Kvantifisere læring i små spedbarn: Tracking Leg Handlinger Under en Discovery-læring Oppgave

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

Oppgave-spesifikke handlinger dukke opp fra spontan bevegelse i spedbarnsalder. Det har blitt foreslått at oppgavespesifikke handlinger dukke opp gjennom et funn-læringsprosessen. Her en metode er beskrevet der 3-4 måneder gamle spedbarn lære en oppgave ved funn og deres benbevegelser fanges å kvantifisere læringsprosessen. Denne oppdagelsen-læring oppgaven bruker et spedbarn aktivert mobil som roterer og spiller musikk basert på spesifiserte etappe handling av spedbarn. Liggende spedbarn aktivere mobil ved å bevege føttene vertikalt over en virtuell terskel. Dette paradigmet er unik i at som spedbarn uavhengig oppdager at deres ben handlinger aktivere mobile, de spedbarns benbevegelser spores ved hjelp av et motion capture system som åpner for kvantifisering av læringsprosessen. Spesielt er læring kvantifiseres i form av varigheten av mobile aktivering, posisjonen variansen av ende effektorer (fot) som aktiverer mobile, endringer i hip-kne koordineringsjonsmønstre, og endringer i hofte og kne muskel dreiemoment. Denne informasjonen beskriver spedbarn utforskning og utnyttelse på samspillet mellom person og miljømessige begrensninger som støtter oppgavespesifikke tiltak. Senere forskning ved hjelp av denne metoden kan undersøke hvordan spesifikke svekkelser av forskjellige populasjoner av spedbarn med risiko for bevegelsesforstyrrelser påvirke oppdagelsen-læringsprosessen for oppgavespesifikke tiltak.

Introduction

Oppgave-spesifikke handlinger dukke opp fra spontane bevegelser i spedbarnsalder. Det er foreslått at oppgavespesifikke handlinger dukke opp gjennom et funn-læringsprosessen 1,2. Oppgaver blir oppdaget av spedbarn som de spontant flytte og utforske handlinger som produserer nye virkninger i miljøet. Oppgavespesifikke handlinger fremstå som spedbarn utnytte sammenhengene mellom sine handlinger og deres effekt på verden rundt dem. Men lite er kjent om de nøyaktige prosesser som spedbarn utforske og utnytte for å lære å endre sine spontane bevegelser for å utføre oppgavespesifikke handlinger. Her en metode er beskrevet der 3-4 måneder gamle spedbarn lære en oppgave ved funn og deres benbevegelser fanges å kvantifisere læringsprosessen.

Figur 1

Figur 1: Infant sparker-aktivert mobil oppgave. et al. 3

Denne oppdagelsen-læring oppgaven bruker et spedbarn aktivert mobil som roterer og spiller musikk basert på det angitte beinet handlingen av spedbarn tre. Spedbarn plassert liggende under mobile aktivere den ved å flytte føttene vertikalt over en virtuell terskel (figur 1). Dette paradigmet er unik i at som spedbarn uavhengig oppdager at deres ben handlinger aktivere mobile, de spedbarns benbevegelser spores ved hjelp av et motion capture system som åpner for kvantifisering av læringsprosessen.

Den eksperimentelle protokollen omfatter to dager med datainnsamling. Dag 1 består av en 2 min opprinnelige tilstand der et spedbarn sparker spontant, men beinet hans handlingerkan ikke aktivere spedbarn mobil, etterfulgt av en 6 min oppkjøpet tilstand der spedbarnets leg handlinger aktivere spedbarn mobile dersom barnet flytter føttene vertikalt for å krysse en virtuell terskel. Denne protokollen tillater kvantifisering av spedbarns ben spontane handlinger samt kvantifisering av ulike aspekter av bevegelsene som spedbarn undersøke forholdet mellom deres ben handlinger og aktivering av spedbarn mobile. På dag 2, i tillegg til 2 min opprinnelige tilstand og 6 min anskaffelse tilstand, er en 2 min utryddelse tilstand tilsettes der spedbarnets legg handlinger ikke aktiverer spedbarn mobile. Dette åpner for kvantifisering av hvordan spedbarn endre sine ben handlinger når en allerede lært miljørespons er avviklet.

I tidligere babymobil paradigmer, hyppighet av ben bevegelser 4-6, spesifikk hofte og kne vinkler 7,8, eller sparker et panel 9 har vært reinforced med mobile bevegelse. Ytelse hver dag ble definert som en økning i disse bein handlinger under oppkjøpet eller utryddelse tilstand i forhold til opprinnelige tilstand 4-9. Læring på tvers dager ble definert som en økning i disse bein handlinger under baseline eller oppkjøp tilstand Dager 2 eller 3 og baseline tilstanden Dag 1 5,6. Disse tidligere mobile paradigmer viser at spedbarn øke hyppigheten av leg handlinger som er forsterket med mobile aktivering, men har de ikke gi informasjon om bevegelsen alternativer spedbarn har tilgjengelig for dem når de skal lære oppgaven. For eksempel, hvis sparker rente er forsterket, spedbarn demonstrere ytelse og læring når deres sparker renteøkninger enten når vi samhandler med mobil eller når mobil ikke lenger aktiveres. Dette viser at spedbarn kan avgrense sparker rate, men det er ukjent om spedbarn kan finjustere sine ben koordinering mønster eller dreiemoment produksjon til vanligvis genererere leg handlinger som ikke er innenfor deres foretrukne bevegelsen repertoar.

Denne mobil paradigmet er unik i at spedbarn er pålagt å demonstrere mer raffinert etappe handling for å aktivere den mobile enn tidligere mobil paradigmer. I denne mobile paradigmet, er høyden på hver fot over bordet beregnet i løpet av 2 min opprinnelige tilstand ved hjelp av posisjonsdata fra en lysemitterende diode (LED) som er festet til hver fot. En virtuell terskel blir så satt parallelt med bordet i en høyde som ligger innenfor den øvre del av høyden av begge føtter under opprinnelige tilstand. Under oppkjøpet, mobil roterer og spiller musikk hvis begge føtter krysser terskelen. Etter 3 sek, mobil stopper og reaktiverer bare hvis barnet flytter foten under terskelverdien, og deretter beveger foten vertikalt og igjen krysser terskelen. For å aktivere mobil for den største mengden av tid, spedbarn trenger å flytte en fot over terskelen og vedlikeholde det mot gravligheten i 3 sekunder, deretter raskt bevege foten under terskelen og igjen flytte den over terskelen og hold den der i 3 sek, osv. Dette krever mer raffinert etappe handling enn bare å øke sparker rate.

Figur 2

Figur 2: Ufiltrerte posisjonsdata til slutt effektorer (fot) fra en representant spedbarn Ufiltrert posisjonsdata fra dag to av en tre måneder gammel baby som demonstrerte læring basert på de individuelle lærings kriterier.. Den røde linjen er posisjonsdata i z-koordinat av light-emitting diode (LED) som er plassert på høyre fot. Den blå linjen er posisjonsdata fra LED på venstre fot. Tykk svart linje er tabellen. Stiplet linje er den virtuelle terskelen plassert 14 cm over bordet som bestemmes individuelt for hver spedbarn basert på høyden av deres sparke under baselinebetingelse av Dag 1. X-aksen er tid merket med to minutters mellomrom. Legg merke til hvordan barnet beveger føttene under baseline når mobil ikke aktivere og i løpet av første 30 sek av oppkjøpet en, så han konsekvent holder begge føttene av bordet og flytter føttene rett rundt terskel for neste 5½ min til mobil ikke lenger aktiveres i løpet av utryddelse tilstand.

Den andre unike med denne mobil paradigmet er at hver barnets ben handling spores ved hjelp av state-of-the-art motion capture teknikker for å kvantifisere hvordan spedbarn bruke sine bevegelses alternativer for å lære oppgaven. Ufiltrerte posisjonsdata i LED på hver fot som aktiverer mobil fra en representant spedbarn er inkludert i figur 2. Legg merke til hvordan barnet beveger føttene på ulike høyder over tabellen under baseline og første del av oppkjøpet, men beveger seg deretter begge føttene rett rundt terskel under resten av oppkjøpet Condisjon til mobil ikke lenger aktiveres under utryddelse. Dette er en av mange mulige bevegelses strategier for å oppnå oppdagelsen-læring oppgave. Strategiene kan kvantifiseres ved å beregne tredimensjonale kinematikk og kinetikk ved hjelp av posisjonsdata anskaffet fra motion capture-systemet. Spesielt er læringsprosessen kvantifiseres i form av prosentandelen av jern ben virkning (% RLA), som er lik varigheten av mobile aktivering stilling variansen av ende effektorer (fot) som aktiverer den mobile, hofte-kne koordinerings mønstre og hofte og kne felles momentene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

The Institutional Review Board ved University of Southern California godkjent denne studien.

1. Klargjøring av systemet

  1. Sett opp motion capture-systemet. Vennligst merk: disse trinnene er forskjellig for hver motion capture system.
    1. Juster koordinatsystemer av de to motion capture sensorer til at av en sensor ved å klikke på "Utfør Ny registrering" i motion capture-program, inn i en samling tid på 30 sek, klikke på "Registrer" og flytte registreringen objekt innenfor volumet fangst i 30 sek. Når registreringen er fullført, observere en root mean square (RMS) registreringsfeil på dataskjermen.
    2. Juster det globale koordinatsystemet til testing tabellen ved hjelp av registrering objekt ved å klikke "Utfør New Alignment" i motion capture program.
      1. Definer opprinnelse ved å plassere registrerings object i øvre høyre hjørne av testing tabellen og klikke "Digitize" i motion capture program. Definere Z-aksen ved å plassere registrerings objektet på toppen av en boks og klikke på "Digital"; Z-aksen er perpendikulær på bordet.
      2. Definer Z / Y + planet ved å flytte registrerings objekt på boksen langs lengden av bordet og klikke på "Digital"; Y-aksen er parallell med lengden av bordet og X-aksen er parallell med bredden på bordet.
    3. Plugg lysdioder i to strobe-porter og angi antall LED per strobe havn innenfor motion capture system program (24 for strobe port 1 og 20 for strobe port 2). Se Figur 3 for antallet og plasseringen av hver LED. Velg mangler data sikte på å gi en stripe chart-lignende skjerm av lysdioder spores i sanntid.
      Figur 3
  2. Sett opp barnet mobile dataprogram.
    1. Input antall minutter for hver tilstand. For Dag 1, inngang 2 for fase 1 (2 min baseline, ikke-forsterkning tilstand), 6 for fase 2 (6 min oppkjøpet, armering tilstand), og 0 for fase 3 (0 min utryddelse, ikke-forsterkning tilstand).
    2. For Dag 2, inngang 2 for fase 1 (baseline), 6 for fase 2 (kjøp), 2 for fase 3 (utryddelse), og kryss av "Bruk Zmin as Default", slik at terskelen beregnet under baseline av Day1 blir terskelen brukes for oppkjøpet tilstanden Dag 2.
    3. Velg "StreamframesAllFrames" og klikk "Send" for å aktiveremobile program å bruke data fra motion capture-systemet for å aktivere barnet mobile basert på gitte kriterier.
  3. Sett opp videokameraer.
    1. Starte videoen dataprogram for de tre synkroniserte videoer (høyre lateral, venstre side, overhead visninger).
    2. Start ekstra videokamera over barnets hode for å registrere ansiktsuttrykk og øye blikket.

2. Infant Forberedelse

  1. Beskriv eksperimentet til foreldrene og informere dem til å samhandle så lite som mulig med deres spedbarn.
    MERK: Si foreldrene at dersom barnet ikke blir irriterende gjennom hele forsøket, bør foreldre sitte ved siden av barnet utenfor deres syn, men hvis barnet blir irriterende det er en progresjon av interaksjon med spedbarn.
    1. Først, spør foreldrene for å si: "Alt er greit, jeg er akkurat her," på en betryggende tone.
    2. Sekund, spørforeldre til å stå i barnets syn mens betryggende barnet.
    3. Tredje, spør foreldrene for å enten holde en av spedbarnets hender eller gi barnet en smokk.
      MERK: minst mulig forelder samhandling er nødvendig for å holde barnet rolig og varsling er gitt og avsluttes så raskt som mulig.
  2. Kle av barnet, plasserer barnet under spedbarn mobil, og sikre barnet til bordet ved hjelp av en borrelås bånd plassert over bagasjerommet.
  3. Etter at barnet er festet til bordet, plassere sternum markører og bekken, lår, skaft og fot stive kropper på spedbarn.

3. Infant Mobile Learning Task

  1. Hver dag, initiere mobil læring oppgaven ved synkront starter motion capture-systemet, mobil dataprogram, og videokameraer.
    1. På begge dager fra min 0 til 2, den opprinnelige tilstand, observere barnet spontant sparker.
    2. På dag 1 i løpet av 2 min opprinnelige tilstand, observere så barnet mobile programmet beregner terskelen for mobil aktivering basert på z-data fra en av lampene på den stive kroppen på hver fot kontinuerlig. Eksempel markør 9 på høyre fot og markør 21 på venstre fot. Marker 9 er sentrum LED på høyre foten stiv kropp sirklet i gult i figur 1. Marker 21 er sentrum LED på venstre foten stiv kropp.
    3. Ved slutten av den 2 min linjen, vil den mobile programmet satt terskelen i en høyde av ett standardavvik (SD) over den gjennomsnittlige høyden av begge føtter i løpet av 2 min opprinnelige tilstand.
    4. På begge dager fra min 2 til 8, oppkjøpet tilstand, observere som spedbarn mobile roterer og spiller musikk når LED plassert på hver fot krysser terskelen beregnet i løpet av 2 min opprinnelige tilstand fra dag 1.
      MERK: Mobile aktivering vil fortsette så lenge som foten er over den virtuelle terskelen til et maksimum på 3 sek. Etter 3 sek, mogallen vil aktivere bare dersom barnet beveger foten under den virtuelle terskel, og deretter beveger foten vertikalt og igjen krysser terskelen. Denne "3 sek regelen" oppfordrer aktive benet utforskende bevegelser versus holder føttene over terskelen.
    5. På dag 2 fra min 8-10, utryddelse tilstand, observere så barnet sparker spontant uten mobil forsterkning.
  2. Etter barnet kommuniserer med mobilen, samle en statisk kalibrering prøve å definere et lokalt koordinatsystem for hver etappe segment og definere et referanse konfigurasjon for hver kroppsdel ​​segment i verdensrommet.
    1. Fix ti individuelle lysdioder bilateralt til barnets hud ved hjelp av tosidige EKG krager på følgende steder: sidelinjen av bagasjerommet under den tiende rib, større trochanter av hoften, lateral kneleddet linje, ankel lateral malleol og distal ende av 5. metatarsal.
    2. Hold barnets underekstremitetene ien utvidet, anatomisk stilling i 5 sek. Alle leddvinkler i denne kalibreringsposisjonen er definert som 0 °.
  3. På dag to, samle antropometriske data.
    1. Veie hvert spedbarn på et digitalt elektrisk skala.
    2. Ta følgende målinger: total lengde av barnet; omkrets ved mid-segmentet av låret, leggen og foten; Bredden av kneet (ved kneleddet line), ankel (ved malleoli), og foten (ved metatarsale hoder); og lengde av låret (trochanter major til kneleddet linje), skaft (kneleddet linje til laterale malleolus), og foten (mediale malleolus til første metatarsophalangeal felles).

4. Data Analysis

  1. Analysere resultatene og læring ved å beregne% RLA under hvert 2 min intervall på forsøket å bruke en tilpasset computing språkprogram som for eksempel Matlab. Beregn varigheten av tiden en eller begge av de lysdioder på hver fot som aktivert mobil var over terskelen. Sidenden mobile ikke aktiveres etter et intervall på tre sekunder, trekker varigheten av tiden der en eller begge lampene var over terskelen for mer enn en 3 sek intervall.
    1. Måle resultatene av gruppen hver dag ved statistisk analyse av hvorvidt% RLA på ett av de tre, 2 min oppkjøps intervaller vesentlig overstiger 2 min baseline intervall 3,4,7,9,10.
    2. Kategorisere individuelle spedbarn som har utført den oppgaven hver dag dersom% RLA i løpet av et 2 minutters intervall anskaffelse er lik eller større enn 1,5 ganger% RLA i 2 min referanseintervall 3,4,6,9,10.
    3. Mål læring av gruppen over dager ved å bestemme statistisk vidt% RLA under hele 6 min oppkjøpet tilstand Dag 2 overstiger% RLA under opprinnelige tilstand Dag 1 3,6.
    4. Kategorisere enkelt spedbarn som Learners dersom% RLA under hele 6 min oppkjøpet tilstanden Dag 2 er lik eller greater enn 1,5 ganger grunnlinjen tilstand Dag 1 3,6,11.
  2. Analyser opphisselse og oppmerksomhet ved å kode videokassetter under hvert 2 min intervall av forsøket. Den nervøse skalaen er definert som: døsig = 1, våken og aktiv = 2, våken og aktiv = 3, masete = 4, og gråt = 5 3,8,11. Oppmerksomheten skala er definert som: 0 = ikke ser på den mobile, 1 = ser på den mobile 3,8.
  3. Prosessposisjonsdata og ekstrakt spark bruker tilpassede Matlab programmer.
    1. Load posisjonsdatafiler ut fra den motion capture-systemet til en tilpasset Matlab program for å interpolere manglende data om posisjon (maksimalt 20 sammenhengende rammer) ved hjelp av en kubisk spline.
    2. Laste interpolerte filer til en tilpasset Matlab program for å (a) filter posisjonsdata ved hjelp av en fjerde ordens Butterworth med en cut-off frekvens på 5 Hz som bestemmes fra makten spektrum analyse, og (b) beregne følgende leddvinkler: hoftefleksjon / forlengelse, hip bortføring/ Adduksjon, hip ekstern / intern rotasjon, kne bøy / strekk, ankelen inversjon / vrengingen, ankel dorsiflexion / plantarflexion som beskrevet i 12 år.
    3. Laste vinkel filer til en tilpasset Matlab program for å trekke spark. Definere begynnelsen av et kick som utbruddet av en kontinuerlig bevegelse av bena der hofte eller kneleddet vinkel endring oversteg 11,5 ° (0,2 radianer) enten fleksjon eller forlengelse 3,9,13-15 inn. Definer slutten av skudd som rammen av peak forlengelse etter en fleksjon bevegelse eller peak fleksjon etter en forlengelse bevegelse 3,9,14.
  4. For alle spark, beregne kinematiske parametrene bruker tilpassede Matlab programmer.
    1. Compute posisjon variansen i z-retningen (vertikal, oppgave bestemt retning) av LED på hver fot som aktiverte mobil tre.
    2. Beregn hoftefleksjon / forlengelse og kne fleksjon / skjøte felles sammenhenger bruker Pearson korrelasjonskoeffisienter (r) på null etterslepmellom hofte og kne felles vinkel utflukter. Å sammenligne korrelasjoner (r) blant spedbarn, konvertere hip-kneleddet vinkel korrelasjoner til Fisher Z score 3,9,15.
    3. Time-normalisere leddvinkel data, deretter beregne hoftefleksjon / forlengelse og kne bøy / strekk kontinuerlig relativ fase (CRP) fra vinkelposisjon / hastighetsdata 16,17. Analyser av resultatene av CRP beregnings ved følgende fem tidspunkter: (a) i begynnelsen av et skudd, (b) topphastigheten til det første segment, (c) ledd reversering, (d) topphastighet av det andre segment, og (e ) enden av spark tre.
  5. For alle spark, identifisere ikke-kontakt spark ved å se på synkrone videodata. Beregne kinetiske parametere for ikke-kontakt spark bruker tilpassede Matlab programmer.
    1. Beregn segmental masse og sentrum-of-mass fra ligninger modifisert for spedbarn fra Hatze sin antropometriske modell for voksne 18. Beregne 3D øyeblikk av treghetlåret, leggen og foten segmenter fra ligninger modifisert for spedbarn fra Jensens antropometriske modell for voksne 19.
    2. Beregn vilkårene i følgende ligning av bevegelse ved hjelp av skruen teorien om romlige manipulasjoner 20.
      ligning 1
      er utledet ved bruk av Lagrange-tilnærming, der M (θ) er treghetsmassen, theta1 Coriolis og sentrifugal dreiemoment matrise, N (θ) gravitasjons (GRA) Moment og T muskelen (MUS) momentene.
    3. Beregn felles momentene ved bruk av 3D-kinematiske data fra ikke-kontakt spark, body-segmentet treghet parametere, og biomekanisk bevegelsesligningen.
    4. Partisjonere nettet (NET) dreiemoment ved hvert ledd i bevegelsesavhengige (MDT), GRA, og MUS dreiemoment bidrag 21. Nettomoment er direkte proporsjonal med de akselerasjoner ved hver skjøt.MDT moment er knyttet til de passive dreiemomenter forbundet med mekaniske samspill mellom de bevegelige sammenhengende segmenter av lem. GRA dreiemoment er relatert til den passive tyngdekraften som virker nedover på lem. MUS dreiemoment inkluderer styrker fra aktive muskelsammentrekninger og passive deformasjoner av muskler, sener, leddbånd og andre periartikulære vev.
    5. For hofte og kne separat, beregne dreiemoment impuls som størrelsen på bidraget fra hver partisjonert dreiemoment (MUS, GRA, MDT) til NET dreiemoment. Beregn den positive eller negative dreiemoment impuls (moment * tid) i løpet av intervaller hvor kneet MUS dreiemoment handlet i samme eller motsatt retning i forhold til kneet nettomomentet. Utfør den samme utregningen med kneet GRA og MDT moment og hip MUS, GRA, og MDT momentene. For hofte og kne separat, sum alle positive og negative impulser for hvert moment komponent for å gi et mål på størrelsen av bidraget fra hver partisjonerte dreiemoment impulse (MUS, GRA, MDT) til NET dreiemoment impuls.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Læringsprosessen for små spedbarn kan kvantifiseres i form av% RLA, posisjon varians av ende effektorer (fot), hip-kne vinkel korrelasjonskoeffisienter, og hofte og kne felles momentene. Hvert nivå av analysen gir unik informasjon om hvordan spedbarn utforske forholdet mellom sine ben handlinger og aktivering av baby mobil under oppdagelsen-læringsprosessen.

For den statistiske analysen av% RLA og hip-kne vinkel korrelasjonskoeffisienter, blandet regresjonsmodeller med en autoregressiv kovarians struktur og gruppe (Learners, Ikke-elever) som mellom-faget faktor ble brukt for å teste forskjeller i hver avhengig variabel (% RLA, hip-kne korrelasjonskoeffisient) blant baseline, oppkjøp og utryddelse forhold over dager. For den statistiske analysen av hofte og kne muskel dreiemoment impuls innenfor Learner gruppen, ble blandet regresjonsmodeller med en autoregressiv kovarians struktur som brukes forhver avhengig variabel (hip muskel dreiemoment impuls, kne muskel dreiemoment impuls) blant baseline, oppkjøp og utryddelse forhold over dager. Statistiske analysene ble utført ved hjelp av SAS (versjon 7.0, SAS Institute Inc.) med alfanivået satt til 0.05 for generelle F verdier og justeres ved hjelp av en Bonferroni korreksjon for preplanned post hoc sammenligninger.

Prosent av Reinforced Leg Handling

Prosent av armert beinet handlingen er vurdert til å avgjøre om spedbarn har utført og lært oppgaven tre. Å skildre typiske forskjeller i% RLA mellom 3-4 måneder gamle spedbarn som lærer og ikke lærer oppgaven, ble 20 barn delt inn Learners (n = 8) og ikke-elever (n = 12) basert på individuell læring kriterium. Elevene, men ikke non-elever, betydelig økt% RLA mellom Dag 2 oppkjøpet tilstand og Dag 1 opprinnelige tilstand (p <0,001, figur 4). Grafisk fremstilling av resultatenei 2 min intervaller gir informasjon om tidsforløpet av læringsprosessen. Legg merke til den første nedgangen i Learner% RLA i løpet av første 2 min på dag 1 oppkjøpet tilstand. Spedbarn som lærte oppgaven redusert sine samlede tiltak når barnet mobile begynte å aktivere, kanskje først som en orienteringsrespons, så kanskje som en strategi for å avgjøre om deres handlinger var assosiert med mobil aktivering.

Posisjon Avvik fra slutten Effektor

Posisjonen variansen av ende effektorer (fot) gir informasjon om strategi som brukes av spedbarn for å utføre oppgaven. Det gir også innsikt i hva som ble "lært" av barnet. Elever demonstrere en av to strategier for å oppnå denne oppdagelsen-lærings oppgave. Ved å kommunisere med den mobile, dersom terskelen er høy, over 50% av barnets ben lengde over bordet (14-20 cm), elever (n = 2) redusere variansen av sinfot i den vertikale, oppgavespesifikke retning ved å bevege seg i nærheten av terskelen (figur 5). De synes å ha lært plassering av terskelen. Dersom terskelen er lav, mindre enn 50% av barnets ben lengde over bordet (5-8 cm), elever (n = 6) øker variansen av sine føtter i vertikal retning ved å bevege føttene progressivt høyere (figur 6) . De ser ut til å ha lært å sparke høyt. Det ville være forventet at med flere dager, ville elever med en lav terskel lære minimumshøyden er nødvendig for å aktivere den mobile og deres posisjon varians i vertikal retning vil avta.

Hip-knevinkel korrelasjonskoeffisienter

Å skildre forskjeller i hip-kne samordnings mønstre, ble 20 barn delt inn Learners (n = 8; 5055 spark analysert) og ikke-Learners (n = 12; 8240 spark analysert) basert på individuell læring kriterium. Elevene, men ikkeIkke-elever, sunket betraktelig sin hip-knevinkel korrelasjonskoeffisient mellom Dag 2 oppkjøpet tilstand og Dag 1 opprinnelige tilstand (p <0,001, figur 7). Denne koordinering endringen ble også funnet i den relative fase resultater (tabell 1). Elever demonstrerte mindre i fase hip-kne koordinering når vi samhandler med mobilen, kanskje fordi denne samordningen mønsteret gitt en mer effektiv måte å aktivere mobil. Når høyden er lav, kan det mest effektive middel for å aktivere den mobile være å bøye og strekke hoften under opprettholdelse av kneet utvidet. Når høyden er høy, er den mest effektive måten for å aktivere den mobile kan være å opprettholde hofte bøyes og bøy og strekker seg i kneet. Enten strategi resulterer i mer out-of-fase hip-kne koordinering (hofte bøyer mens kneet strekker), sammenlignet med et spedbarn typiske sparker mønster av nesten synkron fleksjon og ekstensjon i hofte og kne.

Hofte og kne MUS dreiemoment impuls av elevene. (N = 8; 917 kicks) tegnes i figur 8 Elever betydelig økt hip MUS dreiemoment impuls bidrag til hip NET dreiemoment impuls mellom Day to utryddelse forhold og alle andre forhold (p <0,001 ). Elever også økt kneet MUS dreiemoment impuls bidrag til NET kneet dreiemoment impuls mellom Day to utryddelse forhold og alle andre forhold unntatt Dag 1 baseline (p <0,001). Det var ventet at det ville være en reduksjon i hofte og kne MUS dreiemoment impuls mellom Dag 2 oppkjøpet tilstand og Dag 1 opprinnelige tilstand siden det ble antatt at elevene brukte mindre i fase hip-kne koordinering mønster fordi det var mer mer effektiv enn en i-fase-koordinasjon mønster. Denne endringen i MUS dreiemoment impuls kanskje ikke blitt demonstrert fordi å beregne enccurate momentene, bare spark som ikke kontakt overflaten eller det andre benet kan brukes. Kun 917 spark møtte dette kriteriet, kontra 5055 spark brukes til å dokumentere reduksjon i hip-kne korrelasjonskoeffisienter under Dag 2 oppkjøpet tilstand. Derfor er reduksjon i antallet av spark analysert, men er nødvendig for å nøyaktig beregne dreiemomenter, kan ha bidratt til den ikke-signifikant forskjell i MUS dreiemomenter mellom grunnlinjen og innhentings betingelser. Var imidlertid en robust funn økningen i hofte og kne MUS dreiemoment impuls under utryddelse tilstand. Spedbarn som hadde lært oppgaven viste seg å være generere store hofte og kne MUS momentene i løpet av utryddelse tilstand i et forsøk på å reaktivere mobil.

Figur 4
Figur 4: Gjennomsnittlig prosentdel av armert ben handling av 2 min intervaller.Spedbarn ble separert i Learners (n = 8) og ikke-elever (n = 12) basert på en individuell lærings kriterier. Elever betydelig økt andel av armert beinet handlingen mellom Dag 2 oppkjøpet tilstand og Dag 1 opprinnelige tilstand (justert p <0,001). B = baseline, A = oppkjøp, E = utryddelse.

Figur 5
Figur 5:. Eksempel på en Learner med en høy terskel (14 cm over bordet; 68% av benlengde) lærte Dette barnet å bevege føttene rundt terskel under oppkjøpet tilstand, og dermed redusere variansen i vertikal z-retning. Legg merke til økningen i variansen når mobil ikke lenger aktiveres i løpet av utryddelse tilstand. Rådata fra dag 2 av denne eleven er presentert i figur 2. B = linjen, A = anskaffelse, E = ekstinksjon.


Figur 6: Eksempel på en Learner med lav terskel (7 cm over bordet; 34% av benlengde). Dette barnet lært å løfte føttene høyere under oppkjøpet tilstand, og dermed øke variansen i vertikal z-retning. B = baseline, A = oppkjøp, E = utryddelse.

Figur 7
Figur 7: Elever versus ikke-Learners:. Bety korrelasjonskoeffisienter av hip-kne pair etter to minutters mellomrom Spedbarn ble separert i Learners (n = 8) og ikke-elever (n = 12) basert på en individuell lærings kriterier. Elever betydelig redusert hip-knevinkel korrelasjonskoeffisient mellom Dag 2 oppkjøpet tilstand og Dag 1 opprinnelige tilstand (justert p <0,001). B = baseline, A = oppkjøp, E = utryddelse.


Figur 8: Learners: bety muskler til netto dreiemoment impuls i hofte og kne etter to minutters mellomrom Learners (n = 8) betydelig økt hip muskel dreiemoment impuls bidrag til hip nettomoment impuls mellom Dag 2 utryddelse tilstand og alle andre forhold (. justerte p <0,001). Elever også betydelig økt kne muskel dreiemoment impuls bidrag til kneet nettomoment impuls mellom Dag 2 utryddelse tilstand og alle andre vilkår unntatt Dag 1 baseline (justert p <0,001). B = baseline, A = oppkjøp, E = utryddelse.

Kick Topphastighet Hofteleddet Tilbakeføring Topphastighet Kick
Innvielse 1. halvdel av spark 2. halvdel av spark End
M (SE) M (SE) M (SE) M (SE) M (SE)
Day 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)
Day 1 Anskaffelses 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 to 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 Anskaffelses 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 to Extinction 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)

Tabell 1: Elever versus ikke-elever: relative fasen av hip-kne par av tilstanden Spedbarn ble separert i Learners (n = 8) og ikke-Learners (n = 12) basert på en individuell lærings kriterier. Innenfor gruppen elever betydelig økt hip-knevinkel relative fase ved alle fem tidspunkter mellom Dag 2 oppkjøpet tilstand og Dag 1 opprinnelige tilstand (mindre i fase koordinering). Mellom grupper, elever, sammenlignet med ikke-elever, hadde signifikant økt hip-knevinkel relativ fase (mindre i fase samordnings) på alle fem tidspunkter i løpet av Dag 2 oppkjøpet tilstand. Merk: SE = stAndard feil. * = Signifikant redusert fra Learner Acquisition Dag 2, p <0,001 (mer i fase); ** = Betydelig økt fra Non-Learner Acquisition Dag 2, p <0,001 (mindre i fase)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Design av oppdagelse-læringsoppgaver for små spedbarn

Discovery-læringsoppgaver for små spedbarn må nøye designet for å sikre at spedbarn er uavhengig oppdager beredskap. I flere mobile paradigmer i begynnelsen av oppkjøpet tilstand, er spedbarn enten vist at mobil aktiverer av en non-kontingent aktivering av mobile 7,22 eller beinet på hver spedbarn passivt flyttet av etterforsker for å introdusere barnet til contingency 9. I tillegg kan omsorgspersoner og experimenters gi ytterligere forsterkning for å understøtte barnet ytelse. Spesifikke regler, som beskrevet her, er avgjørende for å sikre at spedbarn er uavhengig oppdager beredskaps uten påvirkning utenfra.

Det er også viktig at den avhengige tiltaket samlet under et funn-læring oppgave er følsomme for endringer i ytelsen. Den mest kritiske aspect i dette paradigmet er innstillingen av terskelen for aktivering av spedbarn mobil. Dersom terskelen er plassert for høyt over bordet, kan barnet ikke aktivere mobil ofte nok under oppkjøp for å fastslå at det er hans etappe handling som aktiverer mobil. Dersom terskelen settes for lavt, kan barnet ha et så høyt nivå av% RLA ved utgangspunktet at det er usannsynlig at barnet vil være i stand til å øke% RLA tilstrekkelig under innhenting for å demonstrere ytelsen eller læring; for eksempel, ville et spedbarn med en baseline% RLA på 50% på dag 1 må aktivere mobil for 75% av 6 min oppkjøpet tilstanden Dag 2 å møte de individuelle lærings kriterier. Pilot testing bekreftet at en standard terskel for hver spedbarn ikke kunne brukes, i stedet for terskelen må beregnes for hvert enkelt spedbarn fra grunnlinjen spontane ben tiltak for å sikre at grunnlinjen% RLA er omtrent 20-30% av hver barnets ben handling. Innsamling og analyse av posisjonsdata fra baby leg handlinger

Denne metoden bruker posisjonsdata samlet inn fra stive kropper knyttet til felles segmenter, standardmetoden i voksen biomekaniske analyser. Tidligere forskning på babylegg handlinger har samlet posisjonsdata fra individuelle lysdioder festet til felles sentre 13-15,23-28. Samle inn data fra stive kropper versus individuelle lysdioder har flere fordeler. Først stive legemer beveger seg mindre og faller av veldig sjelden i forhold til individuelle lysdioder. Dette åpner for lengre datasamlinger (8-10 min) uten avbrudd å erstatte manglende markører som kan distrahere spedbarn fra sin oppdagelse-læring oppgave. Sekund, stive kropper gi rom for en komplett 3D kinematisk og kinetisk analyse av felles bevegelse. Data som samles inn med individuelle IRED analyseres og rapporteres som om bevegelse oppstår bare i sagittal plane bevegelser av fleksjon og ekstensjon. Dette fører til incomplete kinematiske data. Data som samles inn med individuelle IRED også begrenser bevegelsesanalyse til en 2D kinetisk tilnærming, som trolig gir unøyaktige moment estimater under baby sparker handlinger som ikke forekommer først og fremst i sagittal plan. Selv om bruk av stive legemer er et betydelig fremskritt i baby biomekanisk forskning, baby stive kropper er for øyeblikket ikke tilgjengelig for kjøp og krever tilpassede fabrikasjon.

Begrensninger

En begrensning ved fremgangsmåten er at det er begrenset til et laboratorium på grunn av bruk av et motion capture system. Rekruttere unge spedbarn til å delta i laboratoriebaserte undersøkelser over flere dager er utfordrende.

Denne mobil paradigmet rapporterer lavere prosenter av spedbarn som lærte oppgaven i forhold til tidligere mobile paradigmer. På grunn av flere unike funksjonene til dette paradigmet, kan spedbarn krever mer enn to dager på å demonstrere læring. Først ifants er ikke vist at de mobile trekk, heller de uavhengig oppdage beredskap som sine underslegg handlinger aktivere mobil. For det andre paradigmet krever mer raffinert etappe action enn tidligere mobil paradigmer og oppfordrer til en mer moden, out-of-fase hip-kne koordinering mønster som kan være vanskelig for barn å lære å generere i to dager 3. Tredje, kan spedbarn ikke demonstrere ytelse eller læring ved å øke bein handlinger når de mobile stopper aktive (dvs. under baseline eller utryddelse 5), heller spedbarn trenger å forbli engasjert med oppgaven og øke mobile forsterkning for hele 6 min oppkjøpet tilstanden Dag 2 å demonstrere læring. På grunn av disse unike egenskaper, er det antatt at en økning i det antall dager som deltar i oppgaven kan resultere i mer spedbarn lære oppgaven.

Fremtidige søknader

Denne oppdagelsen-læring oppgave kan lead til ny innsikt om hvordan spedbarn lærer å endre sine spontane bevegelser for å utføre oppgavespesifikke handlinger. Ved å spore bein handlingene til spedbarn mens deltar i et funn-læringsmiljøet, ble det vist at spedbarn endre plasseringen variansen til sine slutt effektorer (fot), deres hip-kne koordinering mønstre, og deres hofte og kne MUS dreiemoment impuls. Denne informasjonen kan avgjøre alternativer spedbarn har tilgjengelig for dem når vi samhandler med sine omgivelser og hvordan de utnytter disse mulighetene til å lære oppgavespesifikke handlinger. Det gir også et middel til å undersøke ikke bare hvordan spedbarn lærer en oppgave, men det de lærer. For eksempel elever med lav terskel ut til å lære å sparke høyere, mens elever med en høy terskel syntes å lære plasseringen av terskelen.

Spedbarn i fare for bevegelsesforstyrrelser gir en unik prøve å etterforske baby begrensninger som bidrar til oppgavespesifikke endringer i lovenion. Den underliggende patologi som plasserer barn i faresonen bidrar til forskjeller i beinet handlingen på grunn av nedskrivninger, som for eksempel redusert selektiv felles bevegelse og redusert kraft-kapasitet på muskler. Sporing bein handlingene til spedbarn med risiko for bevegelsesforstyrrelser i løpet av denne eller andre funn-læringsoppgaver kan gi en mulighet til å kvantifisere hvordan spesifikke svekkelser bidra til forskjeller i oppgavespesifikke etappe handling og også forskjeller i hvordan oppgavene er lært.

Når det er kjent hvordan spesifikke svekkelser av forskjellige populasjoner av i fare spedbarn påvirke tidlig etappe handling, kan mer prinsipiell forskning utføres for å fastslå hvor tidlig etappe handling kan være optimalisert for dyktige funksjon. Discovery-lærings paradigmer kan være utformet for å støtte beinet handling og læring av spedbarn i fare for bevegelsesforstyrrelser. Nærmere bestemt kan miljøer konstrueres slik at de ønskede koordinasjons mønstre eller kraft-produksjonskrav eroppdaget av spedbarn når de utforsker forholdet mellom sine ben handling og dens virkninger i bygget miljø. Disse typer funn-læring paradigmer kunne ikke bare støttebein handling, men kan også støtte læreevne av unge utsatte spedbarn.

Oppsummert er en metode som er beskrevet der 3-4 måneder gamle spedbarn lære en oppgave ved funn og deres benbevegelser fanges å kvantifisere læringsprosessen. Spore bevegelsene til spedbarn når du deltar i discovery-læringsoppgaver kan gi en mulighet til å kvantifisere læringsprosessen som spedbarn utforske forholdet mellom deres handling og dens virkning på hele verden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

Denne forskningen ble støttet av Fremme av doktorgradsstudier (pods) I og II utmerkelser fra Stiftelsen for Fysioterapi og en Adopt-A-Doc stipend fra Utdanningsseksjonen i 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