Summary

Kwantificeren Learning bij jonge kinderen: Tracking Been Acties Tijdens een Discovery-leertaak

Published: June 01, 2015
doi:

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

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

Figuur 1: Infant schoppen-geactiveerde mobiele taak. </strong> Het centrum light-emitting diode (LED) bevestigd aan het stijve lichaam van elke voet (gele cirkel) activeert het mobiele als het kruist de virtuele drempel (rode stippellijn). Re-bedrukt met toestemming van Sargent 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

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.

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 &quo…

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…

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 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

  1. Gibson, E. J., Pick, A. D. . An Ecological Approach to Perception, Learning and Development. , (2000).
  2. Thelen, E., Smith, L. B. . A Dynamic Systems Approach to the Development of Cognition and Action. , (1994).
  3. Sargent, B., Schweighofer, N., Kubo, M., Fetters, L. Infant exploratory learning: influence on leg joint coordination. PLoS One. 9 (3), e91500 (2014).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Chen, Y., Fetters, L., Holt, K., Saltzman, E. Making the mobile move: constraining task and environment. Infant Behav. Dev. 25 (2), 195-220 (2002).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Soderkvist, I., Wedin, P. Determining the movements of the skeleton using well-configured markers. J. Biomech. 26 (12), 1473-1477 (1993).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Sun, H., Jensen, R. Body segment growth during infancy. J. Biomech. 27 (3), 265-275 (1994).
  20. Murray, R. M., Li, Z., Sastry, S. S. . A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation. , (1994).
  21. 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).
  22. Angulo-Kinzler, R. Exploration and selection of intralimb coordination patterns in 3-month old infants. J. Mot. Behav. 33, 363-376 (2001).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Piek, J. P. A quantitative analysis of spontaneous kicking in two-month-old infants. Hum. Mov. Sci. 15, 707-726 (1996).
  27. Thelen, E. Developmental origins of motor coordination: Leg movements in human infants. Dev. Psychobiol. 18, 1-22 (1985).
  28. 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).

Play Video

Cite This Article
Sargent, B., Reimann, H., Kubo, M., Fetters, L. Quantifying Learning in Young Infants: Tracking Leg Actions During a Discovery-learning Task. J. Vis. Exp. (100), e52841, doi:10.3791/52841 (2015).

View Video