MPI Simulator CyberMotion: יישום Simulator תנועה חדשנית לחקר האינטגרציה נתיב רב חושיים בשלושה ממדים
10 במאי 2012
הדרך היעילה להשגת תובנות לגבי האופן שבו בני אדם לנווט את עצמם בשלושה ממדים מתואר. השיטה מנצלת את סימולטור תנועה מסוגל לנוע משקיפים בדרכים בלתי ניתנות להשגה על ידי סימולטורים מסורתיים. תוצאות מאשרים כי התנועה במישור האופקי זוכים להערכה, ואילו תנועה אנכית זכה להערכה מופרזת.
המטרה הכללית של הניסוי הבא היא למדוד ניווט במסלול בתלת-ממד תוך בקרה על הקלט החושי הוויזואלי והווסטיבולרי של המשתתף. דבר זה מושג באמצעות כיסא רובוטי משופר בעל שש דרגות חופש המעורר את המערכת הווסטיבולרית של הנשב בכיסא. המשתתף צופה בשדה כוכבים וירטואלי. על ידי הנעת הכיסא הרובוטי ושינוי סימולטני של שדה הכוכבים, המערכת מספקת למשתתף רמזים ויזואליים וווסטיבולריים.
המשתתפים מספקים משוב על ניווט במסלול באמצעות הדיוק והמהירות שבהם הם מסוגלים להצביע חזרה על נקודת ההתחלה שנזכרה. התוצאות מראות כי הערכה לא מדויקת של תנועת העצמי תלויה במישור התנועה ובזווית שבה הם הונעו. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון פלטפורמות תנועה, הוא שלסימולטור ה-MPI Cyber Motion יש מרחב עבודה גדול המסוגל להניע צופים בממדים שונים, ובמיוחד כלפי מטה.
שיטה זו יכולה לספק מענה לשאלות מפתח בתחום מדעי המוח, כגון השאלה האם המוח מייצג באופן שווה תנועה עצמית בממדים שונים. הרעיון לניסויים אלו עלה לנו ממחקרו של עמיתנו Manuel Vidal, שהניע אנשים דרך מבוכים וירטואליים באמצעות תצוגה חזותית בלבד.
כאן הוא מצא כי הניווט למטרה נפגע כאשר ה-MACES כוללים רכיב אנכי. השלכותיה של טכניקה זו משתרעות עד לאבחון של דיסאורינטציה מרחבית, כיוון שהן מספקות נקודת ייחוס לניווט בנתיבים במוח תקין. סימולטור התנועה NPI Cyber מורכב מרובוט סדרתי בעל שישה מפרקים בתצורת 3, 2, 1.
המערכת מבוססת על רובוט תעשייתי בעל קיבולת מטען של 500 kilogram כדי להפוך את הרובוט לבטוח לניסויים. בוצעו שינויים הן בחומרה והן בתוכנה, המאפשרים הגדרת פרופילי תנועה מורכבים המשלבים תנועות צדיות עם סיבובים, באמצעות סימולטור התנועה MPI cyber.
צירים אחד, ארבעה ושש יכולים להסתובב באופן רציף; ארבעה זוגות של רכיבי חומרה ומעצורי קצה מגבילים את צירים שתיים, שלוש וחמש בשני הכיוונים. הטווח המקסימלי של התנועות הליניאריות תלוי במידה רבה במיקום ממנו מתחילה התנועה. לפני ביצוע ניסויים כלשהם, כל מסלול תנועה ניסויי חייב לעבור שלב בדיקה.
המסלולים מתוכננים באמצעות מחשב משרדי שתוכנן על ידי KUKA להגדרת סימולטור התנועה הסייברטית של ה-MPI. בתצורת לולאה פתוחה זו, המסלולים מוזנים בקואורדינטות קרטזיות ומומרים לזוויות מרחב מפרקים באמצעות קינמטיקה הפוכה בכל 12 מילישניות. מיקומי זוויות המפרקים הנוכחיים מועברים ממערכת הבקרה לסימולטור התנועה הסייברטית של ה-MPI באמצעות חיבור ethernet, שם הם נקראים באופן מצטבר ונרשמים לדיסק ברובוט.
מושב של מכונית מרוצים המצויד במערכת חגורת בטיחות בעלת חמש נקודות מעגנת מחובר לשלדה, הכוללת משענת רגליים. השלדה מורכבת לאשנייה של זרוע הרובוט. על המשתתפים להרכיב אוזניות מבטלות רעשים, המצוידות במיקרופון לתקשורת דו-כיוונית עם הנסיין.
עליהם להיות גם נאיביים לגבי מערך הניסוי. רעש רציף מושמע דרך האוזניות, ובכך ממסך את רעש הרובוט. ניסויים אפשריים גם באמצעות הושבת המשתתפים בתוך תא סגור, כאשר הניסוי מבוצע בחשיכה.
מצלמות אינפרא-אדום מאפשרות ניטור חזותי מחדר הבקרה. קיימות מספר תצורות ויזואליזציה אפשריות, הכוללות מסך LCD, הקרנה קדמית סטריאופונית, הקרנה קדמית מונופונית או תצוגה המותקנת על הראש. בניסוי זה, רמזים חזותיים לתנועה עצמית מסופקים על ידי תצוגת LCD, המוצבת במרחק של 50 סנטימטרים לפני הנבדקים כדי לספק רמזים חזותיים.
התוכנה מציגה למשתתף מרחב OID וירטואלי הממולא ב-200,000 נקודות. כל נקודה במרחב מצוירת כעיגול לבן על רקע שחור. המסך מציג נקודות התואמות לזוויות ראייה של 13 עד 0.3 מעלות.
נקודות אלו נמצאות במרחק של 0.085 ו-4 יחידות וירטואליות מהמשתתף. התנועה בשדה הוירטואלי מסונכרנת עם התנועה הפיזית באמצעות מסלולי תנועה ממחשב הבקרה של ה-MPI, כדי ליצור פאראלקסה בין הזרימה האופטית לתנועה.
הנקודות הנמצאות עמוק יותר בשדה הראייה נראות קטנות יותר ללא קשר לתנועות המשתתף. כל נקודה מוצגת למשך שתי שניות באופן אסינכרוני לפני שהיא משובצת מחדש באופן אקראי. לפיכך, במצטבר נעות מאה אלף נקודות בכל שנייה.
ג'ויסטיק שנבנה בהתאמה אישית ומצויד בכפתורי תגובה מאפשר למשתתפים להעביר נתונים באמצעות חיבור ethernet למערכת הבקרה. ניתן לשלוט במידע החושי על ידי מתן רמזים חזותיים בלבד משדה כוכבים בעל זמן חיים מוגבל; רמזים קינסטטיים וסטיבולריים בלבד מתנועה עצמית פסיבית כאשר עיני המשתתף סגורות; או את שני סוגי הרמזים כאשר עיני המשתתף פתוחות.
בניסוי זה, מסלולי התנועה כללו שני אורכי מקטעים. הראשון הוא 0.4 meters, והשני הוא one meter. הזווית בין כל שני מקטעי תנועה מועברת כ-45 degrees או 90 degrees.
לדוגמה, תנועה במישור האופקי מורכבת מתנועה קדימה וימינה ב-90 מעלות, תנועה ימינה ב-45 מעלות, תנועה קדימה ב-90 מעלות או תנועה ימינה-קדימה ב-45 מעלות. סוגים אלו של תנועות מבוצעים גם במישורי הסגיטלי והפרונטלי. המסלולים מיושמים כהזזות ללא סיבוב.
לאחר כל מסלול מבוצעת רצף מיקום מחדש, ולאחריו הפסקה של 15 שניות כדי להפחית הפרעות אפשריות הנובעות מתנועה לפני כל ניסוי, וכדי להבטיח שמערכת הווסטיבולרית נבדקת ממצב יציב; כדי לספק משוב על התנועה שהם תופסים, המשתתפים מזיזים חץ באמצעות ג'ויסטיק כדי לציין את תנועתם ביחס לנקודת המוצא שלהם. נקודת המוצא מוצגת כאוואטר משלוש נקודות מבט, והחץ ממוקם תמיד באופן אקראי לפני הכוונון שלפני הניסויים. חיוני לאמן את המשתתף להשתמש במערכת המשוב באופן מדויק.
הם אמורים להיות מסוגלים להפנות את החץ לעבר עצמים בסביבתם, כגון הג'ויסטיק המונח על ברכיהם במהלך הניסוי. תנועת הג'ויסטיק מוגבלת למישור המסלול, והמשתתפים יכולים להשתמש בכל אחת מנקודות התצפית או בכולן בעת איסוף הנתונים. כל תנאי ניסויי חוזר שלוש פעמים ומוצג בסדר אקראי.
נתונים מ-16 המשתתפים נותחו. אחת. ציונים שהיוו חריגים קיצוניים הוסרו; למודליות ולזווית לא הייתה השפעה מובהקת על התנועה המוערכת. עם זאת, המשתתפים העריכו בחסר את גודל זווית התנועה במישור ההוריזונטלי בכמעט תשעה מעלות, והעריכו ביתר את גודל הזווית במישור הפרונטלי בכ-חמש מעלות. כאן.
נמצא כי גורם הזווית השפיע באופן מובהק באינטראקציה עם גורם המישור הפרונטלי, כך שהערכות-יתר היו גדולות יותר בתנועות של 45 מעלות מאשר בתנועות של 90 מעלות. בנוסף, נמצא כי המודליות השפיעה באופן מובהק באינטראקציה עם הזווית, כך שהערכות-חסר הנובעות ממידע וסטיבולרי בלבד בתנועות של 90 מעלות היו גדולות באופן מובהק בהשוואה לתנאים הוויזואליים והמשולבים. פערים כאלה לא נצפו בתנועות של 45 מעלות.
נמצא כי זמן התגובה היה איטי באופן משמעותי כאשר המשוב ניתן על בסיס רמזים קינסטטיים וסטיבולריים בלבד, בהשוואה לתנאים חזותיים או משולבים. המשתתפים היו איטיים באופן משמעותי יותר גם כאשר הונעו במישור האופקי בהשוואה למישורים אחרים. תוצאות אלה מפתיעות מאוד שכן הן מרמזות על כך שהייצוג של המרחב במוח אינו סימטרי בין הממדים השונים.
ידוע כבר זמן מה שאנשים נוטים להמעיט בערכו של תנועתם במישור האופקי; כאן, בפעם הראשונה, אנו מראים שאין זה המצב במימד האנכי. בעתיד, נוכל להשתמש בשיטות אלו כדי לבנות נתיבים בכל שלושת הממדים, כולל נתיבים מעוקלים. הדבר יאפשר לנו להשיב על שאלות נוספות, כגון כיצד המוח מסוגל לשלב תנועה בין מישורים שונים, וכן כיצד הוא מנווט בפניות.
סקירה כללית
מחקר זה בוחן כיצד בני אדם מנווטים במרחב תלת-ממדי באמצעות סימולטור תנועה חדשני. הממצאים מגלים כי תנועה אופקית own לרוב מוערכת בחסר, בעוד שתנועה אנכית מוערכת יתר על המידה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- פסיכולוגיה התנהגותית
- סימולציית תנועה
רקע
- הבנת תפיסת התנועה העצמית היא קריטית במדעי המוח.
- לסימולטורים מסורתיים יש מגבלות בייצוג התנועה.
- המחקר מתבסס על מחקרים קודמים של Manuel Vidal.
- דיסוריאנטציה מרחבית עלולה להשפיע על יכולות הניווט.
מטרת המחקר
- למדידת ניווט במסלול בתלת-ממד.
- לבקרת קלט חושי חזותי ווסטבולרי במהלך משימות ניווט.
- להערכת הדיוק של אומדן תנועה עצמית במישורים שונים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש בכיסא רובוטי משופר בעל שש דרגות חופש.
- המשתתפים מנווטים בשדה כוכבים וירטואלי בזמן שהם יושבים בכיסא.
- משוב על ניווט הנתיב נאסף באמצעות קלט של ג'ויסטיק.
- רמזים חזותיים ווסטבולריים מותאמים במהלך הניסויים.
תוצאות עיקריות
- המשתתפים הראו דיוק משתנה בהערכת תנועה עצמית בהתבסס על מישור התנועה.
- תנועות אנכיות הוערכו באופן עקבי כגדולות יותר בהשוואה לתנועות אופקיות.
- סימולטור ה-MPI Cyber Motion אפשר פרופילי תנועה מורכבים.
- התוצאות מספקות תובנות לאבחון של דה-אוריינטציה מרחבית.
מסקנות
- המחקר מציע שיטה חדשה לבחינת תפיסת תנועה עצמית.
- לממצאים יש השלכות על הבנת הניווט במוח.
- טכניקה זו יכולה לשמש כנקודת ייחוס למחקרים עתידיים באוריינטציה מרחבית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הערכה כמותית של אינטגרציית נתיבים רב-חושיתית בשלושה ממדים נותנת מענה לפער קריטי במחקר ופיתוח של נוירוטכנולוגיה ומדעי המוח התרגומיים. סימולטור ה-MPI CyberMotion מאפשר בידוד מבוקר של רמזים ויזואליים ווסטבולריים, ובכך תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית ובביטחון חיזוי במודלים של ניווט מרחבי אנושי. יכולת זו מספקת מידע לאישור יעדים בשלבים מוקדמים ולהצבת מדדי ייחוס עבור פורטפוליו של מחקרים נוירו-קוגניטיביים וסנסורי-מוטוריים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה מדויקת של מנגנוני אינטגרציה תחושתית העומדים בבסיס ניווט מרחבי.
- תומך בתיקוף תפקודי של יעדים עבור מסלולים עצביים המעורבים בעיבוד רב-חושי.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי בידוד התרומות הוויזואליות והווסטיבולריות לאינטגרציה של מסלול.
- מספק נקודות סיום כמותיות לגילויים במדעי המוח המונחים על ידי היפותזות.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- מספק תוצאות התנהגותיות מאומתות וניתנות לשחזור עבור בדיקות של אינטגרציה תחושתית-מוטורית.
- מנstandardize את מדידת דיוק הניווט וזמן השהייה בתגובה בין מודאליות תחושתיות שונות.
- מכין מערכות ניסוייות חסונות עבור סריקת תרכובות או מכשירים בשלבים הבאים.
- מאפשר השוואה ניתנת להרחבה, בין תנאים שונים, של השפעות מניפולציות תחושתיות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה פלטים ניסיוניים לסממנים ביולוגיים תרגומיים של דה-אוריינטציה מרחבית.
- תומכת ברציפות מגילוי מנגנוני ועד לתיקוף מודלים פרה-קליניים במחקר נוירו-קוגניטיבי.
- מנחה קידום מותאם סיכונים של התערבויות מועמדות המכוונות לליקויים באינטגרציה חושית.
- מספקת מדד השוואה לאינטגרציה של נתיבים תקינה לעומת לקויה, הרלוונטי למודלים של מחלות.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
הסימולטור משתלב ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי מתן אפשרות להערכה כמותית ומבוקרת של ניווט מרחבי אנושי תחת תנאים תחושתיים מוגדרים.
- ביולוגיה של התגליות: תומך בבדיקת השערות על קידוד עצבי של תנועה עצמית ואסימטריה ממדית.
- סריקה: מספק נקודות קצה התנהגותיות כמותיות וניתנות לשחזור עבור בדיקות של אינטגרציה חושית.
- אנליטיקה: מייצר נתונים השוואתיים על דיוק בניווט, הערכת זווית וזמן תגובה על פני מודאליות ומישורים שונים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין ממצאים מנגנוניים למודלים פרה-קליניים של דה-אוריאנטציה מרחבית ותפקוד סנסורי-מוטורי לקוי.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה הניתנת לשימוש חוזר למחקרי אינטגרציה רב-חושית בתוכניות מו"פ של נוירוטכנולוגיה והתנהגות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי במודלים עצביים של ניווט מרחבי ואינטגרציה חושית.
- ערך תפעולי: מספק תהליכי עבודה ניסיוניים סטנדרטיים, ניתנים להרחבה וניתנים לשחזור.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת של המשך או הפסקה (go/no-go) עבור פורטפוליים של מטרות נוירו-קוגניטיביות ופיתוח מכשירים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם-סיכון של תוכניות לאינטגרציה חושית וקוגניציה מרחבית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדעי המוח, רובוטיקה ותכנון בדיקות התנהגותיות.
- מחייב גישה לחומרה מתקדמת לסימולציית תנועה ומערכות תצוגה ויזואליות מסונכרנות.
- מצריך סטנדרטיזציה קפדאית בין הצוותים של תכנות מסלולים ופרוטוקולי איסוף נתונים.
- התאמה למערכות מודל אחרות עשויה לדרוש התאמה אישית של החומרה והתוכנה.
- יש להתייחס למגבלות מרחב העבודה הפיזי ובטיחות המשתתפים לצורך החרגת הניסוי.
