Nature of crossmodal plasticity in the blind brain and interplay with sight restoration

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain.

Localisation sonore chez les aveugles : l'influence de l'âge de survenue de la cécité

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.

Target Cell Topography and Cytoskeletal Reorganization in Natural Killer Cell Activity

The immune system has to recognize and destroy abnormal or infected cells to maintain homeostasis. Natural killer (NK) cells directly recognize and kill transformed or virus-infected cells without prior sensitization. We have studied both virus-infected and tumor cells in order to identify the target structures involved in triggering NK activity. Mouse/human cell hybrids containing various human chromosomes were used as targets. The human chromosome responsible for activating NK cell killing was identified to chromosome number 6. The results suggest that activated NK cells recognize ligands that are encoded on human chromosome 6. We showed that the ligand on the target cell side was intercellular adhesion molecule 2 (ICAM-2). There was no difference in the level of expression of ICAM-2, however, but a drastic difference was seen in the distribution of the molecule: ICAM-2 was evenly distributed on the surface of the NK-resistant cells, but almost totally redistributed to the tip of uropods, bud-like extensions, which were absent from the parental cells. Interestingly, the gene coding for cytoskeletal linker protein ezrin has been localized to human chromosome 6, and there was a colocalization of ezrin and ICAM-2 in the uropods. Furthermore, the transfected human ezrin into NK cell-resistant cells induced uropod formation, ICAM-2 and ezrin redistribution to newly formed uropods, and sensitized target cells to NK cell killing. These data reveal a novel form of NK cell recognition: target structures are already present on normal cells; they become detectable only after abnormal redistribution into hot spots on the target cell membrane. NK cells are central players in the defence against virus infections. They inhibit the spread of infection, allowing time for specific immune responses to develop. The virus-proteins that directly activate human NK cell killing are largely unknown. We studied the sensitivity of virus-specific early proteins of Semliki Forest virus (SFV) to NK killing. The viral non-structural proteins (nsP1-4) translated early in the virus cycle were transfected in NK-resistant cells. Viral early gene nsP1 alone efficiently sensitized target cells to NK activity, and the tight membrane association of nsP1 seems to be critical in the triggering of NK killing. NsP1 protein colocalized with (redistributed) ezrin in filopodia-like structures to which the NK cells were bound. The results suggest that also in viral infections NK cells react to rapid changes in membrane topography. Based on the results of this thesis, a new model of target cell recognition of NK cells can be suggested: reorganization of the cytoskeleton induces alterations in cell surface topography, and this new pattern of surface molecules is recognized as "altered-self".

Usefulness of in Situ Single Crystal to Single Crystal Transformation (SCSC) Studies in Understanding the Temperature-Dependent Dimensionality Cross-over and Structural Reorganization in Copper-Containing Metal-Organic Frameworks (MOFs)

Two copper-containing compounds [Cu(3)(mu(3)-OH)(2)-(H(2)O)(2){(SO(3))-C(6)H(3)-(COO)(2)}(CH(3)COO)] , I, and [Cu(5)(mu(3)-OH)(2)(H(2)O)(6){(NO(2))-C(6)H(3)-(COO)(2)}(4)]center dot 5H(2)O, II, were prepared using sulphoisophthalic and nitroisophthalic acids. The removal of the coordinated water molecules in the compounds was investigated using in situ single crystal to single crystal (SCSC) transformation studies, temperature-dependent powder X-ray diffraction (PXRD), and thermogravimetric analysis (TGA). The efficacy of SCSC transformation studies were established by the observation of dimensionality cross-over from a two-dimensional (I) to a three-dimensional structure, Cu(6)(mu(3)-OH)(4){(SO(3))-C(6)H(3)-(COO)(2)}(2)(CH(3)COO)(2), Ia, during the removal of the coordinated water molecules. Compound H exhibited a structural reorganization forming Cu(5)(mu(2)-OH)(2){(NO(2))C(6)H(3)-(COO)(2))(4)], Ha, possessing trimeric (Cu(3)O(12)) and dimeric (Cu(2)O(8)) copper clusters. The PXRD studies indicate that the three-dimensional structure (Ia) is transient and unstable, reverting back to the more stable two-dimensional structure (I) on cooling to room temperature. Compound Ha appears to be more stable at room temperature. The rehydration/dehydration studies using a modified TGA setup suggest complete rehydration of the water molecules, indicating that the water molecules in both compounds are labile. A possible model for the observed changes in the structures has been proposed. Magnetic studies indicate changes in the exchanges between the copper centers in Ha, whereas no such behavior was observed in Ia.

Row-buffer reorganization: simultaneously improving performance and reducing energy in DRAMs

In this paper, based on the temporal and spatial locality characteristics of memory accesses in multicores, we propose a re-organization of the existing single large row buffer in a DRAM bank into multiple smaller row-buffers. The proposed configuration helps improve the row hit rates and also brings down the energy required for row-activations. The major contribution of this work is proposing such a reorganization without requiring any significant changes to the existing widely accepted DRAM specifications. Our proposed reorganization improves performance by 35.8%, 14.5% and 21.6% in quad, eight and sixteen core workloads along with a 42%, 28% and 31% reduction in DRAM energy. Additionally, we introduce a Need Based Allocation scheme for buffer management that shows additional performance improvement.

A new microscopic insight into membrane penetration and reorganization by PETIM dendrimers

Dendrimers are highly branched polymeric nanoparticles whose structure and topology, largely, have determined their efficacy in a wide range of studies performed so far. An area of immense interest is their potential as drug and gene delivery vectors. Realizing this potential, depending on the nature of cell surface-dendrimer interactions, here we report controlled model membrane penetration and reorganization, using a model supported lipid bilayer and poly(ether imine) (PETIM) dendrimers of two generations. By systematically varying the areal density of the lipid bilayers, we provide a microscopic insight, through a combination of high resolution scattering, atomic force microscopy and atomistic molecular dynamics simulations, into the mechanism of PETIM dendrimer membrane penetration, pore formation and membrane re-organization induced by such interactions. Our work represents the first systematic observation of a regular barrel-like membrane spanning pore formation by dendrimers, tunable through lipid bilayer packing, without membrane disruption.

Algorithm for Autonomous Reorganization of Mobile Wireless Camera Sensor Networks to Improve Coverage

In this paper, sensing coverage by wireless camera-embedded sensor networks (WCSNs), a class of directional sensors is studied. The proposed work facilitates the autonomous tuning of orientation parameters and displacement of camera-sensor nodes in the bounded field of interest (FoI), where the network coverage in terms of every point in the FoI is important. The proposed work is first of its kind to study the problem of maximizing coverage of randomly deployed mobile WCSNs which exploits their mobility. We propose an algorithm uncovered region exploration algorithm (UREA-CS) that can be executed in centralized and distributed modes. Further, the work is extended for two special scenarios: 1) to suit autonomous combing operations after initial random WCSN deployments and 2) to improve the network coverage with occlusions in the FoI. The extensive simulation results show that the performance of UREA-CS is consistent, robust, and versatile to achieve maximum coverage, both in centralized and distributed modes. The centralized and distributed modes are further analyzed with respect to the computational and communicational overheads.

Crossmodal effects of Guqin and piano music on selective attention: An event-related potential study

To compare the effects of music from different cultural environments (Guqin: Chinese music; piano: Western music) on crossmodal selective attention, behavioral and event-related potential (ERP) data in a standard two-stimulus visual oddball task were reco

Crossmodal effects of Guqin and piano music on selective attention: An event-related potential study (vol 466, pg 21, 2009)

Special thanks to Christopher Blair and Mumtaz Baig for their suggestions. This work was supported by National Basic Research Program of China (973 Program, 2007CB411600), National Natural Science Foundation of China (30621092), and Bureau of Science and Technology of Yunnan Province.