Summary
Qui presentiamo un protocollo che caratterizza il senso dell'Agenzia ha sviluppato per il controllo delle protesi virtuale o robotizzato sensate di mano. Questionari psico-fisico sono impiegati per catturare l'esperienza esplicita dell'Agenzia, e le stime di intervallo di tempo (associazione intenzionale) sono impiegate per misurare in modo implicito il senso dell'Agenzia.
Abstract
Questo lavoro descrive un quadro metodologico che può essere utilizzato per esplicitamente e implicitamente caratterizza il senso dell'Agenzia ha sviluppato per il controllo di interfaccia neurale-macchina (NMI) della protesi virtuale o robotizzato sensate di mano. La formazione dell'Agenzia è fondamentale nel distinguere le azioni che realizziamo con le nostre membra come essendo nostro. Sforzandosi di incorporare avanzate protesi di arto superiore in questi stessi meccanismi percettivi, possiamo cominciare a integrare un arto artificiale più strettamente nel quadro conoscitivo esistente dell'utente per il controllo degli arti. Questo ha implicazioni importanti nel promuovere l'accettazione dell'utente, uso e controllo efficace delle protesi di arto superiore avanzati. In questo protocollo, i partecipanti controllano una protesi di mano virtuale e ricevere feedback cinestetico sensoriale attraverso loro NMIs preesistenti. Una serie di attività di afferramento virtuali vengono eseguite e perturbazioni sono sistematicamente introdotte per il feedback cinestetico e movimenti della mano virtuale. Sono impiegati due misure separate dell'Agenzia: stabilito questionari psico-fisico (per catturare l'esperienza esplicita dell'Agenzia) e un intervallo di tempo stimare il compito di catturare il senso implicito di agenzia (associazione intenzionale). Risultati di questo protocollo (questionario punteggi e intervallo di tempo stime) possono essere analizzati per misurare il limite di formazione Agenzia.
Introduction
Come protesi robotiche diventano sempre più avanzate, l'importanza del feedback sensoriali pertinenti continuerà a crescere. Feedback sensoriale influisce su come gli esseri umani percepiscono, interagiscono e anche integrano macchine nel loro schema corporeo. Recenti tecniche di NMI possono ora fornire agli utenti la protesi con controllo intuitivo e raggiungere sensazioni associate toccare1,2,3,4,5,6 , 7 e cinestesi (senso di movimento)8,9 in arti mancanti. Quando questa informazione sensoriale è accoppiata con le informazioni visive fornite da guardare l'arto artificiale durante il funzionamento, abbiamo accesso a elementi chiave che informano la distinzione di self -versus-altri. Sfruttando questo accesso può aiutare a portare la protesi utenti un passo più vicino a un arto artificiale di funzionamento come parte del loro corpo, piuttosto che solo uno strumento.
Consapevolezza del proprio corpo e il senso di essere incarnata nasce dall'istituzione dell'Agenzia (l'esperienza della paternità sulle azioni di un arto) e proprietà (la sensazione che un arto è una parte del corpo)10,11. Proprietà è mediata principalmente attraverso l'integrazione di tocco e informazioni visive12. Agenzia emerge dall'integrazione di intenti, la sensazione di movimento (cinestesi), informazioni visive e modelli cognitivi predittivi11. Durante l'esecuzione di un'azione volontaria, l'Agenzia è formata quando le conseguenze sensoriali di quell'azione si allineano con intenti e le previsioni da modelli interni13 dell'esecutoredell'esecutore. Agenzia è separato e distinto dalla proprietà. Il concetto di proprietà del membro è stato studiato frequentemente in protesi letteratura14. Un senso di forme di proprietà del membro in partecipanti NMI quando feedback tocco è spazialmente e temporalmente appropriato, come misurato in modo esplicito tramite questionari o in modo implicito attraverso i cambiamenti nella temperatura del moncone, o temporale ordine sentenze15. Tuttavia, meno opportunità hanno esistito per esplorare Agenzia nel contesto di NMI16. Lavoro recente con partecipanti di NMI ha dimostrato quello Agenzia può essere promosso espressamente ed è separata dall'esperienza della proprietà8.
Agenzia è particolarmente significativo nel funzionamento della protesi robotiche in quanto è un link conoscitivo al controllo delle azioni fisiche di arto artificiale attraverso esperienze di causalità, la sensazione di controllare l'arto artificiale o qualcosa per la causa accadere17. Protesi robotiche sono avanzate macchine computerizzate che l'utente deve cooperare con a completare in modo efficace le attività. Alcune membra prostetiche è integrate funzioni autonome, quali il grip antiscivolo rilevamento e correzione; Eppure questi sistemi hanno visto adozione limitata come funzionalità in esecuzione all'esterno il controllo dell'utente possono essere visualizzati come frustrante se non adeguatamente implementato8,18. Questo rappresenta una sfida fondamentale che fa eco in applicazioni di cooperazione umana con macchine autonome. Cioè, gli esseri umani spesso fiducia delle proprie azioni rispetto a quelli derivanti da una collaborazione con computer o macchine, e questa fiducia direttamente influenza la probabilità di un operatore di utilizzare le funzioni autonome19,20. Come esseri umani, ci fidiamo congenitalmente noi stessi e il nostro corpo per eseguire le azioni che intendiamo; Quando questo avviene, stabiliamo un senso intrinseco dell'Agenzia. È interessante notare che, la formazione dell'Agenzia è influenzata in azioni di cooperazione uomo-computer. Durante le attività cooperativa di umani, un sentimento comune dell'Agenzia può essere costituito sopra movimento21; Eppure, la letteratura suggerisce quello Agenzia condivisa è gravato durante la collaborazione uomo-computer22,23. Queste sfide si riflettono nella protesica superiore-membro uso, e i tassi di rifiuto di dispositivi robotici rimangono elevati, con 23% - 39% degli utenti interrompendo il loro uso24. In realtà, molti utenti di protesi ancora preferiscono sistemi alimentati a corpo25. Questi sistemi rimuovono la macchina computerizzata dal ciclo di controllo e più intimamente coppia movimento del corpo dell'utente per il protesi movimento tramite cavi. Questo rafforza ulteriormente l'importanza dell'integrazione cognitiva nell'uso di avanzati dispositivi protesici. Suggeriamo che NMI sistemi in grado di fornire un numero dei pezzi sensoriali e motori necessari per aiutare spostare gli arti artificiali più vicino a stabilire un senso cooperativo dell'Agenzia, e questo sarà determinante nel promuovere l'accettazione e la reale integrazione di questi macchine computerizzate con i propri utenti.
Agenzia può essere misurata in un certo numero di modi. Le misure più semplice utilizzano questionari psico-fisico o scale che in modo esplicito chiedere ai partecipanti di chi o che cosa essi attribuiscono un evento17,26,27. Questo si basa sulla percezione esistente di un individuo di "self" di richiedere ai partecipanti di fare sentenze inferenziale della auto-attribuzione (vale a dire, di giudicare in modo esplicito se "I" o un'altra entità era responsabile di un'azione o un evento). Le misure implicite forniscono la comprensione nei precedenti processi cognitivi che si verificano durante l'azione motoria e sensoriali eventi. Questo punto di vista dell'Agenzia tenta di misurare ciò che non viene percepito in modo esplicito da un individuo. In genere questo è possibile grazie ai partecipanti caratterizzano una differenza percepita in sé ed esternamente-generato azioni, per esempio avendo i partecipanti segnalano la durata di tempo che hanno percepito a verificarsi tra un auto ed esternamente evento generato 17 , 28. durante l'esecuzione di azioni auto-generate, Agenzia implicitamente si manifesta come una compressione percettiva nel tempo tra le azioni e le loro conseguenze sensoriali, noti come intenzionale associazione28. Quando gli individui segnalare il tempo che hanno percepito si verificano tra un'azione e il suo esito, una minore durata percepita di tempo corrisponde a un senso più fortemente formato di agenzia29,30. Interessante, è stato dimostrato che misure esplicite e implicite non possono correlare direttamente come essi sono probabilmente che caratterizzano diversi meccanismi percettivi17 che informare insieme il senso dell'Agenzia. Come tale, che istituisce una comprensione più completa della formazione agenzia durante l'uso di protesi richiederà probabilmente protocolli sperimentali impiegando misure sia esplicite che implicite.
Questo lavoro descrive un quadro metodologico che può essere utilizzato per esplicitamente e implicitamente caratterizza il senso dell'Agenzia sviluppato sopra il controllo di NMI di sensate virtuale o robot protesi di mano. Sono evidenziati due tecniche per misurare agenzia durante l'esecuzione di un compito di afferrare oggetti sensorimotorio. Stabiliti questionari psico-fisico sono impiegati per catturare l'esperienza esplicita dell'Agenzia, mentre le stime di intervallo di tempo (associazione intenzionale) sono impiegate per misurare in modo implicito il senso dell'Agenzia.
L'ambito di questo protocollo è quello di valutare il senso dell'Agenzia nel contesto di un NMI che fornisce controllo motore attivo fisiologicamente rilevante e feedback cinestetico. Queste tecniche sono generalizzabili per sistemi protesici di NMI virtuali o fisici. Non ci sono restrizioni minime sulle popolazioni che possono essere reclutate per eseguire questo protocollo. Per esempio, la mobilità degli arti superiori del partecipante non può essere influenzata bilateralmente (devono avere un arto sano), e devono possedere la capacità cognitiva di esprimere giudizi basati sul tempo e articolare con esperienza sensazioni.
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Protocol
Questo protocollo è stato approvato in precedenza e segue le linee guida del Comitato di etica di ricerca umana della Cleveland Clinic.
1. hardware e Software di NMI
- Stabilire ogni singolo partecipante NMI controllo e feedback in modo che quando si tenta di eseguire un movimento, vedono e sentono una protesi virtuale di completare quel movimento.
- Generare una percezione cinestetica mano attraverso NMI del partecipante e catturare la cinematica del movimento percepito avendo il partecipante di dimostrare ciò che sentono con loro mano intatto.
Nota: Tecniche per caratterizzare cinematica cinestetica percept sono stati illustrati in altre opere8 e possono essere raggiunto utilizzando un guanto di dati o un sistema di ottica motion capture. - Utilizzare una simulazione virtuale mano/protesica per riprodurre la cinematica della percezione del movimento.
- Impostare hardware per acquisire i segnali di controllo del movimento di mano intenzionale da NMI del partecipante.
- Mappa questo segnale di controllo per l'attività della protesi virtuale.
- Creare un programma di controllo master che coordina l'acquisizione del segnale di comando NMI, il movimento della protesi virtuale e la generazione di feedback cinestetico di NMI in tempo reale.
- Generare una percezione cinestetica mano attraverso NMI del partecipante e catturare la cinematica del movimento percepito avendo il partecipante di dimostrare ciò che sentono con loro mano intatto.
2. organizzazione sperimentale
- Seduta del partecipante e posizionare un monitor in orizzontale (vale a dire, sulla sua parte posteriore, rivolta verso l'alto) su un tavolo davanti a loro.
- Visualizzare la protesi virtuale sul monitor e regolare le dimensioni e la posizione in modo che è posizionato congruente con la posizione del loro arto mancante.
- Rendering di oggetti (ad es., sfere di galleggiamento) in un ambiente virtuale per servire come punti di arresto per le posizioni di chiusura e aperte della mano (endpoint del movimento).
- Configurare il programma di controllo master, in modo che quando le cifre virtuale fare contatto con i punti di arresto virtuale, un tono uditivo viene riprodotto dopo un ritardo regolabile (300, 500, 700 o 1.000 ms).
3. sperimentale condizioni
- Costruire un file di input per il programma di controllo master che specifica le impostazioni per ogni prova, tra cui il ritardo di tono uditivo, se il feedback di NMI è acceso/spento, la velocità e la direzione del movimento mano virtuale e il ritardo tra il comando e la movimento della mano virtuale.
- Creare due condizioni di controllo, una linea di base e una condizione passiva.
- Per la condizione basale, configurare la cinematica e controllo della mano virtuale per abbinare la percezione cinestetica NMI.
Nota: La condizione basale rappresenta la congruenza ideale del motore intento, cinematica del movimento e feedback cinestetico. - Programmare lo stato passivo per eseguire un movimento di mano virtuale quando attivato dallo sperimentatore (rimuovendo il controllo da parte dell'utente) pur fornendo il partecipante con la percezione cinestetica NMI.
Nota: La condizione passiva cattura le condizioni teoriche Agenzia peggiore (cioè, movimento in assenza di controllo [senza intento], simile al proprio corpo passivamente spostato).
- Per la condizione basale, configurare la cinematica e controllo della mano virtuale per abbinare la percezione cinestetica NMI.
- Condizioni aggiuntive di programma progettate per analizzare i contributi all'agenzia di motore intent, sensazione cinestetica e mancata corrispondenza temporale con la cinematica della protesi virtuale visualizzata. È consigliabile utilizzare le seguenti cinque condizioni.
- Fronte al movimento: il feedback cinestetico NMI indica che la mano si chiude mentre si apre la visualizzazione di mano.
- Troppo veloce: la visualizzazione di mano chiude più velocemente di quanto indicato dal feedback cinestetico NMI.
- Troppo lento: la visualizzazione di mano chiude più lento rispetto a quanto indicato dal feedback cinestetico NMI.
- Ritardo inizio: la mano visualizzazione chiude 1 s più tardi rispetto a quanto indicato dal feedback cinestetico NMI.
- Nessun feedback: la visualizzazione di mano si chiude senza alcun feedback cinestetico di NMI.
- Creare due condizioni di controllo, una linea di base e una condizione passiva.
4. esecuzione dell'esperimento
- Istruire i partecipanti all'unità la mano da aprire il posizione chiusa senza fermarsi e segnalare loro stima del ritardo di tempo da quando le cifre virtuale contattato i punti di fermata virtuale da quando hanno sentito il tono uditivo.
Nota: I partecipanti possono utilizzare qualsiasi rappresentazione del tempo tra 0 e 1 s che rende più senso a loro (per esempio, millisecondi, frazioni di secondi, 0 - 10 scala). - Premendo un pulsante di avvio sul programma di controllo master, che si muove la mano virtuale alla posizione iniziale, segnando l'inizio della prova, avviare ogni prova. Questo il partecipante per guidare la mano virtuale per i punti di arresto virtuale, che provoca un tono uditivo a giocare dopo un ritardo casuale di stecche (300, 500 o 700 ms).
- Registrare il stima verbalmente riferito del partecipante dell'intervallo di ritardo di tempo.
- Organizzare prove in blocchi sperimentali.
- Iniziare con due sessioni di prove e li esclude dall'analisi finale.
- Nella prima sessione di prove, l'unità partecipante la mano all'endpoint del movimento e giocare il tono uditivo 1.000 ms dopo le cifre virtuale raggiungono i punti di arresto virtuale per 10 prove.
- I partecipanti non devono segnalare gli intervalli stimati per questa sessione.
Nota: Questo passaggio è necessario per orientare i partecipanti per quanto tempo un singolo secondo si sente.
- I partecipanti non devono segnalare gli intervalli stimati per questa sessione.
- Nella seconda sessione di prove, ancora una volta, di avere l'unità partecipante la mano all'endpoint del movimento. Randomizzare i toni uditivi affinché gli intervalli di ritardo di 300, 500 e 700 ms sono presentati almeno 5 volte ciascuno.
- Chiedere ai partecipanti di segnalare gli intervalli di ritardo stimato.
- Non informare il partecipante di come le loro stime degli intervalli di ritardo sono vicino il ritardo effettivo durante queste prove di pratica o prove successive nel blocco sperimentale.
Nota: Questo passaggio è importante in quanto i partecipanti sarà probabilmente inesperti nel fare sentenze di tempo su una scala di frazioni di secondo, e la procedura di test potrebbe non essere intuitiva al partecipante prova inesperte.
- Nella prima sessione di prove, l'unità partecipante la mano all'endpoint del movimento e giocare il tono uditivo 1.000 ms dopo le cifre virtuale raggiungono i punti di arresto virtuale per 10 prove.
- Spostare set sperimentali di 15 prove per ogni condizione. Presentare le condizioni in ordine randomizzato e amministrare un questionario alla fine di ciascuna condizione.
- Istruire i partecipanti a riflettere sull'ultima serie di prove e completare il questionario di otto-istruzione Agenzia (include quattro domande per quantificare l'esperienza esplicita dell'Agenzia e quattro domande di controllo [esempio fornito per la File complementare])8,26.
- Randomizzare le dichiarazioni di questionario per fornire almeno cinque ordini di domanda unica per essere presentati in modo casuale ai partecipanti.
- Istruire i partecipanti a riflettere sull'ultima serie di prove e completare il questionario di otto-istruzione Agenzia (include quattro domande per quantificare l'esperienza esplicita dell'Agenzia e quattro domande di controllo [esempio fornito per la File complementare])8,26.
- Terminare il blocco sperimentale con un set di 15 prove per lo stato passivo e amministrare un questionario dopo completamento di queste sperimentazioni.
Nota: Amministrare le prove passive alla fine di ogni blocco sperimentale per evitare di interferire con un senso stabilito dell'Agenzia.
- Iniziare con due sessioni di prove e li esclude dall'analisi finale.
- Completare quattro blocchi sperimentali con diversi ordini randomizzati di condizioni sperimentali.
- Fornire molteplici opportunità per la durata della prova per i partecipanti di prendere una pausa. Non c'è nessun tempo minimo o limite di tempo per queste rotture, ma garantire che il partecipante non è fisicamente o mentalmente affaticato prima di continuare il test.
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Representative Results
Il protocollo sperimentale è stato effettuato con tre partecipanti amputato di funzionamento un sensate protesi virtuale tramite loro NMI8 (Figura 1). Il programma di installazione utilizzato una mano virtuale partecipante-controllabile in movimento attraverso i profili cinematici preprogrammati utilizzando il motore di fisica MuJoCo HAPTIX31. La mano virtuale è stata visualizzata su un monitor orizzontale davanti i partecipanti in un percorso spazialmente congruente con loro arto mancante. I partecipanti di NMI precedentemente avevano subito una procedura ricablaggio neurale chirurgica (reinnervazione mirata), che è stata accoppiata con standard protesi mioelettriche (EMG) controllo strategie per fornire un controllo intuitivo della mano virtuale32; così, i partecipanti potrebbero guidare la mano virtuale di 'pensiero' sull'apertura e chiusura loro mano mancante. Strategiche vibrazioni dei muscoli chirurgicamente rewired dei partecipanti ha indotto percezioni illusorie di movimento della mano, fornendo una piattaforma per feedback sensoriale cinestetica8. Attraverso il software personalizzato, EMG mano segnali di controllo e protesi virtuale rendering sono stati integrati con l'uscita di un dispositivo di feedback di vibrazione. Quando il partecipante ha avviato un movimento della mano virtuale visualizzata, la vibrazione indurrebbe una sensazione corrispondente corrispondente di un movimento complesso presa in mano mancante.
Figura 1: un esempio di configurazione che soddisfa i requisiti per caratterizzare Agenzia. Questa configurazione fornisce all'utente un controllo intuitivo e feedback cinestetico di una mano virtuale visualizzata. Feedback e pulsantiera virtuale vengono raggiunti tramite l'interfaccia neurale-macchina utilizzando controllo mioelettrica e stimolo di vibrazione (suscitando percetti illusorio movimento dell'arto manca) della muscolatura percepirne degli amputati. Controllo e feedback sono coordinati attraverso un sistema di acquisizione dati e il computer che esegue software personalizzato. Cinematica mano virtuale vengono visualizzati per l'utente su un monitor orizzontale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2A è fornito per il confronto delle misure esplicite dell'Agenzia nell'ambito di ciascuna delle condizioni di feedback. Qui, il Punteggio medio per le domande di quattro Agenzia (e quattro domande di controllo) vengono tracciate per ogni partecipante e da ogni condizione di feedback. In Figura 2B, questi punteggi individuali partecipanti sono media e tracciati per ogni condizione di feedback, con le barre di errore che rappresenta la deviazione standard media. Un voto maggiore di 1 indica un accordo con una determinata istruzione e 0 indica neutralità dell'accordo26. Più alte valutazioni di accordo (≥ 1) per le domande di agenzia indicano una maggiore esperienza di agenzia. Le risposte per le domande di controllo dovrebbero essere negativo o neutro (≤ 0) e un punteggio compreso tra 0 e 1 è presa come inconcludente. La 'baseline', 'troppo veloce' e 'nessun feedback' condizione ha dimostrato l'intervallo medio più basso stima che indica il senso più forte dell'Agenzia formata, considerando che il 'passivo' e 'fronte movimento' condizioni ha dimostrato il senso più debole dell'Agenzia.
Figura 2: misure esplicite dell'Agenzia in ciascuna condizione feedback. Punteggio (A) la media per l'Agenzia quattro e quattro domande fornite a ciascun partecipante in ciascuna condizione di feedback. (B) la media i punteggi ai partecipanti in ciascuna condizione di feedback. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard. In entrambi trame, una valutazione maggiore di + 1 indica accordo media e, per le domande di agenzia, la formazione dell'Agenzia, mentre 0 indica neutralità. Questa figura è stata modificata da Marasco et al. 8. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Per un confronto tra intenzionale vincolanti in ogni condizione di feedback, Figura 3A Mostra l'intervallo di tempo le stime per ogni partecipante, media secondo la condizione di feedback. Differenze tra gli intervalli di tempo reale e percepita erano quindi media attraverso i tre partecipanti e sono presentate in Figura 3B riguardante lo stato di feedback della linea di base. Le barre di errore indicano la deviazione standard media. Stime di intervallo di tempo inferiore (Figura 3A) e più grandi differenze negative (Figura 3B) sono un'indicazione di un più forte senso implicito dell'Agenzia. La condizione 'troppo veloce' seguita dalla condizione basale ha dimostrato le stime di intervallo più basso medio, che indica il senso più forte dell'Agenzia formata, considerando la condizione di 'fronte movimento' ha dimostrato il senso più debole dell'Agenzia.
Figura 3: Misure implicite dell'Agenzia via tempo intervallo stime in ciascuna condizione feedback. (A) l'intervallo medio stime per l'intervallo di ritardo tra il completamento della mano virtuale nelle vicinanze e il tono uditivo tracciato per ogni partecipante attraverso ciascuno casualmente presentato intervallo effettivo. I risultati vengono tracciati per ogni condizione di feedback, e una bassa stima di tempo indica un più forte senso dell'Agenzia. Questi pannelli sono stati modificati da Marasco et al. 8. differenza di (B) la media (tra i partecipanti e gli intervalli di ritardo) tra il ritardo di tempo effettivo e del partecipante stimato intervallo di tempo riguardante lo stato di feedback della linea di base. I risultati vengono tracciati per entrambi. Qui, un valore più negativo indica un più forte senso medio dell'Agenzia, e CI indica 95% intervallo di confidenza (CI). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 permette un confronto delle misure Agenzia espliciti ed impliciti. La differenza media tra intervalli di tempo reale e percepita sono tracciati rispetto i risultati della condizione basale feedback e per quanto riguarda i punteggi del questionario di agenzia media per ogni condizione di feedback. In questa presentazione di dati, spostandosi da sinistra a destra sull'asse x indica una diminuzione nell'esperienza esplicita dell'Agenzia e in movimento dal basso verso l'alto sull'asse y indica una diminuzione nel senso implicito dell'Agenzia. Come in Figura 2 e Figura 3, la condizione di 'troppo veloce' ha dimostrato la formazione più forte dell'Agenzia, sia esplicitamente sia implicitamente.
Figura 4: media misure esplicite e implicite di agenzia per ogni condizione di feedback, combinando i risultati presentati in figura 2B e figura 3B. I risultati di media agenzia esplicite vengono tracciati sull'asse x e le stime di intervallo medio vengono tracciate sull'asse y. Le barre di errore indicano deviazione standard. Spostandosi da sinistra a destra sull'asse x indica una diminuzione nell'esperienza esplicita dell'Agenzia, e in movimento dal basso verso l'alto sull'asse y indica una diminuzione nel senso implicito dell'Agenzia. Questa figura è stata modificata da Marasco et al. 8. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Qui è presentato un quadro metodologico per caratterizzare l'esperienza dell'Agenzia formata durante il funzionamento sensate protesi via NMIs. In questo contesto, Agenzia è particolarmente rilevante, come si colma di azione fisica per i processi in background conoscitivo che modellano la percezione. Attraverso un partecipante protesi e NMI, abbiamo accesso diretto a una serie di elementi chiave che stabiliscono il senso dell'Agenzia: intento, potenza del motore e la sensazione di movimento. Di importanza al controllo avanzato la protesi, gli strumenti forniti in questo lavoro sfruttano questo accesso diretto per contribuire a sbloccare una comprensione di come questi elementi possono promuovere il senso dell'utente di controllo sopra e l'integrazione cognitiva di, le azioni dei loro protesi.
Le tecniche evidenziate sono flessibili in quanto possono essere impiegati con qualsiasi NMI ricerca e clinica sistema protesico purché soddisfino i criteri per il controllo percettivamente rilevante in tempo reale e feedback cinestetico. Il vantaggio inerente NMIs molti è il potenziale per un controllo intuitivo realizzato sfruttando i percorsi neurali che rimangono postamputation. Questo consente per la misura della residua attività fisiologica che una volta accompagnato il movimento degli arti intatti, che può, a sua volta, essere decodificato e mappato al movimento appropriato arto protesico o virtuale. Pertanto, la maggior parte delle tecniche di NMI devono soddisfare il requisito per percettivamente relativo controllo, previsto che l'attività neurale registrata e l'accompagnamento interfaccia digitale possono produrre segnali di uscita affidabile che possono essere mappati in modo appropriato per la mano virtuale. La messa a punto sperimentale presuppone anche un sistema che gli investigatori con la possibilità di avviare attivamente sensazioni cinestetiche in tempo reale con la cinematica mano virtuale visualizzata. Si tratta di un requisito critico come un senso di agenzia sui movimenti viene stabilito quando siamo impegnati in un'azione e feedback sensoriale appropriato viene restituito durante il completamento di tale azione13. Ancora una volta, fino a quando questo criterio è soddisfatto, la maggior parte qualsiasi sistema di feedback cinestetico NMI sarà opportuno.
Le tecniche qui presentate hanno il vantaggio di valutare misure cognitivo-percettive sia esplicite che implicite dell'Agenzia. Non ci è prova per suggerire che ognuno può essere il risultato di meccanismi cognitivi separati che, insieme, formano un totale senso di agenzia17; Tuttavia, ancora non esiste una completa comprensione di questo rapporto. I risultati di queste misure sono quantitative e facilmente interpretato. Diminuisce nel tempo intervallo stime suggeriscono che un più forte senso implicito dell'Agenzia è stato formato. Allo stesso modo, punteggi più elevati del questionario sulle dichiarazioni di agenzia indicano una forte esperienza esplicita dell'Agenzia. È suggerito che questi valori quantitativi possono fornire una base per valutare e ottimizzare controllo NMI e feedback sensoriale. Ad esempio, in un precedente lavoro8 che è qui riportato in Figura 4, i partecipanti spesso riportati gli intervalli di tempo più piccolo percepito ed esplicitamente segnalato Agenzia percepito più forte quando è stata visualizzata una mano virtuale che chiuso leggermente più veloce rispetto la sensazione cinestetica hanno sperimentato. Questo indica che l'utente sentiva un forte senso di controllo sulle azioni della mano, come riportato in modo esplicito, ma suggerisce anche che i processi cognitivi che stabiliscono questo senso di controllo più fortemente associano questo display cinematico più velocemente. Come tale, un adeguamento al regime di controllo di NMI di una clinica protesi per ospitare la mano più veloce chiusura può aiutare migliorare la percezione dell'utente di controllo sul loro dispositivo fisico e incoraggiano l'utente a individuare le azioni del loro dispositivo come auto-generata.
Le tecniche presentate possono essere impiegate anche per formare una comprensione più completa delle modalità sensoriali come multipli possono influenzare le percezioni di proprietà sopra arti artificiali. Ad esempio, risposte sensitive touch (o altre modalità sensoriali) potrà essere incorporato il paradigma presentato qui per valutare i loro ruoli individuali possibili in potenzianti il senso dell'Agenzia. Inoltre, le tecniche qui presentate possono essere accoppiate con misure di proprietà di caratterizzare più completamente le interrelazioni tra agenzia, embodiment e modalità sensoriali individuali. I metodi forniti possono anche avere più ampia applicabilità di là di dispositivi controllati NMI. Attività sperimentali simili potrebbero essere attuate con sistemi di controllo complessi (ad esempio riconoscimento di pattern mioelettriche), protesi mioelettriche tradizionali e sistemi alimentati a corpo, nonché sistemi senza feedback sensoriale NMI. Ciò potrebbe consentire per una prospettiva unica a comprendere i processi cognitivi come rispondere ai paradigmi di controllo e feedback meno 'naturale' e fornire intuizioni come agenzia e percezioni di controllo possono agire durante l'operazione di ricerca più tradizionale o sistemi protesici clinici.
Come protesi robotiche crescono sempre più sofisticati, così fa anche la necessità di un controllo efficace e integrazione cognitiva di questi dispositivi. Sensation è una via per affrontare una serie di barriere critiche, ed essere in grado di valutare i meccanismi di sostegno che elaborano le informazioni e la sensazione di movimento è un pezzo importante. Gli strumenti forniti qui possono contribuire a facilitare l'integrazione dei dispositivi con utenti caratterizzando la formazione esplicita ed implicita di agenzia. Queste tecniche consentono di quantificare i vantaggi dell'accesso innata al controllo motore intuitivo e sensazione che NMIs può fornire e può offrire una piattaforma per la valutazione e messa a punto, per infine migliora la percezione dell'utente di essere in controllo della loro artificiale arto.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori vorrei ringraziare Madeline Newcomb per il suo contributo alla generazione di figura. Questo lavoro è stato finanziato dai contribuenti US attraverso un NIH, ufficio del direttore, fondo comune, trasformativo R01 Research Award (grant n. 1R01NS081710-01) e la Defense Advanced Research Projects Agency (contratto numero N66001-15-C-4015 sotto l'egida di Programma di biologia Technology Office manager D. Weber).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LabVIEW 2015, Service Pack 1, Version 15.0.1f2 64-bit | National Instruments, Austin, TX, USA | Full or Pro Version | We wrote custom software in LabVIEW to coordinate virtual prosthesis control with kinesthetic feedback as well as to present experimental conditions and record data. |
| 8-Slot, USB CompactDAQ Chassis | National Instruments, Austin, TX, USA | cDAQ-9178 | |
| ±60 V, 800 kS/s, 12-Bit, 8-Channel C Series Voltage Input Module | National Instruments, Austin, TX, USA | NI-9221 | |
| 100 kS/s/ch Simultaneous, ±10 V, 4-Channel C Series Voltage Output Module | National Instruments, Austin, TX, USA | NI-9263 | |
| Custom Wearable Kinesthetic Tactor | HDT Global, Solon, OH, USA | N/A | This item was custom made. Other methods of delivering kinesthetic feedback are acceptable as long as the participant feels the sensation of the hand moving in real-time with the movements of the virtual hand. |
| MuJoCo Physics Engine, HAPTIX Version | Roboti LLC, Redmond, WA, USA | mjhaptix150 | Newer versions of MuJoCo should be acceptable as well. We used the MPL Gripper Model. |
| Myobock Electrodes, powered by Otto Bock EnergyPack in MyoBoy Battery Receptacle | Ottobock, Duderstadt, Germany | electrodes: 13E200=60 battery: 757B21 battery receptacle: 757Z191=2 |
Any setup that provides an amplified, filtered, and rectified EMG or neural control signal could be used. |
References
- Kuiken, T. A., Marasco, P. D., Lock, B. A., Harden, R. N., Dewald, J. P. A. Redirection of cutaneous sensation from the hand to the chest skin of human amputees with targeted reinnervation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (50), 20061-20066 (2007).
- Hebert, J. S., et al. Novel targeted sensory reinnervation technique to restore functional hand sensation after transhumeral amputation. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 22 (4), 765-773 (2014).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. Science Translational Medicine. 257 (6), (2014).
- Oddo, C. M., et al. Intraneural stimulation elicits discrimination of textural features by artificial fingertip in intact and amputee humans. eLife. 5 (MARCH2016), (2016).
- Raspopovic, S., et al. Bioengineering: Restoring natural sensory feedback in real-time bidirectional hand prostheses. Science Translational Medicine. 6 (222), (2014).
- Flesher, S. N., et al. Intracortical microstimulation of human somatosensory cortex. Science Translational Medicine. 8 (361), (2016).
- Tabot, G. A., et al. Restoring the sense of touch with a prosthetic hand through a brain interface. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (45), 18279-18284 (2013).
- Marasco, P. D., et al. Illusory movement perception improves motor control for prosthetic hands. Science Translational Medicine. 10 (432), (2018).
- Horch, K., Meek, S., Taylor, T. G., Hutchinson, D. T. Object discrimination with an artificial hand using electrical stimulation of peripheral tactile and proprioceptive pathways with intrafascicular electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (5), 483-489 (2011).
- Braun, N., et al. The senses of agency and ownership: A review. Frontiers in Psychology. 9 (APR), (2018).
- Van Den Bos, E., Jeannerod, M. Sense of body and sense of action both contribute to self-recognition. Cognition. 85 (2), 177-187 (2002).
- Botvinick, M., Cohen, J. Rubber hands "feel" touch that eyes see. Nature. 391 (6669), 756 (1998).
- Gallagher, S. Philosophical conceptions of the self: Implications for cognitive science. Trends in Cognitive Sciences. 4 (1), 14-21 (2000).
- Niedernhuber, M., Barone, D. G., Lenggenhager, B. Prostheses as extensions of the body: Progress and challenges. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 92, 1-6 (2018).
- Marasco, P. D., Kim, K., Colgate, J. E., Peshkin, M. A., Kuiken, T. A. Robotic touch shifts perception of embodiment to a prosthesis in targeted reinnervation amputees. Brain. 134 (3), 747-758 (2011).
- Rognini, G., Blanke, O. Cognetics: Robotic Interfaces for the Conscious Mind. Trends in Cognitive Sciences. 20 (3), 162-164 (2016).
- Dewey, J. A., Knoblich, G. Do implicit and explicit measures of the sense of agency measure the same thing. PLoS ONE. 9 (10), (2014).
- Edwards, A. L. Adaptive and Autonomous Switching: Shared Control of Powered Prosthetic Arms Using Reinforcement Learning. , University of Alberta. Master's thesis (2016).
- Desai, M., Stubbs, K., Steinfeld, A., Yanco, H. Creating trustworthy robots: Lessons and inspirations from automated systems. Adaptive and Emergent Behaviour and Complex Systems - Proceedings of the 23rd Convention of the Society for the Study of Artificial Intelligence and Simulation of Behaviour, AISB 2009. , 49-56 (2009).
- Lee, J. D., See, K. A. Trust in automation: designing for appropriate reliance. Human Factors. 46 (1), 50-80 (2004).
- Moore, J. W. What is the sense of agency and why does it matter? Frontiers in Psychology. 7 (AUG), 1-9 (2016).
- Obhi, S. S., Hall, P. Sense of agency in joint action: Influence of human and computer co-actors. Experimental Brain Research. 211 (3-4), 663-670 (2011).
- Sahaï, A., Pacherie, E., Grynszpan, O., Berberian, B. Co-representation of human-generated actions vs. machine-generated actions: Impact on our sense of we-Agency? 2017 26th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN). , Lisbon, Portugal. August 28 - September 1, 2017 (2017).
- Biddiss, E., Chau, T. Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years. Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).
- Atkins, D. J., Heard, D. C. Y., Donovan, W. H. Epidemiologic overview of individuals with upper-limb loss and their reported research priorities. Journal of Prosthetics and Orthotics. 8 (1), 2-11 (1996).
- Kalckert, A., Ehrsson, H. H. Moving a Rubber Hand that Feels Like Your Own: A Dissociation of Ownership and Agency. Frontiers in Human Neuroscience. 6 (March), 1-14 (2012).
- Caspar, E. A., Cleeremans, A., Haggard, P. The relationship between human agency and embodiment. Consciousness and Cognition. 33, 226-236 (2015).
- Haggard, P., Clark, S., Kalogeras, J. Voluntary action and conscious awareness. Nature Neuroscience. 5 (4), 382-385 (2002).
- Engbert, K., Wohlschläger, A., Haggard, P. Who is causing what? The sense of agency is relational and efferent-triggered. Cognition. 107 (2), 693-704 (2008).
- Moore, J. W., Wegner, D. M., Haggard, P. Modulating the sense of agency with external cues. Consciousness and Cognition. 18 (4), 1056-1064 (2009).
- Kumar, V., Todorov, E. MuJoCo HAPTIX: A virtual reality system for hand manipulation. 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , Seoul, South Korea. November 3 - 5, 2015 (2015).
- Kuiken, T. A., et al. Targeted reinnervation for enhanced prosthetic arm function in a woman with a proximal amputation: a case study. Lancet. 369 (9559), 371-380 (2007).
