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.

Methodological and Empirical Advances in the Quantitative Analysis of Spontaneous Responses in Psychophysiological Time Series

The aim of the present study was to advance the methodology and use of time series analysis to quantify dynamic structures in psychophysiological processes and thereby to produce information on spontaneously coupled physiological responses and their behavioral and experiential correlates. Series of analyses using both simulated and empirical cardiac (IBI), electrodermal (EDA), and facial electromyographic (EMG) data indicated that, despite potential autocorrelated structures, smoothing increased the reliability of detecting response coupling from an interindividual distribution of intraindividual measures and that especially the measures of covariance produced accurate information on the extent of coupled responses. This methodology was applied to analyze spontaneously coupled IBI, EDA, and facial EMG responses and vagal activity in their relation to emotional experience and personality characteristics in a group of middle-aged men (n = 37) during the administration of the Rorschach testing protocol. The results revealed new characteristics in the relationship between phasic end-organ synchronization and vagal activity, on the one hand, and individual differences in emotional adjustment to novel situations on the other. Specifically, it appeared that the vagal system is intimately related to emotional and social responsivity. It was also found that the lack of spontaneously synchronized responses is related to decreased energetic arousal (e.g., depression, mood). These findings indicate that the present process analysis approach has many advantages for use in both experimental and applied research, and that it is a useful new paradigm in psychophysiological research. Keywords: Autonomic Nervous System; Emotion; Facial Electromyography; Individual Differences; Spontaneous Responses; Time Series Analysis; Vagal System

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.

ADHD-aikuisten psykologinen kuntoutus : Neljän uuden lyhytintervention tutkimus

ADHD (attention deficit hyperactivity disorder) is developmental neurobiological disability. In adults, the prevalence of ADHD has been estimated to be about 4 %. In addition to the difficulties of attention, the problems in executive functioning are typical. The psychiatric comorbidities are common. The most extensively studied treatments are pharmacological. There is also evidence about the usefulness of the cognitive-behavioural therapy (CBT) in the treatment of adults with ADHD. There are some preliminary results about the effectiveness of cognitive training and hypnosis in children, but there is no scientific proof in adults. This dissertation is based on two intervention studies. In the first study, the usefulness of the new group CBT (n = 29) and the maintenance of the symptom reduction in the follow-up of six months were studied. In the second study, the usefulness of short hypnotherapy (n = 9), short individual CBT (n = 10) and computerized cognitive training (n = 9) were examined by comparing groups with each other and to the control group (n = 10). The participation in the group CBT and the participants' satisfaction were good. There were no changes in self-reports during waiting period of three months. After the rehabilitation, the symptoms decreased. Participants having symptom reduction during rehabilitation maintained their benefit through 6-month follow-up period. In a combined ADHD symptom score based on self-reports, seven participants in the hypnotherapy, six in the CBT, two in the cognitive training and two controls improved. Using independent evaluations, improvement was found in six of the hypnotherapy, seven of the CBT, two of the cognitive training and three of the control participants. There was no treatment-related improvement in cognitive performance. Thus, in the hypnotherapy and CBT groups, some encouraging improvement was seen. In the cognitive training group, there was improvement in the trained tasks but no generalization of the improvement. The results support the earlier results from the usefulness of CBT in the treatment of adults with ADHD. Also the hypnotherapy seems a useful rehabilitation. More research is needed to evaluate the usefulness of cognitive training. These promising results warrant further studies with more participants and with longer treatment duration. Also different measures of cognitive functioning and quality of life are needed. It is important in addition to the medication to arrange psychosocial interventions for the ADHD adults.

Impulsivity, health-related behaviour and disease : A prospective study

In clinical settings impulsivity refers to a symptom of psychiatric disorder, but nonclinically oriented research treats impulsivity as a personality and temperament dimension. This prospective study examined whether impulsivity predicts adverse health-related behaviour and increased risk of health problems in a large, nonclinical sample of 5433 subjects working in 12 Finnish hospitals. The data were collected using two questionnaire surveys at a 2-year interval. After controlling for alcohol use at baseline, higher impulsivity predicted increased alcohol consumption at follow-up in both genders (p < .01) and was associated with increased likelihood of becoming a heavy drinker or taking up smoking (p < .05). Impulsivity also predicted an increased number of cigarettes smoked per day in the follow-up among women (p < .001), but not among men, although adjustment for the number of cigarettes smoked at baseline attenuated these associations (p = .08 for women). In men, higher impulsivity was associated with shorter sleep duration and waking up several times per night independent of baseline characteristics (p < .01), whereas in women, higher impulsivity predicted difficulty in falling asleep and waking up feeling tired after the usual amount of sleep (p < .05). In women, these associations became nonsignificant after adjustment for pre-existing somatic and psychiatric diseases. Finally, higher impulsivity was associated with an increased 2-year incidence of physician-diagnosed peptic ulcer disease (adjusted odds ratio (OR) = 2.42, 95% confidence interval (CI) = 1.21 - 4.82) and onset of depression (OR = 1.95, 95% CI = 1.28 - 2.97) after adjustment for a variety of baseline covariates. In conclusion, this study shows that in a nonclinical population, impulsivity appears to be a risk factor for various unhealthy behaviour and health problems.

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.