Principles of Self-organization in spontaneous Movements of human Neonates

Abstract

Spontaneous movements of human neonates were studied from a dynamic perspective. Application of recurrence plot analysis and symbolic dynamics of kinematic data of the movement behavior of the four limbs, arms and legs, revealed the following principles of organization: 1\. The coordination of four single behavioral channels (arms and legs) into one channel of behavior (a sequence of configurations) that involved the dynamics of the four subsystems. 2\. The segmentation of the movement flow into nested movement units (movement phrases consisting of movement elements). 3\. The emergence of transient attractors (reference configurations). 4\. The alternation between qualitatively distinct dynamical regimes: (a) between active and passive, (b) between linear and nonlinear and (c) between the presence and absence of reference configurations (attractors). It is assumed that these principles of organization result from partial synchronization of the movements of the four limbs that evolves from self-organization - a dynamical interaction of the four subsystems (arms and legs) - due to natural mechanisms of constraining the degrees of freedom. Furthermore it is concluded that these principles of coordination do not result from superior neuronal activities that govern the movement behavior, but emerge from the mutual interaction of the biodynamical properties of the body. The possibility that afferent feedback-loops that act on spontaneous network generated activity create interferences, which in turn affect via early spinocortical tracts the patterning of developing cognitive functions, is not ruled out. The biological significance of the results is addressed by the description of the principles of organization of neonatal limb kinematics in a dynamic terminology revealing that the self-organization of the physical apparatus is continuous with higher cognitive processes: (1) multiple stable regions in phase space allow for optimal adaptability, (2) freeing and freezing of degrees of freedom facilitates learning and (3) recurrence of the same principles in different contextual frameworks allows for abstraction. Therefore the results of this study are proposed to serve as a contribution to the idea of an embodied cognitive system with the self organizing interaction of the physical apparatus and the nervous system as a first stage of development in forming higher organizational levels of abstraction.

In dieser Studie wurde die Spontanmotorik von Neugeborenen aus einer dynamischen Perspektive unter Anwendung systemanalytischer Methoden untersucht. Diese schlossen eine Recurrence Plot Analyse und Verfahren der Symbolischen Dynamik kinematischer Daten ein. Es wurde herausgefunden, dass die Koordination der Arm- und Beinbewegungen zu folgenden Organisationsprinzipien führte: 1\. Die Zusammenfassung der Aktivitäten paralleler Kanäle (Arme und Beine) zu einem diskreten einkanaligem seriellen Informationsstrang (Sequenz von Konfigurationen), der die Dynamiken aller 4 Subsysteme beinhaltet. 2\. Die zeitliche Segmentierung ineinander geschachtelter Bewegungseinheiten (Bewegungsphrasen bestehend aus Bewegungselementen). 3\. Die Entstehung transienter Attraktoren (Referenzkonfigurationen). 4\. Der Wechsel zwischen qualitativ verschiedenen dynamischen Regimen: (a) zwischen aktiv und passiv, (b) zwischen linear und nicht linear und (c) zwischen der Anwesenheit und Abwesenheit von Referenzkonfigurationen (Attraktoren). Ich nehme an, dass diese Ergebnisse eine partielle Synchronisation der Bewegungen der vier Extremitäten widerspiegeln, die durch Selbstorganisation, d.h. einer Interaktion der vier Subsysteme (Arme und Beine) entstehen und auf natürliche Mechanismen der Einschränkung der Freiheitsgrade zurückgehen. Des Weiteren wird angenommen, dass sich diese Organisationsprinzipien weniger aus einer übergeordneten neuronalen Steuerung der Extremitäten, sondern hauptsächlich aus dem wechselseitigen Zusammenspiel der biodynamischen Eigenschaften des Körpers ergeben. Ich halte es für nicht ausgeschlossen, dass dadurch über afferente Rückkoppelung, die auf die Spontanaktivität neuronaler Netzwerke des Rückenmarks wirkt, Interferenzen entstehen, die über bereits früh angelegte spinocorticale Trakte auf höhere Zentren einwirken. Die biologische Bedeutung der Ergebnisse wird durch die Erfassung der Organisationsprinzipien in einer dynamischen Terminologie behandelt. Es wird gezeigt, dass die Selbstorganisationsprozesse des physischen Apparates kontinuierlich in höhere kognitive Prozesse übergehen: (1) multiple stabile Bereiche im Phasenraum erlauben eine optimale Anpassungsfähigkeit, (2) die Einschränkung und Befreiung von Freiheitsgraden ermöglicht Lernen und (3) die Nutzung desselben Prinzips in verschiedenen Kontexten erlaubt Abstraktion. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden als ein Beitrag zu der Idee eines verkörperten kognitiven Systems aufgefasst, in dem die selbstorganisierende Interaktion des physischen Bewegungsapparates mit dem Nervensystem als eine erste Entwicklungsstufe in der Bildung höherer Abstraktionsebenen verstanden wird.