Kvantifisere læring i små spedbarn: Tracking Leg Handlinger Under en Discovery-læring Oppgave
Summary
A method is described in which 3-4 month old infants learn a task by discovery and their leg movements are captured to quantify the learning process.
Abstract
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: Infant sparker-aktivert mobil oppgave. </strong> Sentrum light-emitting diode (LED) som er festet til den stive kroppen på hver fot (gul sirkel) aktiverer mobil når den krysser den virtuelle terskel (rød stiplet linje). Re-trykt med tillatelse fra Sargent 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: 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.
Protocol
Representative Results
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 ex…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| Optotrak Certus Position Sensor, Far Focus, with stand | Northern Digital Inc | 8800852 | |
| Optotrak Data Acquisition Unit II (ODAU II) | Northern Digital Inc | 8800767 | |
| Optotrak Vinten Stand, Certus with Quick Fix Adapter | Northern Digital Inc | 8800855.002 | |
| Certus S-Type, Standard Configuration | Northern Digital Inc | 8800761 | |
| Marker (7 mm) pair, c/w RJII connector and 8 ft cable | Northern Digital Inc | 8001029.001 | |
| AC Line Cord, Medical Grade, North America | Northern Digital Inc | 7500010 | |
| Cubic Reference Emitter Kit – Certus | Northern Digital Inc | 8800768 | |
| 3 Pylon IEEE 1394 cameras | Basler | A6021c | |
| Vixia HG10 camcorder | Canon | 2183B001 | |
| Adhesive Disks | MVAP Medical Supplies | E401-500 | |
| Reversible head support | Eddie Bauer | 52556 | |
| Softstrap Strap | Sammons Preston | A34960 | |
| Digital Pediatric Scale | Healthometer | Model 524KL |
References
- Gibson, E. J., Pick, A. D. . An Ecological Approach to Perception, Learning and Development. , (2000).
- Thelen, E., Smith, L. B. . A Dynamic Systems Approach to the Development of Cognition and Action. , (1994).
- Sargent, B., Schweighofer, N., Kubo, M., Fetters, L. Infant exploratory learning: influence on leg joint coordination. PLoS One. 9 (3), e91500 (2014).
- Rovee-Collier, C. K., Gekoski, M. J., Reese, H. W., Lipsitt, L. P. The economics of infancy: A review of conjugate reinforcement. Adv Child Dev Behav. 13, 195-255 (1979).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chen, Y., Fetters, L., Holt, K., Saltzman, E. Making the mobile move: constraining task and environment. Infant Behav. Dev. 25 (2), 195-220 (2002).
- 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).
- 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).
- Soderkvist, I., Wedin, P. Determining the movements of the skeleton using well-configured markers. J. Biomech. 26 (12), 1473-1477 (1993).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sun, H., Jensen, R. Body segment growth during infancy. J. Biomech. 27 (3), 265-275 (1994).
- Murray, R. M., Li, Z., Sastry, S. S. . A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation. , (1994).
- 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).
- Angulo-Kinzler, R. Exploration and selection of intralimb coordination patterns in 3-month old infants. J. Mot. Behav. 33, 363-376 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- Piek, J. P. A quantitative analysis of spontaneous kicking in two-month-old infants. Hum. Mov. Sci. 15, 707-726 (1996).
- Thelen, E. Developmental origins of motor coordination: Leg movements in human infants. Dev. Psychobiol. 18, 1-22 (1985).
- 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).
