Samenvatting
Dit proefschrift bestudeert de ontwikkeling van ritmisch gecoordineerde bewegingen en stoornissen daarin bij kinderen in de leeftijd van 6 tot 12 jaar vanuit het perspectief van de theorie van dynamische patroonformatie. Hoofdstuk 1 vat de probleemstelling en het doel van het proefschrift samen. Kinderen met een ontwikkelingscoordinatiestoornis (vertaling van Developmental Coordination Disorder, verder afgekort als DCD) worden -in vergelijking met hun leeftijdgenootjes- gekenmerkt door een gebrek aan coordinatie in alledaagse bewegingshandelingen zonder dat er sprake is van een aanwijsbare neurologische aandoening. De oorzaak van deze coordinatiestoornis is onduidelijk. Onderzoekingen vanuit een informatieverwerkings benadering suggereren dat deze coordinatieproblemen het gevolg zijn van een stoornis in de programmering van de temporele aspecten van het bewegen (Williams, Woollacott, & Ivry, 1992). Onderzoek vanuit een dynamische benadering richt zich meer op de rol van dynamische zelf-organiserende controle processen in gecoordineerd bewegingsgedrag. Dit proefschrift richt zich op de rol van zulke dynamische processen in DCD. Het beperkt zich tot de bestudering van de (relatieve) timing in tweehandig ritmisch gecoordineerde bewegingen, en eenhandige ritmische bewegingen die worden gecoordineerd met een ritmisch auditief of visueel signaal. Uitgegaan wordt van een dynamisch model, waarin twee ritmische componenten worden opgevat als twee niet-lineair gekoppelde oscillatoren, en waarin de relatieve fase tussen twee ritmische componenten de stabiliteit van het systeem op gedragsnivo weerspiegelt. Het doel van dit proefschrift is: (1) leeftijdsgerelateerde veranderingen in de stabiliteit van gecoordineerde ritmische bewegingen van kinderen in kaart te brengen; en (2) verschillen in de stabiliteit tussen kinderen met DCD en op leeftijd gematchte controle kinderen te onderzoeken. De experimenten die worden beschreven in hoofdstuk 3 t/m 6 hebben gemeenschappelijk dat steeds twee basispatronen van bewegingscoordinatie (i.e., infase en antifase coordinatie) worden getest in een conditie waarin de bewegingsfrekwentie min of meer constant blijft, en in een conditie waarin de bewegingsfrekwentie toeneemt en verlies van stabiliteit optreedt. Hoofdstuk 2 beschrijft hoe volgens de theorie van dynamische patroonformatie stabiel bewegingsgedrag kan ontstaan op basis van zelforganiserende eigenschappen van het systeem. De theorie stelt dat stabiele bewegingspatronen ontstaan (op macronivo) door niet-lineaire interacties van de componenten van het systeem (op micro nivo), die zich gedragen als een functionele organisatorische eenheid. Zelforganisatie impliceert dat het grote aantal vrijheidsgraden dat in een complex systeem dient te worden gecontroleerd
108
Rhythmic Coordination Dynamics in Children
wordt gereduceerd tot slechts één of enkele collectieve variabelen. Een voorbeeld van zelforganisatie is het samenhangende bewegingsgedrag in een school vissen. Dit collectieve gedrag wordt niet van buiten af opgelegd, maar komt voort uit de onderlinge interacties van individuele vissen. Bewijs voor het optreden van zelf-organisatie in het menselijk bewegingsysteem werd gegeven in een paradigmatisch experiment van Kelso, waarin proefpersonen ritmische heen en weer gaande bewegingen met beide wijsvingers maakten. Daarin werd gevonden werd dat slechts twee bewegingen stabiel konden worden uitgevoerd, namelijk die waarbij de vingers in gelijke richting (in-fase) of precies tegen elkaar in bewogen (antifase), en dat er een spontane overgang van het antifase naar het in-fase patroon plaatsvond wanneer de frekwentie van bewegen toenam tot een bepaalde kritische waarde. In dit voorbeeld en in de theorie van patroonformatie meer in het algemeen spelen twee soorten variabelen een essentiele rol, namelijk de collectieve variabele en de controle parameter. De collectieve variabele (i.e., relatieve fase) is de variabele die de stabiele toestanden van het systeem weergeeft, en de controle parameter (i.e., frekwentie) is de variabele die een verlies van stabiliteit en een daarmee gepaard gaande transitie van het ene naar het andere stabiele bewegingspatroon kan bewerkstelligen. De coordinatie tussen twee ritmisch bewegende ledematen of tussen een ritmisch bewegend ledemaat en een extern ritmisch signaal (i.e., ritmische perceptie-actie koppeling) kan worden beschreven in termen van de dynamica (i.e., verandering in de tijd) van de relatieve fase tussen de bewegende onderdelen. De ontwikkeling van ritmische bewegings-coordinatie, alsmede individuele verschillen in ritmische coordinatie ten gevolge van stoornissen in menselijk bewegen kunnen worden bestudeerd met behulp van relatieve fase dynamica. Leeftijdsgerelateerde verschillen in bewegingscoordinatie In hoofdstuk 3 en 4 worden -uitgaande van een cross-sectionele onderzoeksopzetveranderingen in de stabiliteit van tweehandige ritmische bewegingen (i.e., tikken met de wijsvingers) en van eenhandige ritmische bewegingen die moeten worden gecoordineerd met auditieve of visuele stimuli als functie van leeftijd bestudeerd. Hoofdstuk 3 beschrijft leeftijdsgerelateerde veranderingen en veranderingen ten gevolge van training in het tweehandig tikken van in-fase en antifase patronen in kinderen van 6, 8, en 10 jaar. Een afname van de relatieve fase variabiliteit, en een toename van de kritische frekwentie (i.e., de frekwentie waarbij een verlies van stabiliteit werd waargenomen) liet zien dat de stabiliteit geleidelijk toeneemt als functie van leeftijd. Volgens het gekoppelde oscillator model kan dit worden verklaard door een toename van de koppelingssterkte tussen de oscillatoren. Training van het antifase coordinatiepatroon (8 trainingssessies in een week) op een tempo gelegen net onder de kritische frekwentie resulteerde in een asymptotische
Samenvatting
109
toename van de kritische frekwentie. De interpretatie van deze bevinding is dat de stabiliteit van het coordinatiepatroon door training te verbeteren is tot aan een leeftijdsgerelateerd maximum dat waarschijnlijk gerelateerd is aan een fysieke beperking in het organisme. In hoofdstuk 4 worden leeftijdsgerelateerde verschillen in eenhandige ritmische perceptieactie patronen bij kinderen in de leeftijd van 7, 9 en 11 jaar bestudeerd. De taak bestond eruit het ritmisch tikken met de wijsvinger precies te laten samenvallen met de geluidssignalen van een computermetronoom (in-fase coordinatiepatroon) of om juist precies tussen de geluidssignalen in te tikken (antifase coordinatiepatroon). Een afname van de relatieve fase variabiliteit, en een toename van de kritische frekwentie liet zien dat de stabiliteit van de perceptie-actie patronen toenam als functie van leeftijd, hetgeen -volgens het gekoppelde oscillator model- te verklaren is door een toename in de sterkte van de koppeling. Omdat de aard van de koppeling informationeel is kan de kritische frekwentie ook worden geïnterpreteerd als een beperking in het vermogen om informatie die nodig is om een bepaald perceptie-actie patroon in stand te houden op te nemen en te verwerken. Dit vermogen neemt kennelijk toe met leeftijd. Individuele verschillen: Kinderen met en zonder DCD De kinderen die meededen aan de experimenten zoals beschreven in hoofdstuk 5 en 6 werden op de volgende wijze geselecteerd. Op 10 basisscholen werden in eerste instantie 57 kinderen uit groep 3 tot en met groep 8 geselecteerd door onderwijzers en leerkrachten voor lichamelijke opvoeding op basis van een aantal algemene kenmerken van DCD. Deze kinderen werden getest op een algemene motorische testbatterij (Movement-ABC), waarbij het 15e percentiel als criterium werd gehanteerd. Vierentwintig kinderen die onder de 15e percentiel scoorden werden geclassificeerd als DCD. Voor elk DCD kind werd door de klasseleerkracht het eerstvolgende kind op de klasselijst overeenkomend in leeftijd (± 3 maanden) en sexe als controle kind geselecteerd. Bij het merendeel van deze DCD kinderen (N = 21) werd tevens een ontwikkelingsneurologische test (Touwen, 1979) afgenomen. Bij 18 van de 21 DCD kinderen werden verschijnselen van lichte neurologische dysfunctie gevonden. In hoofdstuk 5 wordt de stabiliteit van eenhandige en tweehandige ritmische flexieextensie bewegingen van de wijsvingers in een groep kinderen met DCD (N = 24) en een groep controle kinderen (N = 24) bestudeerd. Een van de experimentele manipulaties bestond uit het toepassen van verstoringen. De tijd die het systeem nodig heeft om na een verstoring terug te keren naar het initiële niveau van stabiliteit (i.e., de hersteltijd), is een belangrijke maat voor de stabiliteit van het systeem. Voor tweehandige ritmische bewegingen werd de hersteltijd van de relatieve fase bepaald, terwijl voor eenhandige
110
Rhythmic Coordination Dynamics in Children
bewegingen de hersteltijd van de ‘periodische aantrekker’ van de oscillaties van de afzonderlijk vingers werd bepaald. Voor tweehandige bewegingen werd tevens de variabiliteit van de relatieve fase en de kritische frekwentie (zie hoofdstuk 3) bepaald. Daarnaast werd de kinematische variabiliteit van de bewegingen van de afzonderlijke vingers gemeten. Gevonden werd dat de DCD groep slechter scoorde op alle drie gehanteerde stabiliteitsmaten voor tweehandige ritmische coordinatie en de stabiliteitsmaat voor eenhandige ritmisch bewegingen dan de controle groep. Deze lagere stabiliteit van tweehandige ritmische coordinatie in de DCD groep wijst -volgens het model van gekoppelde oscillatoren- op een minder sterke koppeling tussen de onderliggende oscillatoren. Daarnaast blijkt uit de lagere stabiliteit van eenhandige bewegingen dat de stabiliteit van de oscillatoren zelf ook kleiner is. Er werd geen verband gevonden tussen de stabiliteit van eenhandige of tweehandige bewegingen en de ontwikkelingsneurologische status van de DCD kinderen. Binnen de DCD groep werd een subgroep (N = 9) geïdentificeerd met een bijzonder slechte tweehandige coordinatie stabiliteit. Deze subgroep had een significant grotere kinematische variabiliteit in de bewegingen van de afzonderlijke vingers dan de restgroep (N = 15), hetgeen suggereert dat de hoge variabiliteit in de oscillaties van van de afzonderlijke ledematen mogelijk heeft bijdragen aan de lagere stabiliteit van het gekoppelde systeem. De bevindingen in dit hoofdstuk wijzen er verder op dat problemen in de relatieve timing van ritmische bewegingen van kinderen met DCD niet zozeer het gevolg zijn van een stoornis in de bewegingsprogrammering (i.e., de centrale ‘timekeeper’) (Williams, Woollacott, & Ivry, 1992), maar meer van een stoornis in dynamische controle processen die ten grondslag liggen aan het uitvoeren van stabiele en reproduceerbare bewegingspatronen. Tenslotte wordt in dit hoofdstuk in het verlengde van de voorgaande conclusie de rol van het cerebellum in de timing van ritmische bewegingen van DCD kinderen besproken. In hoofdstuk 6 wordt tenslotte de stabiliteit van eenhandige ritmische volgbewegingen bij dezelfde DCD en controle kinderen bestudeerd. De taak bestond eruit ritmische flexieextensie bewegingen van de wijsvinger te synchroniseren met een heen en weer gaand visueel signaal, hetzij in dezelfde richting (in-fase coordinatie) of in tegengestelde richting (antifase coordinatie). Er werden visuele pertubatie toegepast om de hersteltijd van in-fase coordinatiepatronen te bepalen. Tevens werd de variabiliteit van de relatieve fase en de kritische frekwentie bepaald. De resultaten lieten zien dat de ritmische perceptie-actie patronen van DCD kinderen minder stabiel zijn dan die van controle kinderen, hetgeen kan worden verklaard door een minder sterke koppeling van de ‘ledemaat’ oscillator met de ‘visuele’ oscillator. De lagere kritische frekwentie van DCD kinderen kan tevens worden geïnterpreteerd als een beperking in het vermogen de informatie die nodig is om een
Samenvatting
111
bepaald perceptie-actie patroon in stand te houden op te nemen en te verwerken (zie hoofdstuk 4). Er werd geen verband gevonden tussen de stabiliteit van de perceptie-actie patronen en de ontwikkelingsneurologische status van de DCD kinderen. Binnen de DCD groep werd een subgroep geïdentificeerd (N = 11) met een bijzonder slechte stabiliteit in de betreffende perceptie-actie patronen. Vergelijking van de bevindingen in hoofdstuk 6 met de bevindingen in hoofdstuk 5 laat zien dat er een subgroep van 7 DCD kinderen is met een bijzonder lage stabiliteit voor zowel tweehandige ritmische coordinatie en eenhandige ritmische perceptie-actie koppeling. Het identificeren van zulke subgroepen op basis van problemen in bewegingscoordinatie heeft mogelijk implicaties voor verder onderzoek bij meer homogene groepen van DCD en voor interventie. Tevens laat zo’n vergelijking zien dat de stabiliteit van eenhandige ritmische perceptie-actie koppeling in absolute zin kleiner is dan die van tweehandige ritmische coordinatie. Dit kan onder andere worden verklaard door verschillen in de aard van de koppeling en verschillen in de asymmetrie van de betreffende systemen. In hoofstuk 7 worden de belangrijkste empirische bevindingen samengevat en worden enkele conclusies geformuleerd en aanbevelingen voor verder onderzoek gedaan. De eerste conclusie is dat het model van gekoppelde oscillatoren toepasbaar en bruikbaar is om de ontwikkeling van tweehandige ritmische coordinatie en eenhandige ritmische perceptie-actie koppeling, alsmede van eventuele stoornissen daarin te beschrijven. De tweede conclusie is dat problemen in de relatieve timing van gecoordineerde ritmische bewegingen van DCDkinderen niet zozeer het gevolg zijn van een stoornis in de bewegings-programmering, maar van een stoornis in dynamische controle processen in de bewegingsuitvoering zelf. Tevens laat deze studie zien dat subtypen van DCD kunnen worden geïdentificeerd door het relatieve fase gedrag (stabiliteit) in funktioneel verschillende coordinatiesystemen te bestuderen.
List of publications
Volman, M.J.M. (1993). Tweehandige ritmische coordinatie: Een dynamisch systeem perspectief (Bimanual rhythmic coordination: A dynamic systems perspective). Proceedings van het Vierde Congres van de Nederlandse Vereniging voor Psychonomie (pp. 48-49). Volman, M.J.M., & Geuze, R.H. (1993). Bimanual rhythmic coordination in children: A dynamical approach. In S.S. Valenti & J.B. Pittenger (Eds.), Studies in Perception and Action II (pp. 20-23). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum. Volman, M.J.M., & Geuze, R.H. (1994). Bimanual rhythmic tapping in children: A developmental perspective. In W. Koops, B. Hopkins & P. Engelen (Eds), Proceedings of the 13th Biennial Meeting of the ISSBD (p. 391). Amsterdam: Free University Press. Volman, M.J.M., & Geuze, R.H. (1995). Development of temporal stability in unimanual perception-action coupling. In B.G. Bardy, R.J. Bootsma, & Y. Guillard (Eds.), Studies in Perception and Action III (pp. 87-90). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum. Volman, M.J.M., & Geuze, R.H. (1996). Stability of rhythmic perception-action patterns in children with a Development Coordination Disorder. Proceedings of the Fourth European Workshop on Ecological Psychology (pp. 139-142). Volman, M.J.M., & Geuze, R.H. (1997). Relative phase dynamics of rhythmic coordination patterns in children with a Developmental Coordination Disorder. Third Annual Conference on Developmental Coordination Disorder. Volman, M.J.M., & Geuze, R.H. (1998). Stability of rhythmic finger movements in children with a Developmental Coordination Disorder. Motor Control 2, 34-60. Volman, M.J.M., & Geuze, R.H. (submitted for publication). Stability of visuomanual and bimanual rhythmic coordination in children with a Developmental Coordination Disorder. Human Movement Science.
Appendix
The following list was provided to class teachers as a guide to select children with signs of clumsy behavior. Teachers were asked not to be too reserved in their selection, since we wanted to preselect as much as possible children with signs of DCD to test them with the Movement-ABC test battery on which the final selection criterion was based. List for class teachers General Children with a Developmental Coordination Disorder (DCD) are characterized by a poor performance of daily life activities that require coordination that is not due to their age or intellect, and which often interferes with academic achievement and daily life activities. Specific Children with DCD may display one or more of the following specific motor difficulties: 1. Difficulties with gross motor performance (e.g., running, hopping, ball skills, sports). 2. Difficulties with fine motor performance (e.g., tying shoelaces, buttoning, drawing) 3. Poor balance. 4. Poor writing abilities. 5. Speech problems (i.e., articulation).
