Kvantificering Læring i Unge Spædbørn: Tracking Leg Handlinger Under en Discovery-learning Opgave
Summary
A method is described in which 3-4 month old infants learn a task by discovery and their leg movements are captured to quantify the learning process.
Abstract
Task-specifikke foranstaltninger frem fra spontan bevægelse under vorden. Det er blevet foreslået, at opgave-specifikke handlinger opstår gennem en opdagelse-learning proces. Her beskrives en metode, hvor 3-4 måneder gamle spædbørn lærer en opgave ved opdagelse og deres benbevægelser opfanges at kvantificere læringsprocessen. Denne opdagelse-learning opgave bruger et spædbarn aktiveret mobil, der roterer og spiller musik baseret på specificerede ben virkning af spædbørn. Liggende spædbørn aktiverer mobil ved at flytte deres fødder vertikalt på tværs af en virtuel tærskel. Dette paradigme er enestående i, at som spædbørn uafhængigt opdager, at deres ben handlinger aktiverer mobile, de småbørn benbevægelser spores ved hjælp af et motion capture system med henblik på kvantificering af læringsprocessen. Specifikt læring kvantificeres i forhold til varigheden af mobile aktivering, position variansen af endeeffektorer (fod), som aktiverer den mobile, ændringer i hip-knæ koordinetion mønstre og ændringer i hofte og knæ muskel moment. Disse oplysninger beskriver spædbarn efterforskning og udnyttelse i samspillet mellem personen og miljømæssige begrænsninger, der understøtter opgave-specifik handling. Efterfølgende forskning ved hjælp af denne metode kan undersøge, hvordan specifikke svækkelser af forskellige populationer af spædbørn med risiko for bevægelsesforstyrrelser indflydelse opdagelsen-learning proces til opgave-specifik handling.
Introduction
Task-specifikke foranstaltninger frem fra spontane bevægelser under vorden. Det er blevet foreslået, at opgave-specifikke handlinger opstår gennem en opdagelse-learning proces 1,2. Opgaver er opdaget af spædbørn, som de spontant bevæge sig og udforske handlinger, som producerer nye effekter i miljøet. Task-specifikke tiltag fremstå som spædbørn udnytter forbindelserne mellem deres handlinger og deres virkninger på verden omkring dem. Men lidt om de præcise processer, spædbørn udforske og udnytte til at lære at ændre deres spontane bevægelser til at udføre opgave-specifikke handlinger. Her beskrives en metode, hvor 3-4 måneder gamle spædbørn lærer en opgave ved opdagelse og deres benbevægelser opfanges at kvantificere læringsprocessen.
Figur 1: Infant kicking-aktiverede mobile opgave. </strong> Centret lysemitterende diode (LED) fastgjort til det stive legeme af hver fod (gul cirkel) aktiverer mobile når den krydser den virtuelle tærskel (rød stiplet linie). Re-trykt med tilladelse fra Sargent et al. 3
Denne opdagelse-learning opgave bruger et spædbarn aktiveret mobil, der roterer og spiller musik baseret på den angivne ben virkning af spædbørn 3. Spædbørn anbragt rygliggende under mobile aktivere den ved at flytte deres fødder vertikalt på tværs af en virtuel tærskel (figur 1). Dette paradigme er enestående i, at som spædbørn uafhængigt opdager, at deres ben handlinger aktiverer mobile, de småbørn benbevægelser spores ved hjælp af et motion capture system med henblik på kvantificering af læringsprocessen.
Forsøgsprotokollen omfatter to dages dataindsamling. Dag 1 består af en 2 min baseline tilstand, hvor et spædbarn skydes spontant, men hans ben handlingerkan ikke aktivere spædbarn mobil, efterfulgt af en 6 min erhvervelse tilstand, hvor spædbarnets ben aktioner aktiverer spædbarnet mobil hvis barnet bevæger fødderne vertikalt at krydse en virtuel tærskel. Denne protokol giver mulighed for kvantificering af småbørn spontane ben aktioner samt kvantificering af forskellige aspekter af bevægelserne som spædbørn udforske forholdet mellem deres ben handlinger og aktivering af barnet mobil. På dag 2, ud over de 2 min hidtidige tilstand og 6 min erhvervelse tilstand, tilsættes en 2 min ekstinktion tilstand, hvor spædbarnets ben handlinger ikke aktiverer barnet mobil. Dette giver mulighed for kvantificering af hvordan spædbørn ændre deres ben handlinger, når en allerede lært miljømæssig reaktion afbrydes.
I tidligere spædbarn mobile paradigmer, hyppigheden af benet bevægelse 4-6, specifik hofte og knæ vinkler 7,8 eller sparke et panel 9 har været reinforced med mobil bevægelse. Ydeevne hver dag blev defineret som en stigning i disse ben handlinger under erhvervelse eller udslettelse tilstand i forhold til den hidtidige tilstand 4-9. Læring på tværs af dage blev defineret som en stigning i disse ben tiltag under grundlinjen eller erhvervelse tilstand Dage 2 eller 3 og den hidtidige tilstand af Dag 1 5,6. Disse tidligere mobile paradigmer viser, at spædbørn øge hyppigheden af ben handlinger, der er forstærket med mobile aktivering, men de ikke give oplysninger om bevægelsen optioner spædbørn har til rådighed for dem, når lære opgaven. For eksempel, hvis sparke sats er forstærket, spædbørn demonstrere ydeevne og læring deres kicking stiger, når enten når interagere med den mobile eller når den mobile ikke længere aktiveres. Dette viser, at spædbørn kan forfine deres sparke sats, men det er uvist, om spædbørn kan forfine deres koordination ben mønster eller drejningsmoment produktion til generate ben handlinger, der ikke er inden for deres foretrukne bevægelse repertoire.
Denne mobile paradigme er enestående i, at spædbørn er forpligtet til at demonstrere mere raffineret ben handling for at aktivere mobil end i tidligere mobile paradigmer. I denne mobil paradigme, er højden af hver fod over tabellen beregnet i det 2 min hidtidige tilstand ved hjælp af positionsdata fra en lysemitterende diode (LED) fastgjort til hver fod. En virtuel tærskelværdi indstilles derefter parallelt med bordet i en højde, der ligger inden for det øvre område for højden af begge fødder under den hidtidige tilstand. Under erhvervelsen, de mobile roterer og spiller musik, hvis enten fod krydser grænsen. Efter 3 sek, de mobile stopper og reaktiverer kun hvis barnet bevæger foden under tærsklen, og derefter bevæger foden vertikalt og igen krydser grænsen. For at aktivere det mobile for den største mængde af tid, spædbørn har brug for at flytte en fod over tærsklen og fastholde den mod gravhed i 3 sek, derefter hurtigt flytte foden under tærskelværdien og igen flytte det over tærsklen og hold den der i 3 sek osv. Dette kræver mere raffineret ben handling end blot at øge sparke sats.
Figur 2: Ufiltrerede positionsdata af endeeffektorer (fod) fra en repræsentativ spædbarn Ufiltreret position data fra Dag 2 af en 3 måned gammel spædbarn, som demonstreret læring på grundlag af de enkelte kriterier læring.. Den røde linje er positionsdata af z-koordinaten for den lysemitterende diode (LED) anbragt på højre fod. Den blå linje er positionsdata fra LED på venstre fod. Tyk sort streg er bordet. Stiplede linje er den virtuelle tærskel placeret 14 cm over bordet som individuelt bestemt til hvert spædbarn baseret på højden af deres kicking under baselinetilstand Dag 1. X-aksen er tiden mærkes med 2 minutters intervaller. Bemærk, hvordan barnet bevæger sine fødder under baseline, når den mobile ikke aktivere og i den første 30 sek overtagelsestidspunktet 1, så han hele tiden holder begge fødder af bordet og flytter sine fødder lige rundt om tærsklen for den næste 5½ min, indtil den mobile ikke længere aktiveres under udslettelse tilstand.
Den anden unikke funktion af denne mobile paradigme er, at hvert spædbarn ben handling spores ved hjælp af state-of-the-art motion capture teknikker til at kvantificere, hvordan spædbørn bruger deres bevægelse muligheder for at lære opgaven. Ufiltrerede positionsdata fra LED på hver fod, der aktiverer mobil fra et repræsentativt spædbarn er inkluderet i figur 2. Bemærk, hvordan barnet bevæger sine fødder i forskellige højder over bordet under baseline og den første del af købet, men så flytter begge fødder ret omkring tærskel under resten af erhvervelsen betintion indtil mobile ikke længere aktiveres under udryddelse. Dette er en af mange potentielle bevægelse strategier til at udføre opdagelsen-learning opgave. Strategierne kan kvantificeres ved at beregne tredimensionelle kinematik og kinetik ved hjælp positionsdata erhvervet fra motion capture system. Specifikt indlæringsprocessen kvantificeret med hensyn til procentdelen af armeret ben handling (% RLA), som er lig med varigheden af mobile aktivering, position varians af endeeffektorer (fod), som aktiverer de mobile, hip-knæ koordinationsmønstre og hofte og knæ fælles momenter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Design af discovery-learning opgaver for unge spædbørn
Discovery-learning opgaver for unge spædbørn skal være omhyggeligt designet til at sikre, at spædbørn uafhængigt opdager uforudsete. I flere mobile paradigmer i begyndelsen af erhvervelsen betingelse er spædbørn enten vist, at den mobile aktiverer af en ikke-betinget aktivering af den mobile 7,22 eller ben af hvert spædbarn passivt bevæges af undersøgeren at indføre spædbarnet til uforudsete 9. Desude…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af Fremme af Ph.d. (bælg) I og II-priser fra Fonden for Fysioterapi og en Vedtage-A-Doc stipendium fra Education afdeling American Physical Therapy Association til Barbara Sargent.
Materials
| 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. , (2000).
- Thelen, E., Smith, L. B. . A Dynamic Systems Approach to the Development of Cognition and Action. , (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., Reese, H. W., Lipsitt, L. P. The economics of infancy: A review of conjugate reinforcement. Adv Child Dev Behav. 13, 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. , (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).
