 331 x 102 V.M-1. TORR-1 in oxygen and for 122 x 102¿ E/pÂ488 x 102 V.M-1.TORR-1 for dry air. The values of effective collision frequencies determined from the equivalent pressure (pe) concept generally increase with E/p at constant B/p and decrease with increasing B/p at constant E/p. Effective collision frequencies determined from measured sparking potentials at high values of E/p increase with decreasing E/pe. The drift velocity and mean energy of electrons in oxygen in crossed electric and magnetic fields have been derived.

Intermolecular potentials in the dimer, the excimers, and the dimer ions of ethylene

Calculations are reported on the interaction energies in the dimer, the excimers, and the dimer ions of ethylene. The various a- and u-electron terms for different conformations of the dimeric species are determined by using the exchange perturbation method. The results predict that the singlet excimer and the dimer cation are stable primarily because of the large magnitude of the exciton-resonance and charge-resonance terms, respectively, while the neutral dimer, the triplet excimer, and the dimer anion are weakly stable. The variations of the various energy terms with conformations suggest that these dimeric species cannot have identifical structure.