Visualisering Metode til proprioceptive Drift på en 2D Plane Brug Support Vector Machine

Summary

Denne artikel beskriver en ny metode til at estimere proprioceptive drift på en 2D plan ved hjælp af spejlet illusion og kombinerer en psykofysisk procedure med en analyse ved hjælp machine learning.

Introduction

I de senere år forskning om sense eller oplevelse af selv-organ, der er, ens egen krop, er steget i forbindelse med udførelsesform. Udformning refererer til ideen eller konceptet om at have et fysisk eller virtuelt kroppen, der kan interagere med miljøet, såsom at nå, gribe, og rørende. For eksempel kan mennesker røre et objekt eller et andet menneske placeret i miljøet ved at flytte deres egen krop, i dette tilfælde deres egen arm og hånd. I dag er denne interaktion eller kommunikation ikke er begrænset til at bruge ens egen naturlige krop. På grund af opfindelser og udvikling af menneskelignende robotter eller avatarer i den virtuelle verden, kan den naturlige menneskelige krop erstattes af en kunstig krop, såsom en menneskelignende, fjernbetjening robot, elektrisk protese, eller computer-grafik avatar i virtual reality. For eksempel har forskere udviklet en robot, hvis operatøren kan "gribe" et objekt placeret foran robotten via dens mekaniske organ, selv hvis robot er placeret langt væk fra operatørens krop position ^1,2. Svarende til dette eksempel, hvis et menneske kunne udføre en handling via en kunstig krop, hvilket organ ville holde tildelingen af ​​operatørens egen krop?

Vi kan nemt finde emner relateret til denne diskussion om tildeling eller projektion af "selv" fra vores egen naturlige krop til en kunstig, ikke-kød og knogler krop. Et eksempel kan findes i det medicinske område; for eksempel i området for medicinsk rehabilitering, behandlinger, "trick" patientens egen fornemmelse ved hjælp spejle udforskes for at reducere smerter og forbedre motorisk funktion af en manglende eller lammet lemmer, kaldet spejl terapi ^3-6. I denne behandling, kan det spejlede billede af upåvirkede kropsdel ​​eller lemmer vildlede patientens hjerne til at tro, at den manglende eller lammet lemmer svarer til den, der vises i spejlet og føre til følelsen af, at det stadig er i dets tidligere tilstand (dvs. før ulykken). Det er stadig under drøftelse, hvordan denne illusion påvirker hjernens modstandskraft relateret til kroppens repræsentation. Ud over denne type diskussion om vores naturlige krop, kan vi finde lignende diskussioner om udformning, især af menneske-systemets interaktion design spørgsmål inden for teknik. Den følelse af selv for en kunstig eller virtuel krop er blevet godt undersøgt i forbindelse med telepresence, hjerne-maskine-interface, og hjerne-computer interface ^1,2,7-9. Nogle forskere rapporterede, at en menneskelignende robot, som kan overføre den taktile fornemmelse fra dens robot hånd til operatørens hånd, kan fange operatørens selvfølelse-organ til robotten samt følelsen af ​​at være et sted, hvor robotten er placeret snarere end hvor operatøren rent faktisk eksisterer, kaldet tele-eksistens ^en. Andre forskere rapporterede, at en virtuel avatar afspejler operatørens kropsbevægelser stærkely overfører operatørens følelse af selv-krop fra operatørens egen krop til den virtuelle krop ^9. Disse resultater viser, hvordan brugerne kan projicere deres følelse af selv-krop til et kunstigt organ såsom et menneskelignende, fjernbetjening robot, elektrisk protese, eller computer-grafik avatar i virtual reality, selv om den kunstige krop ikke er direkte forbundet med deres hjerne og krop.

Grundlæggende videnskabelig forskning på denne type selv-fornemmelse for ikke-kød-og-blod, kunstige krop-lignende genstande undersøgt de underliggende hjernen mekanismer for oplevelsen af selv-kroppen ved hjælp af gummi hånd illusion (RHI) ^10-13 og spejl illusion (MI) ^14-16 i de medicinske og tekniske områder samt i psykofysik og neuropsykologi. Den RHI er den fornemmelse, at en gummi hånd tilhører ens egen krop og fremkaldt ved samtidig strøg en synlig hånd gummi og deltagerens skjult hånd. I MI, en hånd image i et spejl placeret langs midsagittal akse visuelt fanger deltagerens opfattede position af usete modsatte hånd. Desuden synkrone bevægelser af den reflekterede og usynlig hånd fremkalde stærke fornemmelse, som om det reflekterede hånd billedet var det usete modsatte hånd. Ifølge forskning i disse illusioner, sammenhængen mellem multimodal information og forudsigelsen og sensorisk feedback om kropsbevægelser synes at spille en vigtig rolle for dommen af ​​selv-krop tilskrivning. Således kan disse to illusioner være enkel, men kraftfuld beviser og redskaber for forskerne at undersøge hjernen mekanismer bag vores følelse af at blive narret eller tro, at nogle kunstige objekt eller billede subjektivt kan være vores egen krop del, og at vores egen fornemmelse gør ikke at være bundet til vores naturlige fysiske krop.

I alle disse undersøgelser er anført ovenfor, har diskussionen været baseret på begrebet "selv", der bng af to typer sensation foreslået af filosoffen Gallagher ^17: følelsen af ejerskab og følelsen af agenturet. Følelsen af ​​ejerskab refererer til den fornemmelse, en observeret kropsdel ​​er ens egen. Følelsen af ​​agentur svarer til den fornemmelse, at kroppens bevægelser er selv forårsagede. Disse to fornemmelser er defineret som den minimale selv, det vil sige en umiddelbar følelse af selvet ^16. Ifølge dette koncept, kan tildelingen af ​​den "selv" for de naturlige, beskadiget, virtuelle, og mekaniske organer blive evalueret af de samme indeks: følelsen af ​​ejerskab og agentur. For at kunne bruge denne fornemmelse for videnskabelig evaluering, opstår spørgsmålet om, hvordan man måler følelsen af ​​ejerskab og agentur håndfast. I øjeblikket estimeringen af følelsen af ejerskab og agentur er hovedsageligt afhængig spørgeskemaer, som oprindeligt foreslået af Botvinick ^9. Udover spørgeskemaer, kan vi forsøge at måle dem i kvantitativ måder. For eksempel huden conductance respons (SCR) har været brugt som en fysiologisk indeks for ejerskab i de tilfælde, hvor hånden gummi pludselig skåret af en kniv ^18. SCR beregnes ved at måle de elektriske egenskaber af huden og er en følsom og gyldig indikator for ophidselse ^19. Da denne metode typisk anvendes til enkelte forsøg pr deltager, måling SCR er ikke egnet som en fysisk indeks under psykofysik eksperimenter, der kræver gentagne målinger inden deltagerne. En af de mest succesfulde adfærdsmæssige indeks for følelsen af ejerskab er proprioceptive drift. Proprioceptive afdrift er ændringen i den opfattede position af usete virkelige hånd mod positionen af et objekt, der ligner en hånd, såsom gummi-made protese eller computergrafik ^10-13. Da denne ændring kan anslås repetitivt og robust ved at måle afstanden mellem den usynlige reelle hånd og det visuelle billede af hånden, proprioceptive afdrift isa egnet fysisk indeks for psykofysiske målinger. Dog skal denne brug, skal vurderes nøje, fordi de seneste drøftelser har spørgsmålstegn ved, om proprioceptive afdrift altid kan bruges som en adfærdsmæssig indeks ejerskab ^12.

Typisk er proprioceptive afdrift måles i kun en af ​​de tre retninger, såsom højde, bredde eller dybde. Proprioceptive drift er sjældent blevet målt i flere retninger på grund af vanskeligheden ved at estimere og visualisere flerdimensionale data. Denne metrologiske begrænsning er ikke kritisk til grundforskning udforske de mekanismer, der forarbejder multisensorisk information, fordi forsøgsbetingelser kan let fastlægges og kontrolleres for at begrænse de målte dimensioner. Men i det daglige liv, vores hænder bevæge sig frit i 3D til at følge vores intentioner. I denne situation er det vanskeligt og utilstrækkelig til at måle en deltagers adfærd med spørgeskemaer, som alvorligt grænser bevægelse og poslinger af hænderne. Således overvejer de potentielle ansøgninger om følelse af ejerskab og agentur i teknik og rehabilitering, en måling, der omfatter flere retninger og tillader er nødvendig fri hånd bevægelse for at vurdere den rumlige forhold mellem visuel og proprioceptive feedback hverdagssituationer. Hvis en sådan måling var muligt, kunne den målte afstand mellem reelle og observerede hænder anvendes som en rettesnor for den følelse af selv-krop. Dette kan ikke blot blive en indikator for forløbet af rehabilitering men også et kriterium for den rumlige forskydning mellem den manipulerede mål i displayet og operativsystemet hånd. Spørgsmålet er, hvordan denne måling kan gennemføres pålideligt og effektivt.

For at løse dette spørgsmål, introducerer vi en hidtil ukendt fremgangsmåde til at estimere proprioceptiv drift, hvilket svarer til overgangen fra positionen af ​​deltagerens uset reel hånd til den for en synlig hånd-lignende object, på en 2D plan ved hjælp af spejlet illusion ved at kombinere en psykofysisk procedure og en analyse ved hjælp machine learning. Sammenlignet med en gummi hånd, hånden billedet i et spejl indfanger kraftigt deltagerens opfattede position af det usete virkelige hånd. Desuden er en spejlet billede straks afspejler frivillige bevægelser hånd for hånd placering. Således blev et spejlbillede valgt som et visuelt indtryk af deltagerens hånd. Hertil kommer, at måle proprioceptiv afdrift ligner hverdagssituationer, deltagerne placeret deres skjulte hånd trial-by-forsøg på deres vilje, og antallet af forsøg blev øget. Selvom kunne have været anvendt som helst kombination af retninger, var kombinationen af ​​højde og dybde valgt på grund af den lette anbringelse spejlet lodret. For at kontrollere overensstemmelse mellem vores metode og tidligere forskning ¹³ blev to visuelle forhold implementeret: med og uden visuel feedback. I den tilstand med visuelt feedback, spejlet wsom placeret langs midsagittal flyet for at skabe et spejlbillede af den venstre hånd, som om det blev set som den højre hånd. I tilstand uden visuel feedback, blev en mat tavle anvendes for at skjule deltagerens reelle højre hånd. Vi vurderede effektiviteten af ​​denne roman metode ved at sammenligne resultaterne til dem, der opnås med et spørgeskema om følelsen af ​​ejerskab og agentur.

Protocol

Alle aspekter af eksperimentet blev godkendt af Etisk Komité Tokyo Institute of Technology.

1. Eksperimentel opsætning

1. Materiale og opsætning til måling proprioceptive Drift.
   1. Opnå en stand, der kan holde en 100 x 100 cm plade vertikalt (figur 1).
   2. Anskaf en stol, hvor deltageren kan sidde komfortabelt under eksperimentet.
   3. Anskaf en 100 x 100 cm akryl spejl og mat tavle.
   4. Opnå den position tracker (f.eks SLC-C02, Cyverse) til at spore deltagerens højre position. Rumlig opløsning bør være omkring 1,5 mm for at sikre tilstrækkeligt antal prøveudtagninger, der skal anvendes til machine learning.
   5. Få en infrarød LED og retroreflekterende markører, der vil blive anvendt til at angive positionen af ​​foden, og deltagerens højre hånd, henholdsvis (se trin 1.1.11 og 3.2.6).
   6. Anskaf fodpedalen for deltagerens svar. Opret skræddersyet program, som kan optage og samtidig vise deltagerens respons og højre hånd position og spille et bip som feedback af deltagerens svar når der trykkes på fodpedalen. I disse eksperimenter blev deltagerens højre position indsamlet ved hjælp af motoren capture enhed og dens skræddersyede program i henhold til producentens instruktioner.
      BEMÆRK: Ifølge en tidligere papir ^16, blev programmet udviklet med softwareudvikling værktøjskasse. Den specialfremstillede program udviklet af softwareudvikling toolkit kan tilpasses til andre mærker af motion capture-enheder.
   7. Brug en metronom til at give timing signaler til uddannelse af hånden bevægelse, det vil sige, at trykke på overfladen af ​​spejlet eller tavle. Se trin 3.1.1 for præcise uddannelse instruktioner.
   8. Brug støjreducerende hovedtelefoner for at reducere muligheden for, at deltageren kan høre lyde for hånd position.
   9. For visuel feedback tilstand, fastgøre spejlet til standen. For tilstand uden visuelt feedback, fastgøre tavlen til standen.
   10. Placer den infrarøde LED i øverste venstre side af spejlet eller tavle.
2. Materiale og opsætning til måling følelse af ejerskab og agenturet.
   1. Gentag proceduren fra trin 1.1.1 til trin 1.1.11.
   2. Opret eller få spørgeskemaet vurderer følelse af ejerskab og agentur (f.eks ^10,13,16). Tabel 1 viser eksempler fra dette spørgeskema anvendt i den tidligere undersøgelse ^15.
   3. Brug en skærm eller tablet-pc for at vise spørgeskema til deltageren.

2. Deltagerne

1. Rekrutter omkring 10 højrehåndede deltagere med normal eller korrigeret-til-normalt syn.
   Bemærk: Antallet af deltagere kan justeres i henhold til de eksperimentelle mål og antallet af gentagne forsøg pr bidrage med vedmyre.
2. Indhente skriftligt informeret samtykke til deltagelse før starten af ​​eksperimentet.

3. Forsøg Procedure

1. Træning Fase for Hand Movement.
   1. Træne deltagernes evne til synkront tryk med begge hænder på spejlet eller tavle på et bestemt tempo ved hjælp af metronom. Instruere deltagerne at udføre aflytning bevægelse ved at holde hælen af ​​hånden i kontakt med spejlet eller bord. I begyndelsen af ​​uddannelsen, starter metronomen ved et tempo på 60 slag i min og derefter instruere deltageren at flytte begge hænder synkront henhold til lyden af ​​metronomen.
   2. Sørg for, at timingen af ​​deltagerens hånd bevægelse er tæt på en cyklus pr sek (ca. 1 Hz) ved at sammenligne det til lyden af ​​metronomen flere minutter efter starten af ​​aflytning.
2. Estimering af proprioceptive Drift i deltagerens Midsagittal Plane.
   1. Monter spejl eller tavle på standen baseret på de betingelser: med visuel feedback montere spejlet; uden visuel feedback, montere tavlen.
   2. Sørg for, at deltageren sidder meget tæt på spejl eller tavle, som er placeret langs midsagittal plan deltager (Figur 1).
   3. Sørg for, at deltageren kan se spejlbilledet af den venstre hånd, men kan ikke se den virkelige højre hånd.
   4. Instruer deltager at være opmærksom på billedet af venstre i spejlet under eksperimentet.
   5. Sæt retroreflekterende markører på deltagerens højre indeks fingerspids og håndled.
      1. Da markørerne kun er sat på deltagerens højre hånd, skal du sørge for, at det haptiske fornemmelse af deltagerens højre hånd på grund af de vedhæftede markører ikke ændrer væsentligt i forhold til venstre ved at forespørgedeltager oralt.
   6. Sæt støjreducerende hovedtelefoner over deltagerens ører.
   7. Instruer deltageren til at flytte venstre ca. 30 cm i højden og 30 cm vandret fra det nederste højre hjørne af spejlet og at fastholde denne venstre position under eksperimentet. Denne position er indstillet som oprindelsen af ​​overfladen af ​​2D-planet.
   8. Instruer deltageren at placere højre hånd efter behag på den anden side af spejlet eller tavle og at fastholde sin position indtil slutningen af ​​forsøget.
   9. Instruer deltageren om opgaven på følgende måde:
      1. Ved begyndelsen af ​​hvert forsøg, instruere deltageren til at skubbe den midterste knap på fodpedalen. På dette tidspunkt, vil systemet lyder et bip gennem hovedtelefonerne som feedback på pedalen pressen.
      2. Efter at have hørt bippet, instruere deltageren til at begynde at trykke med begge hænder synkront ved 1 Hz i bestyrelsen, som er spejlet itilstanden med visuel feedback eller tavlen i tilstand uden visuel feedback.
      3. Efter mere end seks håndbevægelser, instruere deltageren til at stoppe bevægelsen ved den foretrukne tid og besvare spørgsmålet om den rigtige håndstilling ved at trykke på højre eller venstre knap på fodpedalen. Den højre knap er et ja og venstre er et nej. Spørgsmålet er, "Føler du, at højre og venstre hånd er i samme position?" På dette tidspunkt, vil deltageren høre et bip som feedback til pedalen tryk igen.
         BEMÆRK: Hvis deltagerne spørge om betydningen af ​​"den samme position," fortæller dem, at "samme position" betyder, at subjektive højde og dybde af den højre hånd er den samme som for den venstre hånd.
      4. Instruer deltageren til at flytte deres højre hånd til en anden position efter eget valg. Derefter starter retssagen igen. Denne cyklus vil fortsætte i op til 200 forsøg pr tilstand.
   10. Under opgaven, kontrollere, at timingen af ​​deltagerens aflytning forbliver på ca. 1 Hz ved at se bevægelsen i forhold til metronom.
       Bemærk: Lyden af ​​metronomen kan høres kun af forsøgslederen.
   11. Efter at have afsluttet omkring 100 forsøg, lad deltageren tage en pause.
   12. Udfør eksperimentet for på separate dage de øvrige betingelser (med eller uden visuel feedback).
3. Estimering af følelse af ejerskab og agenturet i Mirror Betingelse.
   1. Definer den rigtige hånd positioner til opsamling deltagerens svar på spørgeskema om følelse af ejerskab og agentur. For eksempel, i en tidligere publikation ^16, der blev 13 præfiks højre hånd positioner. Disse punkter blev arrangeret hver 7 cm op til ± 21 cm fra oprindelsesstedet.
   2. Udfør den samme procedure for above estimering som anført fra trin 3.2.2 til trin 3.2.7.
   3. Instruer deltageren at placere højre hånd efter eksperimentatorens guide og fastholde sin position, indtil efterbehandling en retssag.
   4. Instruer deltageren om opgaven på følgende måde:
      1. I begyndelsen af ​​forsøget, tryk på den midterste knap på fodpedalen. På dette tidspunkt, vil deltageren høre bip som feedback på pedalen pressen.
      2. Derefter begynder at trykke på højre og venstre hånd synkront ved 1 Hz.
      3. Efter mere end seks gange af aflytning, stop aflytning når forsøgslederen indikerer. Derefter besvare de spørgsmål om ejerskab og agentur, der vises på skærmen ved hjælp af en 7-punkts Likert skala med vurderinger spænder fra -3 ( "helt uenig") til 3 ( "helt enig") med 0 indikerer hverken aftale eller uenighed ("usikker").
      4. Flyt højre hånd til den position, som forsøgslederen indikerer. Derefter starter retssagenigen. Denne cyklus vil fortsætte frem til antallet af højre-håndstillinger, som forsøgslederen definerer.
   5. Sørg for, at deltageren kan forstå opgaven og bede deltageren at starte opgaven.

4. Data Analysis

1. Analysen af ​​proprioceptive Drift i deltagerens Midsagittal Plane.
   1. Opnå den statistiske værktøj, der indeholder machine learning program, især støtte vektor maskine (fx R, Matlab). Brug support vektormaskine (SVM) som klassificeringen til at udtrække grænser deltagerens svar. En tidligere publikation giver en forklaring på algoritmer af klassificeringen (se kapitel 7) ^20. I denne artikel, vi forklare den metode at bruge R (version 3.1.2).
   2. Installere pakken med navnet "kernlab" ^21, som indeholder analyse under anvendelse SVM i R-applikation.
   3. Marker det område, der viser proprioceptive drift af hånden som følger (Figur 2 beskriver skematisk repræsentation af dataanalyse flow). Se supplerende software kode og data prøve for yderligere forklaring af denne dataanalyse.
      1. Beregn den relative højre hånd positioner fra oprindelsen. Kassér data med fejl (f.eks manglende positionsdata eller deltagerens svar) fra analysen.
      2. Lav en probabilistisk model af deltagerens "ja" svar i 2D rum ved hjælp af SVM. Brug data fra besvarelserne som en symbolsk beskrivelse af modellen. Brug dataene for den højre position som modellens parametre. Brug almindeligt anvendte radiale basisfunktion kerne som kernen for SVM. For at undgå den vilkårlige analyse, beregne sigma (dvs. parameter anvendes til at ændre vægten af hvert datapunkt) automatisk sigma estimation.
      3. Sørg for, at modellen er korrekt monteret ved at kontrollere, the uddannelse fejl af modellen er under 0,2. Ved hjælp af probabilistiske model, definere det område, hvor p-værdi på deltagerens "ja" svar blev anslået til at være over 0,5.
   4. Gennemsnit hver deltagers data til at foretage et område, der viser proprioceptive drift.
      BEMÆRK: Da det er vanskeligt at gennemsnittet grænsen til "ja" og "nej" svar område anslået af p-værdierne af svarene i 2D plads, er to typer af gennemsnit anbefales. En metode er at gennemsnittet af p-værdier for deltagerens reaktioner i 2D rum, som er den metode, der anvendes inden estimering grænsen. Den anden metode er at midle arealstørrelse, som anvendes efter estimering grænsen.
2. Analyse af spørgeskemadata og Område Størrelse.
   1. Opnå den statistiske redskab til at vurdere betydningen af positionen og de kategorier af spørgeskemaet (f.eks SPSS eller R).
   2. Vurdere normal distribution af alle data ved hjælp af Shapiro-Wilk test, og anvende passende ikke-parametrisk test, når en eller flere af de tilsvarende datasæt undladt at opfylde kriterierne for normalfordeling (f.eks Wilcoxon-test, Friedman test).
      Bemærk: Hvis en ikke-parametrisk metode, der passer eksperimentet mangler, bruge en parametrisk metode og forklare ræsonnementet. I en tidligere undersøgelse ^16, en to-vejs gentagne-foranstaltninger ANOVA analyserede spørgeskemadata, da der ikke var nogen ikke-parametrisk erstatning for denne analyse.

Representative Results

Repræsentative resultater fra en tidligere undersøgelse er præsenteret for at illustrere metoden ^16. Figur 3A viser, at området figurer, hvor deltageren ikke kunne opdage den rumlige forskydning mellem venstre og højre hånd position afveg mellem de betingelser (spejl) og uden (tavle) visuel . tilbagemeldinger Figur 3B viser, at størrelser område i stand med visuel feedback er betydeligt større end i den stand uden visuel feedback (Wilcoxon-test: Z = -2,803, p = 0,005). Disse resultater antyder, at det nødvendige forskydning mellem visuel og proprioceptive feedback kan opretholde proprioceptive afdrift er cirka 10 cm og denne værdi ændres efter retning (figur 3 og 4). Lodret forskydning optrådte større end vandrette forskydning. I figur 5, lodret og vandret rumlige fordeling af spørgeskemaet score feller krop ejerskab og agentur viste en unimodal fordeling. Deres toppe var på oprindelsen, hvor deltageren højre hånd var næsten i samme position som den spejlede hånd billedet. I modsætning hertil den rumlige fordeling for score på kontrol- udsagn var næsten flad og under -1. En to-vejs gentagne-foranstaltninger ANOVA afslørede de vigtigste virkninger for de kategorier og positioner, som deltagerne er angivet i spørgeskemaerne (Vandret: Kategori: F (3,27) = 11,12, p <0,001; Position: F (6,54) = 10,27, p <0,001; Lodret: Kategori: F (3,27) = 24,21, p <0,001, Position: F (6,54) = 7,298, p <0,001). Samspillet mellem kategori og position var også signifikant (Vandret: F (18.162) = 9,42, p <0,001; Lodret: F (18.162) = 8,00, p <0,001). Disse resultater indebærer, at følelsen af ​​ejerskab og agentur faldt da den rumlige forskydning mellem deltagerens reelle utydelige højre hånd og den spejlede hånd billedet steget. I Fifigur 6, sammenligningen mellem visualisering af proprioceptive afdrift og spørgeskemaundersøgelser resultater for følelse af ejerskab og agentur viser, at de forskudte områder for at opretholde disse fænomener er koncentriske og næsten overlap.

Figur 1:. Oversigt over opsætning Forsøgsopstillingen indeholder en stand, der holder enten spejlet eller tavlen, en stol, en reaktion enhed (fodpedal), og optagelse enheder for deltagerens hånd position. Den øverste figur viser skematisk gengivelse af opsætningen fra den retning, hvor deltageren kan se et spejlbillede af hans / hendes venstre hånd. Den nederste figur viser billede af bagsiden af spejlet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2:. Data Analysis Flow (A) Et eksempel på deltagerens svar og højre positioner. (B) Skematisk repræsentation af "ja" svar model estimeret ved SVM. (C) Resultater af grænsen analyse. (D) Gennemsnitlige områder over deltagere. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: Sammenligning af Area former og størrelser mellem vilkårene med og uden visuel feedback (A) Sammenligning af områdets former.. Oprindelsen af ​​grafen er placeringen af ​​den venstre hånd, det vil sige placeringen af ​​mirrored hånd billede i visuel feedback tilstand. De lodrette og vandrette akser viser deltagerens højre position som proprioceptive tilbagemelding af hånden. (B) Sammenligning af områdets størrelse. Lodrette akse viser arealstørrelser, hvor deltagerne ikke kunne opdage den rumlige forskydning mellem venstre og højre hånd position. Vandret akse viser den tilstand med eller uden spejlet hånd image som visuel feedback (til højre: med visuel feedback, venstre: uden visuel feedback). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4:. Individuelle data for de fleste deltagere, formen af grænsen i spejlet tilstand var større end i den tavle tilstand. Dette antyder, at visualisering metode under anvendelse afSVM lykkedes viser effekten af ​​visuel indfangning af kroppen billedet i spejlet. I modsætning til deltagerne D, H, og J, der var få forskelle mellem de betingelser, hvilket indikerer, at der kan være individuelle forskelle for effekten af visuelle fange. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: Spørgeskema Resultater (A) Rumlig fordeling af spørgeskemaet score langs den lodrette akse.. (B) Rumlig fordeling af spørgeskemaet score langs den vandrette akse. Ejerskab og agentur scoringer var højest ved oprindelsen i forhold til de lodrette og vandrette positioner. Please klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6: Sammenligning mellem klassificering og Spørgeskema (A) Rumlig fordeling af spørgeskemaet scorer for ejerskab og agentur langs den vandrette akse.. (B) Rumlig fordeling af spørgeskemaet scorer for ejerskab og agentur langs den lodrette akse. (C) Anslået område, hvor deltagerne ikke kunne detektere forskydningen mellem spejlet hånd billede og tilsløret reelle højre hånd. Klik her for at se en større version af dette tal.

Kategori
Ejendomsret	1. Jeg følte det, som om jeg var looking på min egen højre hånd.
	2. Jeg følte det, som om hånden i spejlet var en del af min krop.
	3. Det virkede, som om jeg var sensing flytning af min højre hånd på det sted, hvor hånden i spejlet flyttet.
	4. Jeg følte det, som om hånden i spejlet var min hånd.
Ejendomsret kontrol	5. Jeg følte det, som om min virkelige højre hånd var at omdanne til hånden i spejlet.
	6. Det virkede, som om jeg havde mere end én højre hånd.
	7. Det optrådte som hvis hånden i spejlet var drivende mod min virkelige hånd.
	8. Det føltes som om jeg havde ikke længere en højre hånd, som om min højre hånd var forsvundet.
Bureau	9. hånd i spejlet flyttede ligesom jeg ønskede min højre hånd til, som om det var at adlyde min vilje.
	10. Jeg følte det, som om jeg var styring af bevægelsen af ​​hånden i spejlet som jeg vil styre det af min højre hånd.
	11. Jeg følte det, som om jeg var årsag bevægelsen skabt af den hånd, som jeg så som min højre hånd.
	12. Når jeg flyttede min højre hånd, jeg forventede hånden i spejlet for at bevæge sig på samme måde.
Bureau kontrol	13. Jeg følte det, som om hånden i spejlet var kontrollerende min vilje.
	14. Jeg følte det, som om hånden i spejlet var kontrollerende mine bevægelser.
	15. Jeg kunne fornemme bevægelsen fra et sted mellem min virkelige højre hånd og hånden i spejlet.
	16. Det virkede som om hånden i spejlet havde en vilje af sine egne.

1:. Spørgeskema bestående af 16 Erklæringer klassificeret i fire kategorier Spørgeskemaet blev tilpasset og oversat til japansk fra spørgeskemaer, der anvendes i gummi-hand illusion eksperimenter ^10,13.

Supplerende filer. Sample Code og Data Set for Analyse Metode med SVM. Denne kode kan udføres ved hjælp af R (version 3.1.2) og foretage den samme analyse som i den aktuelle papir. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Vi viser en metode til at estimere proprioceptive afdrift i en 2D fly under spejlet illusion ved hjælp SVM og sammenligne resultatet med spørgeskemabesvarelser for følelse af ejerskab og agentur. Denne roman metode afslørede, at den nødvendige forskydning mellem visuel og proprioceptive feedback til opretholde proprioceptive drift er ca. 10 cm, og at dette opvejes tæt overlapper offset kræves for at opretholde følelsen af ​​ejerskab og agentur.

Bemærk, at det mest kritiske trin i denne fremgangsmåde er beskrevet under 3.2.5, en instruktion til deltagerne om deres opmærksomhed. I den tidligere pilotundersøgelse ^16, blev effekten af visuel indfange en spejlet hånd billede sjældent observeret, når deltagerne subjektivt rapporteret, at de har betalt mere opmærksomme på deres krop. Det er stadig uklart, om opmærksomhed bidrager til dette fænomen. Forholdet mellem opmærksomhed og følelse af ejerskab og agentur har sjældentblevet diskuteret på grund af vanskeligheden at kontrollere eller måle deltagernes opmærksomhed. Så vidt vi ved, er der kun én undersøgelse ^22, som direkte undersøgte virkningen af opmærksomheden på følelsen af ejerskab. For at undgå komplekse diskussioner om, hvordan man kan kontrollere og måle opmærksomhed, er omhyggelig instruktion vedrørende deltagernes opmærksomhed påkrævet.

Det andet kritiske punkt er, at deltagerne kan vælge håndstilling for det næste forsøg på deres egen vilje i sessionen måling proprioceptive afdrift. I traditionelle psykofysik, har tendens til at være begrænset og kontrolleret at gøre forsøget mere robust og reproducerbar den grad af frihed, deltagernes adfærd. For eksempel, i de forsøg, der måler proprioceptive drift og følelse af ejerskab og agentur ved hjælp af gummi hånd illusion paradigme ^10-13, de prøvetagningssteder i deltagernes håndstilling var foruddefineret langs en af de tre retnings, såsom højde, bredde eller dybde, for at undgå vanskeligheder med at måle og visualisere flerdimensionale data. Især da spørgeskemaer tage tid for hvert prøvetagningssted på grund af antallet af kategorier (f.eks ejerskab, agentur, og kontrol udsagn), at antallet af prøvetagningssteder er mere begrænsede i forhold til de metoder, optagelse menneskelige adfærd. I denne metode, med henblik på at sikre overensstemmelse med andre undersøgelser, blev målingen af ​​følelsen af ​​ejerskab og agentur ved hjælp af et spørgeskema, begrænsede og præfiks så godt. Denne begrænsning i relation til deltagernes adfærd er ikke kritisk til grundforskning udforske hjernen mekanisme i følelse af ejerskab og agentur, fordi det er muligt at designe og styre eksperimentelle betingelser præcist og reproducerbart ved at inkludere disse begrænsninger i de eksperimentelle betingelser. Men i betragtning af de potentielle ansøgninger om følelse af ejerskab og agentur i teknik og rehabilitering, denne begrænsningkan være kritisk at vurdere menneskers adfærd i 3D under daglige livsbetingelser. Under disse omstændigheder, hvor deltagerne kan flytte deres hånd og vælger sin position mere frit, er det svært at estimere proprioceptive drift ved hjælp af traditionelle psykofysiske metoder. For at overvinde dette problem, en SVM, en type maskine læring, blev vedtaget til vurdering og visualisering af proprioceptive afdrift. Denne teknik kan indsamle og analysere massive data, såsom flerdimensionale data indeholder deltagernes reaktioner og håndstillinger i 2D med frit valg. Ved hjælp af denne teknik, blev deltagernes svar stikprøven ved forskellige håndstillinger klassificeret og området analyseret, hvor deltagerne ikke mærke afstanden mellem spejlbillede af den venstre hånd og den skjulte faktiske højre hånd.

Denne metode har en kritisk begrænsning, som er, at det gennemsnitlige areal viser proprioceptive afdrift tværs deltagerne i øjeblikket ikke vise individual forskelle. Dette skyldes begrænsningen af ​​visualisering metode til at vise mere end tre-dimensionelle data på en 2D overflade. Data for det gennemsnitlige areal viser proprioceptive afdrift ville indeholde 2D positionsdata, sandsynligheden for deltagerens svar, og den individuelle forskel. For at omfatte individuelle forskelle, en visualisering metode, der kan vise fire-dimensionelle data ville være påkrævet.

Den fremtidige retning for denne metode er at udvide dimensioner fra 2D til 3D og at medtage tidsmæssige funktioner. Selv om der stadig er nogle problemer med at visualisering metode til mere end tre-dimensionelle data, vil disse udvidelser med yderligere dimensioner hjælpe til at forstå, hvordan hjernen bearbejder multisensory oplysninger fra flere modaliteter, såsom syn og proprioception. For at opnå denne ekspansion, er yderligere forskning påkrævet.

Fra et program perspektiv, kunne denne metode hjælpe Enginiører for en strategisk design usability eller følelse af kontrol for real-time kontrollerende systemer, såsom robotter, kirurgiske robotsystemer, og virtual reality-systemer. I disse systemer er brugerens fornemmelse under drift ofte anslået af spørgeskemaer ex post facto. Derfor er det en udfordring at implementere brugerens sensation under drift, når de foretager et system prototype. Hvis vi kunne afsløre begrænsning af Spatiotemporal uoverensstemmelse mellem multisensorisk tilbagemeldinger til at opretholde følelsen af ​​ejerskab og agentur, ville det hjælpe at give reglerne om multisensorisk feedback fra maskinens systemer til at opretholde selv-krop-lignende anvendelighed, hvor operatørerne styrer systemer som hvis de ville kontrollere deres egen krop. Denne metode afslører den rumlige forskydning mellem visuel og proprioceptive feedback til at opretholde en følelse af ejerskab og agentur. Baseret på dette resultat, kan deltagerens følelser over det spejlede hånd billedet styres ved manipuleringafstanden mellem hånden billede og skjulte virkelige hånd. Ændring af Spatiotemporal forhold tværs multisensorisk feedback fra forskellige aktioner vil være det første skridt til strategisk at styre brugerens følelse under drift.

Denne idé kan vedtages, ikke kun for teknik, men også for rehabilitering. Adskillige forskningsindsats har til formål at forbedre motoriske funktioner og smerte i mennesker med manglende eller lammet lemmer. Men da det vigtigste tema i traditionel rehabilitering er for patienter at genvinde funktion i deres dagligdag, lidt af denne forskning har formået at forbedre patienternes følelser i en manglende eller lammet lemmer. I betragtning af indvirkningen på patienternes livskvalitet, forbedring af deres fornemmelser er afgørende for at leve med en manglende eller lammet lemmer. Denne metode kan give en kvantitativ vurdering om følelsen af ​​ejerskab og agentur i en manglende eller lammet lemmer ved at måle forskydningen mellem patienternes suÅL position lemmer og positionen af ​​den reelle eller synligt lem. Dette ville hjælpe fysioterapeuten til kvantitativ vurdere patienternes følelse af deres lemmer.

Afslutningsvis dette papir giver en ny metode til at visualisere den rumlige forskydning mellem visuel og proprioceptive feedback til at opretholde proprioceptive afdrift langs midsagittal flyet. Baseret på tidligere forskning ved hjælp af denne metode ^15, den rumlige forskydning, at deltagerne ikke kunne registrere udvidet til ca. 10 cm. Desuden denne værdi svarer det område, hvor deltagerne føler en følelse af ejerskab og agentur for hånden billedet i spejlet. Disse resultater vil bidrage til yderligere at undersøge de underliggende mekanismer følelsen af ​​ejerskab og agentur fra en multimodalitet perspektiv sensorisk information. Desuden kan denne metode give et værktøj til rehabilitering af manglende eller lammet lemmer og til design af tidstro kontrolsystemer, som den kvantitative indicatoR viser den rumlige forskydning mellem visuel og proprioceptive feedback kan opretholde selv-organ-lignende fornemmelse eller anvendelighed. På denne måde udvikles af beregningsmetoder, såsom machine learning, gør det muligt at bygge estimering og visualisering metoder, der tidligere var umulige på grund af den traditionelle statistiske begrænsninger. Denne type af metrologisk fremskridt kunne afsløre menneskelig adfærd og hjerne mekanismer, der producerer følelsen af selv i mere naturlige situationer.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acric mirror
Matte blackboard
custom-made stand			e.g. wood pole or PVC(poly vinyl chloride) pipe
Chair
Foot pedal	P.I. Engineering	Classic X-keys USB, and PS/2 Foot Pedals	Other response device can be avaliable.
Position sensor	CyVerse	SLC-C02	Other position sensor can be avaliable.
Custom-made retroreflectivemarker		The marker provided by the motion capture vendor can be available.
Noise canselling head phone	bose	Quiet Comfort 3	Other head phone can be avaliable.
PC	Mouse computer	NG-N-i300GA	Other PC can be available.