MPI Cyber​​Motionシミュレータ：三次元的に多感覚パスの統合を調査するための新しいモーションシミュレータの実装

本実験の全体的な目的は、被験者への視覚および前庭感覚入力を制御しながら、三次元での経路ナビゲーションを測定することです。これは、椅子に座った状態で前庭系を刺激する、6自由度を備えた改良型ロボットチェアを用いて行われます。被験者は仮想的な星空を視認します。ロボットチェアを動作させると同時に星空を変化させることで、システムは視覚的および前庭的な手がかりを被験者に提供します。

参加者は、記憶した開始位置を指し示す際の精度と速度によって、経路ナビゲーションのフィードバックを提供します。結果から、自己運動の不正確な推定は、移動平面および移動時の角度に依存することが示されました。モーションプラットフォームなどの既存の手法に対する本手法の主な利点は、MPI Cyber Motionシミュレーターが、特に下方に向けて観察者をさまざまな次元で移動させることが可能な広いワークスペースを備えていることです。

この手法は、脳が異なる次元における自己運動を等しく表現しているかなど、神経科学分野における重要な問いに答えることができます。これらの実験の着想は、同僚のManuel Vidalによる研究から得ました。彼は、視覚提示のみを用いて、被験者を仮想迷路の中で移動させました。

ここでは、MACESに垂直成分が含まれる場合に、空間ナビゲーションが損なわれることが分かりました。この手法の意義は、正常な脳における経路ナビゲーションの基準を提供するため、空間失見当症の診断にまで及びます。NPI Cyberモーションシミュレーターは、3, 2, 1構成の6軸シリアルロボットで構成されています。

実験における安全性を確保するため、可搬重量500 kgの産業用ロボットをベースとしています。ハードウェアとソフトウェアの両方に改良が加えられており、MPIサイバーモーションシミュレーターを用いることで、横方向の移動と回転を組み合わせた複雑なモーションプロファイルの実現が可能です。

第1軸、第4軸、および第6軸は連続的に回転可能です。一方、第2軸、第3軸、および第5軸は、4組のハードウェアストッパーによって両方向の可動範囲が制限されています。直線運動の最大範囲は、運動を開始する位置に強く依存します。実験を行う前に、各実験用動作軌道についてテスト段階を設ける必要があります。

軌道は、MPIサイバーモーションシミュレーターを構成するために設計されたKUKA製オフィスPCを用いてプログラムされます。このオープンループ構成では、軌道は直交座標系で入力され、逆運動学を通じて12ミリ秒ごとにジョイント空間角度に変換されます。現在の関節角度位置は、制御システムからイーサネット接続を介してMPIサイバーモーションシミュレーターに送信され、そこで逐次読み取られてロボットのディスクに記録されます。

5点式安全ベルトシステムを備えたレースカーシートが、フットレストを含むシャーシに取り付けられています。このシャーシはロボットアームのフランジに装着されています。被験者は、実験者との双方向通信用マイクを備えたノイズキャンセリングヘッドホンを着用する必要があります。

また、被験者は実験セットアップについて事前知識を持っていない状態でなければなりません。ロボットの動作音を遮断するため、ヘッドホンから持続的なノイズを流します。また、実験を暗闇の中で行う場合は、被験者を密閉されたキャビン内に配置して実験を行うことも可能です。

赤外線カメラにより、コントロールルームからの視覚的なモニタリングが可能になります。視覚化の構成は、LCDスクリーン、ステレオ前面投影、モノ前面投影、またはヘッドマウントディスプレイなど、複数の構成が可能です。本実験では、視覚的な手がかりを提示するため、観察者の前方50センチメートルの位置にLCDディスプレイを配置し、自己運動の視覚的キューを提供します。

本ソフトウェアは、200,000個の点で構成される仮想的なOID空間を被験者に提示します。空間内の各点は、黒色の背景に対して白色の円として描画されます。画面には、視角13度から0.3度に相当する点が表示されます。

これらの点は、参加者から0.085および4の仮想単位の距離に配置されています。仮想フィールドの動きは、MPI制御コンピュータからの動作軌跡を介して物理的な動きと同期されており、これによりオプティカルフローと動作の間に視差が作り出されます。

視野のより深い位置にある点は、参加者の動きに関係なく小さく描画されます。各点は、ランダムに再割り当てされる前に、2秒間非同期に表示されます。したがって、合計で毎秒10万個の点が移動します。

応答ボタンを備えたカスタムメイドのジョイスティックにより、参加者はイーサネット接続を介して制御システムにデータを送信できます。感覚情報は、限定的な寿命を持つ星野からの視覚的な手がかりのみを提供するか、参加者が目を閉じた状態での受動的な自己運動による前庭運動感覚的な手がかりのみを提供するか、あるいは参加者が目を開けた状態で両方の手がかりを提供することによって操作できます。

この実験では、運動軌跡は2つのセグメント長で構成されました。1つ目は0.4 meters、2つ目は1 meterです。任意の2つの運動セグメント間の角度は、45 degreesまたは90 degreesとして提示されます。

例えば、水平面内の運動は、前方への90度右方向への移動、右方向への45度右方向への移動、前方への90度への移動、または右前方への45度方向への移動のいずれかで構成されます。これらの種類の運動は、矢状面および前頭面でも行われます。軌道は回転を伴わない並進運動として提供されます。

各軌跡の後に再配置シーケンスが行われ、続いて15秒間の休止を設けることで、各試行前の動作による干渉の可能性を低減させ、前庭システムが定常状態からテストされ、知覚された動きのフィードバックが得られるようにします。参加者はジョイスティックで矢印を動かし、起点に対する自身の動きを示します。起点は3つの視点からアバターとして提示され、試行前の調整前に、矢印は常にランダムに配置されます。参加者がフィードバックシステムを正確に使用できるよう訓練することが極めて重要です。

参加者は、試行中に膝の上に置かれたジョイスティックなど、周囲の物体に向けて矢印を向けられる必要があります。ジョイスティックの動作は軌道平面に制限されており、データ収集時には任意の視点、またはすべての視点を使用できます。各実験条件は3回ずつ繰り返され、ランダムな順序で提示されます。

16名の参加者から得られたデータを分析しました。極端な外れ値のスコアは除外されました。モダリティおよび角度は、推定された動きに有意な影響を及ぼしませんでした。しかしながら、参加者は水平面における運動角度の大きさをほぼ9度低く見積もり、前頭面における角度の大きさを約5度高く見積もりました。

角度因子は前頭面因子と有意な相互作用を示すことが判明し、45度の動作における過大評価は90度の動作におけるそれよりも大きかった。加えて、様式は角度と有意に相互作用し、90度の動作における前庭情報のみによる過小評価は、視覚条件および複合条件と比較して有意に大きかった。このような不一致は45度の動作では認められなかった。

視覚情報および複合的な条件下と比較して、前庭感覚による運動感覚の手がかりのみでフィードバックが提供された場合、反応時間が有意に遅くなることが分かりました。また、他の平面に比べて水平面内で移動させた場合、参加者の反応は有意に遅くなりました。これらの結果は、脳における空間表現が次元間で対称ではないことを示唆しており、非常に驚くべきものです。

人間が水平面における自身の動きを過小評価する傾向があることは以前から知られていましたが、ここでは、垂直方向においてはそれが当てはまらないことを初めて示しました。将来的には、これらの手法を用いて、曲線を含む3次元すべての方向で経路を構築することが可能になります。これにより、脳がどのようにして異なる平面間での動きを統合しているのか、また、どのようにして方向転換を制御しているのかといった、さらなる疑問に答えることができるようになります。