Opisana jest metoda, w której 3-4 miesięczne niemowlęta uczą się zadania poprzez odkrywanie, a ruchy ich nóg są rejestrowane w celu ilościowego określenia procesu uczenia się.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Kwantyfikacja uczenia się u małych niemowląt: śledzenie działań nóg podczas zadania uczenia się przez odkrywanie
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Działania związane z konkretnym zadaniem wyłaniają się ze spontanicznego ruchu w okresie niemowlęcym. Zaproponowano, aby działania specyficzne dla zadania pojawiały się w procesie odkrywania i uczenia się. Tutaj opisano metodę, w której niemowlęta w wieku 3-4 miesięcy uczą się zadania poprzez odkrywanie, a ruchy ich nóg są rejestrowane w celu ilościowego określenia procesu uczenia się. To zadanie polegające na odkrywaniu i uczeniu się wykorzystuje aktywowany przez niemowlę telefon komórkowy, który obraca się i odtwarza muzykę w oparciu o określoną akcję nóg niemowląt. Niemowlęta leżące na plecach aktywują karuzelę, przesuwając stopy pionowo po wirtualnym progu. Wyjątkowość tego paradygmatu polega na tym, że gdy niemowlęta samodzielnie odkrywają, że ich ruchy nóg aktywują komórkę, ruchy nóg niemowląt są śledzone za pomocą systemu przechwytywania ruchu, co pozwala na ilościowe określenie procesu uczenia się. W szczególności uczenie się jest określane ilościowo pod względem czasu trwania aktywacji mobilnej, wariancji położenia efektorów końcowych (stóp), które aktywują mobilność, zmian we wzorcach koordynacji biodro-kolano oraz zmian momentu obrotowego mięśni bioder i kolan. Informacje te opisują eksplorację i eksploatację niemowląt na styku ograniczeń osobistych i środowiskowych, które wspierają działania specyficzne dla danego zadania. Późniejsze badania z wykorzystaniem tej metody mogą zbadać, w jaki sposób specyficzne upośledzenia różnych populacji niemowląt zagrożonych zaburzeniami ruchowymi wpływają na proces odkrywania-uczenia się dla działania specyficznego dla zadania.
Wprowadzenie
Działania specyficzne dla zadania wyłaniają się z ruchów spontanicznych w okresie niemowlęcym. Przypuszcza się, że działania specyficzne dla zadania powstają w procesie uczenia się przez odkrywanie1,2. Zadania są odkrywane przez niemowlęta podczas spontanicznego poruszania się i eksplorowania działań, które wywołują nowe efekty w środowisku. Działania specyficzne dla zadania wyłaniają się, gdy niemowlęta wykorzystują powiązania między swoimi ruchami a ich wpływem na otaczający je świat. Jednak niewiele wiadomo o precyzyjnych procesach eksploracji i wykorzystania, dzięki którym niemowlęta uczą się modyfikować swoje ruchy spontaniczne w celu wykonywania działań specyficznych dla zadania. W niniejszym materiale opisano metodę, w której niemowlęta w wieku 3-4 miesięcy uczą się zadania poprzez odkrywanie, a ich ruchy nóg są rejestrowane w celu ilościowego określenia procesu uczenia się.
Rysunek 1: Zadanie z mobilką aktywowaną kopnięciami niemowlęcia. Centralna dioda emitująca światło (LED) przymocowana do sztywnego elementu każdej stopy (żółte koło) aktywuje mobilkę w momencie przekroczenia wirtualnego progu (czerwona przerywana linia). Przedruk za zgodą Sargent et al.3
To zadanie oparte na uczeniu się przez odkrywanie wykorzystuje mobil aktywowany przez niemowlę, który obraca się i odtwarza muzykę w zależności od określonego ruchu nóg dziecka3. Niemowlęta ułożone na plecach pod mobilem aktywują go poprzez pionowy ruch stopami przekraczający wirtualny próg (Rycina 1). Paradygmat ten jest wyjątkowy pod tym względem, że gdy niemowlęta samodzielnie odkrywają, iż ruchy ich nóg aktywują mobil, ruchy te są śledzone za pomocą systemu motion capture, co pozwala na ilościowe określenie procesu uczenia się.
Protokół eksperymentalny obejmuje dwa dni zbierania danych. Dzień 1 składa się z 2 min warunku bazowego, w którym niemowlę kopie spontanicznie, ale ruchy jego nóg nie mogą aktywować grzechotki, a następnie z 6 min warunku nabywania, w którym ruchy nóg niemowlęcia aktywują grzechotkę, jeśli niemowlę porusza stopami w pionie, przekraczając wirtualny próg. Protokół ten pozwala na kwantyfikację spontanicznych ruchów nóg niemowląt, a także na kwantyfikację różnych aspektów tych ruchów w trakcie badania przez niemowlęta relacji między ruchami ich nóg a aktywacją grzechotki. W Dniu 2, oprócz 2 min warunku bazowego i 6 min warunku nabywania, dodawany jest 2 min warunek wygaszania, w którym ruchy nóg niemowlęcia nie aktywują grzechotki. Pozwala to na kwantyfikację sposobu, w jaki niemowlęta zmieniają ruchy swoich nóg, gdy wcześniej wyuczona odpowiedź środowiskowa zostaje przerwana.
W poprzednich paradygmatach z wykorzystaniem zawieszek dla niemowląt, ruchy zawieszki wzmacniały częstotliwość ruchów nóg4-6, specyficzne kąty zgięcia w stawach biodrowych i kolanowych7,8 lub kopanie w panel9. Wynik każdego dnia definiowano jako wzrost liczby tych czynności nóg w warunkach nabywania lub wygaszania w porównaniu z warunkiem bazowym4-9. Uczenie się w kolejnych dniach definiowano jako wzrost liczby tych czynności nóg w warunku bazowym lub nabywania w dniach 2 lub 3 w stosunku do warunku bazowego w dniu 15,6. Poprzednie paradygmaty z użyciem zawieszek dowodzą, że niemowlęta zwiększają częstotliwość ruchów nóg, które są wzmacniane aktywacją zawieszki, jednak nie dostarczają one informacji o opcjach ruchowych dostępnych dla niemowląt podczas uczenia się zadania. Na przykład, jeśli wzmacniana jest częstotliwość kopania, niemowlęta wykazują wyniki i uczenie się, gdy częstotliwość kopania wzrasta zarówno podczas interakcji z zawieszką, jak i gdy zawieszka przestaje być aktywowana. Dowodzi to, że niemowlęta potrafią precyzyjniej kontrolować tempo kopania, jednak nie wiadomo, czy potrafią one udoskonalić wzorzec koordynacji nóg lub generowanie momentu obrotowego, aby wykonywać ruchy nóg, które nie mieszczą się w ich preferowanym repertuarze ruchowym.
Ten paradygmat z urządzeniem mobilnym jest unikalny pod tym względem, że niemowlęta muszą wykazać bardziej precyzyjne działanie nóg w celu aktywacji urządzenia niż w poprzednich paradygmatach tego typu. W tym paradygmacie wysokość każdej stopy nad stołem jest obliczana podczas 2 min warunku bazowego przy użyciu danych o pozycji z diody emitującej światło (LED) przymocowanej do każdej stopy. Następnie wyznacza się wirtualny próg równolegle do stołu na wysokości mieszczącej się w górnym zakresie wysokości obu stóp podczas warunku bazowego. Podczas fazy nabywania, urządzenie mobilne obraca się i odtwarza muzykę, jeśli którakolwiek ze stóp przekroczy próg. Po 3 sec urządzenie zatrzymuje się i aktywuje ponownie tylko wtedy, gdy niemowlę opuści stopę poniżej progu, a następnie ponownie przesunie ją pionowo i przekroczy próg. Aby aktywować urządzenie mobilne na najdłuższy czas, niemowlęta muszą unieść stopę powyżej progu i utrzymać ją przeciwnie do siły grawitacji przez 3 sec, następnie szybko opuścić stopę poniżej progu i ponownie unieść ją powyżej progu oraz utrzymać w tej pozycji przez 3 sec, itp. Wymaga to bardziej precyzyjnego działania nóg niż zwykłe zwiększenie częstotliwości kopania.
Rycina 2: Niefiltrowane dane dotyczące pozycji efektorów końcowych (stóp) reprezentatywnego niemowlęcia. Niefiltrowane dane dotyczące pozycji z 2. dnia u 3-miesięcznego niemowlęcia, u którego wykazano uczenie się na podstawie indywidualnych kryteriów uczenia się. Czerwona linia przedstawia dane pozycji współrzędnej z diody emitującej światło (LED) umieszczonej na prawej stopie. Niebieska linia przedstawia dane pozycji z diody LED na lewej stopie. Gruba czarna linia oznacza stół. Linia przerywana to wirtualny próg umieszczony 14 cm nad stołem, wyznaczony indywidualnie dla każdego niemowlęcia na podstawie wysokości kopania podczas warunku bazowego w 1. dniu. Oś X to czas oznaczony w odstępach 2 min. Zauważ, jak niemowlę porusza stopami podczas fazy bazowej, gdy grzechotka nie aktywuje się, oraz podczas pierwszych 30 s pierwszej fazy nabywania (acquisition 1), a następnie konsekwentnie utrzymuje obie stopy nad stołem i porusza nimi w bezpośrednim sąsiedztwie progu przez kolejne 5½ min, aż do momentu, gdy grzechotka przestaje się aktywować podczas warunku wygaszania.
Drugą unikalną cechą tego paradygmatu z mobilą jest to, że ruchy nóg każdego niemowlęcia są śledzone przy użyciu najnowocześniejszych technik motion capture, aby określić ilościowo, w jaki sposób niemowlęta wykorzystują dostępne im opcje ruchowe do nauki zadania. Niefiltrowane dane pozycyjne diody LED na każdej stopie, która aktywuje mobilę u jednego reprezentatywnego niemowlęcia, przedstawiono na Rysunku 2. Zauważmy, że niemowlę porusza stopami na różnych wysokościach nad stołem podczas fazy bazowej i w pierwszej części nabytego uczenia się, ale następnie porusza obiema stopami tuż wokół progu aktywacji przez resztę warunku nabytego uczenia się, aż do momentu, gdy mobilą przestaje być aktywowana podczas wygaszania. Jest to jedna z wielu potencjalnych strategii ruchowych służących do wykonania zadania uczenia się przez odkrywanie. Strategie te można określić ilościowo poprzez obliczenie kinematyki i kinetyki trójwymiarowej przy użyciu danych pozycyjnych pozyskanych z systemu motion capture. W szczególności proces uczenia się jest kwantyfikowany pod kątem procentu wzmocnionych ruchów nóg (%RLA), który odpowiada czasowi aktywacji mobilą, wariancji pozycji efektorów końcowych (stóp) aktywujących mobilę, wzorców koordynacji biodra i kolana oraz momentów obrotowych w stawach biodrowych i kolanowych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Instytucjonalna Komisja Przeglądowa (IRB) na Uniwersytecie Południowej Kalifornii zatwierdziła niniejsze badanie.
1. Przygotowanie systemu
- Skonfiguruj system przechwytywania ruchu. Uwaga: kroki te różnią się w zależności od systemu przechwytywania ruchu.
- Wyrównaj układy współrzędnych dwóch czujników przechwytywania ruchu do układu jednego czujnika, klikając „Perform New Registration” w programie do przechwytywania ruchu, wprowadzając czas zbierania danych wynoszący 30 sec, klikając „Register” i przesuwając obiekt rejestracyjny w obszarze przechwytywania przez 30 sec. Po pomyślnym zakończeniu rejestracji na ekranie komputera pojawi się wartość błędu rejestracji średnio kwadratowej (RMS).
- Wyrównaj globalny układ współrzędnych do stołu testowego za pomocą obiektu rejestracyjnego, klikając „Perform New Alignment” w programie do przechwytywania ruchu.
- Zdefiniuj początek układu, kładąc obiekt rejestracyjny w prawym górnym rogu stołu testowego i klikając „Digitize” w programie do przechwytywania ruchu. Zdefiniuj oś Z, kładąc obiekt rejestracyjny na pudełku i klikając „Digitize”; oś Z jest prostopadła do stołu.
- Zdefiniuj płaszczyznę Z/Y+, przesuwając obiekt rejestracyjny na pudełku wzdłuż długości stołu i klikając „Digitize”; oś Y jest równoległa do długości stołu, a oś X jest równoległa do szerokości stołu.
- Podłącz diody LED do dwóch portów stroboskopowych i wprowadź liczbę diod LED na port stroboskopowy w programie systemu przechwytywania ruchu (24 dla portu stroboskopowego 1 i 20 dla portu stroboskopowego 2). Liczbę i rozmieszczenie poszczególnych diod LED przedstawiono na Rysunku 3. Wybierz widok danych brakujących, aby uzyskać wyświetlanie śledzonych w czasie rzeczywistym diod LED w formie wykresu pasmowego.
Rysunek 3. Rozmieszczenie diod LED. Stroboskop 1 składa się z ciał sztywnych (4 diody LED na każdym ciele sztywnym) dla prawego i lewego uda, podudzia oraz stopy. Stroboskop 2 składa się z ciał sztywnych dla prawej i lewej miednicy, markerów mostka oraz pojedynczych diod LED.
- Skonfiguruj komputerowy program sterujący zabawką mobilną dla niemowląt.
- Wprowadź liczbę minut dla każdego warunku. Dla Dnia 1 wprowadź 2 dla fazy 1 (2 min baseline, warunek braku wzmocnienia), 6 dla fazy 2 (6 min nabywania, warunek wzmocnienia) i 0 dla fazy 3 (0 min wygaszania, warunek braku wzmocnienia).
- Dla Dnia 2 wprowadź 2 dla fazy 1 (baseline), 6 dla fazy 2 (nabywanie), 2 dla fazy 3 (wygaszanie) i zaznacz „Use Zmin as Default”, aby próg obliczony podczas baseline w Dniu 1 był progiem używanym dla warunku nabywania w Dniu 2.
- Wybierz „StreamframesAllFrames” i kliknij „Send”, aby umożliwić programowi sterującemu wykorzystanie danych z systemu przechwytywania ruchu do aktywacji zabawki mobilnej na podstawie określonych kryteriów.
- Skonfiguruj kamery wideo.
- Uruchom program komputerowy do wideo dla trzech zsynchronizowanych nagrań (widok boczny prawy, widok boczny lewy, widok z góry).
- Uruchom dodatkową kamerę wideo nad głową niemowlęcia, aby zarejestrować mimikę twarzy i kierunek spojrzenia.
2. Przygotowanie niemowlęcia
- Opisz przebieg eksperymentu rodzicom i poinformuj ich, aby w jak najmniejszym stopniu wchodzili w interakcje z niemowlęciem.
UWAGA: Poinformuj rodziców, że jeśli niemowlę nie stanie się niespokojne w trakcie eksperymentu, powinni oni usiąść obok dziecka, poza jego polem widzenia; jednakże, jeśli niemowlę stanie się niespokojne, należy zastosować następującą progresję interakcji z dzieckiem:- Po pierwsze, poproś rodzica, aby uspokajającym tonem powiedział: „Wszystko jest w porządku, jestem tutaj”.
- Po drugie, poproś rodzica, aby stanął w zasięgu wzroku niemowlęcia, jednocześnie je uspokajając.
- Po trzecie, poproś rodzica, aby potrzymał jedną z dłoni niemowlęcia lub podał mu smoczek.
UWAGA: Należy zapewnić minimalną ilość interakcji z rodzicem niezbędną do utrzymania spokoju i czujności niemowlęcia, a następnie zakończyć ją tak szybko, jak to możliwe.
- Rozbierz niemowlę, umieść je pod mobilką i przymocuj do stołu za pomocą pasów rzepowych założonych na tułów.
- Po przymocowaniu niemowlęcia do stołu, umieść na ciele dziecka markery mostka oraz ciała sztywne na miednicy, udach, podudziach i stopach.
3. Zadanie uczenia się mobilnego u niemowląt
- Każdego dnia rozpoczynaj zadanie uczenia się z użyciem zabawki mobilnej poprzez jednoczesne uruchomienie systemu przechwytywania ruchu, programu komputerowego zabawki oraz kamer wideo.
- Obiego dnia od 0 do 2 min, w warunkach bazowych, obserwuj spontaniczne kopnięcia niemowlęcia.
- Pierwszego dnia, podczas 2 min warunków bazowych, obserwuj, jak program zabawki mobilnej na bieżąco oblicza próg aktywacji zabawki na podstawie danych z osi z jednego z diod LED na sztywnym korpusie każdej stopy. Na przykład marker 9 na prawej stopie i marker 21 na lewej stopie. Marker 9 to środkowa dioda LED na sztywnym korpusie prawej stopy, zaznaczona żółtym okręgiem na Rysunku 1. Marker 21 to środkowa dioda LED na sztywnym korpusie lewej stopy.
- Po zakończeniu 2 min warunków bazowych program zabawki ustali próg na wysokości jednego odchylenia standardowego (SD) powyżej średniej wysokości obu stóp podczas 2 min warunków bazowych.
- Obiego dnia od 2 do 8 min, w warunkach akwizycji, obserwuj, jak zabawka mobilna obraca się i odtwarza muzykę, gdy dioda LED umieszczona na dowolnej stopie przekroczy próg obliczony podczas 2 min warunków bazowych w dniu 1.
UWAGA: Aktywacja zabawki będzie trwać tak długo, jak stopa pozostaje powyżej wirtualnego progu, maksymalnie przez 3 sec. Po 3 sec zabawka zostanie ponownie aktywowana tylko wtedy, gdy niemowlę opuści stopę poniżej wirtualnego progu, a następnie ponownie przesunie ją pionowo w górę i przekroczy próg. Ta „zasada 3 sec” ma na celu zachęcenie do aktywnych ruchów eksploracyjnych nogami, zamiast utrzymywania stóp powyżej progu. - Drugiego dnia od 8 do 10 min, w warunkach wygaszania, obserwuj spontaniczne kopnięcia niemowlęcia bez wzmocnienia w postaci zabawki mobilnej.
- Po interakcji niemowlęcia z zabawką mobilną wykonaj statyczną próbę kalibracyjną, aby zdefiniować lokalny układ współrzędnych dla każdego segmentu nogi oraz zdefiniować konfigurację referencyjną dla każdego segmentu ciała w przestrzeni.
- Przymocuj obustronnie dziesięć pojedynczych diod LED do skóry niemowlęcia za pomocą dwustronnych kołnierzy EKG w następujących lokalizacjach: boczna linia środkowa tułowia poniżej dziesiątego żebra, krętarz większy kości udowej, boczna linia stawu kolanowego, boczna kostka stawu skokowego oraz dystalny koniec 5th kości śródstopia.
- Utrzymuj kończynę dolną niemowlęcia w wyproście, w pozycji anatomicznej, przez 5 sec. Wszystkie kąty w stawach w tej pozycji kalibracyjnej są definiowane jako 0°.
- Drugiego dnia zbierz dane antropometryczne.
- Zważ każde niemowlę na cyfrowej wadze elektrycznej.
- Wykonaj następujące pomiary: całkowita długość niemowlęcia; obwód w połowie segmentu uda, podudzia i stopy; szerokość kolana (na linii stawu kolanowego), kostki (na wysokości kostek) i stopy (na wysokości główek kości śródstopia); oraz długość uda (od krętarza większego do linii stawu kolanowego), podudzia (od linii stawu kolanowego do bocznej kostki) i stopy (od przyśrodkowej kostki do pierwszego stawu śródstopno-paliczkowego).
4. Analiza danych
- Przeanalizuj wyniki i proces uczenia się poprzez obliczenie %RLA w każdym 2 min odstępie czasu podczas eksperymentu, wykorzystując program w specjalistycznym języku obliczeniowym, takim jak Matlab. Oblicz czas trwania, w którym jedna lub obie diody LED na każdej stopie aktywującej mobile znajdowały się powyżej progu. Ponieważ mobile nie aktywuje się po odstępie 3 s, odejmij czas trwania, w którym jedna lub obie diody LED znajdowały się powyżej progu przez okres dłuższy niż 3 s.
- Zmierz wyniki grupy każdego dnia, analizując statystycznie, czy %RLA podczas któregokolwiek z trzech 2 min odstępów nabywania znacząco przekracza 2 min odstęp bazowy3,4,7,9,10.
- Zaklasyfikuj poszczególne niemowlęta jako wykonujące zadanie danego dnia, jeśli %RLA podczas któregokolwiek 2 min odstępu nabywania jest równy lub większy niż 1,5 raza %RLA w 2 min odstępie bazowym3,4,6,9,10.
- Zmierz uczenie się grupy w kolejnych dniach, ustalając statystycznie, czy %RLA podczas całej 6 min kondycji nabywania w dniu 2 przekracza %RLA podczas kondycji bazowej w dniu 13,6.
- Zaklasyfikuj poszczególne niemowlęta jako uczące się (Learners), jeśli %RLA podczas całej 6 min kondycji nabywania w dniu 2 jest równy lub większy niż 1,5 raza kondycji bazowej w dniu 13,6,11.
- Przeanalizuj pobudzenie i uwagę poprzez kodowanie nagrań wideo w każdym 2 min odstępie czasu eksperymentu. Skalę pobudzenia zdefiniowano następująco: senność = 1, czujność i brak aktywności = 2, czujność i aktywność = 3, niespokojność = 4 oraz płacz = 53,8,11. Skalę uwagi zdefiniowano jako: 0 = brak patrzenia na mobile, 1 = patrzenie na mobile3,8.
- Przetwórz dane pozycyjne i wyodrębnij kopnięcia za pomocą specjalistycznych programów Matlab.
- Wczytaj pliki z danymi pozycyjnymi z systemu przechwytywania ruchu do specjalistycznego programu Matlab w celu interpolacji brakujących danych pozycyjnych (maksymalnie 20 kolejnych klatek) przy użyciu splajnu sześciennego.
- Wczytaj interpolowane pliki do specjalistycznego programu Matlab, aby (a) przefiltrować dane pozycyjne za pomocą filtru Butterwortha czwartego rzędu z częstotliwością odcięcia 5 Hz, ustaloną na podstawie analizy widma mocy, oraz (b) obliczyć następujące kąty w stawach: zgięcie/wyprost w stawie biodrowym, odwodzenie/przywodzenie w stawie biodrowym, rotacja zewnętrzna/wewnętrzna w stawie biodrowym, zgięcie/wyprost w stawie kolanowym, inwersja/ewersja w stawie skokowym, zgięcie grzbietowe/podeszwowe w stawie skokowym, zgodnie z opisem w 12.
- Wczytaj pliki z kątami do specjalistycznego programu Matlab w celu wyodrębnienia kopnięć. Zdefiniuj początek kopnięcia jako moment rozpoczęcia ciągłego ruchu nogi, w którym zmiana kąta w stawie biodrowym lub kolanowym przekroczyła 11,5° (0,2 radiana) w kierunku zgięcia lub wyprostu3,9,13-15. Zdefiniuj koniec kopnięcia jako klatkę maksymalnego wyprostu po ruchu zgięcia lub maksymalnego zgięcia po ruchu wyprostu3,9,14.
- Dla wszystkich kopnięć oblicz parametry kinematyczne za pomocą specjalistycznych programów Matlab.
- Oblicz wariancję pozycji w kierunku z (pionowy, kierunek specyficzny dla zadania) diody LED na każdej stopie, która aktywowała mobile3.
- Oblicz korelacje stawowe zgięcia/wyprostu w stawie biodrowym i zgięcia/wyprostu w stawie kolanowym, używając współczynników korelacji Pearsona (r) przy zerowym opóźnieniu między wychyleniami kątowymi stawu biodrowego i kolanowego. Aby porównać korelacje (r) między niemowlętami, przekształć korelacje kątowe stawów biodrowo-kolanowych w wyniki Fishera Z3,9,15.
- Znormalizuj czasowo dane kątowe stawów, a następnie oblicz ciągłą fazę względną (CRP) zgięcia/wyprostu w stawie biodrowym i zgięcia/wyprostu w stawie kolanowym z danych pozycji/prędkości kątowej16,17. Przeanalizuj wyniki obliczeń CRP w następujących pięciu punktach czasowych: (a) początek kopnięcia, (b) maksymalna prędkość pierwszego segmentu, (c) zmiana kierunku ruchu w stawie, (d) maksymalna prędkość drugiego segmentu oraz (e) koniec kopnięcia3.
- Dla wszystkich kopnięć zidentyfikuj kopnięcia bezkontaktowe poprzez analizę synchronicznych danych wideo. Oblicz parametry kinetyczne dla kopnięć bezkontaktowych za pomocą specjalistycznych programów Matlab.
- Oblicz masę segmentową i środek masy na podstawie równań zmodyfikowanych dla niemowląt z modelu antropometrycznego Hatze dla dorosłych18. Oblicz trójwymiarowe momenty bezwładności segmentów uda, podudzia i stopy z równań zmodyfikowanych dla niemowląt z modelu antropometrycznego Jensena dla dorosłych19.
- Oblicz składniki poniższego równania ruchu, stosując teorię śruby w manipulacjach przestrzennych20.
zostało wyprowadzone metodą Lagrange'a, gdzie M(θ) to macierz bezwładności,
macierz momentów sił Coriolisa i odśrodkowych, N(θ) momenty grawitacyjne (GRA), a T momenty mięśniowe (MUS). - Oblicz momenty w stawach, wykorzystując trójwymiarowe dane kinematyczne z kopnięć bezkontaktowych, parametry bezwładności segmentów ciała oraz biomechaniczne równanie ruchu.
- Podziel moment wypadkowy (NET) w każdym stawie na składowe momentu zależnego od ruchu (MDT), momentu grawitacyjnego (GRA) oraz momentu mięśniowego (MUS)21. Moment NET jest wprost proporcjonalny do przyspieszeń w każdym stawie. Moment MDT jest związany z momentami pasywnymi wynikającymi z oddziaływań mechanicznych między ruchomymi, połączonymi segmentami kończyny. Moment GRA jest związany z pasywną siłą grawitacji działającą w dół na kończynę. Moment MUS obejmuje siły wynikające z aktywnych skurczów mięśni oraz pasywnych odkształceń mięśni, ścięgien, więzadeł i innych tkanek okołostawowych.
- Dla stawu biodrowego i kolanowego osobno oblicz impuls momentu siły jako wartość wkładu każdej podzielonej składowej momentu (MUS, GRA, MDT) do momentu NET. Oblicz dodatni lub ujemny impuls momentu siły (moment * czas) w odstępach, w których moment MUS w stawie kolanowym działał w tym samym lub przeciwnym kierunku w stosunku do momentu NET w stawie kolanowym. Wykonaj to samo obliczenie dla momentów GRA i MDT w stawie kolanowym oraz momentów MUS, GRA i MDT w stawie biodrowym. Dla stawu biodrowego i kolanowego osobno zsumuj wszystkie impulsy dodatnie i ujemne dla każdej składowej momentu, aby uzyskać miarę wartości wkładu każdego podzielonego impulsu momentu (MUS, GRA, MDT) do impulsu momentu NET.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Proces uczenia się u niemowląt można ilościowo określić za pomocą %RLA, wariancji pozycji końcowych efektorów (stóp), współczynników korelacji kąta biodrowo-kolanowego oraz momentów obrotowych w stawach biodrowych i kolanowych. Każdy poziom analizy dostarcza unikalnych informacji na temat tego, w jaki sposób niemowlęta badają relację między ruchami ich nóg a aktywacją zabawki mobilnej w trakcie procesu odkrywania i uczenia się.
Do analizy statystycznej współczynników korelacji %RLA oraz kąta w...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Projektowanie zadań związanych z odkrywaniem i uczeniem się dla małych niemowląt
Zadania związane z odkrywaniem i uczeniem się małych niemowląt muszą być starannie zaprojektowane, aby zapewnić, że niemowlęta samodzielnie odkrywają ewentualność. W kilku paradygmatach ruchomych na początku stanu nabycia niemowlętom albo pokazuje się, że komórka aktywuje się przez nieprzypadkową aktywację mobilnej7,22 , albo noga każdego niemowlęcia jest biernie poruszana przez badacza, aby wprowadzić ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie stwierdzono konfliktu interesów.
Podziękowania
To badanie było wspierane przez Promocję Studiów Doktoranckich (PODS) I i II nagrody od Fundacji Fizjoterapii oraz stypendium Adopt-A-Doc od Sekcji Edukacji Amerykańskiego Towarzystwa Fizjoterapii dla Barbary Sargent.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Czujnik położenia Optotrak Certus, dalekiego ogniskowania, z podstawką | Northern Digital Inc | 8800852 | |
| Optotrak Data Acquisition Unit II (ODAU II) | Northern Digital Inc | 8800767 | |
| Optotrak Vinten Stand, Certus z adapterem Quick Fix | Northern Digital Inc | 8800855.002 | |
| Certus S-Type, konfiguracja standardowa | Northern Digital Inc | 8800761 | |
| Para znaczników (7 mm), złącze RJII c/w i o długości 8 stóp | AC Northern Digital Inc | 8001029.001 | |
| , klasa medyczna, Ameryka Północna | Northern Digital Inc | 7500010 | |
| Sześcienny zestaw emitera referencyjnego - Certus | Northern Digital Inc | 8800768 | |
| 3 kamery Pylon IEEE 1394 | Basler | A6021c | |
| Vixia HG10 | Canon | 2183B001 | |
| Dyski samoprzylepne | MVAP Materiały medyczne | E401-500 | |
| Odwracalna podpórka pod głowę | Eddie Bauer | 52556 | |
| Pasek z miękkim paskiem | Sammons Preston | A34960 | |
| miernik zdrowia | w skali pediatrycznej | model 524KL |
Bibliografia
- Gibson, E. J., Pick, A. D. An Ecological Approach to Perception, Learning and Development. , Oxford University Press. New York, NY. (2000).
- Thelen, E., Smith, L. B. A Dynamic Systems Approach to the Development of Cognition and Action. , MIT Press. Cambridge, MA. (1994).
- Sargent, B., Schweighofer, N., Kubo, M., Fetters, L. Infant exploratory learning: influence on leg joint coordination. PLoS One. 9 (3), e91500(2014).
- Rovee-Collier, C. K., Gekoski, M. J. The economics of infancy: A review of conjugate reinforcement. Adv Child Dev Behav. Reese, H. W., Lipsitt, L. P. 13, Academic. 195-255 (1979).
- Heathcock, J. C., Bhat, A. N., Lobo, M. A., Galloway, J. C. The performance of infants born preterm and full-term in the mobile paradigm: learning and memory. Phys. Ther. 84 (9), 808-821 (2004).
- Haley, D. W., Weinberg, J., Grunau, R. E. Cortisol, contingency learning, and memory in preterm and full-term infants. Psychoneuroendocrinology. 31 (1), 108-117 (2006).
- Angulo-Kinzler, R., Ulrich, B. D., Thelen, E. Three-month-old infants can select specific leg motor solutions. Motor Control. 6 (1), 52-68 (2002).
- Tiernan, C. W., Angulo-Barroso, R. M. Constrained motor-perceptual task in infancy: effects of sensory modality. J. Mot. Behav. 40 (2), 133-142 (2008).
- Chen, Y., Fetters, L., Holt, K., Saltzman, E. Making the mobile move: constraining task and environment. Infant Behav. Dev. 25 (2), 195-220 (2002).
- Ohr, P. S., Fagen, J. W. Conditioning and long-term memory in three-month-old infants with Down syndrome. Am. J. Ment. Retard. 96 (2), 151-162 (1991).
- Thelen, E., Hidden Ulrich, B. D. skills: A dynamical system analysis of treadmill stepping in the first year. Monogr Soc Res Child Dev. 56 (1), 1-98 (1991).
- Soderkvist, I., Wedin, P. Determining the movements of the skeleton using well-configured markers. J. Biomech. 26 (12), 1473-1477 (1993).
- Schneider, K., Zernicke, R. F., Ulrich, B. D., Jensen, J. L., Thelen, E. Understanding movement control in infants through the analysis of limb intersegmental dynamics. J. Mot. Behav. 22 (4), 493-520 (1990).
- Jensen, J. L., Schneider, K., Ulrich, B. D., Zernicke, R. F., Thelen, E. Adaptive dynamics of the leg movement patterns of human infants: I. the effects of posture on spontaneous kicking. J. Mot. Behav. 26 (4), 303-312 (1994).
- Fetters, L., Sapir, I., Chen, Y. P., Kubo, M., Tronick, E. Spontaneous kicking in full-term and preterm infants with and without white matter disorder. Dev. Psychobiol. 52 (6), 524-536 (2010).
- Emmerick, R., Wagenaar, R. Effects of walking velocity on relative phase dynamics in the trunk in human walking. J. Biomech. 29 (9), 1175-1184 (1996).
- Kelso, J. A., Scholz, J. P., Schoner, G. Nonequilibrium phase transitions in coordinated biological motion: critical fluctuations. Physics Letters A. 134 (6), 8-12 (1986).
- Schneider, K., Zernicke, R. F. Mass, center of mass, and moment of inertia estimates for infant limb segments. J. Biomech. 25 (2), 145-148 (1992).
- Sun, H., Jensen, R. Body segment growth during infancy. J. Biomech. 27 (3), 265-275 (1994).
- Murray, R. M., Li, Z., Sastry, S. S. A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation. , CRC Press. Boca Raton, FL. (1994).
- Galloway, J. C., Koshland, G. F. General coordination of shoulder, elbow and wrist dynamics during multijoint arm movements. Exp. Brain Res. 142 (2), 163-180 (2002).
- Angulo-Kinzler, R. Exploration and selection of intralimb coordination patterns in 3-month old infants. J. Mot. Behav. 33, 363-376 (2001).
- Fetters, L., Chen, Y. P., Jonsdottir, J., Tronick, E. Z. Kicking coordination captures differences between full-term and premature infants with white matter disorder. Hum. Mov. Sci. 22, 729-748 (2004).
- Jeng, S., Chen, L., Yau, K. Kinematic analysis of kicking movements in preterm infants with very low birth weight and full-term infants. Phys. Ther. 82, 148-159 (2002).
- Jensen, J. L., Thelen, E., Ulrich, B. D., Schneider, K., Zernicke, R. F. Adaptive dynamics of the leg movement patterns of human infants: III. age-related differences in limb control. J. Mot. Behav. 27, 366-374 (1995).
- Piek, J. P. A quantitative analysis of spontaneous kicking in two-month-old infants. Hum. Mov. Sci. 15, 707-726 (1996).
- Thelen, E. Developmental origins of motor coordination: Leg movements in human infants. Dev. Psychobiol. 18, 1-22 (1985).
- Vaal, J., van Soest, A. J., Hopkins, B., Sie, L. T. L., van der Knaap, M. S. Development of spontaneous leg movements in infants with and without periventricular leukomalacia. Exp. Brain Res. 135, 94-105 (2000).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
