Abstract
Taak-specifieke acties komen uit spontane beweging tijdens de kinderschoenen. Er is voorgesteld dat taakspecifieke acties ontstaan door een discovery-leerproces. Hier wordt een methode beschreven waarbij 3-4 maanden oude baby leren een taak van ontdekking en hun been bewegingen worden vastgelegd om het leerproces te kwantificeren. Deze ontdekking-leertaak maakt gebruik van een kind geactiveerde mobiele dat draait en speelt muziek gebaseerd op gespecificeerde been actie van zuigelingen. Supine zuigelingen activeer de mobiele door het verplaatsen van hun voeten verticaal over een virtuele drempel. Dit paradigma is uniek in dat als baby zelfstandig ontdekken dat hun been acties activeren van de mobiele, beenbewegingen de zuigelingen 'worden gevolgd met behulp van een motion capture systeem dat voor de kwantificering van het leerproces. Specifiek wordt learning gekwantificeerd in termen van de duur van de mobiele activering, de positie variantie van de eindeffectoren (voet) dat het mobiele activeren, veranderingen in hip-knee coördinatie patronen, en veranderingen in de heup en knie spieren koppel. Deze informatie beschrijft zuigeling exploratie en exploitatie in het samenspel van mens en milieu-eisen die taak-specifieke actie te ondersteunen. Latere onderzoek met behulp van deze methode kunnen onderzoeken hoe specifieke beperkingen van de verschillende populaties van kinderen die risico lopen op bewegingsstoornissen beïnvloeden de ontdekking-leerproces voor task-specifieke actie.
Introduction
Taak-specifieke acties komen uit spontane bewegingen tijdens de kinderschoenen. Er is voorgesteld dat taakspecifieke acties ontstaan door een discovery-leerproces 1,2. Taken worden ontdekt door baby's als ze spontaan bewegen en acties die nieuwe effecten op het milieu te onderzoeken. Taak-specifieke acties naar voren als zuigelingen te exploiteren de verbindingen tussen hun acties en hun effecten op de wereld om hen heen. Er is echter weinig bekend over de precieze processen die zuigelingen te verkennen en te benutten om te leren om hun spontane bewegingen wijzigen om taak-specifieke acties uit te voeren. Hier wordt een methode beschreven waarbij 3-4 maanden oude baby leren een taak van ontdekking en hun been bewegingen worden vastgelegd om het leerproces te kwantificeren.
Figuur 1: Infant schoppen-geactiveerde mobiele taak. et al. 3
Deze ontdekking-leertaak maakt gebruik van een kind geactiveerde mobiele dat draait en speelt muziek op basis van de opgegeven been actie van zuigelingen 3. Zuigelingen liggende onder de mobiele geplaatst activeren door het verplaatsen van hun voeten verticaal over een virtueel niveau (figuur 1). Dit paradigma is uniek in dat als baby zelfstandig ontdekken dat hun been acties activeren van de mobiele, beenbewegingen de zuigelingen 'worden gevolgd met behulp van een motion capture systeem dat voor de kwantificering van het leerproces.
Het experimentele protocol bevat twee dagen van het verzamelen van gegevens. Dag 1 bestaat uit een 2 min basislijn aandoening waarbij een kind schopt spontaan, maar zijn been actieskan de zuigeling mobiel, gevolgd door 6 min overname aandoening waarbij been optreden van de zuigeling activeert het kind mobiele indien het kind beweegt zijn voeten verticaal virtuele drempel niet geactiveerd. Dit protocol maakt de kwantificering van spontane been acties zuigelingen en de kwantificering van de verschillende aspecten van de bewegingen zuigelingen staand het verband tussen hun benen handelen en activering van het kind mobile. Op dag 2, behalve de 2 min referentietoestand en 6 min verwerving toestand wordt een 2 min extinctie toestand toegevoegd waarbij been optreden van het kind niet het kind mobiele activeren. Dit maakt de kwantificering hoe zuigelingen veranderen hun been maatregelen wanneer een reeds geleerd milieu reactie wordt beëindigd.
In vorige zuigeling mobiele paradigma's, de frequentie van het been beweging 4-6, specifieke heup en knie hoeken 7,8, of schoppen van een panel 9 zijn reinforc geweested met mobiele beweging. Prestaties elke dag werd gedefinieerd als een toename van deze been acties tijdens de verwerving of uitsterven toestand in vergelijking met de referentietoestand 4-9. Leren over dagen werd gedefinieerd als een toename van deze been acties tijdens de basislijn of overname toestand van dagen 2 of 3 en de basislijn conditie van dag 1 5,6. Deze vorige mobiele paradigma aantonen dat zuigelingen verhoging van de frequentie van het been acties die zijn versterkt met mobiele activering, echter, ze niet informatie over het verkeer opties zuigelingen tot hun beschikking bij het leren van de taak geven. Als bijvoorbeeld schoppen rate is versterkt, zuigelingen demonstreren prestaties en leren wanneer hun schoppen toeneemt hetzij bij de interactie met de mobiele of wanneer het mobiele niet langer geactiveerd. Dit toont aan dat baby's hun schoppen tarief kunnen verfijnen, maar het is onbekend of zuigelingen hun benen coördinatie patroon of torque productie kunnen verfijnen om generate leg acties die niet binnen hun voorkeur beweging repertoire.
Deze mobiele paradigma is uniek doordat kinderen moeten verfijnder beenactie het toestel aanzet dan voorgaande mobiele paradigma aantonen. In deze mobiele paradigma, wordt de hoogte van elke voet boven de tabel berekend tijdens de 2 min referentietoestand middels positiegegevens uit een licht emitterende diode (LED) die aan elke voet. Een virtuele drempel wordt vervolgens parallel aan de tafel op een hoogte die binnen het bovenste bereik van de hoogte van beide voeten in de referentietoestand. Tijdens de overname, de mobiele draait en speelt muziek als een van beide voet kruist de drempel. Na 3 sec, de mobiele stopt en reactiveert alleen als het kind beweegt de voet onder de drempel, en dan beweegt de voet verticaal en weer kruist de drempel. Om de mobiel voor de grootste hoeveelheid tijd activeren moet zuigelingen om een voet te verplaatsen boven de drempel en handhaven tegen gravteit voor 3 sec, dan snel naar de voet onder de drempel en weer bewegen boven de drempel en houd het daar voor 3 sec, enz. Dit vereist meer verfijnde been actie dan alleen het verhogen van schoppen tarief.
Figuur 2: Unfiltered positiegegevens eindeffectoren (voet) van een representatieve baby Unfiltered positiegegevens van dag 2 van de 3 maanden oude baby die onderwijs op basis van het individueel leren criteria gedemonstreerd.. De rode lijn is positiegegevens van de z-coördinaat van de lichtemitterende diode (LED) geplaatst op de rechtervoet. De blauwe lijn is de positie van de gegevens van de LED op de linkervoet. Dikke zwarte lijn is de tafel. Stippellijn is de virtuele drempel geplaatst 14 cm boven de tabel afzonderlijk bepaald voor elke zuigeling basis van de hoogte van de schoppen tijdens basislijntoestand van de Dag 1. X-as is de tijd gelabeld door 2 min intervallen. Merk op hoe het kind beweegt zijn voeten tijdens de uitgangswaarde wanneer de mobiele niet activeren en gedurende de eerste 30 seconden van de overname 1, dan houdt hij consequent beide voeten van de tafel en beweegt zijn voeten direct om de drempel voor de komende 5½ min tot het mobiele niet langer wordt geactiveerd tijdens het uitsterven conditie.
De tweede unieke eigenschap van deze mobiele paradigma is dat been actie elke zuigeling wordt gevolgd met behulp van state-of-the-art motion capture technieken te kwantificeren hoe kinderen gebruik maken van hun beweging opties om de taak te leren. Ongefilterde positiegegevens van de led op de steunen die de mobiele tussen gemachtigden zuigeling geactiveerd is in figuur 2. Merk op hoe het kind beweegt zijn voeten op verschillende hoogten boven de tafel tijdens basislijn en het eerste deel van de overname, maar beweegt vervolgens beide benen rechts rond de drempel gedurende de rest van de overname Conditie tot de mobiele niet meer geactiveerd tijdens uitsterven. Dit is één van vele mogelijke bewegingstrategieën de ontdekking-learning taak. De strategieën kunnen worden gekwantificeerd door het berekenen van driedimensionale kinematica en kinetiek met positiegegevens verkregen van de motion capture systeem. Specifiek wordt het leerproces gekwantificeerd in termen van het percentage van versterkte beenactie (% RLA), die gelijk is aan de duur van de mobiele activatie positie variantie van de eindeffectoren (voet) waarbij de mobiele, heup knie coördinatiepatronen activeren is en heup en kniegewricht koppels.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
De Institutional Review Board van de University of Southern California goedgekeurd deze studie.
1. Systeem Voorbereiding
- Stel de motion capture systeem. Let op: deze stappen zijn verschillend voor elke motion capture systeem.
- Lijn de coördinatensystemen van de twee motion capture sensoren aan die van een sensor door te klikken op "Perform Nieuw Registratie" in de motion capture-programma, het invoeren van een verzameling van 30 sec, klikken op "Registreer", en het verplaatsen van de registratie object binnen het volume capture gedurende 30 sec. Wanneer de registratie is voltooid, acht een kwadratisch gemiddelde (RMS) registratie fout op het computerscherm.
- Lijn de globale assenstelsel aan het testen tafel met behulp van de registratie object door te klikken op "Perform New Alignment" in het motion capture-programma.
- Definieer de oorsprong door het plaatsen van de registratie object op de rechterbovenhoek van het testen tafel en te klikken op "digitaliseren" in het motion capture-programma. Definieer de Z-as door het plaatsen van het registratie voorwerpen op een doos en klikken "digitaliseren"; de Z-as staat loodrecht op de tafel.
- Definieer de Z / Y + plane de registratie voorwerp dat op de doos over de lengte van de tafel en klikken "digitaliseren"; de Y-as parallel aan de lengte van de tafel en de X-as evenwijdig aan de breedte van de tafel.
- Steek de LED's in de twee strobe-poorten en voer het aantal LED's per strobe haven binnen de motion capture systeem programma (24 voor strobe poort 1 en 20 voor strobe poort 2). Zie Figuur 3 voor het aantal en de locatie van elke LED. Selecteer ontbrekende gegevens te verstrekken van een strip chart-achtige weergave van de LED's wordt bijgehouden in real time.
- Stel het kind mobiele computerprogramma.
- Voer het aantal minuten voor elke conditie. Voor Dag 1, ingang 2 voor fase 1 (2 min uitgangswaarde, non-versterking conditie), 6 voor fase 2 (6 min overname, versterking voorwaarde), en 0 voor fase 3 (0 min uitsterven, non-versterking voorwaarde).
- Voor Dag 2, ingang 2 voor fase 1 (baseline), 6 voor fase 2 (overname), 2 voor fase 3 (uitsterven), en vink "Gebruik Zmin als Default", zodat de drempel berekend tijdens de basislijn van Day1 de drempel zal zijn gebruikt voor de aankoop toestand van Dag 2.
- Kies "StreamframesAllFrames" en klik op "Verzenden" om de vrijgavemobiele programma om gegevens te gebruiken uit de motion capture systeem om het kind mobiele basis van opgegeven criteria te activeren.
- Stel de video-camera's.
- Start de video computerprogramma voor de drie gesynchroniseerde video's (rechter laterale, linker laterale, overhead uitzicht).
- Start de extra video-camera boven het hoofd van de baby om gezichtsuitdrukkingen en ogen blik op te nemen.
2. Infant Voorbereiding
- Beschrijven het experiment ouders en hen zo min mogelijk interactie met hun baby.
Opmerking: Vertel de ouders dat indien het kind gedurende het experiment niet kieskeurig ofwel worden moet het ouders bij het kind zitten buiten hun mening, echter, als het kind wordt kieskeurig er een progressie van interactie met het kind.- Ten eerste, vraag de ouders om te zeggen, "Alles is oke, ik ben hier," in een geruststellende toon.
- Ten tweede, vraagde ouder in het oog van het kind staan terwijl geruststellend het kind.
- Ten derde, vraag de ouders om ofwel houden één van de handen van de baby of geef het kind een fopspeen.
LET OP: De minste hoeveelheid ouder interactie nodig is om het kind rustig en alert te houden wordt gegeven en wordt zo snel mogelijk beëindigd.
- Uitkleden het kind, plaatst het kind onder het kind mobiele, en zet de zuigeling aan de tafel met behulp van een klittenband geplaatst over de kofferbak.
- Nadat het kind is bevestigd aan de tafel, plaatst het borstbeen markers en bekken, dij, schacht en voet starre lichamen op de zuigeling.
3. Infant Mobile Learning Task
- Elke dag, inleiding van de mobiele leertaak door synchroon starten van de motion capture-systeem, mobiele computer programma, en videocamera's.
- Op beide dagen van min 0 tot 2, de referentietoestand, observeren het kind spontaan schoppen.
- Op dag 1 tijdens de 2 min referentietoestand observeren terwijl het kind mobiele programma berekent doorlopend de drempel voor mobiele activering op basis van de z-data van een van de LED's op het stijve lichaam van elke voet. Voorbeeld, marker 9 op de rechter voet en markering 21 op de linker voet. Marker 9 is het centrum LED op de juiste voet star lichaam omcirkeld in geel in figuur 1. Marker 21 is het centrum LED op de linkervoet stijve lichaam.
- Aan het einde van de 2 min referentie om de mobiele programma de drempel op een hoogte van één standaardafwijking (SD) boven de gemiddelde hoogte van beide voeten ingesteld tijdens de 2 min referentietoestand.
- Op beide dagen van min 2 tot 8, de overname staat, observeren als het kind mobiele draait en speelt muziek wanneer de LED geplaatst op beide voeten kruist de drempel berekend tijdens de 2 min referentietoestand van dag 1.
OPMERKING: Mobile activatie blijft zolang de voet boven de drempel virtuele maximaal 3 sec. Na 3 sec, de mogal zal alleen activeren als het kind beweegt de voet onder de virtuele drempel, en dan beweegt de voet verticaal en weer kruist de drempel. Deze "3 sec regel" stimuleert actieve etappe verkennende bewegingen versus houden de voeten boven de drempel. - Op dag 2 van min 8-10, het uitsterven staat, observeren als het kind schopt spontaan zonder mobiele versterking.
- Nadat het kind in wisselwerking met de mobiele, het verzamelen van een statische kalibratie proef om een lokaal assenstelsel voor elk been segment definiëren en definiëren een referentie-configuratie voor elke instantie segment in de ruimte.
- Fix tien individuele LEDs bilateraal aan de huid van het kind met dubbelzijdig EKG kragen op de volgende locaties: laterale middellijn van de romp onder de tiende rib, trochanter major van de heup, laterale kniegewricht lijn, enkel laterale malleolus, en distale einde van de 5 e middenvoetsbeentje.
- Houd het kind onderste extremiteit inEen uitgebreide, anatomische positie 5 sec. Alle gezamenlijke hoeken in deze kalibratie positie worden gedefinieerd als 0 °.
- Op dag 2, verzamelen antropometrische gegevens.
- Weeg elke zuigeling op een digitale elektrische schaal.
- Neem de volgende afmetingen: totale lengte van het kind; omtrek zijn op de mid-segment van de dij, de schenkel, en de voet; breedte van de knie (bij het kniegewricht lijn), enkel (bij de malleoli), en de voet (aan de middenvoet koppen); en de lengte van het dijbeen (trochanter major tot kniegewricht lijn), de schenkel (kniegewricht lijn naar laterale malleolus), en de voet (mediale malleolus eerst metatarsofalangeale gewricht).
4. Data Analysis
- Analyseer de prestaties en het leren door het berekenen van het% RLA tijdens elke 2 minuten interval van het experiment met een aangepaste computer taal programma zoals Matlab. Bereken de tijdsduur een of beide van de LED's op elke voet die geactiveerde mobiele was dan de drempelwaarde. Sindsde mobiele werkt niet na een interval van 3 seconden, trek de tijdsduur waarin een of beide LED waren boven de drempel groter dan 3 seconden interval.
- Prestaties van de groep te meten elke dag statistische analyse of een% RLA tijdens één van de drie, 2 min acquisitie intervallen de 2 min basislijn interval 3,4,7,9,10 aanzienlijk overschrijdt.
- Categoriseren individuele zuigelingen als zijnde taak elke dag uitgevoerd als het% RLA gedurende één 2 min verkrijging interval gelijk is aan of groter dan 1,5 maal het% RLA in de 2 min basislijn interval 3,4,6,9,10.
- Meet het leren van de groep over dagen door te bepalen statistisch of het% RLA gedurende de gehele 6 min overname voorwaarde Dag 2 groter is dan het% RLA tijdens de referentietoestand Dag 1 3,6.
- Categoriseren individuele zuigelingen als leerlingen als het% RLA gedurende de gehele 6 min overname conditie van Dag 2 is gelijk aan of GREater dan 1,5 maal de basislijn conditie van Dag 1 3,6,11.
- Analyseer opwinding en aandacht van coderen videobanden gedurende elk 2 min interval van het experiment. De opwinding schaal is gedefinieerd als: slaperig = 1, alert en actief = 2, alert en actief = 3, pietluttig = 4, en huilen = 5 3,8,11. De aandacht schaal gedefinieerd als: 0 = niet naar de mobiele, 1 = kijkend naar de mobiele 3,8.
- Proces positiegegevens en extract kicks met behulp van aangepaste Matlab programma's.
- Load positie gegevensbestanden uitgevoerd vanaf de motion capture-systeem in een aangepaste Matlab programma om ontbrekende positie data (maximaal 20 opeenvolgende frames) met behulp van een kubieke spline interpoleren.
- Laad de geïnterpoleerde bestanden in een aangepaste Matlab programma om (a) filter positie gegevens met behulp van een vierde-orde Butterworth met een cut-off frequentie van 5 Hz, zoals bepaald uit de macht spectrum analyse, en (b) te berekenen de volgende gezamenlijke hoeken: heupflexie / uitbreiding, heupabductie/ Adductie, heup externe / interne rotatie, knieflexie / extensie, enkel inversie / eversie, enkel dorsaalflexie / plantairflexie zoals beschreven in 12.
- Laad de hoek bestanden in een aangepaste Matlab programma om kicks te halen. Definieer het begin van een trap, omdat het ontstaan van een continue beenbeweging waarbij de heup- of kniegewricht hoekverandering boven 11,5 ° (0,2 radialen) in ofwel flexie en extensie 3,9,13-15. Definieer het einde van de trap, omdat het frame van de piek extensie na een buiging beweging of piek buigen na een uitbreiding beweging 3,9,14.
- Voor alle kicks, berekenen kinematische parameters met behulp van aangepaste Matlab programma's.
- Bereken positie variantie in de z-richting (verticale, taakspecifieke richting) van de LED op de steunen die de mobiele 3 geactiveerd.
- Berekenen heupflexie / uitbreiding en kniebuiging / extensie joint correlaties met behulp van Pearson correlatiecoëfficiënten (r) bij nul lagtussen heup en knie gezamenlijke hoek excursies. Te vergelijken correlaties (r) bij zuigelingen, zetten hip-kniegewricht hoek correlaties Fisher Z scores 3,9,15.
- Time-normaliseren van de gezamenlijke hoek data, dan berekenen heupflexie / extensie en knie flexie / extensie continue relatieve fase (CRP) van de hoekpositie / velocity data 16,17. Analyseren van de resultaten van de CRP berekening op de volgende vijf tijdstippen: (a) begin kick, (b) pieksnelheid van het eerste segment (c) joint omkering, (d) pieksnelheid van het tweede segment, en (e ) einde van de kick 3.
- Voor alle kicks, welke niet-contact kicks door het bekijken van de synchrone videogegevens. Berekenen kinetische parameters voor non-contact kicks met behulp van aangepaste Matlab programma's.
- Bereken de segmentale massa en centrum-van-massa van vergelijkingen aangepast voor baby's vanaf antropometrische model Hatze voor volwassenen 18. Bereken de 3D-momenten van traagheid vande dij, de schenkel, en de voet segmenten van vergelijkingen aangepast voor baby's vanaf antropometrische model Jensen's voor volwassenen 19.
- Bereken de termen in de volgende vergelijking van de beweging met de schroef theorie van ruimtelijke manipulaties 20.
wordt afgeleid met behulp van de Lagrange aanpak, waarbij M (θ) is de traagheid matrix,
de Coriolis en centrifugaal koppel matrix, N (θ) de zwaartekracht (GRA) koppels en T de spier (MUS) koppels. - Berekenen gezamenlijke koppels met behulp van de 3D-kinematische gegevens van de non-contact kicks, body-segment inertie parameters, en de biomechanische bewegingsvergelijking.
- Verdeel het net (NET) koppel bij elke verbinding in beweging-afhankelijke (MDT), GRA, en MUS koppel bijdragen 21. Nettokoppel is recht evenredig met de versnellingen voor elke verbinding.MDT torque is gerelateerd aan de passieve koppels gekoppeld aan mechanische interacties tussen de bewegende verbonden segmenten van de ledemaat. GRA torque is gerelateerd aan de passieve zwaartekracht neerwaarts werkt op de ledemaat. MUS torque omvat krachten van actieve spiercontracties en passieve vervormingen van spieren, pezen, ligamenten, periarticulaire en andere weefsels.
- Voor de heup en knie afzonderlijk berekenen koppel impuls als de omvang van de bijdrage van elke gepartitioneerd koppel (MUS, GRA, MDT) naar NET koppel. Bereken de positieve of negatieve impuls koppel (koppel * tijd) gedurende intervallen waarin de knie MUS draaimoment gehandeld in dezelfde of tegengestelde richting met de knie nettokoppel. Voer deze zelfde berekening met knie GRA en MDT koppels en hip MUS, GRA, en MDT koppels. Voor de heup en knie afzonderlijk som van al positieve en negatieve impulsen per koppel component een maat voor de omvang van de bijdrage van elk verdeeld torque impuls opleverene (MUS, GRA, MDT) naar NET koppel impuls.
de Coriolis en centrifugaal koppel matrix, N (θ) de zwaartekracht (GRA) koppels en T de spier (MUS) koppels. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het leerproces van jonge baby's kan worden gekwantificeerd in termen van het% RLA, positie variantie van de eindeffectoren (voet), hip-kniehoek correlatiecoëfficiënten en heup en knie gezamenlijke momenten. Elk niveau van de analyse geeft unieke informatie over hoe kinderen verkennen van de relatie tussen hun benen acties en activering van het kind mobiele tijdens de discovery-leerproces.
Voor de statistische analyse van% RLA en hip-kniehoek correlatiecoëfficiënten, gemengd regressie modellen met een autoregressief covariantie structuur en de groep (leerlingen, Non-leerlingen) als tussen-subject factor werden gebruikt om de verschillen van elke afhankelijke variabele testen (% RLA, hip-knie correlatiecoëfficiënt) onder de basislijn, acquisitie en extinctie omstandigheden in dagen. Voor de statistische analyse van de heup en knie spieren koppel impuls binnen de Learner groep, werden gemengd regressie modellen met een autoregressief covariantiestructuur gebruikt voorelke afhankelijke variabele (heup spier koppel impuls, knie spier koppel impuls) onder de basislijn, acquisitie en extinctie omstandigheden in dagen. Statistische analyses werden uitgevoerd met behulp van SAS (versie 7.0, SAS Institute Inc.) met alfa-niveau vastgesteld op 0,05 voor de totale F waarden en aangepast met behulp van een Bonferroni correctie voor vooraf geplande vergelijkingen post hoc.
Percentage Versterkte Been Actie
Percentage van gewapend been actie wordt beoordeeld om te bepalen of kinderen hebben uitgevoerd en leerde de taak 3. Om typische verschillen in% RLA tussen 3-4 maanden oude baby die leren en niet de taak niet leren verbeelden, werden 20 kinderen gescheiden in Learners (n = 8) en niet-leerlingen (n = 12) op basis van een individueel leren criterium. De leerlingen, maar niet niet-leerlingen, aanzienlijk toegenomen% RLA tussen de Dag 2 overname staat en de Dag 1 referentietoestand (p <0,001, figuur 4). De grafiek van de resultatenin stappen van 2 min geeft informatie over het tijdsverloop van het leerproces. Let op de eerste daling van de Learner's% RLA tijdens de eerste 2 min van de Dag 1 overname conditie. Zuigelingen die de taak geleerd gedaald hun algemene actie wanneer het kind mobiele begon te activeren, misschien eerst als een oriënterende reactie, dan misschien als een strategie om te bepalen of hun acties werden geassocieerd met mobiele activering.
Positie Variantie van de eindeffectoren
De positie variantie van de eindeffectoren (voet) geeft informatie over de door zuigelingen om de taak te volbrengen strategie. Het geeft ook inzicht in wat "geleerd" door het kind. Leerlingen demonstreren een van de twee strategieën om deze ontdekking-learning taak te volbrengen. Bij interactie met het toestel als de drempel hoog, meer dan 50% van de beenlengte van het kind boven de tabel (14-20 cm), leerlingen (n = 2) verlagen van de variantievoeten in de verticale, taakspecifieke richting door het bewegen dicht bij het niveau (Figuur 5). Ze lijken de locatie van de drempel hebben geleerd. Als de drempel laag, minder dan 50% van de beenlengte van het kind boven de tabel (5-8 cm), leerlingen (n = 6) toename variantie van hun voeten in de verticale richting door het bewegen hun voeten steeds hogere (figuur 6) . Ze lijken te hebben geleerd te schoppen hoog. Men zou verwachten dat bij extra dagen, leerlingen met een lage drempel de minimumhoogte noodzakelijke leren de mobiel en hun positie variantie in verticale richting zou afnemen activeren.
Hip-kniehoek correlatiecoëfficiënten
Om verschillen in hip-knie coördinatie patronen verbeelden, werden 20 kinderen gescheiden in Learners (n = 8; 5055 kicks geanalyseerd) en niet-leerlingen (n = 12; 8240 kicks geanalyseerd) op basis van een individueel leren criterium. De leerlingen, maar nietNon-leerlingen, aanzienlijk gedaald hun hip-kniehoek correlatiecoëfficiënt tussen de Dag 2 overname staat en de Dag 1 referentietoestand (p <0,001, figuur 7). Deze coördinatie wijziging werd gevonden in de relatieve fase resultaten (tabel 1). Leerlingen gedemonstreerd minder in-fase heup-knie coördinatie bij de interactie met de mobiele, misschien omdat deze coördinatie patroon voorzien van een meer efficiënte manier om de mobiele te activeren. Wanneer de hoogte is, kan de meest efficiënte manier om de mobiele activeren buigen en strekken de heup behoud gestrekte knie. Wanneer de hoogte is hoog, de meest efficiënte manier om het toestel aanzet kan zijn om de heup handhaven gebogen en buigen en strekken van de knie. Ofwel strategie leidt tot meer out-of-phase heup knie coördinatie (heup buigt terwijl knie verlengt) dan een kind kenmerkend schoppen patroon bijna synchroon flexie en extensie van de heup en knie.
Heup en knie MUS koppel impuls van de leerlingen. (N = 8; 917 kicks) is een grafiek in figuur 8 Leerlingen aanzienlijk toegenomen bijdrage hip MUS koppel impuls hip NET koppel impuls tussen de Dag 2 uitsterven voorwaarden en alle andere voorwaarden (p <0,001 ). Cursisten ook verhoogd knie MUS koppel impuls bijdrage aan NET knie koppel impuls tussen de Dag 2 uitsterven voorwaarden en alle andere voorwaarden, behalve Dag 1 basislijn (p <0,001). De verwachting was dat er een daling van de heup en knie MUS koppel impuls tussen de Dag 2 overname staat en de Dag 1 referentietoestand omdat het werd de hypothese dat leerlingen werden met behulp van de minder in-fase heup-knie coördinatie patroon omdat het meer zou zijn efficiënter dan een in-fase coördinatie patroon. Deze verandering in MUS koppel impuls kan niet zijn aangetoond, omdat een te berekenenccurate koppels, alleen trappen die geen contact maken met het oppervlak of het andere been kan worden gebruikt. Alleen 917 kicks voldaan aan dit criterium, ten opzichte van de 5055 kicks gebruikt om de daling van de heup-knie correlatiecoëfficiënten documenteren tijdens de Dag 2 overname conditie. Daarom is de afname van het aantal trappen geanalyseerd hoe noodzakelijk nauwkeurige berekeningen draaimomenten kunnen hebben bijgedragen tot de niet-significant verschil MUS draaimomenten tussen de basislijn en verwervingsvoorwaarden. Echter, een robuuste bevinding was de toename van de heup en knie MUS koppel impuls tijdens het uitsterven staat. Zuigelingen die tot taak hebben geleerd leek te genereren grote heup en knie MUS draaimomenten tijdens de extinctie aandoening in een poging om de mobiele reactiveren.
Figuur 4: gemiddelde percentage van gewapend been actie van 2 min interval.Zuigelingen werden gescheiden in Learners (n = 8) en niet-leerlingen (n = 12) op basis van een individueel leren criteria. Leerlingen aanzienlijk toegenomen percentage van gewapend been actie tussen de Dag 2 overname staat en de Dag 1 referentietoestand (gecorrigeerde p <0,001). B = basislijn, A = overname, E = uitsterven.
Figuur 5:. Voorbeeld van een leerling met een hoge drempel (14 cm boven tafel; 68% van de beenlengte) Dit kind geleerd om zijn voeten bewegen rond de drempel tijdens de overname staat, waardoor het verminderen van variantie in de verticale z-richting. Let op de toename van de variantie wanneer de mobiele niet langer geactiveerd tijdens het uitsterven staat. Ruwe data van Dag 2 van deze leerling is weergegeven in figuur 2. B = basislijn, A = overname, E = uitsterven.
Figuur 6: Voorbeeld van een leerling met een lage drempel (7 cm boven tafel; 34% van de beenlengte). Dit kind geleerd om zijn voeten hoger tillen tijdens de overname staat, waardoor de variatie in de verticale z-richting. B = basislijn, A = overname, E = uitsterven.
Figuur 7: Leerlingen versus Non-leerders. Betekenen correlatie coëfficiënten van heup-knie-pair door 2 min intervallen Zuigelingen werden gescheiden in Learners (n = 8) en niet-leerlingen (n = 12) op basis van een individueel leren criteria. Leerlingen aanzienlijk gedaald hip-kniehoek correlatiecoëfficiënt tussen de Dag 2 overname staat en de Dag 1 referentietoestand (gecorrigeerde p <0,001). B = basislijn, A = overname, E = uitsterven.
Figuur 8: Leerlingen: betekent spier nettokoppel impuls van de heup en knie door 2 min intervallen Learners (n = 8) aanzienlijk toegenomen hip spier koppel impuls bijdrage aan hip nettokoppel impuls tussen de Dag 2 uitsterven staat en alle andere voorwaarden (. gecorrigeerde p <0,001). Cursisten ook aanzienlijk toegenomen knie spier koppel impuls bijdrage aan de knie nettokoppel impuls tussen de Dag 2 uitsterven staat en alle andere voorwaarden, behalve Dag 1 basislijn (gecorrigeerde p <0,001). B = basislijn, A = overname, E = uitsterven.
| Schop | Peak snelheid | Heupgewricht Reversal | Peak snelheid | Schop | |
| Inwijding | 1 ste helft van de kick | 2 e helft van de kick | Einde | ||
| M (SE) | M (SE) | M (SE) | M (SE) | M (SE) | |
| Dag 1 Baseline Learners | 64,4 (6,7) * | 57,1 (6,8) * | 57,1 (7,5) * | 57,7 (7,6) * | 62,5 (6,0) * |
| Non-leerlingen | 60,3 (5,4) | 52,6 (5,5) | 53,2 (6,1) | 51,8 (6,1) | 58,3 (4,8) |
| Dag 1 Acquisitie Learners | 64,1 (6,4) * | 58,7 (6,6) * | 58,3 (7.3) * | 58,4 (7,4) * | 66,3 (5,6) * |
| ; Non-leerlingen | 60,0 (5,2) | 55,6 (5,4) | 52,7 (5,9) | 52,7 (6,0) | 61,0 (4,6) |
| Dag 2 Baseline Learners | 65,9 (6,6) | 63,6 (6,7) | 62,7 (7,4) | 61,9 (7,5) | 66,7 (5,8) |
| Non-leerlingen | 44,7 (5,4) | 42,6 (5,5) | 39,3 (6,1) | 37,8 (6,1) | 48,6 (4,8) |
| Dag 2 Acquisitie Learners | 76,3 (6,4) ** | 70,5 (6,6) ** | 70.5 (7.3) ** | 70.3 (7.3) ** | 73,2 (5,6) ** |
| Non-leerlingen | 47,6 (5,2) | 42,3 (5,4) | 38,7 (5,9) | 36,6 (6,0) | 47,5 (4,6) |
| Dag 2 Extinction Learners | 65,6 (6,6) | 60,5 (6,7) | 61,7 (7,4) | 61,7 (7,5) | 66,7 (5,8) |
| Non-leerlingen | 48,1 (5,3) | 46,7 (5,5) | 43,9 (6,0) | 42,3 (6,1) | 49,8 (4,7) |
Tabel 1: Leerlingen versus Non-leerlingen: relatieve fase van de heup-knie-pair door aandoening Zuigelingen werden gescheiden in Learners (n = 8) en niet-leerlingen (n = 12) op basis van een individueel leren criteria. Binnen de groep, leerlingen aanzienlijk toegenomen heup-knie hoek ten opzichte van fase bij alle 5 tijdstippen tussen de Dag 2 overname staat en de Dag 1 referentietoestand (minder in-fase coördinatie). Tussen groepen, lerenden, in vergelijking met niet-leerlingen, was aanzienlijk toegenomen hip-kniehoek relatieve fase (minder in-fase coördinatie) op alle 5 tijdstippen tijdens de Dag 2 overname conditie. Opmerking: SE = stAndard fout. * = Significant gedaald van Learner Overname Dag 2, p <0,001 (meer in-fase); ** = Significant gestegen van Non-Learner Overname Dag 2, p <0,001 (minder in-fase)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ontwerp van de ontdekking-leertaken voor jonge zuigelingen
Discovery-leertaken voor jonge kinderen moeten zorgvuldig worden ontworpen om te verzekeren dat kinderen zelfstandig ontdekken de onvoorziene. In verscheidene mobiele paradigma aan het begin van de overname toestand worden zuigelingen ofwel aangetoond dat de mobiele activeert door een niet-contingent activering van de mobiele 7,22 of poot van elk kind passief bewogen door de onderzoeker aan de zuigeling introduceren in de contingency 9. Bovendien kunnen zorgverleners en onderzoekers extra versteviging de prestaties van het kind te ondersteunen. Specifieke regels, zoals hier beschreven, zijn van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat baby zelfstandig ontdekken de contingency zonder invloed van buitenaf.
Het is ook belangrijk dat de afhankelijke maatregel tijdens een discovery-leertaak wordt verzameld is gevoelig voor veranderingen in de prestaties. De meest kritische aspect in dit paradigma is de vaststelling van de drempel voor activering van het kind mobile. Als de drempel te hoog wordt geplaatst boven de tafel, het kind kan niet de mobiele vaak genoeg te activeren tijdens de overname te bepalen dat het zijn been actie die wordt het activeren van de mobiel. Als de drempel te laag is geplaatst, kan het kind zo hoog% RLA bij aanvang dat het onwaarschijnlijk is dat het kind staat% RLA voldoende verhogen tijdens overname prestaties of leren demonstreren zal zijn; bijvoorbeeld een baby met een uitgangswaarde% RLA van 50% op dag 1 zou moeten de mobiele activeren 75% van de 6 min verwerving voorwaarde Dag 2 aan de individuele leerproces criteria voldoen. Pilot tests bevestigden dat een standaard drempel voor elke zuigeling niet kan worden gebruikt in plaats van de drempel afzonderlijk worden berekend voor elke zuigeling vanaf de uitgangswaarde spontane beenactie te verzekeren dat de basislijn% RLA ongeveer 20-30% van beenactie elke zuigeling. Verzamelen en analyseren van gegevens over posities van zuigeling been acties
Deze methode maakt gebruik positiegegevens vanuit starre instanties ter gezamenlijke segmenten, de standaardmethode bij volwassen biomechanische analyse. Eerder onderzoek op kind been acties zijn positie gegevens van individuele LED's aangebracht op gezamenlijke centra 13-15,23-28 verzameld. Gegevens verzamelen van starre lichamen of individuele LEDs heeft verschillende voordelen. Ten eerste starre lichamen bewegen steeds vallen zeer zelden in vergelijking met individuele LEDs. Dit zorgt voor een langere gegevensverzamelingen (8-10 min) zonder onderbrekingen om ontbrekende markers, die kinderen kunnen afleiden van hun ontdekking-leertaak vervangen. Ten tweede, starre lichamen zorgen voor een volledige 3D kinematische en kinetische analyse van de gezamenlijke ontwerpresolutie. Verzamelde gegevens met individuele IRED's wordt geanalyseerd en gerapporteerd alsof beweging komt alleen voor in het sagittale vlak bewegingen van buigen en strekken. Dit leidt tot incomplete kinematische data. De verzamelde gegevens met individuele IRED beperkt ook kinetische analyse om een 2D kinetische benadering, die waarschijnlijk oplevert onnauwkeurige torque schattingen tijdens baby schoppen acties zonder voorkomen in het sagittale vlak. Hoewel het gebruik van starre lichamen is een belangrijke vooruitgang in de zuigeling biomechanisch onderzoek, baby starre lichamen zijn momenteel niet beschikbaar voor aankoop en vereisen op maat fabricage.
Beperkingen
Een beperking van deze methode is dat het beperkt is tot een laboratoriumopstelling door het gebruik van een motion capture systeem. Het werven van jonge kinderen om te participeren in het laboratorium op basis van onderzoek studies over meerdere dagen is uitdagend.
Deze mobiele paradigma meldt lagere percentages van zuigelingen die de taak geleerd in vergelijking met de vorige mobiele paradigma. Door verscheidene unieke eigenschappen van dit paradigma kunnen kinderen meer dan 2 dagen vereisen leren demonstreren. Ten eerste, inFants zijn niet aangetoond dat de mobiele beweegt, in plaats van ze zelfstandig ontdekken contingency als hun verkennende been acties activeren van de mobiel. Ten tweede, het paradigma vereist meer verfijnde been actie dan de vorige mobiele paradigma's en bevordert een meer volwassen, out-of-fase hip-knie coördinatie patroon dat moeilijk kan zijn voor kinderen om te leren om te genereren in twee dagen 3. Ten derde, kunnen baby's niet de prestaties of het leren door het verhogen van been acties aan te tonen wanneer de mobiele stopt activeren (dwz tijdens basislijn of uitsterven 5), in plaats van zuigelingen moeten bezighouden met de taak om te blijven en te verhogen mobiele versterking voor de gehele 6 min overname toestand van Dag 2 tot demonstreren leren. Vanwege deze unieke eigenschappen, is de hypothese dat een toename van het aantal dagen die aan de taak kan resulteren in meer zuigelingen leren van de taak.
Toekomstige toepassingen
Deze ontdekking-learning taak lead tot nieuwe inzichten over hoe kinderen leren om hun spontane bewegingen wijzigen om taak-specifieke acties uit te voeren. Door het volgen van de poot optreden van zuigelingen tijdens deelname aan een discovery-leeromgeving werd aangetoond dat baby wijzig de stand variantie van de eindeffectoren (feet), de heup knie coördinatiepatronen en de heup en knie MUS torque impuls. Deze informatie kan bepalen opties zuigelingen beschikbaar hebben om hen bij de interactie met hun omgeving en hoe ze deze mogelijkheden te benutten om de taak-specifieke acties te leren. Het biedt ook een middel om te onderzoeken niet alleen hoe kinderen leren een taak, maar wat ze leren. Zo leren voor mensen met een lage drempel bleken leren hogere trappen, terwijl leerlingen met een hoge drempel bleek de locatie van de drempel te leren.
Zuigelingen met een risico op bewegingsstoornissen bieden een unieke monster kind beperkingen die bijdragen aan de taak-specifieke veranderingen in wet te onderzoekenion. De onderliggende pathologie die baby plaatst in gevaar draagt bij aan de verschillen in het been actie te wijten aan stoornissen, zoals verminderde selectieve gezamenlijke beweging en een verminderde kracht genererende capaciteit van de spieren. Het volgen van de been acties van de zuigelingen met een risico op bewegingsstoornissen tijdens deze of andere ontdekking-leertaken kan een kans om te kwantificeren hoe specifieke waardeverminderingen bijdragen aan de verschillen in taakspecifieke been actie en ook verschillen in de manier waarop taken worden geleerd te bieden.
Zodra bekend is hoe specifieke beperkingen van de verschillende populaties van risico zuigelingen invloed vroege been actie, kan meer principiële onderzoek worden uitgevoerd om te bepalen hoe vroeg been actie kan worden geoptimaliseerd voor geschoolde functie. Discovery-learning paradigma's kunnen worden ontworpen om het been actie en het leren van kinderen te ondersteunen op het risico voor bewegingsstoornissen. Specifiek kan omgevingen zoals dat gewenst coördinatie patronen of kracht-productie-eisen zijn worden gebouwdontdekt door kinderen als ze verkennen van de relatie tussen hun been actie en de gevolgen ervan in de gebouwde omgeving. Deze types van de ontdekking-learning paradigma kon niet alleen steunpoot actie, maar kan ook ondersteuning voor de leervermogen van jonge at-risk kinderen.
Samengevat, wordt een methode beschreven waarbij 3-4 maanden oude baby leren een taak van ontdekking en hun been bewegingen worden vastgelegd om het leerproces te kwantificeren. Het volgen van de bewegingen van baby's, terwijl die deelnemen in discovery-leertaken kan een kans om het leerproces te kwantificeren als zuigelingen verkennen van de relatie tussen hun optreden en de effecten ervan op de wereld te bieden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd gesteund door de bevordering van Doctoral Studies (PODS) I en II awards van de Stichting voor Fysiotherapie en een Adopt-A-Doc Scholarship van de Education Section van de American Physical Therapy Association Barbara Sargent.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optotrak Certus Position Sensor, Far Focus, with stand | Northern Digital Inc | 8800852 | |
| Optotrak Data Acquisition Unit II (ODAU II) | Northern Digital Inc | 8800767 | |
| Optotrak Vinten Stand, Certus with Quick Fix Adapter | Northern Digital Inc | 8800855.002 | |
| Certus S-Type, Standard Configuration | Northern Digital Inc | 8800761 | |
| Marker (7 mm) pair, c/w RJII connector and 8 ft cable | Northern Digital Inc | 8001029.001 | |
| AC Line Cord, Medical Grade, North America | Northern Digital Inc | 7500010 | |
| Cubic Reference Emitter Kit - Certus | Northern Digital Inc | 8800768 | |
| 3 Pylon IEEE 1394 cameras | Basler | A6021c | |
| Vixia HG10 camcorder | Canon | 2183B001 | |
| Adhesive Disks | MVAP Medical Supplies | E401-500 | |
| Reversible head support | Eddie Bauer | 52556 | |
| Softstrap Strap | Sammons Preston | A34960 | |
| Digital Pediatric Scale | Healthometer | Model 524KL |
References
- 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).
