An investigation of action observation-based motor learning through kinematics analysis

Abstract

It has been demonstrated that observing actions plays a fundamental role in learning new motor skills. On this knowledge, the Action Observation Treatment (or Training) (AOT) was defined as alternating the observation and the execution of actions. In this thesis, after a literature review on the effectiveness of AOT in rehabilitation and learning new motor skills, I present the methodological framework and preliminary results of a study investigating the role of AOT in learning motor sequences typical of martial arts. The main purpose of this study is to test the greater effectiveness of AOT compared to MP in motor learning. In addition, a second objective is to verify the potential of AOT in the generalization of learning, that is, the ability to acquire new information more easily in a situation where practice takes place in a scope that is compatible with that of the previously learned information, and that has consistency with the acquired knowledge. With these objectives, the performance of motor learning by AOT is compared with those achieved during learning with motor practice (MP). Twelve healthy subjects who were naïve in dance and martial arts were recruited to participate in seven full-body kinematics sessions conducted over four weeks. They had to observe an expert model practice sequence and subsequently repeat them as accurately as possible. The training consisted of six sessions carried out over two weeks, and then the follow-up was conducted during the fourth week. Each subject during each session underwent learning of four motor sequences, two by the AOT method and two by the MP method. In the follow-up session, they were asked to reproduce two untrained motor sequences with AOT to assess generalization. To compare the effectiveness of the two methods, I calculated the Learning Rate, Decay, and Consolidation Rate. I verify the generalization of learning by comparing the average of correlations related to the executions of the untrained sequences on the seventh day with that of the sequences during the first training day. In this thesis, the results of three participants are reported, as recruitment and respective analyses are still in progress. Learning after training was observed in both conditions, but Action Observation Training revealed higher learning than the MP method. The learning rate is greater in the AOT condition (0.3267) than in the MP (0.3000) condition during the two-week training. The decay value from the end of training to follow-up in the AOT condition is lower (0.0133) than in the MP condition (0.1333). Moreover, the consolidation rate is higher for the AOT method (95.92%) than for the MP method (55.56%). Furthermore, a generalization of learning of AOT occurred as the performance of the untrained sequences executed during the follow-up was higher (0.2477) than the correlation values of the sequences performed during the first session (0.1400). These preliminary results demonstrate AOT's role in acquiring new motor skills by showing greater effectiveness and consolidation over time. Furthermore, a generalization effect is observed, i.e., an ability to learn new stimuli that belong to the same motor repertoire as previously acquired stimuli.

È stato dimostrato che l'osservazione delle azioni svolge un ruolo fondamentale nell'apprendimento di nuove abilità motorie. Sulla base di queste scoperte è stato definito un metodo di apprendimento, l'Action Observation Treatment (o Training) (AOT) che consiste nell’alternanza di osservazione ed esecuzione di azioni. Nella presente tesi, dopo una revisione sulla letteratura sull'efficacia dell'AOT nella riabilitazione e nell'apprendimento di nuove abilità motorie, presento il quadro metodologico e i risultati preliminari di uno studio che indaga il ruolo dell'AOT nell'apprendimento di sequenze motorie tipiche delle arti marziali. Lo scopo principale di questo studio è verificare la maggiore efficacia dell'AOT rispetto alla MP nell'apprendimento motorio. Inoltre, un secondo obiettivo è quello di verificare le potenzialità dell’AOT nella generalizzazione dell'apprendimento, cioè la capacità di acquisire più facilmente nuove informazioni in una situazione in cui la pratica si svolge in un ambito compatibile con quello delle informazioni precedentemente apprese e che ha coerenza con le conoscenze acquisite. Con questi obiettivi, le prestazioni dell'apprendimento motorio mediante AOT sono state confrontate con quelle ottenute durante l'apprendimento attraverso pratica motoria (MP). Dodici soggetti sani, senza competenze nell’ambito della danza e delle arti marziali, sono stati reclutati per partecipare a sette sessioni di registrazione di cinematica full-body, condotte nell'arco di quattro settimane. Ogni soggetto, durante ogni sessione, è stato sottoposto all'apprendimento di quattro sequenze motorie, due con il metodo AOT e due con il metodo MP. L'apprendimento si è sviluppato in sei sessioni svolte nell'arco di due settimane, mentre il follow-up, per testarne il consolidamento, è stato condotto durante la quarta settimana. Per valutare la generalizzazione dell’AOT nella sessione di follow-up, è stato chiesto loro di eseguire due nuove sequenze motorie non apprese precedentemente. Per confrontare l'efficacia dei due metodi, ho calcolato il calcolato il tasso di apprendimento, il tasso di decadimento e il tasso di consolidamento. Per valutare la generalizzazione dell'apprendimento, ho confrontato la media delle correlazioni relative alle esecuzioni delle sequenze non allenate al settimo giorno con quella delle sequenze eseguite durante il primo giorno di allenamento. In questa tesi sono stati riportati i risultati di tre partecipanti, poiché il reclutamento e le rispettive analisi sono ancora in corso. È stato osservato un apprendimento, dopo il training, in entrambe le condizioni, ma l'AOT ha rivelato un’efficacia maggiore rispetto al metodo MP. Infatti, il tasso di apprendimento è maggiore nella condizione AOT (0,3267) rispetto alla condizione MP (0,3000) durante le due settimane di apprendimento. Il valore di decadimento dalla fine dell'allenamento al follow-up nella condizione AOT è inferiore (0.0133) rispetto a quello della condizione MP (0.1333). Infine, il tasso di consolidamento è più alto per il metodo AOT (95,92%) rispetto al metodo MP (55,56%). Inoltre, si è verificata una generalizzazione dell'apprendimento per l’AOT, in quanto le prestazioni delle sequenze non addestrate eseguite durante il follow-up erano superiori (0,2477) ai valori di correlazione delle sequenze eseguite durante la prima sessione (0,1400). Questi risultati preliminari dimostrano il ruolo dell'AOT nell'acquisizione di nuove abilità motorie, mostrando una maggiore efficacia e consolidamento nel tempo rispetto alla MP. Inoltre, si osserva un effetto di generalizzazione, cioè la capacità di apprendere nuovi stimoli che appartengono allo stesso repertorio motorio degli stimoli precedentemente acquisiti.