Kvantificering Læring i Unge Spædbørn: Tracking Leg Handlinger Under en Discovery-learning Opgave

Behavior

Your institution must subscribe to JoVE's Behavior section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

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

Figur 1: Infant kicking-aktiverede mobile opgave. 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

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den Institutional Review Board på University of Southern California godkendt denne undersøgelse.

1. System Preparation

  1. Opsætte motion capture system. Bemærk: disse trin er forskellige for hver motion capture system.
    1. Juster koordinatsystemer de to motion capture-sensorer til den af en sensor ved at klikke på "Udfør Ny registrering" i motion capture program, indtaste en samling på 30 sek, klikke på "Tilmeld", og flytte registreringen objekt inden opsamling volumen i 30 sek. Når registreringen er fuldført, observere en geometriske middelværdi (RMS) registreringsfejl på computerskærmen.
    2. Juster det globale koordinatsystem til testning tabel ved hjælp af registrering objekt ved at klikke på "Udfør Ny Alignment" i motion capture program.
      1. Definer oprindelsen ved at placere registreringen object i øverste højre hjørne af test bordet og klikke på "Digitaliser" i motion capture program. Definer Z-aksen ved at placere registreringen genstande oven på en kasse og klikke på "Digitalisere"; Z-aksen er vinkelret på bordet.
      2. Definer Z / Y + planet ved at flytte registreringen objekt på kassen langs længden af bordet og klikke på "Digitalisere"; Y-aksen er parallel med længden af ​​bordet og X-aksen er parallel med bredden af ​​tabellen.
    3. Sæt LED'erne i de to strobe porte og indtaste antallet af lysdioder pr strobe havn i motion capture-system-program (24 for strobe port 1 og 20 for strobe port 2). Se Figur 3 for antallet og placeringen af hver LED. Vælg manglende data for at give en strimmel diagram-lignende visning af lysdioder, der spores i realtid.
      Figur 3
  2. Opsætning spædbarnet mobile computerprogram.
    1. Indtast antallet af minutter for hver tilstand. For Dag 1, indgang 2 til fase 1 (2 min baseline, ikke-forstærkning tilstand), 6 for fase 2 (6 min erhvervelse, forstærkning tilstand), og 0 for fase 3 (0 min udslettelse, ikke-forstærkning tilstand).
    2. For Dag 2, indgang 2 til fase 1 (baseline), 6 for fase 2 (anskaffelse), 2 for fase 3 (uddø), og marker "Brug Zmin som standard", så den tærskel beregnet under baseline på Day1 bliver tærsklen anvendt til erhvervelse tilstand Dag 2.
    3. Vælg "StreamframesAllFrames" og klikke på "Send" for at aktiveremobile program til at bruge data fra motion capture-systemet til at aktivere barnet mobil baseret på specificerede kriterier.
  3. Opsætte videokameraer.
    1. Indlede video computerprogram til de tre synkroniserede videoer (højre lateral, venstre laterale, overhead visninger).
    2. Start ekstra videokamera over barnets hoved for at optage ansigtsudtryk og øje blik.

2. Spædbarn Forberedelse

  1. Beskriv forsøget til forældrene og informere dem til at interagere så lidt som muligt med deres spædbarn.
    BEMÆRK: Fortæl forældrene, at hvis barnet ikke bliver kræsen hele forsøget, bør forældrene sidde ved siden spædbarnet uden for deres opfattelse, men hvis barnet bliver Tradewinds er der en progression af interaktion med spædbarnet.
    1. Først beder den forælder til at sige, "Alt er okay, jeg er lige her," i en beroligende tone.
    2. For det andet, så spørgmoderselskabet til at stå i barnets synspunkt, samtidig berolige barnet.
    3. For det tredje, så spørg den forælder til enten at holde en af ​​spædbarn hænder eller give barnet en sut.
      BEMÆRK: mindste mængde af forældre interaktion nødvendigt for at holde barnet ro og alarm er angivet, og afsluttes så hurtigt som muligt.
  2. Klæde barnet, skal du placere barnet under spædbarnet mobile, og fastgør spædbarn til bordet ved hjælp af en Velcro bånd placeret på tværs af stammen.
  3. Efter barnet er fastgjort til bordet, placere brystbenet markører og bækken, lår, skank, og mund stive legemer på spædbarnet.

3. Spædbarn Mobile Learning Task

  1. Hver dag, indlede mobile opgave læring ved synkront starte motion capture-system, mobile computer-program, og videokameraer.
    1. På begge dage fra min 0 til 2, den hidtidige tilstand, observere barnet spontant sparke.
    2. På dag 1 under 2 min hidtidige tilstand, observere barnet mobile program løbende beregner tærsklen for mobile aktivering baseret på z-data fra en af ​​lysdioderne på stive krop hver fod. Eksempel, markør 9 på højre fod og markør 21 på venstre fod. Markør 9 er centrum LED på den højre fod stive krop cirkel i gult i figur 1. Marker 21 er centrum LED på venstre fod stive krop.
    3. Ved afslutningen af ​​2 min baseline, vil den mobile program sætte tærsklen ved en højde på én standardafvigelse (SD) over den gennemsnitlige højde af begge fødder under 2 min hidtidige tilstand.
    4. På begge dage fra min 2 til 8, købet tilstand, observere som spædbarn mobile roterer og spiller musik, når LED placeret på hver fod krydser tærskelen beregnet under 2 min hidtidige tilstand af dag 1.
      BEMÆRK: Mobile aktivering vil fortsætte, så længe foden er over den virtuelle tærskel til højst 3 sek. Efter 3 sek, mogalde vil kun genaktivere hvis barnet bevæger foden under den virtuelle tærskel, og derefter bevæger foden vertikalt og igen krydser grænsen. Denne "3 sek regel" opmuntrer aktive ben sonderende bevægelser versus holde fødderne over tærsklen.
    5. På dag 2 fra min 8-10, uddøen tilstand, observere barnet sparker spontant uden mobil forstærkning.
  2. Efter spædbarnet interagerer med den mobile, indsamle en statisk kalibrering forsøg for at definere et lokalt koordinatsystem for hvert ben segment og definere en reference konfiguration for hvert organ segment i rummet.
    1. Fix ti individuelle lysdioder bilateralt til barnets huden ved hjælp af dobbeltsidede EKG kraver på følgende steder: lateral midterlinjen af ​​stammen under tiende ribben, større trochanter af hoften, laterale knæled linje, ankel laterale malleolus og distale ende af 5. metatarsal.
    2. Hold spædbarnets nedre ekstremitet ien udvidet, anatomisk position i 5 sek. Alle fælles vinkler i denne kalibrering position er defineret som 0 °.
  3. På dag 2, indsamle antropometriske data.
    1. Hvert spædbarn på en digital elektrisk skala afvejes.
    2. Tag følgende målinger: samlet længde af barnet; omkreds medio segment af låret, skank, og fod; bredde af knæet (ved knæleddet linje), ankel (ved malleolien) og fod (ved de metatarsale hoveder); og længden af ​​låret (større trochanter til knæleddet linje), skaft (knæleddet linje til lateral malleolus) og fod (mediale malleolus til første metatarsofalangealled).

4. Data Analysis

  1. Analyser ydeevne og læring ved at beregne% RLA under hver 2 min interval af forsøget ved hjælp af en brugerdefineret computing sprog program som Matlab. Beregn varigheden af ​​tiden en eller begge af lysdioderne på hver fod, der aktiverede den mobile lå over tærsklen. Sidenden mobile ikke aktiverer efter et interval på 3 sekunder, trække varigheden af ​​tid, hvor en eller begge LED'er var over tærsklen for større end en 3 sek interval.
    1. Måle resultaterne af gruppen hver dag ved statistisk analyse, om% RLA under en af de tre, 2 min erhvervelse intervaller væsentligt overstiger 2 min baseline interval 3,4,7,9,10.
    2. Kategorisere individuelle spædbørn for at have udført den opgave hver dag hvis% RLA løbet af en 2 min erhvervelse interval er lig med eller større end 1,5 gange den% RLA i 2 min baseline interval 3,4,6,9,10.
    3. Mål indlæring af gruppen på tværs dage ved at bestemme statistisk hvorvidt% RLA under hele 6 min erhvervelse tilstand Dag 2 overskrider% RLA under den hidtidige tilstand Dag 1 3,6.
    4. Kategorisere individuelle spædbørn som Learners hvis% RLA under hele 6 min erhvervelse tilstand Dag 2 er lig med eller greater end 1,5 gange den hidtidige tilstand af Dag 1 3,6,11.
  2. Analyser ophidselse og opmærksomhed ved at kode videobånd under hver 2 min interval af forsøget. Den ophidselse skalaen defineres som: døsig = 1, opmærksom og inaktive = 2, vågen og aktiv = 3, kræsen = 4, og gråd = 5 3,8,11. Den opmærksomhed skalaen defineres som: 0 = ikke kigge på den mobile, 1 = ser på mobile 3,8.
  3. Proces positionsdata og ekstrakt spark anvender brugerdefinerede Matlab programmer.
    1. Indlæs position datafiler udlæst fra motion capture-systemet i en brugerdefineret Matlab program at interpolere manglende positionsdata (maksimalt på 20 fortløbende frames) ved hjælp af en kubisk spline.
    2. Indlæse interpolerede filer i en brugerdefineret Matlab program til (a) filter positionsdata hjælp en fjerde ordens Butterworth med en cut-off frekvens på 5 Hz, som bestemt fra magten spektrum analyse, og (b) beregne følgende fælles vinkler: hip fleksion / forlængelse, hofteabduktion/ Adduktion, hip ekstern / intern rotation, knæ flexion / extension, ankel inversion / eversion, ankel dorsiflexion / plantarflexion som beskrevet i 12.
    3. Indlæs vinklen filer i en brugerdefineret Matlab program til at udtrække spark. Definer begyndelsen på et spark som starten på en kontinuerlig ben bevægelse, hvor hofte eller knæled vinkel ændring oversteg 11,5 ° (0,2 radianer) til enten fleksion eller udvidelse 3,9,13-15. Definer enden af spark som rammen af top forlængelse efter en fleksion bevægelse eller peak fleksion efter en udvidelse bevægelse 3,9,14.
  4. For alle spark, beregne kinematiske parametre ved hjælp brugerdefinerede Matlab-programmer.
    1. Beregn position varians i z-retningen (lodret, opgave-specifik retning) af LED på hver fod, der aktiverede enheder 3.
    2. Beregn hofte fleksion / udvidelse og knæ flexion / extension fælles sammenhænge hjælp Pearson korrelationskoefficienter (r) ved nul forsinkelsemellem hofte og knæ fælles vinkel udflugter. At sammenligne korrelationer (r) blandt spædbørn, konvertere hip-knæleddet vinkel korrelationer til Fisher Z scores 3,9,15.
    3. Time-normalisere de fælles vinkel data, så beregne hofte fleksion / udvidelse og knæ flexion / extension kontinuerlig relative fase (CRP) fra kantede position / hastighed data 16,17. Analysere resultaterne af CRP beregningen på følgende fem tidspunkter: (a) begyndelse mål, (b) den maksimale hastighed af det første segment, (c) fælles vending, (d) den maksimale hastighed af det andet segment, og (e ) ende af spark 3.
  5. For alle spark, identificere ikke-kontakt spark ved at se synkrone videodata. Beregne kinetiske parametre for ikke-kontakt spark bruger brugerdefinerede Matlab-programmer.
    1. Beregn segmentale masse og center-of-mass fra ligninger modificeret til spædbørn fra Hatze s antropometriske model for voksne 18. Beregn 3D øjeblikke af inertilåret, skaft og fod segmenter fra ligninger modificeret til spædbørn fra Jensens antropometriske model for voksne 19.
    2. Beregn vilkårene i følgende ligning af bevægelse med skruen teori om rumlige manipulationer 20.
      ligning 1
      afledes ved hjælp af Lagrange tilgang, hvor M (θ) er den inerti matrix, theta1 Coriolis og centrifugal drejningsmoment matrix, N (θ) tyngdekraften (GRA) drejningsmomenter og T musklen (MUS) momenter.
    3. Beregn fælles momenter ved hjælp af 3D-kinematiske data fra de ikke-kontakt spark, krop-segment inerti parametre samt biomekanisk ligning af bevægelse.
    4. Partition nettet (NET) drejningsmoment ved hver samling i motion-afhængige (MDT), GRA, og MUS drejningsmoment bidrag 21. NET moment er direkte proportional med de accelerationer ved hver samling.MDT drejningsmoment er relateret til de passive momenter forbundet med mekaniske samspil mellem de bevægelige indbyrdes forbundne segmenter af lemmet. GRA drejningsmoment er relateret til passive tyngdekraften virkende nedad på lemmet. MUS drejningsmoment omfatter styrker fra aktive muskelsammentrækninger og passive deformationer af muskler, sener, ledbånd og andre periartikulære væv.
    5. For hofte og knæ separat, beregne moment impuls som størrelsen af ​​bidraget fra hver partitioneret drejningsmoment (MUS, GRA, MDT) til NET moment. Beregne den positive eller negative impuls drejningsmoment (moment * tid) under intervaller, hvor knæet MUS drejningsmoment handlet i samme eller modsat retning sammenlignet med knæet NET moment. Udfør denne samme beregning med knæet GRA og MDT drejningsmomenter og hip MUS, GRA, og MDT momenter. For hofte og knæ separat, adderer alle positive og negative impulser for hver komponent drejningsmoment til opnåelse af en måling af størrelsen af ​​bidraget fra hver partitioneret Impuls drejningsmomente (MUS, GRA, MDT) til NET moment impuls.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Læreprocessen unge spædbørn kan kvantificeres i form af% RLA, position varians af endeeffektorer (fod), hip-knæ vinkel korrelationskoefficienter og hofte og knæ fælles momenter. Hvert niveau af analyse giver unik information om, hvordan spædbørn udforske forholdet mellem deres ben handlinger og aktivering af barnet mobil under opdagelsen-learning proces.

Til statistisk analyse af% RLA og hip-knæ vinkel korrelationskoefficienter, blandede regressionsmodeller med en autoregressiv covarians struktur og gruppe (lærende, Ikke-elever) som mellem-emne faktor blev brugt til at teste forskellene i hvert afhængige variabel (% RLA, hip-knæ korrelationskoefficient) blandt baseline, erhvervelse og udryddelse forhold i dage. Til statistisk analyse af hofte og knæ muskel moment impuls i Learner gruppen blev blandet regressionsmodeller med en autoregressiv kovarians struktur bruges tilhver afhængig variabel (hofte muskel moment impuls, knæ muskel drejningsmoment impuls) blandt baseline, erhvervelse og udryddelse forhold i dage. Statistiske analyser blev afsluttet ved hjælp af SAS (version 7.0, SAS Institute Inc.) med alfa-niveau sat til 0,05 for de overordnede F værdier, og justeres ved hjælp af en Bonferroni korrektion for preplanned post hoc sammenligninger.

Procentdel af Forstærket Leg Action

Procentdel af armeret ben handling vurderes at afgøre, om spædbørn har udført og lært opgaven 3. At skildre typiske forskelle i% RLA mellem 3-4 måneder gamle spædbørn, der lærer og ikke lærer opgaven blev 20 spædbørn adskilt i Learners (n = 8) og ikke-elever (n = 12) er baseret på en individuel kriterium læring. De lærende, men ikke ikke-elever, steg betydeligt% RLA mellem dag 2 erhvervelse tilstand og Dag 1 hidtidige tilstand (p <0,001, figur 4). Graftegning resultaternei trin 2 min indeholder oplysninger om tidsforløbet for læringsprocessen. Bemærk den indledende fald i Learner% RLA løbet af de første 2 min af dag 1 erhvervelse betingelse. Spædbørn, der har lært opgaven faldt deres samlede indsats, når barnet mobil begyndte at aktivere, måske først som en orienterende respons, så måske som en strategi til at afgøre, om deres handlinger var forbundet med mobile aktivering.

Position variansen af ​​endeeffektorer

Positionen variansen af ​​endeeffektorer (fod) indeholder oplysninger om den strategi, der anvendes af spædbørn til at udføre opgaven. Det giver også indsigt i, hvad var "lært" af spædbarnet. Elever demonstrerer en af ​​to strategier til at opnå denne opdagelse-learning opgave. Når de vekselvirker med den mobile, hvis tærsklen er høj, over 50% af spædbarnets benlængde over bordet (14-20 cm), lærende (n = 2) reducere variansen af ​​deresfødder i lodret, opgave-specifik retning ved at flytte tæt på tærskelværdien (figur 5). De synes at have lært placeringen af ​​tærskelværdien. Hvis tærskelværdien er lav, mindre end 50% af spædbarnets benlængde over bordet (5-8 cm), lærende (n = 6) øger variansen af deres fødder i den vertikale retning ved at bevæge deres fødder progressivt højere (figur 6) . De synes at have lært at sparke højt. Det ville forventes, at med ekstra dage, ville Lærende med en lav tærskel lære den mindste højde nødvendigt at aktivere den mobile og deres position varians i lodret retning ville falde.

Hip-Knee Angle korrelationskoefficienter

At skildre forskelle i hip-knæ koordinering mønstre blev 20 spædbørn adskilt i Learners (n = 8; 5055 spark analyseret) og ikke-lærende (n = 12; 8240 spark analyseret) baseret på en individuel kriterium læring. De lærende, men ikkeIkke-elever, faldt betydeligt deres hip-knæ vinkel korrelationskoefficient mellem dag 2 erhvervelse tilstand og Dag 1 hidtidige tilstand (p <0,001, figur 7) den. Denne ændring koordinering blev også fundet i de relative fase resultater (tabel 1). Elever demonstrerede mindre i fase hip-knæ koordination, når interagere med den mobile, måske fordi denne samordning mønster forudsat et mere effektivt middel til at aktivere det mobile. Når højden er lav, kan det mest effektive middel til at aktivere den mobile være at bøje og strække hoften under opretholdelse af knæet forlænges. Når højden er høj, den mest effektive måde at aktivere den mobile kan være at opretholde hoften bøjes og flex og udvide knæet. Enten strategi resulterer i mere ud af fase hip-knæ koordinering (hofte bøjer mens knæ strækker) sammenlignet med et spædbarn typiske kicking mønster af næsten synkron fleksion og udvidelse af hofte og knæ.

Hofte og knæ MUS drejningsmoment impuls af lærende. (N = 8; 917 spark) er afbildet i figur 8 Learners signifikant øget hofte MUS drejningsmoment impuls bidrag til drejningsmoment impuls hofte NET mellem Dag 2 udryddelse forhold og alle andre forhold (p <0,001 ). Elever også øget knæ MUS drejningsmoment impuls bidrag til NET impuls knæ drejningsmoment mellem Dag 2 udryddelse forhold og alle andre betingelser, undtagen dag 1 baseline (p <0,001). Det var forventet, at der ville være et fald i moment impuls hofte og knæ MUS mellem dag 2 erhvervelse tilstand og Dag 1 hidtidige tilstand, da det blev antaget, at Learners brugte mindre in-fase hip-knæ koordinering mønster, fordi det var mere den effektiv end en mere i-fase koordination mønster. Denne ændring i MUS drejningsmoment impuls måske ikke er blevet påvist, fordi at beregne enccurate momenter, kun spark, der ikke er i kontakt med overfladen eller det andet ben kan bruges. Kun 917 spark mødte dette kriterium, versus 5055 spark bruges til at dokumentere faldet i hip-knæ korrelationskoefficienter under Dag 2 købet betingelse. Derfor, at faldet i antallet af spark analyserede, om end nødvendigt nøjagtigt at beregne momenter, kan have bidraget til den ikke-signifikant forskel i MUS drejningsmomenter mellem baseline og erhvervelse betingelser. Men en robust konstatering var stigningen i hofte og knæ MUS drejningsmoment impuls under udslettelse tilstand. Børn, som havde lært opgaven syntes at være generere store hofte- og knæ MUS momenter under udslettelse tilstand i et forsøg på at genaktivere den mobile.

Figur 4
Figur 4: Gennemsnitlig procentdel af armeret ben handling fra 2 min interval.Spædbørn blev adskilt i Learners (n = 8) og ikke-elever (n = 12) er baseret på en individuel kriterier læring. Elever steget markant procentdel af armeret ben handling mellem dag 2 erhvervelse tilstand og Dag 1 hidtidige tilstand (justeret p <0,001) i. B = baseline, A = erhvervelse, E = udryddelse.

Figur 5
Figur 5:. Eksempel på en elev med en høj tærskel (14 cm over bordet; 68% af benlængde) Denne spædbarn lærte at flytte fødderne rundt tærsklen under købet tilstand, og derved varians i lodret z-retningen faldende. Bemærk stigningen i varians, når den mobile ikke længere aktiveres under udslettelse tilstand. Rådata fra dag 2 i denne elev er præsenteret i figur 2. B = baseline, A = erhvervelse, E = udryddelse.


Figur 6: Eksempel på en elev med en lav tærskel (7 cm over bordet; 34% af benlængde). Denne spædbarn lærte at løfte hans fødder højere i købet tilstand, og derved øge variansen i lodret z-retningen. B = baseline, A = erhvervelse, E = udryddelse.

Figur 7
Figur 7: Eleverne versus ikke-lærende:. Betyde korrelationskoefficienter af hip-knæ par med 2 min intervaller Spædbørn blev adskilt i Learners (n = 8) og ikke-elever (n = 12) er baseret på en individuel kriterier læring. Elever faldt betydeligt hip-knæ vinkel korrelationskoefficient mellem dag 2 erhvervelse tilstand og Dag 1 hidtidige tilstand (justeret p <0,001) i. B = baseline, A = erhvervelse, E = udryddelse.


Figur 8: Learners: betyder muskel til nettodrejningsmoment impuls af hofte og knæ med 2 min intervaller Learners (n = 8) signifikant forøget hofte muskel drejningsmoment impuls bidrag til hip impuls nettodrejningsmoment mellem dag 2 udryddelse tilstand og alle andre betingelser (den. justerede p <0,001). Elever også steget markant knæ muskel drejningsmoment impuls bidrag til knæet nettodrejningsmoment impuls mellem dag 2 udryddelse tilstand og alle andre betingelser, undtagen dag 1 baseline (justeret p <0,001) i. B = baseline, A = erhvervelse, E = udryddelse.

Kick Peak hastighed Hofteleddet Tilbageførsel Peak hastighed Kick
Indledning 1. halvdel af spark 2. halvdel af spark End
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) *
Ikke-elever 60,3 (5,4) 52,6 (5,5) 53,2 (6,1) 51,8 (6,1) 58,3 (4,8)
Dag 1 Acquisition Learners 64.1 (6.4) * 58,7 (6,6) * 58,3 (7,3) * 58,4 (7,4) * 66,3 (5,6) *
; Ikke-elever 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)
Ikke-elever 44,7 (5,4) 42,6 (5,5) 39,3 (6,1) 37,8 (6,1) 48,6 (4,8)
Dag 2 Acquisition Learners 76,3 (6,4) ** 70,5 (6,6) ** 70,5 (7,3) ** 70,3 (7,3) ** 73,2 (5,6) **
Ikke-elever 47,6 (5,2) 42.3 (5.4) 38,7 (5,9) 36,6 (6,0) 47,5 (4,6)
Dag 2 ekstinktionsenheder Learners 65,6 (6,6) 60,5 (6,7) 61,7 (7,4) 61,7 (7,5) 66,7 (5,8)
Ikke-elever 48,1 (5,3) 46,7 (5,5) 43,9 (6,0) 42.3 (6.1) 49,8 (4,7)

Tabel 1: Eleverne versus ikke-elever: relative fase af hip-knæ par af tilstand Spædbørn blev adskilt i Learners (n = 8) og ikke-lærende (n = 12) er baseret på en individuel kriterier læring. Inden gruppe, lærende steget markant hip-knæ vinkel i forhold fase ved alle 5 tidspunkter mellem dag 2 erhvervelse tilstand og Dag 1 hidtidige tilstand (mindre i fase koordination) den. Mellem grupperne, lærende, sammenlignet med ikke-elever, havde signifikant øget hip-knæ vinkel i forhold fase (mindre i fase koordinering) på alle 5 tidspunkter i løbet af dag 2 erhvervelse betingelse. Bemærk: SE = stAndard fejl. * = Faldt betydeligt fra Learner Acquisition Dag 2, p <0,001 (mere i-fase); ** = Signifikant øget fra ikke-Learner Acquisition Dag 2, p <0,001 (mindre i fase)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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. Desuden kan pårørende og eksperimentatorer tilvejebringe yderligere forstærkning til at støtte spædbarnet ydeevne. Særlige regler, som beskrevet her, er afgørende for at sikre, at spædbørn uafhængigt opdager uforudsete uden påvirkning udefra.

Det er også vigtigt, at den afhængige foranstaltning indsamlet under en opdagelse-learning opgave er følsom over for ændringer i ydeevnen. Det mest kritiske aspect i dette paradigme er fastsættelsen af ​​tærsklen for aktivering af spædbarnet mobil. Hvis tærsklen er placeret for højt over bordet, kan barnet ikke aktivere den mobile hyppigt nok under erhvervelse at fastslå, at det er hans ben handling, der aktiverer den mobile. Hvis tærsklen er placeret for lavt, kan barnet have sådan et højt niveau af% RLA ved baseline, at det er usandsynligt, at barnet vil være i stand til at øge% RLA tilstrækkeligt under erhvervelse til påvisning af virkning eller læring; for eksempel, ville et spædbarn med en baseline% RLA på 50% på dag 1 har brug for at aktivere den mobile for 75% af 6 min erhvervelse tilstand Dag 2 for at opfylde de enkelte kriterier læring. Pilot test bekræftede, at en standard tærskel for hvert spædbarn ikke kunne anvendes, snarere tærsklen skal beregnes individuelt for hvert spædbarn fra deres baseline spontane ben indsats for at sikre, at baseline% RLA er ca. 20-30% af hver barnets ben handling. Indsamling og analyse af positionsdata fra spædbarn ben handlinger

Denne metode bruger positionsdata indsamlet fra stive legemer er knyttet til fælles segmenter, standardmetoden i voksen biomekanisk analyse. Tidligere forskning på spædbarn ben tiltag har samlet positionsdata fra individuelle lysdioder fastgjort til fælles centre 13-15,23-28. Indsamling af data fra stive legemer versus individuelle lysdioder har flere fordele. Første, stive legemer bevæger sig mindre og falder meget sjældent sammenlignet med individuelle lysdioder. Dette giver mulighed for længere dataindsamlinger (8-10 min) uden afbrydelser at erstatte manglende markører, som kan distrahere spædbørn fra deres opdagelse-learning opgave. For det andet, stive legemer giver mulighed for en komplet 3D kinematisk og kinetisk analyse af fælles bevægelse. Data indsamlet med individuelle IREDs analyseres og rapporteres som om bevægelse forekommer kun i sagittalplanet bevægelser fleksion og ekstension. Dette fører til incomplete kinematiske data. Data indsamlet med individuelle IREDs begrænser også kinetisk analyse til et 2D kinetisk tilgang, der sandsynligvis giver skøn unøjagtige drejningsmoment under spædbarn kicking handlinger, som ikke primært opstår i sagittalplanet. Selvom brugen af ​​stive legemer er en væsentlig fremgang i spædbarn biomekanisk forskning, er spædbarn stive legemer i øjeblikket ikke købes og kræver brugerdefinerede fabrikation.

Begrænsninger

En begrænsning ved metoden er, at den er begrænset til laboratoriet på grund af anvendelsen af ​​et motion capture system. Rekruttere unge spædbørn til at deltage i laboratorie-baserede undersøgelser på tværs af flere dage er udfordrende.

Denne mobile paradigme rapporterer lavere procentsatser af spædbørn, der lærte opgaven i forhold til tidligere mobile paradigmer. På grund af flere unikke funktioner i denne paradigme, kan spædbørn kræve mere end 2 dage for at demonstrere læring. Første, ifants er ikke påvist, at de mobile bevæger sig, snarere de uafhængigt opdage uforudsete som deres sonderende foranstaltninger ben aktivere mobil. For det andet paradigme kræver mere raffineret ben handling end tidligere mobile paradigmer og tilskynder til en mere moden, out-of-fase hip-knæ koordination mønster, der kan være svært for børn at lære at generere to dage 3. For det tredje kan spædbørn ikke påvise, ydelse eller læring ved at øge ben handlinger, når de mobile stopper aktiverende (dvs. under baseline eller udslettelse 5), snarere spædbørn har brug for at forblive i indgreb med den opgave og øge mobile forstærkning for hele 6 min erhvervelse tilstand Dag 2 til demonstrere læring. På grund af disse unikke egenskaber, antages det, at en stigning i det antal dage, der deltager i opgaven kan resultere i flere spædbørn lære opgaven.

Fremtidige applikationer

Denne opdagelse-learning opgave kan lead til ny indsigt i, hvordan spædbørn lærer at ændre deres spontane bevægelser til at udføre opgave-specifikke handlinger. Ved at spore ben handlinger spædbørn, mens der deltager i en opdagelse-læringsmiljø, blev det påvist, at spædbørn ændre placeringen variansen af ​​deres endeeffektorer (fod), deres hip-knæ koordinering mønstre, og deres hofte og knæ MUS drejningsmoment impuls. Denne information kan bestemme optioner spædbørn har til rådighed for dem, når interagere med deres miljø, og hvordan de udnytter disse muligheder for at lære opgave-specifikke handlinger. Det giver også et middel til at undersøge ikke blot, hvordan spædbørn lærer en opgave, men hvad de er ved at lære. For eksempel Lærende med en lav tærskel syntes at lære at sparke højere, hvorimod Lærende med en høj tærskel syntes at lære placeringen af ​​tærskelværdien.

Spædbørn med risiko for bevægelsesforstyrrelser giver en unik prøve at undersøge spædbarn begrænsninger, der bidrager til opgave-specifikke ændringer i lovion. Den underliggende patologi, der placerer spædbørn i fare bidrager til forskelle i benet handling på grund af funktionsnedsættelser, såsom nedsat selektiv fælles bevægelse og nedsat kraft-produktionskapacitet af muskler. Sporing ben handlinger spædbørn med risiko for bevægelsesforstyrrelser i løbet af denne eller andre discovery-learning opgaver kan give mulighed for at kvantificere, hvordan specifikke nedskrivninger bidrager til forskelle i opgave-specifikke ben handling og også forskelle i, hvordan opgaverne lært.

Når det er kendt, hvor specifikke svækkelser af forskellige populationer af udsatte spædbørn indflydelse tidligt ben handling, kan mere principfast forskning der foretages for at fastslå, hvor tidligt ben handling kan optimeres til faglært funktion. Discovery-learning paradigmer kan være designet til at støtte tiltag ben og indlæring af spædbørn med risiko for bevægelsesforstyrrelser. Konkret kan miljøer konstrueres således, at de ønskede koordinering mønstre eller force-produktionskrav eropdaget af spædbørn, når de udforsker forholdet mellem deres ben handling og dens virkninger i byggede miljø. Disse typer af discovery-learning paradigmer kunne ikke blot støtteben handling, men kunne også støtte læring evner unge udsatte spædbørn.

Sammenfattende er en metode, der er beskrevet, hvor 3-4 måneder gamle spædbørn lærer en opgave ved opdagelse og deres benbevægelser opfanges at kvantificere læringsprocessen. Sporing bevægelser spædbørn mens de deltager i discovery-learning opgaver kan give mulighed for at kvantificere læreprocessen som spædbørn udforske forholdet mellem deres indsats og dens virkninger på verden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

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

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gibson, E. J., Pick, A. D. An Ecological Approach to Perception, Learning and Development. Oxford University Press. New York, NY. (2000).
  2. Thelen, E., Smith, L. B. A Dynamic Systems Approach to the Development of Cognition and Action. MIT Press. Cambridge, MA. (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. The economics of infancy: A review of conjugate reinforcement. Adv Child Dev Behav. Reese, H. W., Lipsitt, L. P. 13, Academic. 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. CRC Press. Boca Raton, FL. (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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics