Quantifier l'apprentissage chez les jeunes enfants: Suivi Leg Actions Au cours d'une tâche de découverte-learning

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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

Tâche actions spécifiques émergent de mouvement spontané durant la petite enfance. Il a été proposé que les actions spécifiques à la tâche émergent à travers un processus de découverte et d'apprentissage. Voici une méthode qui est décrite dans 3-4 mois nourrissons apprennent une tâche par la découverte et à leurs mouvements de jambes sont capturés à quantifier le processus d'apprentissage. Cette tâche de découverte-apprentissage utilise un téléphone portable activé infantile qui tourne et joue de la musique basée sur une action de jambe spécifié de nourrissons. Nourrissons en décubitus activer le mobile en déplaçant leurs pieds verticalement à travers un seuil virtuel. Ce paradigme est unique en ce que les nourrissons découvrent indépendamment que leurs actions de la jambe activer le mobile, les mouvements des jambes des nourrissons sont suivis à l'aide d'un système de capture de mouvement permettant la quantification du processus d'apprentissage. Plus précisément, l'apprentissage est quantifiée en termes de la durée d'activation mobile, la position variance des effecteurs terminaux (pieds) qui activent le mobile, les changements dans coordina hip-genoumodèles de Tion, et des changements dans la hanche et du genou couple musculaire. Cette information décrit l'exploration et l'exploitation infantile à l'interaction des contraintes de personne et environnementaux qui soutiennent l'action spécifique à la tâche. Des recherches ultérieures en utilisant cette méthode peut enquêter sur la façon dont les déficiences spécifiques des différentes populations d'enfants à risque de troubles du mouvement influencent le processus de découverte-learning pour l'action spécifique à la tâche.

Introduction

Tâche actions spécifiques émergent de mouvements spontanés durant la petite enfance. Il a été proposé que des mesures spécifiques à la tâche émergent à travers un processus de découverte 1,2-learning. Les tâches sont découverts par les enfants comme ils se déplacent spontanément et explorer les actions qui produisent de nouveaux effets dans l'environnement. Actions spécifiques à une tâche apparaissent comme les nourrissons exploitent les liens entre leurs actions et leurs effets sur le monde autour d'eux. Toutefois, on en sait peu sur les processus précis que les nourrissons explorer et d'exploiter d'apprendre à modifier leurs mouvements spontanés pour effectuer des actions spécifiques à la tâche. Voici une méthode qui est décrite dans 3-4 mois nourrissons apprennent une tâche par la découverte et à leurs mouvements de jambes sont capturés à quantifier le processus d'apprentissage.

Figure 1

Figure 1: Infant coups de pied-activés tâche mobile. et al. 3

Cette tâche de découverte-apprentissage utilise un téléphone portable activé infantile qui tourne et joue de la musique basée sur l'action de la jambe spécifié de nourrissons 3. Les nourrissons placés en décubitus dorsal sous le mobile activent en déplaçant leurs pieds verticalement à travers un seuil virtuel (Figure 1). Ce paradigme est unique en ce que les nourrissons découvrent indépendamment que leurs actions de la jambe activer le mobile, les mouvements des jambes des nourrissons sont suivis à l'aide d'un système de capture de mouvement permettant la quantification du processus d'apprentissage.

Le protocole expérimental comprend deux jours de collecte de données. Jour 1 se compose d'un état initial de 2 min dans un nourrisson qui débute spontanément mais son action de jambene peut pas activer le nourrisson mobile, suivie par une condition d'acquisition de 6 min dans lequel les actions de la jambe du bébé activer le mobile de votre enfant si l'enfant bouge ses pieds verticalement à franchir un seuil virtuel. Ce protocole permet la quantification des actions spontanées des jambes du nourrisson ainsi que la quantification de divers aspects des mouvements que les nourrissons explorent la relation entre leurs actions de jambe et l'activation du mobile pour nourrissons. Le jour 2, en plus de l'état initial 2 min et 6 min état d'acquisition, une condition d'extinction de 2 min, on ajoute, dans lequel les actions de la jambe du bébé ne pas activer le mobile pour nourrissons. Cela permet pour la quantification de la façon dont les nourrissons changent leurs actions de la jambe lors d'une réponse de l'environnement déjà appris est interrompue.

Dans paradigmes mobiles infantiles précédentes, la fréquence de mouvement de la jambe 4-6, hanche et du genou spécifique angles 7,8, ou coups de pied un panneau 9 ont été renforced avec le mouvement mobile. Rendement chaque jour a été définie comme une augmentation de ces actions jambe pendant la condition d'acquisition ou d'extinction par rapport à l'état initial 9.4. Apprendre à travers jours a été définie comme une augmentation de ces actions au cours de la jambe de base ou l'acquisition condition de Days 2 ou 3 et la condition de base de la Journée 1 5,6. Ces paradigmes mobiles précédents démontrent que les enfants augmentent la fréquence des actions de la jambe qui sont renforcés avec l'activation mobile, cependant, ils ne fournissent pas d'informations sur le mouvement des options nourrissons ont à leur disposition lors de l'apprentissage de la tâche. Par exemple, si le taux coups de pied est renforcé, les nourrissons présentent des performances et de l'apprentissage lorsque leurs hausses de taux de coups de pied, soit lors de l'interaction avec le mobile ou lorsque le mobile plus active. Cela démontre que les nourrissons peuvent affiner leur taux coups de pied, mais on ignore si les nourrissons peuvent affiner leur modèle ou le couple de production de coordination de la jambe à Generatactions de la jambe de e qui ne sont pas dans leur répertoire de mouvements préféré.

Ce paradigme mobile est unique dans que les nourrissons sont nécessaires pour démontrer l'action des jambes plus raffiné pour activer le mobile que dans les paradigmes précédents mobiles. Dans ce paradigme mobile, la hauteur de chaque pied au-dessus de la table est calculée au cours de l'état initial de 2 min à l'aide des données de position à partir d'une diode électroluminescente (LED) fixé à chaque pied. Un seuil virtuelle est alors fixé parallèlement à la table à une hauteur qui est dans la fourchette supérieure de la hauteur de deux pieds au cours de l'état initial. Lors de l'acquisition, les mobile tourne et joue de la musique se soit pied franchit le seuil. Après 3 secondes, les butées mobiles et réactive seulement si l'enfant se déplace le pied au-dessous du seuil, puis se déplace verticalement le pied et franchit le seuil de nouveau. Pour activer le mobile pour la plus grande quantité de temps, les nourrissons ont besoin de déplacer un pied au-dessus du seuil et le maintenir contre gravlité pendant 3 secondes, puis passer rapidement le pied au-dessous du seuil et de nouveau se déplacer au-dessus du seuil et l'y maintenir pendant 3 secondes, etc. Cela nécessite une action de jambe plus raffiné que de simplement augmenter le taux coups de pied.

Figure 2

Figure 2: données de position non filtrés d'effecteurs terminaux (pieds) d'un enfant représentant des données de position non filtré du jour 2 d'un nourrisson âgé de 3 mois qui a démontré l'apprentissage basé sur des critères individuels d'apprentissage.. La ligne rouge représente les données de position de la coordonnée z de la diode émettrice de lumière (LED) placées sur le pied droit. La ligne bleue est des données de position de la LED sur le pied gauche. Ligne noire épaisse est la table. La ligne en pointillé est le seuil virtuelle placée 14 cm au-dessus de la table comme individuellement déterminé pour chaque enfant en fonction de la hauteur de leur coup de pied au cours de référenceétat de la Journée 1. axe X est le temps marqué par des intervalles de 2 min. Notez comment l'enfant se déplace ses pieds pendant de référence lorsque le mobile ne active et pendant les 30 premières secondes d'acquisition 1, alors il garde toujours les deux pieds sur la table et se déplace ses pieds juste autour du seuil pour le prochain 5½ min jusqu'à ce que le mobile plus active au cours de l'état d'extinction.

La deuxième caractéristique unique de ce paradigme mobile est que l'action de la jambe de chaque enfant est suivi en utilisant des techniques de l'état de l'art-capture de mouvement de quantifier les nourrissons utilisent leurs options de mouvement à apprendre la tâche. Données de position non filtrés de la LED sur chaque pied qui active le mobile d'un nourrisson représentant est inclus dans la figure 2. Notez comment l'enfant se déplace ses pieds à différentes hauteurs au-dessus de la table lors de la ligne de base et la première partie de l'acquisition, mais se déplace ensuite les deux pieds juste autour du seuil pendant le reste de la condi d'acquisitiontion jusqu'à ce que le mobile plus active lors de l'extinction. Ceci est une des nombreuses stratégies de mouvement potentiels pour accomplir la tâche de découverte et d'apprentissage. Les stratégies peuvent être quantifiés en calculant la cinématique et la cinétique en trois dimensions à l'aide de données de position acquises à partir du système de capture de mouvement. Plus précisément, le processus d'apprentissage est quantifiée en termes de pourcentage de l'action des jambes renforcé (% en RLA), qui est égale à la durée d'activation mobile, la position variance des effecteurs d'extrémité (pieds) qui activent les mobiles, les modes de coordination hanche-genou , et de la hanche et du genou couples articulaires.

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Protocol

Le Institutional Review Board de l'Université de Californie du Sud a approuvé cette étude.

1. Préparation du système

  1. Mettre en place le système de capture de mouvement. S'il vous plaît noter: ces étapes sont différentes pour chaque système de capture de mouvement.
    1. Aligner le systèmes des deux capteurs de capture de mouvement à celle d'un capteur de coordonnées en cliquant sur ​​"Exécuter Nouvel enregistrement» dans le programme de capture de mouvement, la saisie d'un temps de collecte de 30 sec, en cliquant sur ​​«enregistrer», et déplacer l'objet d'inscription dans le volume de capture pendant 30 sec. Lorsque l'enregistrement est terminé avec succès, observer une moyenne quadratique (RMS) erreur d'enregistrement sur l'écran de l'ordinateur.
    2. Aligner le système de coordonnées global à la table de test en utilisant l'objet d'inscription en cliquant sur ​​"Exécuter nouvel alignement" dans le programme de capture de mouvement.
      1. Définir l'origine en plaçant l'obje d'inscriptionct sur ​​le coin supérieur droit de la table d'essai et en cliquant sur ​​"Numériser" dans le programme de capture de mouvement. Définir l'axe Z en plaçant l'objet de l'enregistrement sur ​​le dessus d'une boîte et en cliquant sur ​​"Numériser"; l'axe Z est perpendiculaire à la table.
      2. Définir le / Y + Z plan en déplaçant l'objet d'inscription sur la boîte le long de la longueur de la table et en cliquant sur ​​"Numériser"; l'axe Y est parallèle à la longueur de la table et l'axe X est parallèle à la largeur de la table.
    3. Branchez les DEL dans les deux ports stroboscopiques et entrez le nombre de LED par port stroboscopique dans le programme de système de capture de mouvement (24 pour le port d'échantillonnage 1 et 20 pour stroboscopique port 2). Reportez-vous à la figure 3 pour le nombre et l'emplacement de chaque LED. Sélectionnez la vue des données manquant pour fournir une bande de visualisation des cartes comme des LED étant suivi en temps réel.
      Figure 3
  2. Mettre en place le programme d'ordinateur mobile infantile.
    1. Entrez le nombre de minutes pour chaque condition. Pour le Jour 1, entrée 2 pour la phase 1 (2 min de base, condition de non-renforcement), 6 pour la phase 2 (acquisition de 6 min, la condition de renforcement), et 0 pour la phase 3 (0 min extinction, état de non-renforcement).
    2. Pour le Jour 2, entrée 2 pour la phase 1 (de base), 6 pour la phase 2 (acquisition), 2 pour la phase 3 (extinction), et cocher "Utiliser le Zmin comme défaut" de sorte que le seuil calculé au cours de référence de J1 sera le seuil utilisé pour la condition d'acquisition de deux jours.
    3. Choisissez "StreamframesAllFrames" et cliquez sur "Envoyer" pour permettre à laprogramme mobile d'utiliser les données du système de capture de mouvement pour activer le mobile pour nourrissons à base de critères spécifiés.
  3. Mettre en place les caméras vidéo.
    1. Lancer le programme d'ordinateur vidéo pour les trois vidéos synchronisées (latéral droit, latéral gauche, vues aériennes).
    2. Lancer la caméra vidéo supplémentaire sur la tête de l'enfant pour enregistrer les expressions du visage et du regard.

2. Préparation pour nourrissons

  1. Décrire l'expérience aux parents et de les informer d'interagir aussi peu que possible avec leur bébé.
    NOTE: Dites aux parents que si l'enfant ne devient pas difficile tout au long de l'expérience, les parents devraient asseoir à côté de l'enfant à l'extérieur de leur point de vue, cependant, si l'enfant devient difficile il ya une progression de l'interaction avec le nourrisson.
    1. Tout d'abord, demander au parent de dire: «Tout va bien, je suis ici," dans un ton rassurant.
    2. Deuxièmement, poserle parent de se tenir dans le point de vue de l'enfant tout en rassurant l'enfant.
    3. Troisièmement, demander au parent de maintenir soit une des mains du bébé ou de donner le bébé une sucette.
      NOTE: La moindre quantité d'interaction nécessaire de garder l'enfant calme et alerte parent est donnée et se termine le plus rapidement possible.
  2. Déshabiller l'enfant, placer l'enfant sous le mobile infantile, et de sécuriser l'enfant à la table à l'aide d'une bande velcro placée en travers du tronc.
  3. Après le nourrisson est fixé à la table, placez les marqueurs du sternum et du bassin, de la cuisse, tige, et des corps rigides de pied sur le nourrisson.

3. infantile mobile tâche d'apprentissage

  1. Chaque jour, lancer la tâche de l'apprentissage mobile en commençant synchrone du système de mouvement de capture, un programme informatique mobile, et des caméras vidéo.
    1. Sur les deux jours à partir de 0 à 2 min, la condition de base, observer l'enfant coups de pied spontanément.
    2. Le jour 1 au cours de la 2 min état initial, observer que le programme mobile infantile calcule en permanence le seuil d'activation mobile basé sur la z-données d'un des voyants sur le corps rigide de chaque pied. Exemple, marqueur 9 sur le pied droit et le marqueur 21 sur le pied gauche. Marker 9 est le centre LED sur le corps rigide du pied droit encerclé en jaune dans la figure 1. Marker 21 est le centre LED sur le corps rigide du pied gauche.
    3. À la fin de la 2 min référence, le programme mobile va fixer le seuil à une hauteur d'un écart-type (SD) au dessus de la hauteur moyenne des deux pieds pendant la condition de base de 2 min.
    4. Sur les deux jours à partir de 2 à 8 min, la condition d'acquisition, d'observer que les mobile tourne pour nourrissons et joue de la musique lorsque la LED placées de chaque pied franchit le seuil calculé au cours de la 2 min état initial du Jour 1.
      NOTE: activation mobile continuera aussi longtemps que le pied est au-dessus du seuil virtuel à un maximum de 3 sec. Après 3 secondes, le mobile réactivera que si l'enfant déplace le pied au-dessous du seuil virtuel, puis se déplace verticalement le pied et encore franchit le seuil. Cette «règle des 3 sec" encourage actifs mouvements de la jambe par rapport exploratoires tenant les pieds au-dessus du seuil.
    5. Le Jour 2 de 8-10 min, la condition d'extinction, d'observer que l'enfant débute spontanément sans armature mobile.
  2. Après le nourrisson interagit avec le mobile, recueillir un essai d'étalonnage statique pour définir un système de coordonnées local pour chaque segment de jambe et de définir une configuration de référence pour chaque segment de corps dans l'espace.
    1. Fixer dix DEL individuelles bilatéralement à la peau de l'enfant en utilisant des colliers ECG double face aux endroits suivants: ligne médiane latérale du tronc en dessous de la dixième côte, grand trochanter de la hanche, latérale genou ligne de joint, la cheville malléole latérale, et l'extrémité distale de la 5 e métatarsien.
    2. Maintenez l'extrémité inférieure de l'enfant dansune prolongée, la position anatomique pour 5 sec. Tous les angles d'inclinaison dans cette position d'étalonnage sont définis comme 0 °.
  3. Le jour 2, recueillir des données anthropométriques.
    1. Peser chaque enfant sur une échelle électrique numérique.
    2. Prendre les mesures suivantes: longueur totale de l'enfant; circonférence à mi-segment de la cuisse, tige, et du pied; largeur du genou (le genou de ligne commune), la cheville (au niveau des malléoles) et le pied (à la tête des métatarsiens); et la longueur de la cuisse (grand trochanter jusqu'au genou interligne articulaire), tige (genou ligne commune pour malléole latérale), et du pied (malléole interne à la première articulation métatarsophalangienne).

4. Analyse des données

  1. Analyse de la performance et de l'apprentissage en calculant la RLA% pendant chaque intervalle de l'expérience en utilisant un programme de langue personnalisée de l'informatique tels que Matlab 2 min. Calculer la durée du temps une ou deux des LED sur chaque pied qui a activé le mobile étaient au-dessus du seuil. Depuisle mobile ne active après un intervalle de 3 secondes, il faut soustraire la durée de temps pendant laquelle un ou deux voyants étaient au-dessus du seuil de supérieur à un intervalle de 3 sec.
    1. Mesurer la performance du groupe chaque jour par l'analyse statistique si le RLA% au cours de l'une quelconque des intervalles d'acquisition de trois min, 2 dépasse largement la 2 min intervalle de référence 3,4,7,9,10.
    2. Catégoriser les nourrissons individuelles avoir effectué la tâche chaque jour si la RLA% pendant 2 min une quelconque intervalle d'acquisition est égale ou supérieure à 1,5 fois la RLA% dans le 2 min intervalle de référence 3,4,6,9,10.
    3. Mesurer l'apprentissage du groupe au fil des jours en déterminant statistiquement si le RLA% pendant toute la durée d'acquisition de 6 min état ​​Jour 2 dépasse la RLA% au cours de la condition de référence Jour 1 3,6.
    4. Catégoriser les nourrissons individuels comme apprenants si le RLA% pendant toute acquisition état de 6 min de la Journée 2 est égale ou greater à 1,5 fois la condition de base de la Journée 1 3,6,11.
  2. Analyser l'éveil et l'attention par le codage des bandes vidéo lors de chaque intervalle de l'expérience de 2 min. L'échelle de l'excitation est définie comme: somnolence = 1, alerte et inactive = 2, alerte et active = 3, pointilleux = 4, et des pleurs = 5 3,8,11. L'échelle de l'attention est défini comme suit: 0 = ne pas regarder le mobile, 1 = regardant le mobile 3,8.
  3. les données de position du processus et de pied d'extrait en utilisant des programmes Matlab personnalisés.
    1. les fichiers de données de position de charge en sortie du système de capture de mouvement dans un programme Matlab personnalisé pour interpoler les données de position manquantes (maximum de 20 images consécutives) en utilisant une spline cubique.
    2. Chargez les fichiers interpolées dans un programme Matlab personnalisé pour (a) les données de position de filtre en utilisant un quatrième ordre Butterworth avec une fréquence de 5 Hz coupure que déterminés à partir de l'analyse du spectre de puissance, et (b) calculer les angles des articulations suivantes: flexion de la hanche / extension, abduction de la hanche/ Adduction, rotation interne / externe de la hanche, du genou flexion / extension, la cheville inversion / éversion, dorsiflexion de la cheville / plantaire comme décrit dans 12.
    3. Charger les fichiers d'angle dans un programme Matlab personnalisé pour extraire des coups de pied. Définir le début d'un coup comme le début d'un mouvement continu de la jambe dans lequel la hanche ou du genou angle de l'articulation changement dépassé 11,5 ° (0,2 radians) en flexion ou en extension soit 3,9,13-15. Définir la fin du coup de pied que le cadre de l'extension de pointe suite à un mouvement de flexion ou de flexion pic après un mouvement d'extension 3,9,14.
  4. Pour tous les coups de pied, calculer des paramètres cinématiques utilisant des programmes Matlab personnalisés.
    1. Calculer la position variance dans la direction z (direction verticale, spécifique à la tâche) de la LED sur chaque pied qui a activé le mobile 3.
    2. Calculer la hanche flexion / extension et de flexion / extension du genou corrélations conjointes en utilisant des coefficients de corrélation de Pearson (r) à zéro lagentre la hanche et du genou excursions angle conjointe. Pour comparer les corrélations (r) chez les nourrissons, convertir hip-genou angle conjointe corrélations à Fisher Z scores 3,9,15.
    3. Temps-normaliser les données d'angle conjointes, alors calculer la hanche flexion / extension et de flexion / extension du genou phase relative continu (CRP) à partir des données de position angulaire / vitesse 16,17. Analyser les résultats du calcul de la CRP à cinq points de temps suivants: (a) début du coup de pied, (b) la vitesse de crête du premier segment, (c) d'inversion conjointe, (d) de la vitesse de crête du second segment, et (e ) fin du coup 3.
  5. Pour tous les coups de pied, coups de pied identifier sans contact en affichant les données vidéo synchrones. Calculer des paramètres cinétiques pour les coups de pied sans contact à l'aide de programmes Matlab personnalisés.
    1. Calculer la masse segmentaire et le centre de masse à partir des équations modifiées pour les bébés de modèle anthropométrique de Hatze pour les adultes 18. Calculer les moments d'inertie de 3Dla cuisse, tige, et les segments de pied à partir d'équations modifiées pour les bébés de modèle anthropométrique de Jensen pour les adultes 19.
    2. Calculer les termes dans l'équation du mouvement en utilisant la théorie de vis de manipulations spatiales 20 suivant.
      une équation
      est dérivée de la méthode de Lagrange, où M (θ) est la matrice d'inertie, theta1 le le muscle (MUS) couples de Coriolis et de la matrice de couple centrifuge, N (θ) les couples (GRA) gravitationnelles et T.
    3. Calculer couples mixtes en utilisant les données cinématiques 3D des coups de pied sans contact, paramètres inertiels corps segments, et l'équation biomécanique du mouvement.
    4. Partitionner le net (NET) couple à chaque joint en contributions de mouvement dépendant (MDT), GRA, et le couple de 21 MUS. NET couple est directement proportionnelle aux accélérations à chaque joint.MDT couple est lié aux couples passifs associés aux interactions mécaniques entre les segments interconnectés en mouvement de la branche. GRA couple est liée à la force de gravité agissant passive vers le bas sur la branche. couple de MUS comprend forces de contractions musculaires actives et passives déformations des muscles, les tendons, les ligaments et d'autres tissus péri-articulaires.
    5. Pour la hanche et du genou séparément, calculer le couple d'impulsion que l'ampleur de la contribution de chaque couple partitionné (MUS, GRA, MDT) au couple NET. Calculer l'impulsion positive ou négative couple (couple * temps) pendant des intervalles dans lesquels le couple de MUS du genou a agi dans le même sens opposé ou de comparaison avec le couple NET au genou. Effectuez cette même calcul avec GRA de genou et de la hanche et les couples MDT MUS, GRA, et les couples de MDT. Pour la hanche et du genou séparément, la somme de toutes les impulsions positives et négatives pour chaque composante de couple pour donner une mesure de l'ampleur de la contribution de chaque Impuls de couple partitionnése (MUS, GRA, MDT) pour impulsion de couple NET.

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Representative Results

Le processus d'apprentissage des jeunes enfants peut être quantifiée en termes de% RLA, la position variance des effecteurs terminaux (pieds), hip-genou coefficients de corrélation, l'angle et la hanche et du genou couples articulaires. Chaque niveau d'analyse fournit des informations uniques sur la façon dont les nourrissons explorent la relation entre leurs actions dans les jambes et l'activation du mobile de l'enfant pendant le processus de découverte et d'apprentissage.

Pour l'analyse statistique de% RLA et hip-genou coefficients angle de corrélation, les modèles de régression mixtes avec une structure de covariance autorégressif et le groupe (apprenants, non-apprenants) comme le facteur entre les sujets ont été utilisés pour tester les différences de chaque variable dépendante (% RLA, le coefficient de corrélation hip-genou) entre la ligne de base, l'acquisition, et les conditions d'extinction à travers jours. Pour l'analyse statistique de la hanche et du genou musculaire impulsion de couple au sein du groupe de l'apprenant, des modèles de régression mixtes avec une structure de covariance autorégressif ont été utilisés pourchaque variable dépendante (muscle de la hanche couple impulsion, impulsion de couple musculaire du genou) parmi référence, l'acquisition, et les conditions d'extinction à travers jours. Les analyses statistiques ont été réalisées avec le logiciel SAS (version 7.0, SAS Institute Inc.) avec un niveau d'alpha fixé à 0,05 pour l'ensemble des valeurs F et ajusté à l'aide d'une correction de Bonferroni pour les comparaisons post hoc planifiées.

Pourcentage de Reinforced Leg action

Pourcentage de l'action des jambes renforcé est évaluée afin de déterminer si les enfants ont joué et appris la tâche 3. Pour illustrer les différences typiques en% RLA entre 3-4 mois nourrissons âgés qui apprennent et ne apprennent pas la tâche, 20 nourrissons ont été séparés en apprenants (n = 8) et non-apprenants (n = 12) basé sur un critère d'apprentissage individuel. Les apprenants, mais pas des non-apprenants, ont augmenté de façon significative% RLA entre la condition Jour 2 de l'acquisition et de la ligne de base état ​​Jour 1 (p <0,001, figure 4). Représentation graphique des résultatspar incréments de 2 min fournit des informations sur le déroulement dans le temps du processus d'apprentissage. Notez la diminution initiale% la RLA d'apprentissage au cours de la 2 premières minutes de la condition d'acquisition Jour 1. Les nourrissons qui ont appris la tâche diminué leur action globale lorsque le mobile infantile a commencé à activer, peut-être d'abord comme une réponse d'orientation, alors peut-être comme une stratégie afin de déterminer si leurs actions ont été associés à l'activation mobile.

Position Variation des effecteurs finaux

La position variance des effecteurs terminaux (pieds) fournit des informations sur la stratégie utilisée par les enfants pour accomplir la tâche. Il fournit également un aperçu de ce qui a été "appris" par le nourrisson. Les apprenants démontrent une des deux stratégies pour accomplir cette tâche de découverte et d'apprentissage. Lors de l'interaction avec le mobile, si le seuil est élevé, plus de 50% de la longueur de la jambe de l'enfant au-dessus de la table (14-20 cm), les élèves (n = 2) réduire la variance de leurpieds dans le sens vertical, spécifique à la tâche en déplaçant proche du seuil (Figure 5). Ils semblent avoir appris l'emplacement du seuil. Si le seuil est bas, moins de 50% de la longueur de la jambe de l'enfant au-dessus de la table (5-8 cm), les élèves (n = 6) augmenter la variance de leurs pieds dans le sens vertical en déplaçant leurs pieds progressivement plus élevé (figure 6) . Ils semblent avoir appris à coup élevé. Il serait prévu que des journées supplémentaires, les apprenants avec un seuil bas apprendraient la hauteur minimale nécessaire pour activer la variance mobile et leur position dans la direction verticale diminuerait.

Hip-genou coefficients de corrélation Angle

Pour illustrer les différences dans les modes de coordination hip-genou, 20 nourrissons ont été séparés en apprenants (n = 8; 5055 coups de pied analysé) et non-apprenants (n = 12; 8240 coups analysés) basé sur un critère d'apprentissage individuel. Les apprenants, mais pasNon-apprenants, ont diminué de façon significative leur coefficient de corrélation angle hip-genou entre la condition Jour 2 de l'acquisition et la ligne de base état ​​Jour 1 (p <0,001, figure 7). Ce changement de coordination a également été constaté dans les résultats de phase relatifs (tableau 1). Les apprenants ont démontré moins de coordination en phase hip-genou lors de l'interaction avec le mobile, peut-être parce que ce modèle de coordination fourni un moyen plus efficace pour activer le mobile. Lorsque la hauteur est faible, les moyens les plus efficaces pour activer le mobile peut être à fléchir et étendre la hanche tout en maintenant le genou en extension. Lorsque la hauteur est élevée, le moyen le plus efficace pour activer le mobile peut être de maintenir la hanche fléchie et le flex et d'étendre le genou. Soit les résultats de la stratégie à plus de coordination sur de phase hip-hip (genou fléchit tout genou étend) par rapport au modèle typique coups de pied d'un nourrisson de flexion et d'extension de la hanche et du genou presque synchrone.

Hip et MUS du genou couple impulsion des apprenants. (N = 8; 917 coups de pied) est tracée dans la figure 8 apprenants augmenté de manière significative la contribution de impulsion de couple hip MUS au hip NET couple impulsion entre les Jour 2 conditions d'extinction et toutes les autres conditions (p <0,001 ). Les apprenants ont également augmenté MUS du genou impulsion de couple contribution à NET impulsion de couple du genou entre les Jour 2 conditions d'extinction et toutes les autres conditions, à l'exception Jour 1 de référence (p <0,001). Il était prévu qu'il y aurait une diminution de la hanche et MUS du genou couple impulsionnelle entre la condition Jour 2 de l'acquisition et de l'état de référence Jour 1 car il a été émis l'hypothèse que les apprenants utilisaient moins tendance en phase coordination hip-du genou parce qu'il était plus efficace qu'un modèle plus en phase coordination. Cette modification de l'impulsion de couple de MUS peut ne pas avoir été démontré parce que pour calculer unccurate couples, seulement des coups de pied qui ne sont pas en contact avec la surface ou l'autre jambe peut être utilisé. Seuls les 917 coups répondaient à ce critère, contre les 5055 coups de pied utilisés pour documenter la diminution dans le hip-genou coefficients de corrélation pendant la condition d'acquisition Jour 2. Par conséquent, la diminution du nombre de coups de pied analysés, bien que nécessaire pour calculer avec précision les couples, peut avoir contribué à la différence non-significative de couples MUS entre les conditions de base et d'acquisition. Toutefois, un résultat robuste était l'augmentation de la hanche et du genou MUS impulsion de couple pendant la condition d'extinction. Les nourrissons qui avaient appris la tâche semblait être générer d'importants moments de la hanche et du genou MUS pendant la condition d'extinction dans une tentative de réactiver le mobile.

Figure 4
Figure 4: pourcentage d'action de la jambe renforcé par intervalle de 2 min moyenne.Les enfants ont été séparés en apprenants (n = 8) et non-apprenants (n = 12) basé sur un critère d'apprentissage individuels. Les apprenants ont augmenté de façon significative le pourcentage de l'action de la jambe renforcée entre la condition Jour 2 de l'acquisition et de la ligne de base état Jour 1 (p ajusté <0,001). B = base, A = acquisition, E = extinction.

Figure 5
Figure 5:. Exemple d'un apprenant avec un seuil élevé (14 cm au-dessus de table; 68% de la longueur de la jambe) Cet enfant a appris à bouger ses pieds autour du seuil pendant la condition d'acquisition, ce qui diminue la variance dans la z-direction verticale. Noter l'augmentation de la variance lorsque le mobile n'a plus active au cours de l'état d'extinction. Les données brutes provenant Jour 2 de cet apprenant est présenté dans la figure 2. B = base, A = acquisition, E = extinction.


Figure 6: Exemple d'un apprenant avec un seuil faible (7 cm au-dessus de table; 34% de la longueur de la jambe). Cet enfant a appris à soulever ses pieds plus élevés pendant la condition d'acquisition, ce qui augmente la variance dans la z-direction verticale. B = base, A = acquisition, E = extinction.

Figure 7
Figure 7: Les apprenants par rapport aux non-apprenants:. Signifient coefficients de corrélation de paire hip-du genou par des intervalles de 2 min nourrissons ont été séparés en apprenants (n = 8) et non-apprenants (n = 12) basé sur un critère d'apprentissage individuels. Les apprenants ont considérablement diminué hip-genou coefficient angle de corrélation entre la condition Jour 2 de l'acquisition et de la ligne de base état Jour 1 (p ajusté <0,001). B = base, A = acquisition, E = extinction.


Figure 8: Les apprenants: signifie muscle à impulsion de couple net de la hanche et du genou par des intervalles de 2 min apprenants (n = 8) a significativement augmenté la hanche impulsion de couple musculaire contribution à la hanche impulsion de couple nette entre la condition Jour 2 de l'extinction et toutes les autres conditions (. p ajusté <0,001). Les apprenants ont également augmenté de manière significative le muscle du genou impulsion de couple contribution au genou impulsion de couple nette entre la condition Jour 2 de l'extinction et toutes les autres conditions, à l'exception Jour 1 de base rajusté (p <0,001). B = base, A = acquisition, E = extinction.

Coup de pied La vitesse de pointe Hip inversion conjointe La vitesse de pointe Coup de pied
Initiation 1 er semestre de coup de pied 2 ème semestre de coup de pied Fin
M (SE) M (SE) M (SE) M (SE) M (SE)
Jour 1 de base des apprenants 64,4 (6,7) * 57,1 (6,8) * 57,1 (7,5) * 57,7 (7,6) * 62,5 (6,0) *
Non-apprenants 60,3 (5,4) 52,6 (5,5) 53.2 (6.1) 51.8 (6.1) 58,3 (4,8)
Jour 1 Acquisition apprenants 64.1 (6.4) * 58.7 (6.6) * 58,3 (7,3) * 58,4 (7,4) * 66,3 (5,6) *
; Non-apprenants 60,0 (5,2) 55,6 (5,4) 52,7 (5,9) 52,7 (6,0) 61,0 (4,6)
Jour 2 de base des apprenants 65,9 (6,6) 63,6 (6,7) 62,7 (7,4) 61,9 (7,5) 66,7 (5,8)
Non-apprenants 44,7 (5,4) 42,6 (5,5) 39.3 (6.1) 37,8 (6,1) 48,6 (4,8)
Jour 2 apprenants Acquisition 76,3 (6,4) ** 70,5 (6,6) ** 70,5 (7,3) ** 70,3 (7,3) ** 73,2 (5,6) **
Non-apprenants 47,6 (5,2) 42.3 (5.4) 38,7 (5,9) 36,6 (6,0) 47,5 (4,6)
Jour 2 Extinction apprenants 65,6 (6,6) 60,5 (6,7) 61,7 (7,4) 61,7 (7,5) 66,7 (5,8)
Non-apprenants 48.1 (5.3) 46,7 (5,5) 43,9 (6,0) 42.3 (6.1) 49,8 (4,7)

Tableau 1: Les apprenants par rapport aux non-apprenants: phase relative d'une paire de hip-genou par condition nourrissons ont été séparés en apprenants (n = 8) et non-apprenants (n = 12) basé sur un critère d'apprentissage individuels. Au sein du groupe, les apprenants ont considérablement augmenté angle hip-genou phase relative à tous les 5 points de temps entre la condition Jour 2 de l'acquisition et de la ligne de base état Jour 1 (moins de coordination en phase). Entre les groupes, les apprenants, par rapport aux non-apprenants, avait considérablement augmenté angle hip-genou phase relative (moins coordination en phase) à tous les 5 points de temps pendant la condition d'acquisition Jour 2. Remarque: SE = sterreur Andard. * = Significativement diminué de Learner Jour Acquisition 2, p <0,001 (plus en phase); ** = Une augmentation significative de non-Learner Jour Acquisition 2, p <0,001 (moins en phase)

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Discussion

Conception des tâches découverte d'apprentissage pour les jeunes enfants

Découverte tâches d'apprentissage pour les jeunes enfants doivent être soigneusement conçus pour assurer que les enfants découvrent indépendamment de l'éventualité. Dans plusieurs paradigmes mobiles au début de la condition d'acquisition, les nourrissons sont soit démontré que le mobile active par une activation non contingent du mobile 7,22 ou la jambe de chaque enfant est déplacé passivement par l'enquêteur de présenter l'enfant à la urgence 9. En outre, les soignants et les expérimentateurs peuvent fournir un renforcement supplémentaire pour soutenir la performance de l'enfant. Des règles spécifiques, comme indiqué ici, sont essentiels pour assurer que les enfants découvrent indépendamment l'éventualité sans influence extérieure.

Il est également important que la mesure dépend recueillies au cours d'une tâche de découverte-learning est sensible aux changements dans la performance. L'asp plus critiqueect dans ce paradigme est le réglage du seuil d'activation du mobile pour nourrissons. Si le seuil est placé trop haut au-dessus de la table, l'enfant peut ne pas activer le mobile assez souvent lors de l'acquisition pour déterminer qu'il est de son action de la jambe qui active le mobile. Si le seuil est placé trop bas, l'enfant peut avoir un tel niveau de RLA% au départ, il est improbable que l'enfant sera en mesure d'augmenter suffisamment RLA% lors de l'acquisition pour démontrer la performance ou de l'apprentissage; par exemple, un enfant avec une base de référence% RLA de 50% le jour 1 aurait besoin pour activer le mobile pour 75% de l'acquisition état de 6 min de la Journée 2 pour répondre aux critères individuels d'apprentissage. Des essais pilotes ont confirmé que le seuil standard pour chaque enfant ne peut pas être utilisé, au lieu du seuil doit être calculée séparément pour chaque enfant à partir de leur ligne de base l'action des jambes spontanée pour assurer que la ligne de base% RLA est d'environ 20 à 30% de l'action de la jambe de chaque nourrisson. Collecte et analyse des données de position d'actions de la jambe bébé

Cette méthode utilise des données de position recueillies auprès des organes rigides fixés à des segments communs, la méthode standard dans l'analyse biomécanique adulte. Des recherches antérieures sur les actions de la jambe nourrissons ont rassemblé les données de position DEL individuelles fixées aux centres conjoints 13-15,23-28. La collecte de données à partir de corps rigides par rapport aux LED individuelles présente plusieurs avantages. Tout d'abord, des corps rigides se déplacent moins et tombent très rarement par rapport à DEL individuelles. Cela permet de plus longues collections de données (8-10 min) sans interruption pour remplacer les marqueurs manquants, ce qui peut distraire les enfants de leur tâche de découverte et d'apprentissage. Deuxièmement, corps rigides permettent une analyse cinématique et cinétique 3D complète de mouvement de l'articulation. Les données recueillies avec IREDs individuelles sont analysées et présentées comme si le mouvement ne se produit que dans les mouvements de plan sagittal de flexion et d'extension. Cela conduit à incomplete données cinématiques. Les données recueillies avec IREDs individuels restreint également l'analyse cinétique pour une approche cinétique 2D, ce qui donne des estimations susceptibles de couple inexactes lors de bébé coups de pied des actions qui ne se produisent pas principalement dans le plan sagittal. Bien que l'utilisation de corps rigides est une avancée significative dans la recherche en biomécanique infantile, corps rigides infantile sont actuellement pas disponible pour achat et exigent la fabrication sur mesure.

Limites

Une limitation de cette méthode est qu'elle est limitée à un environnement de laboratoire en raison de l'utilisation d'un système de capture de mouvement. Recrutement de jeunes enfants à participer à des études de recherche en laboratoire sur plusieurs jours est un défi.

Ce paradigme mobiles rapporte des pourcentages inférieurs de nourrissons qui ont appris la tâche par rapport aux paradigmes précédents mobiles. En raison de plusieurs caractéristiques uniques de ce paradigme, les nourrissons peuvent nécessiter plus de 2 jours pour démontrer l'apprentissage. Tout d'abord, ennourrissons ne sont pas montrées que le mobile se déplace, plutôt ils découvrent indépendamment l'éventualité que leurs actions de la jambe exploratoires activer le mobile. Deuxièmement, le paradigme nécessite une action de jambe plus raffiné que les paradigmes précédents mobiles et encourage, en dehors de la phase des formes de coordination hip-genou plus mature qui peut être difficile pour les nourrissons apprennent à produire en deux jours 3. Troisièmement, les nourrissons ne peuvent pas démontrer la performance ou l'apprentissage en augmentant actions jambe lorsque les arrêts mobiles d'activation (c. cours de base ou l'extinction 5), plutôt les nourrissons ont besoin de rester en prise avec la tâche et accroître le renforcement mobile pour toute l'acquisition état ​​de 6 min de la Journée 2 à démontrer son apprentissage. En raison de ces caractéristiques uniques, on suppose que l'augmentation du nombre de jours qui participent à la tâche peut entraîner des nourrissons plus la tâche d'apprentissage.

Les applications futures

Cette découverte apprentissage tâche peut lead à de nouvelles idées sur la façon dont les nourrissons apprennent à modifier leurs mouvements spontanés pour effectuer des actions spécifiques à la tâche. En suivant les actions jambes du nourrisson, tout en participant dans un environnement de détection d'apprentissage, il a été démontré que les nourrissons modifier la position variance de leurs effecteurs d'extrémité (pieds), leurs modes de coordination hanche au genou, et leur impulsion de couple hanche et MUS du genou. Cette information peut déterminer les options nourrissons ont à leur disposition lors de l'interaction avec leur environnement et comment ils exploitent ces options pour apprendre actions spécifiques à la tâche. Il fournit également un moyen d'enquêter non seulement comment les nourrissons apprennent une tâche, mais ce qu'ils apprennent. Par exemple, les apprenants avec un seuil bas semblaient apprendre à coup plus élevé, tandis que les apprenants avec un seuil élevé semblaient connaître l'emplacement du seuil.

Les nourrissons à risque de troubles du mouvement fournissent un échantillon unique d'étudier les contraintes de nourrissons qui contribuent aux changements spécifiques à une tâche en acteion. La pathologie sous-jacente qui met les enfants à risque contribue à des différences dans l'action des jambes en raison de déficiences, comme une diminution de la mobilité articulaire sélective et une diminution de la capacité de génération de force des muscles. Le suivi des actions jambe de nourrissons à risque de troubles du mouvement au cours de cette ou d'autres tâches de découverte-learning peut être l'occasion de quantifier la déficience spécifique contribuer à des différences dans l'action des jambes spécifique à la tâche et aussi des différences dans la façon dont les tâches sont apprises.

Une fois qu'il est connu de troubles spécifiques des différentes populations de nourrissons à risque influencent l'action des jambes au début, la recherche plus de principe peut être entrepris pour déterminer comment une action rapide jambe peut être optimisée pour la fonction qualifiée. Découverte paradigmes d'apprentissage peuvent être conçus pour soutenir l'action de la jambe et à l'apprentissage des enfants à risque de troubles du mouvement. Plus précisément, les environnements peuvent être construits de telle sorte que les modes de coordination souhaités ou des exigences de force de production sontdécouvert par les nourrissons alors qu'ils explorent la relation entre leur action de la jambe et de ses effets dans l'environnement construit. Ces types de paradigmes de découverte apprentissage pourraient non seulement un soutien action de la jambe, mais pourraient également soutenir les capacités d'apprentissage des jeunes enfants à risque.

En résumé, on décrit un procédé dans lequel 3-4 mois nourrissons apprennent une tâche par la découverte et à leurs mouvements de jambes sont capturés à quantifier le processus d'apprentissage. Suivi des mouvements de nourrissons tout en participant à des tâches de découverte-learning peut être l'occasion de quantifier le processus d'apprentissage que les nourrissons explorent la relation entre leur action et ses effets sur le monde.

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Disclosures

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgments

Cette recherche a été soutenue par la promotion des études doctorales (PODS) I et II prix de la Fondation pour la thérapie physique et une bourse d'études Adopt-A-Doc de la Section de l'éducation de l'American Physical Therapy Association à 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

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References

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