Name: Caracterização do sentido da Agência sobre as ações de próteses neurais-máquina de Interface-operado (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 21 s
Description: Aprenda a caracterizar o sentido de agência no controle de próteses neurais usando questionários psicofísicos e estimativas de intervalo temporal. Este método avalia experiências explícitas e implícitas de agência em interfaces cérebro-máquina.

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Os autores gostaria de agradecer sua contribuição para a geração de figura Madeline Newcomb. Este trabalho foi financiado pelos contribuintes dos EUA através de uma NIH, escritório do diretor, fundo comum, Transformative R01 Research Award (grant #1R01NS081710-01) e o Defense Advanced Research Projects Agency (contrato número N66001-15-C-4015 sob os auspícios de Biologia tecnologia programa gerente D. Weber).

Este protocolo foi aprovado anteriormente e segue as diretrizes do Comitê de ética de pesquisa humana da Clínica Cleveland.
1. hardware e Software da NMI
<ol><li>Estabelecer controle de NMI do cada participante individual e feedback para que quando eles tentam executar um movimento, ver e sentir uma prótese virtual completar aquele movimento.<ol>
<li>Gerar um perceptivo cinestésica mão através NMI do participante e capturar a cinemática do movimento percebido, tendo o participante demonstrar o que sentem usando sua mão intacta. Nota: Técnicas para caracterizar cinemática perceptivo cinestésica tem sido ilustradas em outras obras de8 e podem ser alcançadas usando uma luva de dados ou um sistema de captura de movimento óptico.</li>
		<li>Use uma simulação virtual de mão/prótese para reproduzir a cinemática de perceptivo o movimento.</li>
		<li>Configure o hardware para captar os sinais de controle de movimento de mão intencional de NMI do participante.</li>
		<li>Mapear o sinal de controle para a atividade da prótese virtual.</li>
		<li>Crie um programa de controle mestre que coordena a aquisição do sinal de controle do NMI, o movimento da prótese virtual e a geração de feedback de NMI cinestésica em tempo real.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. experimental Setup
<ol><li>O participante do assento e posicione um monitor na horizontal (ou seja, de costas, virado para cima) sobre uma mesa na frente deles.</li>
	<li>Exibir a prótese virtual no monitor e ajuste seu tamanho e localização, para que ele está posicionado congruente com a localização do seu membro ausente.</li>
	<li>Renderizar objetos (por exemplo, flutuando bolas) no ambiente virtual para servir como pontos de paragem para as posições de aberto e perto da mão (pontos de extremidade do movimento).</li>
	<li>Configurar o programa de controle mestre, para que quando os dígitos virtuais fazem contato com os pontos de paragem virtual, um sinal auditivo é jogado após um ajustável tempo atrasar (300, 500, 700 ou 1.000 ms).</li>
</ol>3. experimentais condições
<ol><li>Construir um arquivo de entrada para o programa de controle mestre que especifica as configurações para cada julgamento, incluindo o atraso do sinal auditivo, quer o feedback de NMI é ativado on/off, a velocidade e direção do movimento de mão virtual e o atraso entre o comando e o movimento da mão virtual.<ol>
<li>Crie duas condições de controle, uma linha de base e uma condição passiva.<ol>
<li>Para a condição de base, configure a cinemática e controle de mão virtual para coincidir com o perceptivo cinestésico NMI. Nota: A condição de base representa a congruência ideal de motor intenção, cinemática do movimento e feedback cinestésico.</li>
			<li>Programe a condição passiva para executar um movimento de mão virtual quando acionado pelo investigador (removendo o controle do usuário), enquanto continua a fornecer o participante com o perceptivo cinestésico NMI. Nota: A condição passiva capta as condições teórico Agência pior (ou seja, movimento na ausência de controle [sem intenção], semelhante a um corpo sendo movido passivamente).</li>
		</ol>
</li>
		<li>Condições adicionais do programa projetadas para analisar as contribuições para a agência de intenção motor, sensação cinestésica e incompatibilidade temporal com a cinemática exibida da prótese virtual. Considere o uso de cinco condições a seguir.<ol>
<li>Em frente ao movimento: o feedback cinestésico NMI indica que a mão fecha enquanto abre a visualização de mão.</li>
			<li>Muito rápido: a visualização de mão fecha mais rápido do que o indicado pelo feedback cinestésico NMI.</li>
			<li>Muito lento: a visualização de mão fecha mais lento do que o indicado pelo feedback cinestésico NMI.</li>
			<li>Atraso de início: a visualização da mão fecha 1 s mais tarde do que o indicado pelo feedback cinestésico NMI.</li>
			<li>Nenhum feedback: a visualização de mão fecha sem qualquer feedback cinestésico NMI.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. desempenho do experimento
<ol><li>Instrua os participantes para conduzir a mão de campo aberto para a posição fechada sem parar e para relatar sua estimativa do atraso de tempo de quando os dígitos virtuais contactou os pontos de paragem virtual para quando eles ouviram o sinal auditivo. Nota: Os participantes podem usar qualquer representação de tempo entre 0 e 1 s que faz mais sentido para eles (por exemplo, milissegundos, frações de segundos, uma 0 - 10 escala).</li>
	<li>Inicie cada julgamento pressionando um botão de iniciar o programa de controle mestre, o que move a mão virtual para a posição inicial, sinalizando o início do julgamento. Esta sugestões o participante para conduzir a mão virtual para os pontos de paragem virtual, que faz com que um sinal auditivo jogar depois de um atraso aleatório (300, 500 ou 700 ms).<ol>
<li>Grave a estimativa de verbalmente relatadas do participante do intervalo de atraso de tempo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Organize ensaios em blocos experimentais.<ol>
<li>Começar com duas sessões de treinos e excluí-los da análise final.<ol>
<li>Na primeira sessão de treinos, ter a unidade participante a mão para o ponto de extremidade do movimento e jogar o sinal auditivo 1.000 ms após os dígitos virtuais alcançar os pontos de paragem virtual para 10 testes.<ol>
<li>Os participantes não precisam relatar os intervalos estimados para esta sessão de treinos. Nota: Este passo é necessário para orientar os participantes a quanto tempo um único segundo sente-se.</li>
			</ol>
</li>
			<li>Na segunda sessão de treinos, novamente, tem a unidade participante a mão para o ponto de extremidade do movimento. Randomize os tons auditivos para que os intervalos de atraso de 300, 500 e 700 ms são apresentados pelo menos 5 vezes cada um.<ol>
<li>Peça aos participantes para relatar os intervalos de atraso estimado.</li>
				<li>Não informe o participante de suas estimativas dos intervalos de atraso são íntimo o atraso real durante esses ensaios de prática ou ensaios subsequentes no bloco experimental. Nota: Este passo é importante porque os participantes provavelmente será inexperientes em fazer julgamentos de tempo em uma escala de frações de segundo, e o procedimento de teste pode não ser intuitivo para o participante do teste inexperientes.</li>
			</ol>
</li>
		</ol>
</li>
		<li>Mover para conjuntos experimentais de 15 ensaios para cada condição. As condições do presente em uma ordem aleatória e administrar um questionário no final de cada condição.<ol>
<li>Instruir os participantes a refletir sobre o mais recente conjunto de ensaios e preencha o questionário de oito-declaração agência (inclui quatro perguntas para quantificar a experiência explícita da Agência e quatro perguntas de controle [exemplo fornecido a Arquivo complementar])8,26.<ol>
<li>Randomize as declarações de questionário para fornecer pelo menos cinco ordens de pergunta original a ser apresentado aleatoriamente aos participantes.</li>
			</ol>
</li>
		</ol>
</li>
		<li>Participante do bloco experimental com um conjunto de 15 ensaios para a condição passiva e administrar um questionário após completar estes testes. Nota: Administre os julgamentos passivos no final de cada bloco experimental para evitar interferência com um sentido estabelecido da agência.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Complete quatro blocos experimentais com diferentes ordens de delineamento das condições experimentais.</li>
	<li>Fornece várias oportunidades ao longo da duração dos testes para os participantes fazer uma pausa. Não há tempo mínimo ou limite de tempo para estas pausas, mas certifique-se do que participante não é fisicamente ou mentalmente cansado antes de continuar o teste.</li>
</ol>

<ol><li>Kuiken, T. A., Marasco, P. D., Lock, B. A., Harden, R. N., Dewald, J. P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Redirection+of+cutaneous+sensation+from+the+hand+to+the+chest+skin+of+human+amputees+with+targeted+reinnervation%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Redirection of cutaneous sensation from the hand to the chest skin of human amputees with targeted reinnervation.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (50), 20061-20066 (2007).</li>
<li>Hebert, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+targeted+sensory+reinnervation+technique+to+restore+functional+hand+sensation+after+transhumeral+amputation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Neural+Systems+and+Rehabilitation+Engineering%22%5BJournal%5D)">Novel targeted sensory reinnervation technique to restore functional hand sensation after transhumeral amputation.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 22 (4), 765-773 (2014).</li>
<li>Tan, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+neural+interface+provides+long-term+stable+natural+touch+perception%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">A neural interface provides long-term stable natural touch perception.</a> Science Translational Medicine. 257 (6), (2014).</li>
<li>Oddo, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intraneural+stimulation+elicits+discrimination+of+textural+features+by+artificial+fingertip+in+intact+and+amputee+humans%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Intraneural stimulation elicits discrimination of textural features by artificial fingertip in intact and amputee humans.</a> eLife. 5 (MARCH2016), (2016).</li>
<li>Raspopovic, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioengineering%3A+Restoring+natural+sensory+feedback+in+real-time+bidirectional+hand+prostheses%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Bioengineering: Restoring natural sensory feedback in real-time bidirectional hand prostheses.</a> Science Translational Medicine. 6 (222), (2014).</li>
<li>Flesher, S. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intracortical+microstimulation+of+human+somatosensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Intracortical microstimulation of human somatosensory cortex.</a> Science Translational Medicine. 8 (361), (2016).</li>
<li>Tabot, G. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Restoring+the+sense+of+touch+with+a+prosthetic+hand+through+a+brain+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Restoring the sense of touch with a prosthetic hand through a brain interface.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (45), 18279-18284 (2013).</li>
<li>Marasco, P. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Illusory+movement+perception+improves+motor+control+for+prosthetic+hands%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Illusory movement perception improves motor control for prosthetic hands.</a> Science Translational Medicine. 10 (432), (2018).</li>
<li>Horch, K., Meek, S., Taylor, T. G., Hutchinson, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Object+discrimination+with+an+artificial+hand+using+electrical+stimulation+of+peripheral+tactile+and+proprioceptive+pathways+with+intrafascicular+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Neural+Systems+and+Rehabilitation+Engineering%22%5BJournal%5D)">Object discrimination with an artificial hand using electrical stimulation of peripheral tactile and proprioceptive pathways with intrafascicular electrodes.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (5), 483-489 (2011).</li>
<li>Braun, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+senses+of+agency+and+ownership%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Psychology%22%5BJournal%5D)">The senses of agency and ownership: A review.</a> Frontiers in Psychology. 9 (APR), (2018).</li>
<li>Van Den Bos, E., Jeannerod, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sense+of+body+and+sense+of+action+both+contribute+to+self-recognition%5BTitle%5D)+AND+%22Cognition%22%5BJournal%5D)">Sense of body and sense of action both contribute to self-recognition.</a> Cognition. 85 (2), 177-187 (2002).</li>
<li>Botvinick, M., Cohen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rubber+hands+%26%2334%3Bfeel%26%2334%3B+touch+that+eyes+see%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Rubber hands &#34;feel&#34; touch that eyes see.</a> Nature. 391 (6669), 756(1998).</li>
<li>Gallagher, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Philosophical+conceptions+of+the+self%3A+Implications+for+cognitive+science%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Cognitive+Sciences%22%5BJournal%5D)">Philosophical conceptions of the self: Implications for cognitive science.</a> Trends in Cognitive Sciences. 4 (1), 14-21 (2000).</li>
<li>Niedernhuber, M., Barone, D. G., Lenggenhager, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prostheses+as+extensions+of+the+body%3A+Progress+and+challenges%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+%26+Biobehavioral+Reviews%22%5BJournal%5D)">Prostheses as extensions of the body: Progress and challenges.</a> Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 92, 1-6 (2018).</li>
<li>Marasco, P. D., Kim, K., Colgate, J. E., Peshkin, M. A., Kuiken, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robotic+touch+shifts+perception+of+embodiment+to+a+prosthesis+in+targeted+reinnervation+amputees%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Robotic touch shifts perception of embodiment to a prosthesis in targeted reinnervation amputees.</a> Brain. 134 (3), 747-758 (2011).</li>
<li>Rognini, G., Blanke, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cognetics%3A+Robotic+Interfaces+for+the+Conscious+Mind%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Cognitive+Sciences%22%5BJournal%5D)">Cognetics: Robotic Interfaces for the Conscious Mind.</a> Trends in Cognitive Sciences. 20 (3), 162-164 (2016).</li>
<li>Dewey, J. A., Knoblich, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+implicit+and+explicit+measures+of+the+sense+of+agency+measure+the+same+thing%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+ONE%22%5BJournal%5D)">Do implicit and explicit measures of the sense of agency measure the same thing.</a> PLoS ONE. 9 (10), (2014).</li>
<li>Edwards, A. L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Adaptive+and+Autonomous+Switching%3A+Shared+Control+of+Powered+Prosthetic+Arms+Using+Reinforcement+Learning%22">Adaptive and Autonomous Switching: Shared Control of Powered Prosthetic Arms Using Reinforcement Learning</a>. , University of Alberta. Master's thesis (2016).</li>
<li>Desai, M., Stubbs, K., Steinfeld, A., Yanco, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creating+trustworthy+robots%3A+Lessons+and+inspirations+from+automated+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Adaptive+and+Emergent+Behaviour+and+Complex+Systems+-+Proceedings+of+the+23rd+Convention+of+the+Society+for+the+Study+of+Artificial+Intelligence+and+Simulation+of+Behaviour%2C+AISB+2009%22%5BJournal%5D)">Creating trustworthy robots: Lessons and inspirations from automated systems.</a> 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).</li>
<li>Lee, J. D., See, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trust+in+automation%3A+designing+for+appropriate+reliance%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Factors%22%5BJournal%5D)">Trust in automation: designing for appropriate reliance.</a> Human Factors. 46 (1), 50-80 (2004).</li>
<li>Moore, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+is+the+sense+of+agency+and+why+does+it+matter%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Psychology%22%5BJournal%5D)">What is the sense of agency and why does it matter?</a> Frontiers in Psychology. 7 (AUG), 1-9 (2016).</li>
<li>Obhi, S. S., Hall, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sense+of+agency+in+joint+action%3A+Influence+of+human+and+computer+co-actors%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Sense of agency in joint action: Influence of human and computer co-actors.</a> Experimental Brain Research. 211 (3-4), 663-670 (2011).</li>
<li>Sahaï, A., Pacherie, E., Grynszpan, O., Berberian, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Co-representation+of+human-generated+actions+vs.+machine-generated+actions%3A+Impact+on+our+sense+of+we-Agency%3F%5BTitle%5D)+AND+%222017+26th+IEEE+International+Symposium+on+Robot+and+Human+Interactive+Communication+%28RO-MAN%29%22%5BJournal%5D)">Co-representation of human-generated actions vs. machine-generated actions: Impact on our sense of we-Agency?</a> 2017 26th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN). , Lisbon, Portugal. August 28 - September 1, 2017 (2017).</li>
<li>Biddiss, E., Chau, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Upper+limb+prosthesis+use+and+abandonment%3A+A+survey+of+the+last+25+years%5BTitle%5D)+AND+%22Prosthetics+and+Orthotics+International%22%5BJournal%5D)">Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years.</a> Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).</li>
<li>Atkins, D. J., Heard, D. C. Y., Donovan, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidemiologic+overview+of+individuals+with+upper-limb+loss+and+their+reported+research+priorities%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Prosthetics+and+Orthotics%22%5BJournal%5D)">Epidemiologic overview of individuals with upper-limb loss and their reported research priorities.</a> Journal of Prosthetics and Orthotics. 8 (1), 2-11 (1996).</li>
<li>Kalckert, A., Ehrsson, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Moving+a+Rubber+Hand+that+Feels+Like+Your+Own%3A+A+Dissociation+of+Ownership+and+Agency%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Moving a Rubber Hand that Feels Like Your Own: A Dissociation of Ownership and Agency.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 6 (March), 1-14 (2012).</li>
<li>Caspar, E. A., Cleeremans, A., Haggard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+between+human+agency+and+embodiment%5BTitle%5D)+AND+%22Consciousness+and+Cognition%22%5BJournal%5D)">The relationship between human agency and embodiment.</a> Consciousness and Cognition. 33, 226-236 (2015).</li>
<li>Haggard, P., Clark, S., Kalogeras, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Voluntary+action+and+conscious+awareness%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Voluntary action and conscious awareness.</a> Nature Neuroscience. 5 (4), 382-385 (2002).</li>
<li>Engbert, K., Wohlschläger, A., Haggard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Who+is+causing+what%3F+The+sense+of+agency+is+relational+and+efferent-triggered%5BTitle%5D)+AND+%22Cognition%22%5BJournal%5D)">Who is causing what? The sense of agency is relational and efferent-triggered.</a> Cognition. 107 (2), 693-704 (2008).</li>
<li>Moore, J. W., Wegner, D. M., Haggard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modulating+the+sense+of+agency+with+external+cues%5BTitle%5D)+AND+%22Consciousness+and+Cognition%22%5BJournal%5D)">Modulating the sense of agency with external cues.</a> Consciousness and Cognition. 18 (4), 1056-1064 (2009).</li>
<li>Kumar, V., Todorov, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MuJoCo+HAPTIX%3A+A+virtual+reality+system+for+hand+manipulation%5BTitle%5D)+AND+%222015+IEEE-RAS+15th+International+Conference+on+Humanoid+Robots+%28Humanoids%29%22%5BJournal%5D)">MuJoCo HAPTIX: A virtual reality system for hand manipulation.</a> 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , Seoul, South Korea. November 3 - 5, 2015 (2015).</li>
<li>Kuiken, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeted+reinnervation+for+enhanced+prosthetic+arm+function+in+a+woman+with+a+proximal+amputation%3A+a+case+study%5BTitle%5D)+AND+%22Lancet%22%5BJournal%5D)">Targeted reinnervation for enhanced prosthetic arm function in a woman with a proximal amputation: a case study.</a> Lancet. 369 (9559), 371-380 (2007).</li>
</ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

Aqui apresenta-se um quadro metodológico para caracterizar a experiência da Agência formada durante a operação sensível próteses através de NMIs. Neste contexto, a agência é particularmente relevante como lo pontes ação física para os processos cognitivos de fundo que moldam a percepção. Através de um participante prótese e NMI, temos acesso direto a um número de elementos-chave que estabelecem o sentido de agência: intenção, saída motor e sensação de movimento. De importância para o controle dos membros protéti...

Como próteses robóticas tornam-se cada vez mais avançadas, a importância de feedback sensorial relevante continuará a crescer. Feedback sensorial afeta como os seres humanos percebem, interagirem com e até mesmo integrarem máquinas em seu esquema de corpo. Recentes técnicas de NMI agora podem fornecer aos usuários de prótese membro controle intuitivo e alcançar sensações associadas com toque1,2,3,4,5,6 , 7 e cinestesia (sentido de movimento)8,9 nos membros faltantes. Quando esta informação sensorial é emparelhada com a informação visual fornecida por assistir o membro artificial durante a operação, temos acesso a elementos-chave que informam a distinção de auto -versus-outros. Aproveitar este acesso pode ajudar a trazer a usuários de prótese membro um passo mais perto para operar um membro artificial como parte de seu corpo, ao invés de apenas uma ferramenta.
Consciência corporal e o sentido de ser encarnado decorre o estabelecimento de propriedade (a sensação de que um membro é uma parte do corpo) e a agência (a experiência de autoria sobre as ações do limbo)10,11. Posse é principalmente mediada através da integração de toque e de informação visual12. Agência que emerge da integração de intenção, sensação de movimento (cinestesia), informação visual e modelos cognitivos preditivos11. Durante o desempenho de uma ação voluntária, a agência é formada quando as consequências sensoriais de ação alinharem-se com a intenção do artista e previsões de modelos internos de13 do executor. Agência é separada e distinta da posse. O conceito de propriedade de membro foi estudado com frequência em prótese literatura14. Um sentido de formas de propriedade membro em participantes NMI quando comentários de toque é espacial e temporalmente apropriado, como ordem temporal, ou medido explicitamente através de questionários ou implicitamente através de mudanças na temperatura do coto acórdãos15. No entanto, menos oportunidades existem para explorar a Agência no contexto de NMI16. Trabalhos recentes com participantes de NMI demonstrou que a Agência pode ser propositadamente promovida e é separada da experiência de posse de8.
Agência é particularmente significativa na operação de próteses robóticas, pois é um link cognitivo para o controle das ações físicas do membro artificial, através de experiências de causalidade, a sensação de controlar o membro artificial ou fazendo algo para aconteceu17. Próteses robóticas são avançadas máquinas computarizadas que o usuário deve cooperar com a efetivamente concluir tarefas. Alguns membros protéticos incorporaram funções autônomas, como aperto antiderrapante deteção e correção; ainda estes sistemas visto limitada adoção como funcionalidade a correr fora de controle do usuário pode ser vista como frustrante se não adequadamente implementados8,18. Isso apresenta um desafio fundamental que é ecoado durante aplicações de cooperação humana com máquinas autónomas. Ou seja, os seres humanos muitas vezes confia em suas próprias ações sobre aquelas resultantes de uma colaboração com computadores ou máquinas, e essa confiança influencia directamente a probabilidade de um operador para usar as funções autónomas19,20. Como seres humanos, inatamente confiamos em nós mesmos e nossos corpos para executar as ações que pretendemos; Quando isto é conseguido, estabelecemos um sentido intrínseco da agência. Curiosamente, a formação da agência é impactada em acções de cooperação humano-computador. Durante tarefas cooperativas humano, um sentimento comum de agência pode ser formado sobre movimento21; ainda, a literatura sugere que a Agência compartilhada está hipotecada durante cooperação humano-computador22,23. Estes desafios são refletidos em prótese superior-membro uso, e as taxas de rejeição de dispositivos robóticos continuam altas, com 23% - 39% dos usuários descontinuar seu uso24. Na verdade, muitos usuários de prótese ainda preferem corpo-powered sistemas25. Estes sistemas retire a máquina computarizada do loop de controle e mais intimamente casal movimento do corpo do usuário para os prótese movimento através de cabos. Isso reforça ainda mais a importância da integração cognitiva no uso de próteses avançadas. Sugerimos o NMI sistemas podem fornecer um número das peças de motor e sensoriais necessários para ajudar a mover membros artificiais mais perto de estabelecer um sentido cooperativo da Agência, e isso será fundamental para promover a aceitação e a verdadeira integração desses máquinas computarizadas com seus usuários.
Agência pode ser medida em um número de maneiras. As medidas mais simples usam psicofísicos questionários ou escalas que explicitamente peça aos participantes para quem ou o que eles atribuem um evento17,26,27. Isto baseia-se na percepção existente de um indivíduo de "auto", exigindo que os participantes a fazer julgamentos inferencial de auto atribuição (isto é, explicitamente, julgar se o "Eu" ou outra entidade foi responsável por uma ação ou evento). Implícitas medidas fornecem insights sobre o plano de fundo processos cognitivos que ocorrem durante a ação de motor e sensoriais eventos. Esta vista da Agência tenta medir o que não é explicitamente percebida por um indivíduo. Normalmente isso é conseguido por ter participantes caracterizam uma diferença percebida em auto e externamente-gerados pelo relatam de ações, por exemplo, tendo os participantes a duração do tempo perceberam que ocorrem entre um auto e externamente-gerado pelo evento 17 , 28. durante o desempenho das ações auto-gerada, agência implicitamente se manifesta como uma percepção compressão no tempo entre ações e suas consequências sensoriais, conhecidas como ligação intencional28. Quando indivíduos relatam o tempo perceberam que ocorrem entre uma ação e seu resultado, uma menor duração percebida de tempo corresponde a um sentido mais fortemente formado de agência29,30. Curiosamente, foi demonstrado que as medidas explícitas e implícitas não podem diretamente correlaciona como eles são, provavelmente, caracterizando diferentes mecanismos perceptuais17 que juntos informar o sentido de agência. Como tal, estabelecer uma compreensão mais abrangente da formação da Agência durante o uso de prótese provavelmente exigirá protocolos experimentais empregando medidas explícitas e implícitas.
Este trabalho descreve um quadro metodológico que pode ser usado para explicitamente e implicitamente caracteriza o sentido de agência desenvolvido sobre o controle de NMI de sentidos mãos próteses virtuais ou robóticos. Destacam-se duas técnicas para medir a Agência durante o desempenho de uma tarefa de objeto-agarramento sensório-motor. Questionários psicofísicos estabelecidos são empregados para capturar a experiência explícita da Agência, enquanto as estimativas do intervalo de tempo (ligação intencional) são empregadas para medir implicitamente o sentido de agência.
O âmbito de aplicação do presente protocolo é avaliar o sentido de agência no contexto de um NMI que fornece controle motor ativo fisiologicamente relevante e feedback cinestésico. Estas técnicas são generalizáveis para sistemas de NMI próteses virtuais ou físicos. Existem restrições mínimas para as populações que podem ser recrutadas para realizar este protocolo. Por exemplo, a mobilidade dos membros superiores do participante não pode ser afectada bilateralmente (eles devem ter um membro de som), e possuem a capacidade cognitiva de fazer julgamentos baseados em tempo e articular sensações experientes.

<table><tbody><tr><td>LabVIEW 2015, Service Pack 1, Versão 15.0.1f2 64-bit</td><td>National Instruments, Austin, TX, EUA</td><td>Versão completa ou Pro</td><td>Escrevemos um software customizado no LabVIEW para coordenar o controle de próteses virtuais com feedback cinestésico, bem como para apresentar condições experimentais e registrar dados.</td></tr><tr><td>Chassi CompactDAQ USB de 8 Slots</td><td>National Instruments, Austin, TX, EUA</td><td>cDAQ-9178</td><td></td></tr><tr><td>&plusmn; Módulo de Entrada de Tensão da Série C de 60 V, 800 kS/s, 12 Bits, 8 Canais</td><td>National Instruments, Austin, TX, EUA</td><td>NI-9221</td><td></td></tr><tr><td>100 kS/s/ch Simultâneo, &plusmn; Módulo de Saída de Tensão da Série C de 10 V, 4 Canais</td><td>National Instruments, Austin, TX, EUA</td><td>NI-9263</td><td></td></tr><tr><td>Ator Cinestésico Vestível Personalizado</td><td>HDT Global, Solon, OH, EUA</td><td>N/A</td><td>Este item foi feito sob medida. Outros métodos de fornecer feedback cinestésico são aceitáveis, desde que o participante sinta a sensação da mão se movendo em tempo real com os movimentos da mão virtual.</td></tr><tr><td>MuJoCo Physics Engine, HAPTIX Version</td><td>Roboti LLC, Redmond, WA, USA</td><td>mjhaptix150</td><td>Versões mais recentes do MuJoCo também devem ser aceitáveis. Usamos o modelo MPL Gripper.</td></tr><tr><td>Eletrodos Myobock, alimentados por Otto Bock EnergyPack no receptáculo de bateria MyoBoy</td><td>Ottobock, Duderstadt, Alemanha</td><td>eletrodos: 13E200=60 bateria: 757B21 receptáculo de bateria: 757Z191=2</td><td>Qualquer configuração que forneça um sinal de controle neural ou EMG amplificado, filtrado e retificado</td></tr></tbody></table>.

caracterização do sentido da agência sobre as ações de próteses neurais-máquina de interface-operado

Characterization of the Sense of Agency over the Actions of Neural-machine Interface-operated Prostheses

Este trabalho descreve um quadro metodológico que pode ser usado para explicitamente e implicitamente caracteriza o sentido de agência desenvolvido sobre o controle de interface neural-máquina (NMI) de sentidos mãos próteses virtuais ou robóticos. A formação da agência é fundamental na distinção entre as ações que realizamos com nossos membros como sendo a nossa própria. Por se esforçando para incorporar estes mesmos mecanismos perceptuais próteses de membro superior avançadas, podemos começar a integrar um membro artificial mais estreitamente no quadro de cognitivo existente do usuário para controle de membro. Isto tem implicações importantes na promoção do controle eficaz das próteses de membro superior avançadas, uso e aceitação do usuário. Neste protocolo, os participantes controlam uma mão protética virtual e recebem feedback sensorial cinestésica através deles NMIs preexistentes. Uma série de tarefas de preensão virtuais são executadas e perturbações são sistematicamente introduzidas para o feedback cinestésico e movimentos da mão virtual. Duas medidas distintas da Agência são empregadas: estabelecida psicofísicos questionários (para capturar a experiência explícita da Agência) e um intervalo de tempo estimam tarefa para capturar o sentido implícito de agência (ligação intencional). Os resultados do presente protocolo (escores do questionário e o intervalo de tempo estima) pode ser analisado para quantificar a extensão da formação da agência.

O protocolo experimental foi realizado com três participantes amputados, operando uma prótese virtual sensível através deles NMI8 (Figura 1). A configuração usada uma mão virtual participante-controláveis, movendo-se através de perfis de cinemáticas pré-programados usando o MuJoCo HAPTIX física motor31. A mão virtual foi exibida em um monitor horizontal na frente dos participantes em um local espacialme...

Aqui nós apresentamos um protocolo que caracteriza o sentido de agência desenvolvido sobre o controle de sentidos mãos próteses virtuais ou robóticos. Questionários psicofísicos são empregados para capturar a experiência explícita da Agência, e as estimativas do intervalo de tempo (ligação intencional) são empregadas para medir implicitamente o sentido de agência.

Caracterização do sentido da Agência sobre as ações de próteses neurais-máquina de Interface-operado

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the ...

A verdadeira substituição do membro requer borrar as linhas perceptuais cognitivas entre si e a máquina. A agência é a ponte crucial para perceber as ações de um membro artificial gerados por si mesmo e intencional. Esta técnica fornece insights únicos sobre a eficácia da comunicação cognitiva perceptiva entre o usuário humano e a máquina.Esse método pode se estender a qualquer exame dos efeitos do feedback na agência, como com próteses mioelétricas ou movidas ao corpo, estimulação cortical, derrame ou até mesmo transplantes de mão. Demonstrando este procedimento estão Dylan Beckler e Zachary Thumser, engenheiros de pesquisa em nosso laboratório. Escolte o participante até a sala de testes e mande-os sentar na frente de um monitor.Comece gerando uma percepção cinestésia manual através da interface da máquina neural dos participantes, ou NMI, e capture a cinemática do movimento percebido fazendo com que o participante demonstre o que sente usando sua mão intacta. Use uma simulação de mão virtual ou prótese para reproduzir a cinemática do percept de movimento. Em seguida, configure o hardware para capturar os sinais intencionais de controle de movimento da mão do NMI do participante.Mapeie este sinal de controle para a atividade da prótese virtual. Em seguida, crie um programa de controle mestre que coordene a aquisição do sinal de controle NMI, o movimento da prótese virtual e a geração de feedback de NMI cinestésico em tempo real. Exiba a prótese virtual no monitor e ajuste seu tamanho e localização para que ele seja posicionado congruentemente com a localização de seu membro perdido.Em seguida, rendere objetos, como bolas flutuantes, no ambiente virtual para servir pontos de parada para as posições próximas e abertas da mão. Por fim, configure o programa de controle mestre para que, quando os dígitos virtuais entrarem em contato com os pontos de parada virtuais, um tom auditivo seja reproduzido após um atraso de tempo ajustável. Antes de iniciar o experimento, construa um arquivo de entrada para o programa de controle mestre que especifica as configurações de cada ensaio, bem como o controle e as condições experimentais.Programar condições adicionais projetadas para analisar as contribuições para o órgão de intenção motora, sensação cinestésico e incompatibilidade temporal com a cinemática exibida da prótese virtual. Por exemplo, considere usar as cinco condições seguintes, movimento oposto, muito rápido, muito lento, atraso de início e sem feedback. Para iniciar cada teste, pressione o botão iniciar no programa de controle mestre, que move a mão virtual para a posição inicial, sinalizando o início do teste.Na primeira sessão de treino, o participante conduza a mão até o ponto final do movimento e reproduz o tom auditivo 1.000 milissegundos após os dígitos virtuais chegarem ao ponto de parada virtual para 10 ensaios. Na segunda sessão de treinos, novamente o participante conduza a mão até o ponto final do movimento. Randomize os tons auditivos para que os intervalos de atraso de 300, 500 e 700 milissegundos sejam apresentados pelo menos cinco vezes cada.Registre os participantes relataram verbalmente a estimativa do intervalo de atraso de tempo. Finalmente, prossiga com os conjuntos experimentais de 15 ensaios para cada condição. Apresentar as condições em uma ordem aleatória e administrar um questionário no final de cada condição.Aqui, os resultados indicam a pontuação média para as quatro questões da agência, bem como quatro questões de controle para cada participante, e por cada condição de feedback. Uma classificação média maior que uma indica um acordo com uma determinada declaração, e zero indica neutralidade de acordo. As diferenças entre os intervalos de tempo reais e percebidos foram então mediadas entre os três participantes, e são apresentadas em relação à condição de feedback da linha de base.Diferenças negativas maiores são uma indicação de um sentido implícito mais forte de agência, como com a condição muito rápida. Além disso, esses resultados mostram uma comparação de medidas explícitas e implícitas da agência. A condição muito rápida demonstrou a formação mais forte da agência, tanto explícita quanto implicitamente.Pequenas modificações poderiam expandir nossas técnicas para estudar modalidades sensoriais adicionais, como o toque, e como elas afetam a agência. Além disso, adicionar medidas de propriedade de membros pode nos ajudar a entender as inter-relações entre agência e personificação. Esta técnica permitiu a exploração do papel do feedback do movimento perceptivo em uma interface de máquina neural no mecanismo intrínseco que o cérebro usa para estabelecer a autoria sobre os movimentos pretendidos.

characterization-sense-agency-over-actions-neural-machine-interface

Research

JoVE Journal

Behavior

Comportamento

Interfaces de Neural-máquina (MNI) foram desenvolvidos para identificar o modo de locomoção do usuário. Estes NMIs são potencialmente úteis para o controle neural de pernas artificiais alimentados, mas não têm sido plenamente demonstrada. Este artigo apresentou (1) a nossa plataforma de engenharia projetada para fácil implementação e desenvolvimento do controle neural para próteses de membros inferiores com alimentação e (2) uma montagem experimental e protocolo em um ambiente de laboratório...

Plataforma Engenharia e protocolo experimental para Projeto e Avaliação de um motorizado Transfemoral Prótese controlada pelo Neurally

À medida que o desenvolvimento protético avança em direção ao objetivo do controle natural, aproveitar a capacidade inerente dos amputados de aprender novas habilidades motoras pode permitir a proficiência. Este manuscrito descreve um protocolo de reabilitação estruturado, que inclui estratégias de imitação, repetição e aprendizado por reforço, para melhorar o controle protético multifuncional.

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Aqui, descrevemos virtual mão e paradigmas ilusão virtual-face que podem ser usadas para estudar relacionados com o organismo de auto-percepção / -Representação. Eles já têm sido utilizados em vários estudos para demonstrar que, sob condições específicas, uma mão virtual ou cara pode ser incorporada uma representação do corpo, o que sugere que as representações do corpo são bastante flexível.

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O Clicker biônico Mark I &amp; II

O manuscrito a seguir descreve um novo método para desenvolver um sistema de feedback neural de loop fechado biológico chamado interface nervosa periférica regenerativa composta (C-RPNI). Esta construção tem a capacidade de se integrar com nervos periféricos para amplificar sinais motores efélios, ao mesmo tempo em que fornece feedback sensorial afável.

Fabricação da Interface Nervosa Periférica Regenerativa Composta (C-RPNI) no Rato Adulto

Embora pesquisas anteriores sobre autoconsciência corporal assumissem que os movimentos de auto e outra origem eram perceptivelmente distinguíveis, este protocolo permite que eles sejam ambíguos em uma mão virtual com movimentos leves não intencionais. Isso nos permite observar a experiência formada por SoO e soA produzido por outros, em vez da ausência de SoA.

Mão Virtual com Movimento Ambíguo entre o Eu e a Outra Origem: Senso de Propriedade e Agência 'Outra-Produção'

Apresentamos protocolos e métodos de análises para construir interfaces co-adaptativas que transmitem, parametrizam, analisam e modificam sinais humanos do corpo e do coração em loop próximo. Esta configuração interfaces sinais derivados dos sistemas nervosos periféricos e centrais da pessoa com entradas sensoriais externas para ajudar a rastrear a mudança biofísica.

Controle de proxy em tempo real de sinais periféricos re-parametrizados usando uma interface de loop próximo

Este manuscrito fornece um método inovador para o desenvolvimento de uma interface biológica do nervo periférico denominada Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI).  Esta construção cirúrgica pode amplificar os sinais eferentes motores do nervo periférico associado para facilitar a detecção precisa da intenção motora e o controle potencial de dispositivos exoesqueletos.

A Interface Regenerativa do Nervo Periférico do Manguito Muscular para a Amplificação de Sinais Nervosos Periféricos Intactos

Este protocolo introduz um membro robótico supernumerário vestível flexível adaptado para auxiliar na reabilitação dos dedos para pacientes com AVC. O projeto incorpora um sensor de flexão para facilitar a interação perfeita entre humanos e robôs. A validação por meio de experimentos envolvendo voluntários saudáveis e pacientes com AVC ressalta a eficácia e a confiabilidade do estudo proposto.

Um membro robótico supernumerário vestível flexível para pacientes com AVC crônico

Aprenda a caracterizar o sentido de agência no controle de próteses neurais usando questionários psicofísicos e estimativas de intervalo temporal. Este método avalia experiências explícitas e implícitas de agência em interfaces cérebro-máquina.

Caracterização do sentido da Agência sobre as ações de próteses neurais-máquina de Interface-operado

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