Kvantifiera Lärande i Young Spädbarn: Tracking Leg Åtgärder Under en Discovery-learning uppgift
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
Uppgifts särskilda åtgärder fram ur spontan rörelse under spädbarnstiden. Det har föreslagits att uppgiftsspecifika åtgärder fram genom en upptäckt-inlärningsprocess. Här beskrivs ett förfarande i vilket 3-4 månader gamla spädbarn lära sig en uppgift genom upptäckt och deras benrörelser fångas att kvantifiera inlärningsprocessen. Denna upptäckt-learning uppgift använder ett spädbarn aktiverad mobil som roterar och spelar musik baserat på specificerade ben verkan spädbarn. Liggande barn aktiverar den mobila genom att flytta fötterna vertikalt över en virtuell tröskel. Detta paradigm är unikt genom att som barn oberoende upptäcker att deras ben åtgärder aktiverar Mobile, spädbarn "benrörelser spåras med hjälp av en motion capture-system gör det möjligt för kvantifiering av inlärningsprocessen. Specifikt lärande kvantifieras i termer av varaktighet mobil aktivering läget variansen av ändverktygen (fot) som aktiverar den mobila, förändringar i hip-knä samtionsmönster och förändringar i höft och knä moment muskler. Denna information beskriver spädbarn prospektering och utvinning på samspelet mellan personen och miljökrav som stöder uppgifts särskilda åtgärder. Senare forskning med hjälp av denna metod kan undersöka hur specifika nedskrivningar av olika populationer av barn i riskzonen för rörelsestörningar påverkar upptäckten-lärande process för uppgifts särskilda åtgärder.
Introduction
Uppgifts särskilda åtgärder fram ur spontana rörelser under spädbarnstiden. Det har föreslagits att uppgiftsspecifika åtgärder fram genom en upptäckt-inlärningsprocessen 1,2. Uppgifter upptäcks av spädbarn när de spontant flytta och utforska åtgärder som ger nya effekter i miljön. Uppgift specifika åtgärder framstår som spädbarn utnyttja sambanden mellan deras handlingar och deras inverkan på världen omkring dem. Men lite är känt om de exakta processer som spädbarn utforska och utnyttja för att lära sig att ändra sina spontana rörelser för att utföra uppgiftsspecifika åtgärder. Här beskrivs ett förfarande i vilket 3-4 månader gamla spädbarn lära sig en uppgift genom upptäckt och deras benrörelser fångas att kvantifiera inlärningsprocessen.
Figur 1: spädbarn sparkar-aktiverad mobil uppgift. </stark> Centret Ijusemitterande diod (LED) som är fäst vid den stela kroppen hos varje fot (gul cirkel) aktiverar den mobila när den korsar den virtuella tröskeln (röd streckad linje). Åter tryckt med tillstånd från Sargent et al. 3
Denna upptäckt-learning uppgift använder ett spädbarn aktiverad mobil som roterar och spelar musik baserat på den angivna benet verkan spädbarn 3. Spädbarn placeras liggande under mobil aktivera den genom att flytta fötterna vertikalt över en virtuell tröskel (Figur 1). Detta paradigm är unikt genom att som barn oberoende upptäcker att deras ben åtgärder aktiverar Mobile, spädbarn "benrörelser spåras med hjälp av en motion capture-system gör det möjligt för kvantifiering av inlärningsprocessen.
Experimentprotokollet omfattar två dagar för datainsamling. Dag 1 består av en 2 min ursprungliga tillstånd i vilket ett spädbarn sparkar spontant men hans ben åtgärderkan inte aktivera barnet mobil, följt av en 6 min förvärv tillstånd där spädbarnets ben åtgärder aktiverar spädbarn mobil om barnet rör sig fötterna vertikalt för att korsa en virtuell tröskel. Detta protokoll möjliggör kvantifiering av spädbarn "spontana ben åtgärder samt kvantifieringen av olika aspekter av rörelser som spädbarn utforska relationen mellan sina ben åtgärder och aktivering av spädbarn mobil. På dag 2, förutom de två minuter ursprungliga tillstånd, och 6 minuter förvärvs tillstånd, är en 2 min extinktion tillstånd tillsättes där spädbarnets ben åtgärder inte aktiverar spädbarn mobil. Detta gör det möjligt för kvantifiering av hur spädbarn ändra sina ben åtgärder när en redan lärt miljö svar avbryts.
I tidigare spädbarn mobila paradigm, frekvensen av benrörelser 4-6, särskilt höft och knä vinklar 7,8, eller sparka en panel 9 har varit reinforced med mobil rörelse. Prestanda varje dag definierades som en ökning av dessa ben åtgärder under förvärv eller utrotning villkor jämfört med det ursprungliga tillståndet 4-9. Lärande över dagar definierades som en ökning av dessa ben åtgärder under baslinjen eller förvärv skick Days 2 eller 3 och det ursprungliga tillståndet av Dag 1 5,6. Dessa tidigare mobila paradigm visar att spädbarn öka frekvensen av ben åtgärder som är förstärkta med mobil aktivering, men de inte ge information om rörelsen alternativ spädbarn har tillgång till dem när man lär sig uppgiften. Om exempelvis sparkar hastighet förstärks, spädbarn demonstrera prestanda och inlärning när deras sparkande hastigheten ökar antingen när de interagerar med den mobila eller när den mobila inte längre aktiveras. Detta visar att spädbarn kan förfina sin sparkar takt, men det är okänt om spädbarn kan förfina samordningen ben mönster eller vridmoment produktion till Generate ben åtgärder som inte faller inom de föredrar rörelse repertoar.
Denna mobila paradigm är unik i att barn är skyldiga att visa mer raffinerad ben åtgärder för att aktivera den mobila än i tidigare mobila paradigm. I den här mobil paradigm, är höjden på varje fot ovanför tabellen beräknas under 2 min ursprungliga tillstånd med hjälp av positionsdata från en lysdiod (LED) bifogas varje fot. En virtuell tröskelvärde sätts sedan parallellt med bordet på en höjd som är inom det övre området av höjden av båda fötterna under det ursprungliga tillståndet. Under förvärvet mobil roterar och spelar musik om någon fot passerar tröskeln. Efter 3 sekund, de mobila stannar och återaktiverar endast om barnet rör sig foten under tröskelvärdet, och sedan förflyttar foten vertikalt och åter passerar tröskeln. För att aktivera den mobila för den största mängden tid, spädbarn behöver flytta en fot över tröskeln och bibehålla den mot gravten i 3 sekunder, sedan snabbt flytta foten under tröskelvärdet och återigen flytta den över tröskeln och håll den där i 3 sekunder, osv. Detta kräver mer förfinade benet åtgärder än att helt enkelt öka sparka takt.
Figur 2: Ofiltrerade positionsdata av ändverktygen (fot) från en representant spädbarn Ofiltrerat positionsdata från dag 2 av 3 månader gammalt spädbarn som visade lärande baserat på de enskilda kriterierna lärande.. Den röda linjen är positionsdata för z-koordinaten hos den Ijusemitterande diod (LED) placerade på den högra foten. Den blå linjen är positionsdata från lysdioden på vänster fot. Tjock svart linje är bordet. Den streckade linjen är den virtuella tröskel placerad 14 cm ovanför bordet som individuellt fastställts för varje barn bygger på höjden av sin sparkar under baslinjentillstånd av dag 1. X-axeln är tid märkt genom 2 minuters intervall. Lägg märke till hur barnet rör sig fötterna under baslinjen när mobil inte aktivera och under de första 30 sek förvärvs 1, då han genomgående håller båda fötterna från bordet och flyttar fötterna rätt runt tröskeln för nästa 5½ minuter tills mobil inte längre aktiveras under utrotning skick.
Den andra unika inslag i denna mobil paradigm är att varje barnets ben åtgärder spåras med hjälp av state-of-the-art motion capture tekniker för att kvantifiera hur barn använder sina rörelse alternativ för att lära sig uppgiften. Ofiltrerade positionsdata från lysdioden på varje fot som aktiverar mobilen från en representant spädbarn ingår i Figur 2. Lägg märke till hur barnet rör sig fötterna på olika höjder ovanför tabellen under baslinjen och den första delen av förvärvet, men flyttar sedan båda fötterna rätt runt tröskeln under resten av förvärvet condition tills mobil inte längre aktiveras under utrotning. Detta är en av många potentiella rörelse strategier för att åstadkomma upptäckten-learning uppgift. Strategierna kan kvantifieras genom att beräkna tredimensionella kinematik och kinetik med hjälp av positionsdata som förvärvats från motion capture-system. Närmare bestämt är inlärningsprocessen kvantifieras i termer av andelen förstärkt benrörelser (% RLA), vilket är lika med varaktigheten av mobila aktivering läge variansen för ändverktygen (fot) som aktiverar den mobila, hip-knee samordnings mönster , och höft och knäleds vridmoment.
Protocol
Representative Results
Discussion
Design av upptäckten-lärande uppgifter för spädbarn
Discovery-inlärningsuppgifter för spädbarn måste omsorgsfullt utformade för att säkerställa att barn oberoende upptäcka oförutsedda utgifter. I flera mobila paradigmer i början av förvärvet skick, spädbarn antingen visas att den mobila aktiveras av en icke-contin aktivering av mobil 7,22 eller benet av varje småbarn passivt förflyttas av utredaren att introducera spädbarnet till beredskaps 9. Dessut…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöds av främjande av forskarutbildningen (PODS) I och II utmärkelser från Stiftelsen för sjukgymnastik och en Adopt-A-Doc stipendium från utbildningssektionen av American Physical Therapy Association till 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).
