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方法文章

使用支持向量机在二维平面上可视化本体感觉漂移的方法

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DOI：

10.3791/53970

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2016年10月27日

 ,  ,  , 
1Applied Brain Science Laboratory, Department of Mechanical Sciences and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 2Department of Informatics, Graduate School of Informatics and Engineering, The University of Electro-Communications, 3Department of Media and Image Technology, Faculty of Engineering, Tokyo Polytechnic University

本文内容

摘要

本文介绍了一种利用镜像错觉结合心理物理学实验程序与机器学习分析，在二维平面上估计本体感觉偏移的新方法。

摘要

本体感受漂移（proprioceptive drift）是指身体部位位置感知从不可见的真实身体向可见的类身体图像发生偏移的现象，已被用作身体所有权感的一种行为学指标。以往对本体感受漂移的测量仅限于单一空间维度，例如高度、宽度或深度。由于手部可在三维空间中自由移动，仅在一个维度上测量本体感受漂移不足以准确反映现实生活中的实际漂移情况。本文提出一种新颖的方法，通过镜像错觉结合客观行为测量（手部位置追踪）与主观现象学评估（手部位置主观判断及问卷调查），并辅以先进的机器学习算法，实现对二维平面上本体感受漂移的估计。该技术不仅有助于探究身体所有权感与自主控制感的神经机制，还可用于缺失或瘫痪肢体的康复训练，以及设计具备类自我身体可用性的实时控制系统——在该系统中，操作者能够像控制自身肢体一样操控设备。

引言

近年来，关于自我身体感知或体验（即个体自身身体）的研究在具身化（embodiment）背景下日益增多。具身化指的是拥有一个能够与环境进行交互的物理或虚拟身体的概念，例如实现伸手、抓握和触碰等动作。例如，人类可以通过移动自身身体（在此情况下为手臂和手）来触碰环境中放置的物体或其他人。如今，这种交互或沟通已不再局限于使用个体自身的自然身体。随着虚拟世界中类人机器人或虚拟化身的发明与发展，自然的人体可被人工身体所替代，例如人形机器人、遥控机器人、电动假肢或虚拟现实中的计算机图形化身。例如，研究人员开发出一种机器人，其操作者可以 "抓握" 通过其机械结构将物体放置在机器人前方，即使机器人位于操作者身体位置较远的地方1,2与本示例类似，如果人类能够通过一个人工身体执行动作，那么操作者自我身体的归属应归属于哪一个身体？

我们很容易找到与此讨论相关的主题，涉及归因或预测 "自我" 从我们自身的天然身体转移到人工的、非血肉骨骼构成的身体。一个实例可见于医学领域；例如，在医学康复领域，所采用的治疗方法 "技巧" 利用镜子探索患者的自我身体感知，以减轻疼痛并改善缺失或瘫痪肢体的运动功能，该方法称为镜像疗法3-6在此疗法中，未受影响的身体部位或肢体在镜中的映像可误导患者的大脑，使其误认为缺失或瘫痪的肢体与镜中显示的肢体相对应，从而产生该肢体仍处于原有状态的感觉。即，事故之前）。这种错觉如何影响大脑在身体表征方面的韧性，目前仍在讨论中。除了关于自然身体的此类讨论外，在工程领域的人机交互系统设计中，也能发现关于具身性（embodiment）的类似探讨。在远程临场、脑机接口和脑-计算机接口的研究背景下，人们对人工身体或虚拟身体的自我感知已有较为深入的研究。1,2,7-9一些研究者报告称，一种类人机器人能够将其机械手的触觉传递给操作者的手，使操作者产生将自我身体感知转移到机器人身上的体验，以及产生身处机器人所在位置而非自身实际所在位置的感觉，这种现象被称为远程临场（tele-existence）。1其他研究者报告称，能够反映操作者身体动作的虚拟化身可强烈地将操作者对自身身体的感知从其真实身体转移到虚拟身体上9这些发现表明，即使人工身体并未直接与用户的大脑和身体相连，用户仍可将其自我身体感知投射到人工身体中，例如人形机器人、遥控机器人、电子假肢或虚拟现实中的计算机图形化身。

在医学、工程学以及心理物理学和神经心理学领域，针对非血肉之躯的人造类身体物体所产生的自我身体感知，基础科学研究已通过橡胶手错觉（RHI）10-13 和镜像错觉（MI）14-16 探讨了自我身体感知背后的脑机制。橡胶手错觉是指个体在看到一只橡胶手被触碰的同时，其自身被遮挡的手也受到同步刺激，从而产生该橡胶手属于自己身体的感知。在镜像错觉中，一面沿正中矢状轴放置的镜子中的手部影像，在视觉上取代了受试者无法看到的对侧手的实际位置。此外，当镜中反射的手与不可见的对侧手进行同步运动时，会引发强烈的错觉，仿佛镜中的手部影像就是自身不可见的对侧手。根据对这些错觉现象的研究，多模态信息之间的一致性，以及关于身体运动的预测与感觉反馈之间的一致性，似乎在判断身体归属感方面起着关键作用。因此，这两种错觉可作为简单而有力的证据和工具，帮助科学家探究我们为何会产生错觉或主观相信某些人工物体或影像可以成为自身身体的一部分，从而揭示自我身体感知并不必然依赖于自然生理身体的神经机制。

在上述所有研究中，讨论均基于哲学家加拉格尔（Gallagher）提出的“"自我"”概念，该概念包含两种感觉：拥有感（sense of ownership）和自主控制感（sense of agency）17。拥有感是指观察到的身体部位属于自己的一种感觉；自主控制感则是指身体运动由自身引发的感觉。这两种感觉被定义为最小意义上的自我，即对自我的直接感知16。根据这一概念，无论是自然身体、受损身体、虚拟身体还是机械身体，其“"自我"”的归属均可通过相同的指标进行评估：即拥有感与自主控制感。为了将这些感觉用于科学评估，问题随之而来：如何稳健地测量拥有感和自主控制感？目前，对拥有感和自主控制感的评估主要依赖于问卷，最初由博特温尼克（Botvinick）提出9。除了问卷之外，我们还可以尝试以量化方式进行测量。例如，当橡胶手突然被刀割时，皮肤电导反应（SCR）已被用作拥有感的生理指标18。SCR通过测量皮肤的电学特性获得，是反映唤醒状态的敏感且有效的指标19。然而，由于该方法通常仅适用于每位参与者单次试验，因此在需要参与者内部重复测量的心理物理学实验中，SCR不适合作为生理指标。目前最成功的关于拥有感的行为指标之一是本体感觉漂移（proprioceptive drift）。本体感觉漂移是指被试对未被看见的真实手部位置的感知向一个外观类似手的物体（如橡胶假肢或计算机图形）位置发生偏移的现象10-13。由于该偏移可通过测量真实手部与手部视觉图像之间的距离进行重复且稳健的估算，因此本体感觉漂移是适用于心理物理学测量的合适生理指标。然而，这种应用需要谨慎评估，因为近期的讨论已质疑本体感觉漂移是否始终可作为拥有感的行为指标12。

通常，本体感觉漂移仅在三个方向中的一个方向上进行测量，例如高度、宽度或深度。由于多维数据的估算和可视化存在困难，很少在多个方向上同时测量本体感觉漂移。对于探索多感官信息处理机制的基础研究而言，这种测量学上的局限性并不关键，因为实验条件可以轻松设计和控制，从而限制需测量的维度。然而，在日常生活中，我们的手会自由地在三维空间中移动以执行意图动作。在这种情况下，仅依靠问卷来测量参与者的行为是困难且不足的，因为问卷会严重限制手部的运动和位置。因此，考虑到拥有感和自主控制感在工程与康复领域的潜在应用，有必要采用一种能够涵盖多个方向并允许手部自由活动的测量方法，以评估在日常生活情境中视觉反馈与本体感觉反馈之间的空间关系。如果能够实现此类测量，真实手部与观察到的手部之间的测量距离便可作为自我身体感的参考依据。这不仅可成为康复进展的评估指标，也可作为显示屏中操作目标与实际操作手之间空间偏移的判定标准。问题在于，如何可靠且有效地实现这种测量方法。

为解决这一问题，我们提出了一种新颖的方法，通过结合心理物理学实验程序与机器学习分析，利用镜像错觉在二维平面上估计本体感觉漂移，即参与者不可见的真实手与其所见的手部类似物位置之间的偏移量。与橡胶手相比，镜中的手部图像能更强烈地捕获参与者对不可见真实手位置的感知。此外，镜像能够立即反映参与者为定位手部而进行的自主运动。因此，选择镜像作为参与者手部的视觉反馈。另外，为了在类似日常生活的情境下测量本体感觉漂移，参与者在每次试验中可自主调整其隐藏手的位置，并增加了试验次数。尽管可选择任意方向组合，但出于便于垂直放置镜子的考虑，选用了高度与深度的组合。为检验本方法与先前研究13结果的一致性，设置了两种视觉条件：有视觉反馈与无视觉反馈。在有视觉反馈条件下，将镜子置于正中矢状面，以产生左手的镜像，使其看起来如同右手；在无视觉反馈条件下，则使用一块哑光黑板遮挡参与者真实的右手。我们通过将本方法的结果与关于拥有感和自主控制感的问卷结果进行比较，评估了该新方法的有效性。

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方案

本实验的所有方面均获得东京工业大学伦理委员会的批准。

1. 实验设置

  1. 测量本体感觉漂移的材料与设置。
    1. 准备一个能够垂直固定 100 x 100 cm 板的支架（图1）。
    2. 准备一把椅子，供受试者在实验过程中舒适地坐着。
    3. 准备一块 100 x 100 cm 的亚克力镜面和一块哑光黑板。
    4. 准备位置追踪器（例如 SLC-C02，Cyverse），用于追踪受试者右手的位置。空间分辨率应约为 1.5 mm，以便为机器学习提供足够数量的采样数据。
    5. 准备一个红外 LED 和反光标记物，分别用于标示支架位置和受试者右手位置（见步骤 1.1.11 和 3.2.6）。
    6. 准备供受试者响应用的脚踏开关。
    7. 编写定制程序，能够记录并同时显示受试者的响应及其右手位置，并在按下脚踏开关时播放蜂鸣声作为反馈。在本实验中，受试者右手位置通过运动捕捉设备及其配套的定制程序采集，操作遵循制造商说明。
      注：根据先前的一项研究16，该程序使用软件开发工具包开发。利用该软件开发工具包开发的定制程序可适配其他品牌的运动捕捉设备。
    8. 使用节拍器提供手部运动训练的计时信号，即在镜面或黑板表面进行敲击。具体训练指导见步骤 3.1.1。
    9. 使用降噪耳机，以降低受试者通过声音线索判断手部位置的可能性。
    10. 在需要视觉反馈的条件下，将镜面安装在支架上；在无视觉反馈的条件下，将黑板安装在支架上。
    11. 将红外 LED 置于镜面或黑板的左上角。
  2. 测量拥有感与代理感的材料与设置。
    1. 重复步骤 1.1.1 至 1.1.11 的操作。
    2. 创建或获取用于评估拥有感与代理感的问卷（例如，10,13,16）。表1展示了先前研究15中所用问卷的部分示例。
    3. 使用显示器或平板电脑向受试者展示问卷内容。

2. 参与者

  1. 招募约10名具有正常视力或矫正至正常视力的右利手受试者。
    注意：可根据实验目标及每位受试者的重复试验次数调整受试者数量。
  2. 在实验开始前，获得受试者签署的书面知情同意书。

3. 实验步骤

  1. 手部运动训练阶段
    1. 使用节拍器指导参与者以特定节奏在镜子或黑板上同步进行双手敲击。要求参与者在敲击时保持手掌根部与镜子或板面接触。训练开始时，将节拍器设定为每分钟60拍，然后指导参与者根据节拍器的声音同步移动双手。
    2. 通过在开始敲击数分钟后将参与者的手部运动节奏与节拍器声音进行比较，确保其运动频率接近每秒一个周期（约1 Hz）。
  2. 参与者矢状中面本体感觉漂移的估计
    1. 在不同参与者之间采用条件的平衡顺序。
    2. 根据条件将镜子或黑板安装在支架上：需要视觉反馈时安装镜子，不需要视觉反馈时安装黑板。
    3. 确保受试者坐得非常靠近位于其矢状面的镜子或黑板图1).
    4. 确保受试者能够看到左手的镜像，但无法看到真实的右手。
    5. 指导受试者在实验过程中注意观察镜中左手的影像。
    6. 将反光标记物贴在受试者右手食指尖端和手腕处。
      1. 由于标记物仅放置在受试者的右手，需通过口头询问受试者，确保其右手因佩戴标记物而产生的触觉感受与左手相比未发生明显改变。
    7. 将降噪耳机戴在受试者的耳朵上。
    8. 指导受试者将左手从镜子的右下角垂直移动约30 cm，水平移动约30 cm，并在实验过程中保持左手在此位置。该位置被设定为二维平面表面的原点。
    9. 指导受试者将右手随意放置于镜子或黑板的另一侧，并保持该位置直至试验结束。
    10. 向参与者说明任务如下：
      1. 每次试验开始时，指导受试者踩下脚踏板的中间按钮。此时，系统会通过耳机发出蜂鸣声，作为踩下脚踏板的反馈提示。
      2. 听到提示音后，指导受试者以1 Hz的频率在板上同步用双手开始敲击；在有视觉反馈条件下，该板为镜子，在无视觉反馈条件下，该板为黑板。
      3. 在完成六次以上的手部运动后，指示参与者在自选时间停止运动，并通过踩下脚踏板上的右键或左键回答关于右手位置的问题。右键代表“是”，左键代表“否”。问题为： "你是否感觉左右手处于相同的位置？" 此时，参与者将再次听到蜂鸣声，作为踏板按压的反馈。
        注意：如果参与者询问任务的含义， "相同的位置，" 告诉他们 "相同位置" 意味着右手的主观高度和深度与左手的主观高度和深度相等。
      4. 指导受试者将其右手移动至另一个自选位置，然后重新开始试验。每种条件下的试验将重复进行，最多可达200次。
    11. 确保参与者能够理解任务，并要求其重新开始任务。
    12. 在执行任务期间，通过观察参与者的敲击动作与节拍器的对比，确保其敲击频率保持在约1 Hz。
      注意：节拍器的声音仅实验者可以听到。
    13. 完成约100次试验后，让参与者休息片刻。
    14. 在不同的日期分别进行其他条件（有或无视觉反馈）的实验。
  3. 镜像条件下拥有感与代理感的评估
    1. 定义右手在收集参与者关于拥有感和自主感问卷反馈时的位置。例如，在之前的一项发表研究中16共有13个预设的右手位置，这些点从原点开始，每隔7 cm排列，范围为±21 cm。
    2. 按照步骤 3.2.2 至步骤 3.2.7 所列出的程序，对上述估算执行相同的操作。
    3. 指导受试者按照实验者的引导放置右手，并在完成一次试验前保持其位置不变。
    4. 向参与者说明任务如下：
      1. 试验开始时，按下脚踏板的中间按钮。此时，受试者将听到蜂鸣声，作为踏板按压的反馈。
      2. 然后，以1 Hz的频率同步敲击右手和左手。
      3. 经过六次以上的敲击后，当实验人员示意时停止敲击。然后，使用7点李克特量表（评分范围为-3至+3）回答显示器上关于拥有感和控制感的问题。"完全不同意") 至 +3 ("完全同意"）其中0表示既不同意也不反对（"不确定").
      4. 将右手移至实验者指定的位置，然后重新开始试验。此循环将持续进行，直至完成实验者设定的右手位置数量。
    5. 确保参与者能够理解任务，并要求其开始执行任务。

4. 数据分析

  1. 参与者矢状中面本体感觉漂移的分析
    1. 获取包含机器学习应用（特别是支持向量机，support vector machine）的统计工具例如，R，MATLAB）。使用支持向量机（SVM）作为分类器，以提取受试者反应的边界。先前的出版物中对分类器的算法进行了说明（见第7章）。20本文中，我们使用 R（版本 3.1.2）来说明该方法。
    2. 安装名为的软件包 "kernlab"21，其中包含使用 R 应用程序中 SVM 进行的分析。
    3. 标记显示手部本体感觉偏移的区域，方法如下（图2 描述数据分析流程的示意图）。参见 补充软件代码与数据样本 有关此数据分析的进一步说明。
      1. 从原点计算右手的相对位置。舍弃含有错误的数据（例如，从分析中剔除缺失位置数据或参与者反应的数据。
      2. 建立参与者的概率模型 "是" 使用支持向量机（SVM）在二维空间中对响应进行分类。将响应数据用作模型的符号描述，将右手位置的数据作为模型的参数。采用常用的径向基函数核作为SVM的核函数。为避免任意性分析，计算sigma（σ）即，通过自动估计 sigma 来调整每个数据点权重的参数。
      3. 通过检查模型的训练误差是否低于0.2，确保模型拟合正确。利用概率模型，定义参与者p值所在的区域 "是" 反应的估计值超过 0.5。
    4. 对每位参与者的数据取平均值，以生成显示本体感觉偏移的区域。
      注意：由于难以对边界进行平均化处理， "是" 和 "无" 在二维空间中根据响应的 p 值估计响应区域时，推荐使用两种平均方法。一种方法是对参与者在二维空间中的响应 p 值进行平均，该方法用于估计边界之前；另一种方法是对区域大小进行平均，该方法用于估计边界之后。
  2. 问卷数据与面积分析。
    1. 获取统计工具以评估问卷中位置和类别的显著性（例如，SPSS 或 R）。
    2. 使用Shapiro-Wilk检验评估所有数据的正态分布情况，当一个或多个相应数据集不符合正态分布标准时，应采用适当的非参数检验方法例如，Wilcoxon 符号秩检验，Friedman 检验）
      注意：如果缺乏适合实验的非参数方法，则使用参数方法，并说明理由。在之前的一项研究中16采用双因素重复测量方差分析（two-way repeated-measures ANOVA）对问卷数据进行分析，因为该分析方法无相应的非参数替代方法。

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结果

以下展示一项先前研究的代表性结果，用以说明该方法16。图3A显示，在有视觉反馈（镜面）和无视觉反馈（黑板）条件下，参与者无法察觉左右手位置空间偏移的区域形状存在差异。图3B显示，有视觉反馈条件下的区域面积显著大于无视觉反馈条件（Wilcoxon符号秩检验：Z = -2.803，p = 0.005）。这些结果表明，维持本体感受漂移所需的视觉与本体感受反馈之间的偏移量约为10 cm，且该值随方向而变化（图3和图4）。垂直方向的偏移量似乎大于水平方向。在图5中，身体拥有感和自主感问卷评分的垂直与水平空间分布呈单峰分布，其峰值位于原点，即参与者右手位置与镜像手部图像几乎重合的位置。相比之下，控制性陈述评分的空间分布几乎平坦且低于-1。双因素重复测量方差分析显示，问卷中参与者所报告的类别和位置均存在主效应（水平方向：类别：F(3,27) = 11.12，p <0.001；位置：F(6,5...

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讨论

我们展示了一种在镜像错觉期间利用支持向量机（SVM）在二维平面上估计本体感觉漂移的方法，并将结果与关于拥有感和自主控制感的问卷回答进行比较。这种新颖的方法揭示了维持本体感觉漂移所需的视觉与本体感觉反馈之间的偏移量约为10 cm，且该偏移量与维持拥有感和自主控制感所需的偏移量高度重叠。

需要注意的是，本方法最关键的步骤在3.2.5节中进行了描述，即关于参与者注意力的指导说明。在先前的预实验研究16中，当参与者主观报告其更多关注自身身体时，镜像手部图像引发的视觉捕获效应很少被观察到。目前尚不清楚注意力是否对此现象具有影响。由于难以控制或测量参与者的注意力，注意力与拥有感和自主感之间的关系很少被讨论。据我们所知，仅有一项研究22直接探讨了注意力对拥有感的影响。为了避免涉及如何控制和测量注意力的复杂讨论，必须对参与者的注意力给予仔细的指导。

另一个关键点在于，在测量本体感觉漂移的实验过程中，参与者可以自主选择下一次试验的手部位置。在传统的心理物理学研究中，为了提高实验的稳健性和可重复性，通常...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

本研究由日本科学技术振兴机构（JST）创新中心计划资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
凹面镜
哑光黑板
定制支架例如 木杆或PVC（聚氯乙烯）管 
椅子
脚踏开关P.I. EngineeringClassic X-keys USB 和 PS/2 脚踏开关其他响应装置也可使用。
位置传感器CyVerseSLC-C02其他位置传感器也可使用。
定制反光标记点运动捕捉设备供应商提供的标记点也可使用。
主动降噪耳机boseQuiet Comfort 3其他耳机也可使用。
计算机Mouse computerNG-N-i300GA其他计算机也可使用。

参考文献

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