Quantificare l'apprendimento nei bambini piccoli: azioni di monitoraggio gamba durante una task-Discovery apprendimento

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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).

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Abstract

Azioni Task-specifici emergono dal movimento spontaneo durante l'infanzia. E 'stato proposto che le azioni specifiche attività emergono attraverso un processo di scoperta-apprendimento. Qui il metodo è descritto in che 3-4 mesi di età i bambini imparano un compito per scoperta e loro movimenti delle gambe sono catturati per quantificare il processo di apprendimento. Questa task di rilevazione-learning utilizza un telefono cellulare attivato infante che ruota e suona musica basato sull'azione gamba specificata dei neonati. Neonati supina attivare il cellulare muovendo i piedi verticalmente attraverso una soglia virtuale. Questo paradigma è unico in quanto come i bambini scoprono indipendentemente che le loro azioni gambe attivano il cellulare, i movimenti delle gambe dei bambini 'sono monitorati con un sistema di motion capture che consente per la quantificazione del processo di apprendimento. In particolare, l'apprendimento è quantificato in termini di durata di attivazione del cellulare, la posizione varianza dei dispositivi di estremità (piedi) che attivano il cellulare, cambiamenti nelle coordina hip-ginocchiomodelli di produzione, e cambiamenti di anca e ginocchio coppia muscolare. Questa informazione descrive l'esplorazione e lo sfruttamento infantile presso l'interazione dei vincoli persona e ambientali che sostengono azioni di task-specific. Ricerche successive utilizzando questo metodo può indagare menomazioni come specifiche delle diverse popolazioni di neonati a rischio di disturbi del movimento influenzano il processo di individuazione-learning per un'azione specifica-task.

Introduction

Azioni Task-specifici emergono dai movimenti spontanei durante l'infanzia. E 'stato proposto che le azioni specifiche attività emergono attraverso un processo di rilevamento 1,2-learning. Le attività vengono scoperti da bambini come si muovono spontaneamente ed esplorare le azioni che producono effetti nuovi per l'ambiente. Azioni specifiche Task emergono come i bambini sfruttano le connessioni tra le loro azioni ei loro effetti sul mondo che li circonda. Tuttavia, si sa ancora poco sui processi precisi che i bambini esplorano e sfruttano per imparare a modificare i loro movimenti spontanei di eseguire azioni specifiche attività. Qui il metodo è descritto in che 3-4 mesi di età i bambini imparano un compito per scoperta e loro movimenti delle gambe sono catturati per quantificare il processo di apprendimento.

Figura 1

Figura 1: Infante calci-attivati ​​compito mobile. et al. 3

Questa task di rilevazione-learning utilizza un telefono cellulare attivato infante che ruota e suona musica in base all'azione gamba specificato di neonati 3. Neonati posizionato supino sotto il cellulare attivano spostando i piedi verticalmente attraverso una soglia virtuale (Figura 1). Questo paradigma è unico in quanto come i bambini scoprono indipendentemente che le loro azioni gambe attivano il cellulare, i movimenti delle gambe dei bambini 'sono monitorati con un sistema di motion capture che consente per la quantificazione del processo di apprendimento.

Il protocollo sperimentale comprende due giorni di raccolta dei dati. 1 ° giorno è costituito da una condizione di base 2 minuti in cui un bambino prende spontaneamente, ma le sue azioni gambanon può attivare il neonato cellulare, seguita da una condizione di acquisizione 6 min in cui le azioni delle gambe del bambino attivano mobile infante se il bambino muove i piedi verticalmente per attraversare una soglia virtuale. Questo protocollo consente la quantificazione delle azioni gamba spontanee infanti e la quantificazione dei vari aspetti dei movimenti come neonati esplorano il rapporto tra le loro azioni gamba e l'attivazione del cellulare infante. Il giorno 2, oltre alle condizioni originarie 2 min e 6 min condizioni di acquisizione, una condizione di estinzione 2 min si aggiunge in cui le azioni delle gambe del bambino non attivano mobile infante. In questo modo per la quantificazione di come i bambini cambiano le loro azioni gamba quando una risposta ambientale già imparato è interrotto.

Nelle precedenti paradigmi mobili infantili, la frequenza di movimento delle gambe 4-6, specifica anca e ginocchio angoli 7,8, o calciare un pannello 9 sono stati reinforccato con il movimento cellulare. Prestazioni ogni giorno è stata definita come un aumento di tali azioni gamba durante la condizione di acquisizione o di estinzione rispetto alle condizioni originarie 4-9. Imparare attraverso giorni è stata definita come un aumento di queste azioni gamba durante la linea di base o l'acquisizione di condizioni Giorni 2 o 3 e alle condizioni originarie del Day 1 5,6. Questi paradigmi mobili precedenti dimostrano che i bambini aumentano la frequenza delle azioni delle gambe che sono rinforzati con l'attivazione cellulare, tuttavia, non forniscono informazioni sul movimento opzioni bambini hanno a loro disposizione quando si impara il compito. Ad esempio, se il tasso di calciare è rafforzata, i bambini dimostrano le prestazioni e l'apprendimento quando i loro calci aumenti dei tassi sia durante l'interazione con il cellulare o quando il telefono non è più attiva. Ciò dimostra che i bambini possono perfezionare il loro tasso di calci, ma non si sa se i bambini possono perfezionare le loro modello o la coppia di produzione coordinamento gamba per generatle azioni delle gambe e che non sono nel loro movimento repertorio preferito.

Questo paradigma cellulare è unico in quanto i bambini sono tenuti a intraprendere azioni gamba più raffinata per attivare il cellulare che nelle precedenti paradigmi mobili. In questo paradigma cellulare, l'altezza di ciascun piede sopra la tabella viene calcolato durante la condizione basale 2 min utilizzando i dati di posizione da un diodo emettitore di luce (LED) collegato a ciascun piede. Una soglia virtuale viene quindi impostato parallelamente al tavolo ad una altezza che è all'interno della gamma superiore dell'altezza di entrambi i piedi durante le condizioni originarie. Durante l'acquisizione, la rotazione mobili e riproduce musica se sia piede varca la soglia. Dopo 3 sec, le fermate mobili e riattiva solo se il bambino muove il piede di sotto della soglia, e quindi sposta il piede verticalmente e ancora attraversa la soglia. Per attivare il dispositivo mobile per la maggior quantità di tempo, i neonati devono spostare un piede sopra la soglia e mantenerla contro gravlità per 3 secondi, quindi spostare rapidamente il piede sotto la soglia e di nuovo spostarla sopra la soglia e tenerlo premuto per 3 secondi, ecc. Ciò richiede un'azione gamba più raffinato che semplicemente aumentando il tasso calci.

Figura 2

Figura 2: dati di posizione non filtrate di dispositivi di estremità (piedi) da un bambino di dati rappresentativi posizione non filtrato dal Day 2 a 3 mesi di età infantile che hanno manifestato l'apprendimento basato sui singoli criteri di apprendimento.. La linea rossa è dati di posizione della coordinata z del diodo luminescente (LED) posti con il piede giusto. La linea blu è dati di posizione del LED sul piede sinistro. Thick linea nera è la tabella. La linea tratteggiata è la soglia virtuale collocato 14 centimetri sopra il tavolo come individualmente determinato per ogni bambino in base all'altezza dei loro calci durante basalecondizioni di Day 1. asse X è tempo etichettato con intervalli di 2 min. Si noti come il bambino muove i suoi piedi durante basale quando il cellulare non si attiva e durante i primi 30 secondi di acquisizione 1, quindi tiene costantemente entrambi i piedi dal tavolo e si muove i suoi piedi proprio dietro la soglia per la prossima 5½ minuti fino a quando il cellulare non è più attiva durante la condizione di estinzione.

La seconda caratteristica unica di questo paradigma mobile è che l'azione gamba di ogni bambino viene monitorato con tecniche state-of-the-art di motion capture per quantificare come i bambini usano i loro opzioni di movimento per imparare l'attività. Dati di posizione non filtrati del LED su ogni piede che attiva il dispositivo mobile da un infante rappresentante è incluso in Figura 2. Si noti come il bambino muove i piedi a varie altezze sopra il tavolo durante basale e la prima parte di acquisizione, ma poi si sposta entrambi i piedi proprio dietro la soglia durante il resto del Condi acquisizionezione fino a quando il cellulare non si attiva durante l'estinzione. Questo è uno dei molti potenziali strategie di movimento per realizzare il compito di scoperta-apprendimento. Le strategie possono essere quantificati calcolando cinematica tridimensionali e cinetiche, utilizzando i dati di posizione acquisiti dal sistema di motion capture. In particolare, il processo di apprendimento è quantificato in termini di percentuale di azione gamba rinforzato (% RLA), che è pari alla durata di attivazione cellulare, posizione varianza dei dispositivi di estremità (piedi) che attivano i mobili, anca-ginocchio modelli coordinamento , e anca e ginocchio coppie comuni.

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Protocol

Il Institutional Review Board presso la University of Southern California ha approvato questo studio.

1. Sistema Preparazione

  1. Configurare il sistema di motion capture. Nota: questi passaggi sono diversi per ogni sistema di motion capture.
    1. Allineare i sistemi delle due sensori motion capture a quello di un sensore di coordinate facendo clic su "Esegui nuova registrazione" nel programma di motion capture, entrando in un periodo di raccolta di 30 secondi, facendo clic su "Register", e spostando l'oggetto di registrazione all'interno del volume di cattura per 30 sec. Quando la registrazione è completata con successo, osservare un scarto quadratico medio (RMS) errore di registrazione sullo schermo del computer.
    2. Allineare il sistema di coordinate globale al tavolo di test utilizzando l'oggetto di registrazione cliccando su "Esegui Nuovo Allineamento" nel programma di motion capture.
      1. Definire l'origine ponendo il obje registrazionect nell'angolo superiore destro del tavolo di test e cliccando su "Digitalizzazione" nel programma motion capture. Definire l'asse Z, ponendo l'oggetto registrazione sulla cima di una scatola e facendo clic su "Digitalizzazione"; l'asse Z è perpendicolare al tavolo.
      2. Definire il / Y + piano Z spostando l'oggetto di registrazione sulla scatola lungo la lunghezza della tavola e cliccando "digitalizzano"; l'asse Y è parallelo alla lunghezza della tavola e l'asse X parallelo alla larghezza della tabella.
    3. Collegare i LED nei due porti strobo e inserire il numero di LED per porta strobo nell'ambito del programma di sistema di motion capture (24 per la porta strobo 1 e 20 per la porta strobo 2). Fare riferimento alla Figura 3 per il numero e la posizione di ogni LED. Selezionare vista dei dati ancora mancanti per fornire una visualizzazione di mappa-come striscia di LED di registrazione in tempo reale.
      Figura 3
  2. Impostare il programma infantile computer portatile.
    1. Inserire il numero di minuti per ogni condizione. Per il giorno 1, ingresso 2 per la fase 1 (2 min basale, condizione non rinforzo), 6 per la fase 2 (6 min acquisizione, condizione rinforzo), e 0 per la fase 3 (0 min estinzione, condizione non rinforzo).
    2. Per il giorno 2, ingresso 2 per la fase 1 (baseline), 6 per la fase 2 (acquisizione), 2 per la fase 3 (estinzione), e controllare "Usa Zmin come predefinito" in modo che la soglia calcolata durante basale del Day1 sarà la soglia utilizzato per la condizione acquisizione di Day 2.
    3. Scegliere "StreamframesAllFrames" e cliccare su "Invia" per consentire laprogramma di mobili di utilizzare i dati del sistema di motion capture per attivare il cellulare infantile in base a criteri specificati.
  3. Impostare le telecamere.
    1. Avviare il programma per computer video per i tre video sincronizzati (laterale destro, laterale sinistro, viste aeree).
    2. Avviare la videocamera aggiuntiva sopra la testa del bambino per registrare le espressioni facciali e lo sguardo degli occhi.

2. Infant Preparazione

  1. Descrivere l'esperimento ai genitori e informarli di interagire il meno possibile con il loro bambino.
    NOTA: Dite ai genitori che se il bambino non diventa esigente tutto l'esperimento, i genitori dovrebbero sedersi accanto al bambino al di fuori del loro punto di vista, tuttavia, se il bambino diventa esigente c'è una progressione di interazione con il bambino.
    1. In primo luogo, chiedere al genitore di dire, "Tutto è a posto, io sono qui," in un tono rassicurante.
    2. In secondo luogo, chiedereil genitore a stare in vista del bambino, mentre rassicurare il bambino.
    3. In terzo luogo, chiedere al genitore di uno tenere una mano del bambino o dare al bambino un ciuccio.
      NOTA: la quantità minima di interazione genitore necessario per mantenere la calma e di allarme il bambino è dato e si è conclusa nel più breve tempo possibile.
  2. Undress il bambino, posizionare il bambino sotto il cellulare infantile, e fissare il bambino al tavolo con una fascia in velcro posta in tutto il tronco.
  3. Dopo che il bambino è fissato al tavolo, posizionare i marcatori dello sterno e del bacino, coscia, stinco, e piede corpi rigidi sul neonato.

3. Infant Mobile Learning Task

  1. Ogni giorno, avviare il compito di apprendimento cellulare da sincrono avviare il sistema motion capture, programma per computer mobili e videocamere.
    1. In entrambe le giornate da min 0 a 2, alle condizioni originarie, osservare il bambino spontaneamente calci.
    2. Il giorno 1 nel corso della 2 min condizioni originarie, osservare come il programma cellulare infante calcola continuamente la soglia per l'attivazione mobile basata sul z-dati da uno dei LED sul corpo rigido di ogni piede. Esempio, indicatore 9 con il piede giusto e marcatore 21 sul piede sinistro. Marker 9 è il centro del LED sul corpo rigido piede destro cerchiato in giallo nella figura 1. Marker 21 è il centro del LED sul corpo rigido piede sinistro.
    3. Alla fine della linea di base 2 min, il programma mobile impostare la soglia ad un'altezza di una deviazione standard (SD) sopra l'altezza media di entrambi i piedi durante la condizione di linea di base 2 min.
    4. In entrambe le giornate da min 2 a 8, la condizione di acquisizione, di osservare come la rotazione mobili infantili e suona la musica quando il LED posto su entrambi i piedi attraversa la soglia calcolata durante il 2 min condizioni originarie del Day 1.
      NOTA: Attivazione mobile continuerà finché il piede è superiore alla soglia virtuale a un massimo di 3 sec. Dopo 3 secondi, il mobile riattiverà solo se il bambino muove il piede sotto della soglia virtuale e quindi sposta il piede verticalmente e ancora attraversa la soglia. Questa "regola 3 sec" incoraggia i movimenti gamba esplorativi attivi contro tenendo i piedi sopra la soglia.
    5. Il giorno 2 da min 8-10, la condizione di estinzione, di osservare come il bambino prende spontaneamente senza armatura mobile.
  2. Dopo il bambino interagisce con il cellulare, raccogliere un processo di calibrazione statico per definire un sistema di coordinate locale per ogni segmento di gamba e definire una configurazione di riferimento per ciascun segmento del corpo nello spazio.
    1. Fissare dieci LED singoli bilateralmente per la pelle del bambino utilizzando collari ECG a doppia faccia nelle seguenti sedi: linea mediana laterale del tronco sotto la decima costola, grande trocantere dell'anca, laterale linea di ginocchio, caviglia malleolo laterale e distale del 5 ° metatarso.
    2. Tenere estremità inferiore del bambino inun esteso, posizione anatomica per 5 sec. Tutti gli angoli articolari in questa posizione di calibrazione sono definiti come 0 °.
  3. Il giorno 2, raccogliere i dati antropometrici.
    1. Pesare ogni bambino su scala elettrico digitale.
    2. Effettuare le seguenti misurazioni: lunghezza totale del neonato; circonferenza a metà segmento della coscia, la zampa, e del piede; larghezza del ginocchio (al ginocchio linea articolare), caviglia (al malleoli), e piede (le teste metatarsali); e la lunghezza della coscia (grande trocantere al ginocchio rima articolare), gambo (ginocchio linea comune per malleolo laterale), e il piede (malleolo mediale alla prima articolazione metatarso-falangea).

Analisi 4. Dati

  1. Analizzare le prestazioni e l'apprendimento calcolando il RLA% durante ogni intervallo 2 minuti di esperimento utilizzando un programma di linguaggio informatico personalizzato come Matlab. Calcolare la durata di tempo uno o entrambi i LED su ogni piede che ha attivato il cellulare erano superiori alla soglia. Dail cellulare non si attiva dopo un intervallo di 3 secondi, sottrarre la durata di tempo in cui uno o entrambi i LED erano superiori alla soglia per più di un intervallo di 3 sec.
    1. Misurare le prestazioni del gruppo ogni giorno statisticamente analizzare se il RLA% in uno qualsiasi dei tre intervalli di acquisizione, 2 min supera notevolmente il 2 min intervallo di riferimento 3,4,7,9,10.
    2. Categorizzare individuali neonati per aver effettuato l'operazione ogni giorno se il RLA% nel corso di un intervallo di acquisizione 2 min è uguale o maggiore di 1,5 volte il RLA% in 2 min intervallo basale 3,4,6,9,10.
    3. Misurare l'apprendimento del gruppo attraverso giorni determinando statisticamente se il RLA% durante l'intero 6 min acquisizione condizione Day 2 supera il RLA% durante la condizione di base 1 ° giorno 3,6.
    4. Categorizzare neonati individuali come studenti se il RLA% durante l'intero 6 min condizione acquisizione di Day 2 è uguale o GREater di 1,5 volte il condizioni originarie del Day 1 3,6,11.
  2. Analizzare l'eccitazione e l'attenzione codificando videocassette durante ogni intervallo di 2 minuti dell'esperimento. La scala eccitazione è definita come: sonnolenza = 1, vigile e attiva = 2, vigile e attiva = 3, pignola = 4, e piangendo = 5 3,8,11. La scala attenzione è definita come: 0 = non esamina il mobile, 1 = esamina il mobile 3,8.
  3. I dati di posizione di processo e calci estratto utilizzando programmi Matlab personalizzati.
    1. I file di dati di posizione del carico in uscita dal sistema di motion capture in un programma Matlab personalizzato per interpolare i dati di posizione mancanti (massimo 20 fotogrammi consecutivi) utilizzando una spline cubica.
    2. Caricare i file interpolati in un programma personalizzato per Matlab (a) i dati di posizione del filtro con un quarto ordine Butterworth con una frequenza di taglio di 5 Hz come determinate da analisi dello spettro di potenza, e (b) calcolare i seguenti angoli di snodo: la flessione dell'anca / estensione, abduzione/ Adduzione, rotazione esterna / interna dell'anca, del ginocchio flessione / estensione, l'inversione della caviglia / eversione, flessione dorsale della caviglia / plantare come descritto in 12.
    3. Caricare i file di angolo in un programma Matlab personalizzato per estrarre calci. Definire l'inizio di un calcio come l'inizio di un movimento delle gambe continuo in cui la variazione dell'anca o del ginocchio angolo di snodo superato 11,5 ° (0,2 radianti) in o flessione o estensione 3,9,13-15. Definire la fine del calcio come la struttura di estensione picco a seguito di un movimento di flessione o la flessione picco a seguito di un movimento di estensione 3,9,14.
  4. Per tutti i calci, calcolare parametri cinematici utilizzando programmi Matlab personalizzati.
    1. Posizione Calcola la varianza in direzione Z (verticale, in direzione compito specifico) del LED su ogni piede che ha attivato la mobile 3.
    2. Calcola hip flessione / estensione e flessione del ginocchio / estensione correlazioni congiunte con coefficienti di Pearson di correlazione (r) a zero lagtra anca e ginocchio escursioni angolo congiunta. Per confrontare le correlazioni (r) tra i neonati, convertire hip-ginocchio angolo giunto correlazioni a Fisher Z score 3,9,15.
    3. Time-normalizzare i dati angolari comuni, quindi calcolare l'anca flessione / estensione e flessione del ginocchio / estensione continua fase relativa (CRP) a partire dai dati di posizione / velocità angolare 16,17. Analizzare i risultati del calcolo CRP nei seguenti cinque punti di tempo: (a) inizio di calcio, (b) velocità di picco del primo segmento, (c) inversione congiunta, (d) il picco di velocità del secondo segmento, e (e ) fine del calcio 3.
  5. Per tutti i calci, calci identificare senza contatto visualizzando i dati video sincroni. Calcola parametri cinetici per calci senza contatto che utilizzano programmi Matlab personalizzati.
    1. Si calcoli la massa segmentale e del centro-di-massa dalle equazioni modificate per i neonati a partire dal modello antropometrico del Hatze per gli adulti 18. Calcolare i momenti di inerzia di 3Dcoscia, stinco, e segmenti piede dalle equazioni modificati per i bambini a partire dal modello antropometrico di Jensen per gli adulti 19.
    2. Calcolare i termini nella seguente equazione del moto utilizzando la teoria vite di manipolazioni spaziali 20.
      equazione 1
      è derivata utilizzando l'approccio lagrangiano, dove M (θ) è la matrice d'inerzia, theta1 il muscolo (Mus) coppie di Coriolis e matrice coppia centrifuga, N (θ) i gravitazionali (GRA) coppie e T.
    3. Calcola coppie comuni utilizzando i dati cinematici 3D dai calci senza contatto, corpo segmenti parametri inerziali, e l'equazione biomeccanica del moto.
    4. Partizione della rete (NET) coppia a ogni comune in contributi di movimento-dipendente (MDT), GRA, e di coppia MUS 21. Coppia NET è direttamente proporzionale alle accelerazioni ogni giunto.Coppia MDT è legato alle coppie passivi associati interazioni meccaniche tra i mobili segmenti interconnessi dell'arto. Coppia GRA è legata alla forza passiva della gravità che agisce verso il basso sul lembo. Coppia MUS comprende forze da contrazioni muscolari attivi e passivi deformazioni dei muscoli, tendini, legamenti e altri tessuti periarticolari.
    5. Per dell'anca e del ginocchio a parte, calcolare impulso coppia come l'entità del contributo di ogni coppia partizionato (MUS, GRA, MDT) per la coppia NET. Calcola l'impulso positivo o negativo della coppia (coppia * volta) durante gli intervalli in cui la coppia MUS ginocchio ha agito nello stesso o in direzione opposta rispetto alla coppia netta ginocchio. Eseguire questo stesso calcolo con GRA ginocchio e le coppie di MDT e hip MUS, GRA, e coppie di MDT. Per dell'anca e del ginocchio separatamente, sommare tutti gli impulsi positivi e negativi per ciascuna componente di coppia per ottenere una misura della grandezza del contributo di ciascun impuls coppia partizionatie (MUS, GRA, MDT) per impulso coppia netta.

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Representative Results

Il processo di apprendimento di bambini piccoli può essere quantificato in termini di RLA%, la posizione varianza dei dispositivi di estremità (piedi), hip-ginocchio coefficienti angolo di correlazione, e anca e ginocchio coppie comuni. Ogni livello di analisi fornisce informazioni uniche su come i bambini esplorano il rapporto tra le loro azioni di gamba e l'attivazione del cellulare bambino durante il processo di rilevamento-learning.

Per l'analisi statistica di% RLA e hip-ginocchio coefficienti angolo di correlazione, modelli di regressione misti con una struttura di covarianza autoregressiva e di gruppo (studenti, non-studenti) come fattore tra i soggetti sono stati utilizzati per testare le differenze di ogni variabile dipendente (% RLA, coefficiente di correlazione anca-ginocchio) fra di base, l'acquisizione, e le condizioni di estinzione in tutta giorni. Per l'analisi statistica di anca e ginocchio muscolare impulso della coppia all'interno del gruppo Learner, modelli di regressione misti con una struttura di covarianza autoregressiva sono stati utilizzati perogni variabile dipendente (impulso coppia muscolo dell'anca, del ginocchio muscolare impulso di coppia) tra di base, l'acquisizione, e le condizioni di estinzione in tutta giorni. Le analisi statistiche sono state completate utilizzando SAS (versione 7.0, SAS Institute Inc.) con livello alfa fissato a 0,05 per i valori complessivi F e regolato tramite una correzione di Bonferroni per confronti post hoc pianificata.

Percentuale di Reinforced azione Leg

Percentuale di azione gamba rinforzato è valutato per determinare se i bambini si sono esibiti e imparato il compito 3. Per descrivere le differenze tipiche% RLA tra 3-4 mesi di età i bambini che imparano e non imparano il compito, 20 bambini sono stati separati in Learners (n = 8) e Non-studenti (n = 12) sulla base di un singolo criterio di apprendimento. Gli studenti, ma non non-studenti, aumentati significativamente% RLA tra la condizione Day 2 di acquisizione e alle condizioni originarie Giorno 1 (p <0.001, Figura 4). Rappresentazione grafica dei risultatiincrementi min 2 fornisce informazioni sul corso momento del processo di apprendimento. Si noti la diminuzione iniziale come lingua straniera% RLA durante i primi 2 minuti del giorno 1 condizione di acquisizione. I bambini che hanno imparato il compito diminuito la loro azione generale quando il cellulare bambino ha cominciato ad attivare, forse prima come risposta orientativa, allora forse come strategia per determinare se le loro azioni sono state associate con l'attivazione cellulare.

Posizione varianza dei Effectors End

La varianza posizione dei dispositivi di estremità (piedi) fornisce informazioni sulla strategia utilizzata da bambini per realizzare il compito. Fornisce inoltre indicazioni su ciò che è stato "appreso" da parte del bambino. Gli studenti dimostrano una delle due strategie per eseguire questa operazione scoperta-learning. Durante l'interazione con il mobile, se la soglia è alta, oltre il 50% della lunghezza della gamba del bambino sopra la tabella (14-20 cm), studenti (n = 2) diminuire la varianza della loropiedi nella direzione specifico compito verticale spostando vicino alla soglia (figura 5). Essi sembrano aver imparato la posizione della soglia. Se la soglia è bassa, inferiore al 50% della lunghezza della gamba del bambino sopra la tabella (5-8 cm), studenti (n = 6) aumentare la varianza dei loro piedi nella direzione verticale spostando i piedi progressivamente più alta (figura 6) . Essi sembrano aver imparato a calciare alto. Sarebbe possibile che con giorni supplementari studenti con soglia bassa imparerebbero l'altezza minima necessaria per attivare la varianza cellulare e la loro posizione nella direzione verticale diminuirebbe.

Hip-ginocchio Coefficienti Angolo di correlazione

Per rappresentare le differenze di hip-ginocchio modelli di coordinamento, 20 bambini sono stati separati in Learners (n = 8; 5055 calci analizzati) e non discenti (n = 12; 8240 calci analizzate) sulla base di un singolo criterio di apprendimento. Gli studenti, ma nonNon-studenti, è notevolmente diminuito il loro hip-ginocchio coefficiente angolo correlazione tra la condizione Day 2 di acquisizione e alle condizioni originarie Giorno 1 (p <0.001, Figura 7). Questo cambiamento di coordinamento è stata trovata anche nei risultati fase relativa (Tabella 1). Gli studenti hanno dimostrato meno coordinamento hip-ginocchio in fase quando si interagisce con il cellulare, forse perché questo modello di coordinamento ha fornito un mezzo più efficiente per attivare il cellulare. Quando l'altezza è bassa, il mezzo più efficace per attivare il cellulare possono essere di flettere ed estendere l'anca mantenendo il ginocchio esteso. Quando l'altezza è alto, il modo più efficace per attivare il dispositivo mobile può essere di mantenere l'anca flessa e flettere ed estendere il ginocchio. Entrambi i risultati di strategia in più coordinamento fuori fase di hip-ginocchio (anca si flette mentre ginocchio si estende) in confronto alla tipica modello calci di un bambino di flessione quasi sincrona e l'estensione dell'anca e del ginocchio.

Anca e ginocchio MUS coppia impulso dei discenti. (N = 8; 917 calci) viene rappresentata graficamente in figura 8 studenti significativamente aumentato contributo impulso coppia hip MUS all'impulso coppia hip NET tra il giorno 2 condizioni di estinzione e di tutte le altre condizioni (p <0.001 ). Gli studenti anche aumentato MUS ginocchio contributo impulso coppia di NET impulso coppia ginocchio tra il giorno 2 condizioni di estinzione e di tutte le altre condizioni, eccetto 1 ° giorno al basale (p <0.001). Ci si aspettava che ci sarebbe stata una diminuzione di anca e ginocchio MUS impulso coppia tra la condizione Day 2 acquisizione e il 1 ° giorno condizioni originarie da quando è stato ipotizzato che gli studenti stavano usando il meno in fase modello coordinamento hip-ginocchio perché era più efficiente di un modello coordinamento più in fase. Questo cambiamento di impulso coppia MUS non sia stato dimostrato perché per calcolare uncoppie ccurate, solo calci che non contattano la superficie o l'altra gamba può essere utilizzato. Solo 917 calci incontrato questo criterio, contro i 5.055 calci utilizzati per documentare la diminuzione dei coefficienti di correlazione hip-ginocchio durante la condizione Day 2 acquisizione. Pertanto, la diminuzione del numero di calci analizzati, anche se necessario calcolare con precisione le coppie, può aver contribuito al non significativa differenza di coppie MUS tra le condizioni di base e di acquisizione. Tuttavia, un risultato robusto è stato l'aumento di anca e ginocchio MUS impulso della coppia durante la condizione di estinzione. I bambini che avevano imparato il compito sembravano generare grandi anca e ginocchio MUS coppie durante la condizione di estinzione in un tentativo di riattivare il mobile.

Figura 4
Figura 4: percentuale di azioni gamba rinforzato da 2 min intervallo medio.I neonati sono stati separati in Learners (n = 8) e Non-studenti (n = 12) sulla base di un singolo criterio di apprendimento. Gli studenti sono aumentati in modo significativo la percentuale di azione gamba rafforzata tra la condizione Day 2 di acquisizione e alle condizioni originarie Giorno 1 (p aggiustata <0.001). B = linea di base, A = acquisizione, E = estinzione.

Figura 5
Figura 5:. Esempio di una lingua straniera con una soglia elevata (14 cm sopra tabella; 68% della lunghezza della gamba) Questo bambino imparato a muovere i piedi intorno alla soglia durante la condizione di acquisizione, diminuendo in tal modo la varianza nel z-direzione verticale. Nota l'aumento della varianza quando il telefono non è più attiva durante la condizione di estinzione. I dati grezzi del Day 2 di questo studente è presentata nella Figura 2. B = linea di base, A = acquisizione, E = estinzione.


Figura 6: Esempio di una lingua straniera con una soglia bassa (7 gli cm sopra tabella; 34% della lunghezza della gamba). Questo infant imparato a sollevare i piedi superiori durante la condizione di acquisizione, aumentando così la varianza nel z-direzione verticale. B = linea di base, A = acquisizione, E = estinzione.

Figura 7
Figura 7: Gli studenti contro non discenti:. Significano coefficienti di correlazione di coppia hip-ginocchio da 2 intervalli di minimo di bambini sono stati separati in Learners (n = 8) e Non-studenti (n = 12) sulla base di un singolo criterio di apprendimento. Gli studenti sono diminuite significativamente hip-ginocchio coefficiente angolo di correlazione tra la condizione Day 2 di acquisizione e alle condizioni originarie Giorno 1 (p aggiustata <0.001). B = linea di base, A = acquisizione, E = estinzione.


Figura 8: studenti: significa muscolo all'impulso coppia netta dell'anca e del ginocchio da intervalli di 2 min Learners (n = 8) significativo aumento hip contributo impulso coppia muscolare all'hip impulso coppia netta tra la condizione di estinzione Day 2 e tutte le altre condizioni (. p aggiustata <0.001). Gli studenti anche un aumento significativo del muscolo ginocchio contributo impulso coppia al ginocchio impulso coppia netta tra la condizione Day 2 estinzione e di tutte le altre condizioni, eccetto 1 ° giorno al basale (p aggiustata <0.001). B = linea di base, A = acquisizione, E = estinzione.

Calcio Velocità di picco Hip inversione congiunta Velocità di picco Calcio
Iniziazione 1 ° semestre di calcio 2 ° metà del calcio Fine
M (SE) M (SE) M (SE) M (SE) M (SE)
Giorno 1 Baseline Learners 64,4 (6,7) * 57,1 (6,8) * 57,1 (7,5) * 57.7 (7.6) * 62.5 (6.0) *
Non-studenti 60.3 (5.4) 52,6 (5,5) 53.2 (6.1) 51.8 (6.1) 58,3 (4,8)
Giorno 1 Acquisizione Learners 64.1 (6.4) * 58,7 (6,6) * 58,3 (7,3) * 58,4 (7,4) * 66.3 (5.6) *
; Non-studenti 60.0 (5.2) 55.6 (5.4) 52,7 (5,9) 52,7 (6,0) 61,0 (4,6)
Giorno 2 Baseline Learners 65,9 (6,6) 63,6 (6,7) 62,7 (7,4) 61,9 (7,5) 66,7 (5,8)
Non-studenti 44,7 (5,4) 42,6 (5,5) 39.3 (6.1) 37.8 (6.1) 48,6 (4,8)
Giorno 2 Acquisizione Learners 76,3 (6,4) ** 70.5 (6.6) ** 70.5 (7.3) ** 70.3 (7.3) ** 73.2 (5.6) **
Non-studenti 47.6 (5.2) 42.3 (5.4) 38,7 (5,9) 36.6 (6.0) 47.5 (4.6)
Giorno 2 Extinction Learners 65,6 (6,6) 60.5 (6.7) 61.7 (7.4) 61.7 (7.5) 66,7 (5,8)
Non-studenti 48.1 (5.3) 46,7 (5,5) 43,9 (6,0) 42.3 (6.1) 49.8 (4.7)

Tabella 1: Gli studenti contro i non studenti: fase relativa coppia di hip-ginocchio da condizioni neonati sono stati separati in Learners (n = 8) e non discenti (n = 12) sulla base di un singolo criterio di apprendimento. All'interno del gruppo, studenti in modo significativo aumento dell'angolo dell'anca ginocchio fase relativa a tutti i 5 punti di tempo tra la condizione Day 2 di acquisizione e alle condizioni originarie Giorno 1 (meno il coordinamento in fase). Tra i gruppi, studenti, rispetto ai non-studenti, era significativamente aumentato angolo anca-ginocchio fase relativa (meno di coordinamento in fase) in tutti e 5 i punti di tempo durante la condizione Day 2 acquisizione. Nota: SE = stErrore Andard. * = Notevolmente diminuito da lingua straniera Acquisizione Day 2, p <0.001 (più in fase); ** = Significativo aumento da non Learner Acquisizione Day 2, p <0.001 (meno in fase)

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Discussion

Progettazione di attività di scoperta-learning per i bambini piccoli

Compiti Discovery-learning per i bambini piccoli devono essere studiati per assicurare che i bambini stanno scoprendo autonomamente la contingenza. In diversi paradigmi mobili all'inizio della condizione di acquisizione, i neonati sono sia dimostrato che il cellulare attiva da un'attivazione non contingente del cellulare 7,22 o la gamba di ogni bambino passivamente mosso dallo sperimentatore per introdurre il bambino al contingenza 9. Inoltre, gli operatori sanitari e sperimentatori possono fornire un ulteriore rinforzo per sostenere le prestazioni del bambino. Norme specifiche, come descritto qui, sono fondamentali per assicurare che i bambini stanno scoprendo in modo indipendente la contingenza, senza influenze esterne.

E 'anche importante che la misura dipendente raccolte durante un task di rilevazione-apprendimento è sensibile ai cambiamenti nelle prestazioni. L'asp più criticoect in questo paradigma è l'impostazione della soglia per l'attivazione del cellulare infante. Se la soglia è posto troppo in alto sopra il tavolo, il bambino non può attivare il cellulare abbastanza spesso durante l'acquisizione di determinare che è la sua azione gamba che sta attivando il cellulare. Se la soglia è posizionato troppo bassa, il bambino può avere un tale livello di% RLA al basale che è improbabile che il bambino sarà in grado di aumentare% RLA sufficientemente durante l'acquisizione per dimostrare le prestazioni o di apprendimento; per esempio, un bambino con una linea di base% RLA del 50% al giorno 1 avrebbe bisogno di attivare il cellulare per il 75% della condizione acquisizione 6 minuti del Day 2 per soddisfare i singoli criteri di apprendimento. Test pilota confermato che una soglia standard per ogni bambino non poteva essere utilizzato, piuttosto la soglia deve essere calcolato individualmente per ciascun neonato dalla loro azione basale gamba spontanea per assicurare che la linea di base% RLA è circa il 20-30% di azione gamba di ogni bambino. Raccolta e analisi dei dati di posizione dalle azioni delle gambe infantili

Questo metodo utilizza i dati di posizione raccolti da corpi rigidi collegati ai segmenti comuni, il metodo standard di analisi biomeccanica adulti. Precedenti ricerche sulle azioni delle gambe infantili hanno raccolto dati sulla posizione dei singoli LED apposti centri comuni 13-15,23-28. La raccolta di dati da corpi rigidi rispetto a singoli LED ha diversi vantaggi. In primo luogo, corpi rigidi si muovono meno e cadere molto raramente rispetto ai singoli LED. Questo permette di raccolte di dati più lunghi (8-10 min) senza interruzioni per sostituire i marcatori mancanti, che possono distrarre i bambini dal loro compito di scoperta-apprendimento. In secondo luogo, i corpi rigidi consentono una completa analisi 3D cinematica e cinetica del movimento articolare. I dati raccolti con i singoli IRED vengono analizzati e riportati come se si verifica movimento solo nei movimenti sul piano sagittale di flessione ed estensione. Questo porta a incomplete dati cinematici. I dati raccolti con i singoli IRED limita anche analisi cinetica di un approccio cinetica 2D, che probabilmente produce stime imprecise di coppia durante le azioni infantili calci che non si verificano principalmente nel piano sagittale. Sebbene l'uso di corpi rigidi è un avanzamento significativo nella ricerca biomeccanica infantile, corpi rigidi per lattanti non sono attualmente disponibili per l'acquisto e richiedono montaggio su ordinazione.

Limitazioni

Una limitazione del metodo è che è limitato a un ambiente di laboratorio a causa dell'uso di un sistema di cattura di movimento. Reclutamento bambini piccoli di partecipare a studi di ricerca in laboratorio su più giorni è impegnativo.

Questo paradigma mobili riporta percentuali inferiori di bambini che hanno imparato il compito rispetto ai precedenti paradigmi mobili. A causa di diverse caratteristiche uniche di questo paradigma, i bambini possono richiedere più di 2 giorni per dimostrare l'apprendimento. In primo luogo, inlattanti non sono mostrati che le mosse di telefonia mobile, piuttosto che scoprono in modo indipendente la contingenza come le loro azioni gamba esplorative attivare il cellulare. In secondo luogo, il paradigma richiede un'azione gamba più raffinato rispetto ai precedenti paradigmi mobili e incoraggia un più maturo, out-of-fase di hip-ginocchio coordinamento modello che può essere difficile per i bambini per imparare a generare in due giorni 3. In terzo luogo, i bambini non possono dimostrare le prestazioni o l'apprendimento aumentando le azioni delle gambe quando gli arresti mobili attivazione (cioè durante basale o estinzione 5), piuttosto i bambini hanno bisogno di mantenere il proprio impegno con il compito e aumentare rinforzo mobili per l'intero 6 minuti condizione acquisizione di Day 2 dimostrare l'apprendimento. A causa di queste caratteristiche uniche, si ipotizza che un aumento del numero di giorni che partecipano al compito può comportare più bambini apprendimento il compito.

Le future applicazioni

Questa scoperta-apprendimento compito can lead di nuove intuizioni su come i bambini imparano a modificare i loro movimenti spontanei di eseguire azioni specifiche attività. Tracciando le azioni delle gambe dei bambini, mentre partecipano a un ambiente di scoperta-apprendimento, è stato dimostrato che i bambini cambiano la posizione di varianza dei loro dispositivi di estremità (piedi), i loro modelli di coordinamento anca ginocchio, e il loro impulso coppia anca e ginocchio MUS. Queste informazioni possono determinare mangiare i bambini hanno a loro disposizione quando interagiscono con il loro ambiente e il modo in cui sfruttano queste opzioni per imparare azioni specifiche attività. Esso fornisce anche un mezzo per indagare non solo come i bambini imparano un lavoro, ma quello che stanno imparando. Ad esempio, studenti con una soglia bassa sembravano imparare a calciare alto, mentre studenti con una soglia elevata sembravano conoscere la posizione della soglia.

I neonati a rischio per i disturbi del movimento forniscono un esempio unico nel suo genere per indagare vincoli infantili che contribuiscono a modifiche specifiche attività in attoion. La patologia di base che mette i bambini a rischio contribuisce alle differenze in azione gamba a causa di menomazioni, come diminuita movimento articolare selettiva e ridotta capacità di generare forza dei muscoli. Monitoraggio delle azioni delle gambe dei neonati a rischio di disordini del movimento durante questa o altre attività di individuazione-learning può offrire l'opportunità di quantificare i danni specifici contribuiscono alle differenze nell'azione gamba compito specifico e anche le differenze nel modo in cui le attività vengono apprese.

Una volta che si sa come menomazioni specifiche delle diverse popolazioni di neonati a rischio influenzano azione gamba precoce, la ricerca più di principio può essere intrapresa per determinare come presto gamba azione può essere ottimizzato per la funzione di esperto. Paradigmi Discovery-learning possono essere progettati per sostenere l'azione delle gambe e l'apprendimento dei bambini a rischio di disturbi del movimento. Specificamente, ambienti possono essere costruiti in modo tale che i modelli di coordinamento desiderati o requisiti force-produzione sonoscoperto da bambini mentre esplorano il rapporto tra la loro azione gamba ei suoi effetti per l'ambiente costruito. Questi tipi di paradigmi di scoperta-learning potrebbe non solo sostenere l'azione delle gambe, ma potrebbe anche sostenere le capacità di apprendimento dei bambini piccoli a rischio.

In sintesi, è descritto un metodo in cui 3-4 mesi di età infanti imparare un compito scoperta e loro movimenti delle gambe vengono acquisite per quantificare il processo di apprendimento. Seguire i movimenti dei bambini durante la partecipazione ad attività di individuazione-learning può offrire l'opportunità di quantificare il processo di apprendimento come i bambini esplorano il rapporto tra la loro azione ed i suoi effetti sul mondo.

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Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgments

Questa ricerca è stata sostenuta da Promozione del Dottorato (POD) I e II premi dalla Fondazione per la terapia fisica e una borsa di studio Adopt-A-Doc della sezione Education della American Physical Therapy Association di 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

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