Visualisering Metode for Proprioseptiv Drift på en 2D-Plane Bruke Support Vector Machine

Summary

Denne artikkelen beskriver en ny metode for å beregne proprioseptiv drift på et 2D-plan ved hjelp av speilet illusjon og kombinere en psykologisk prosedyre med en analyse ved hjelp av maskinlæring.

Introduction

I de senere årene har forskningen om den forstand eller opplevelsen av selv-legemet, det vil si en egen kropp, har økt i forbindelse med utførelsesform. Utførelse refererer til ideen eller konseptet med å ha en fysisk eller virtuelt kroppen som kan samhandle med omgivelsene, slik som nå, gripe, og rørende. For eksempel, kan mennesker berører et objekt eller et annet menneske plassert i miljøet ved å bevege sin egen kropp, i dette tilfellet sin egen arm og hånd. I dag er dette interaksjon eller kommunikasjon ikke begrenset til å bruke sin egen naturlige kropp. På grunn av oppfinnelser og utvikling av menneskelignende roboter eller avatarer i den virtuelle verden, kan den naturlige kroppen bli erstattet av en kunstig kropp, for eksempel en humanoid, fjernkontroll robot, elektrisk protese, eller datagrafikk avatar i virtuell virkelighet. For eksempel har forskere utviklet en robot hvis operatør kan "gripe" et objekt plassert i front av roboten via sin mekaniske legeme, selv om robot er plassert langt bort fra fører kroppen posisjon ^1,2. I likhet med dette eksempelet, hvis et menneske kan utføre en handling via en kunstig kropp, som kroppen ville holde navngivelse av operatørens selv kropp?

Vi kan lett finne temaer relatert til denne diskusjonen på henvisninger eller projeksjon av "selv" fra vår egen naturlige kroppen til en kunstig, ikke-kjøtt-og-ben kropp. Et eksempel kan finnes i det medisinske feltet; for eksempel innen medisinsk rehabilitering, behandling som "lure" pasientens selv følelse bruker speilene blir undersøkt for å redusere smerte og bedre motorisk funksjon av en manglende eller lammet lem, kalt speil terapi ^3-6. I denne behandlingen, kan speilbildet av upåvirket kroppsdel ​​eller lem villede pasientens hjerne til å tro at manglende eller lammet lem tilsvarer den som vises i speilet og føre til en følelse av at det er fortsatt i dets tidligere tilstand (dvs. før ulykken). Det er fremdeles under diskusjon hvordan denne illusjonen påvirker hjernens elastisitet relatert til kroppen representasjon. I tillegg til denne type diskusjon om vår naturlige kroppen, kan vi finne lignende diskusjoner om utførelse, spesielt av menneske-system interaksjonsdesign problemstillinger innen engineering. Den følelse av selvtillit for en kunstig eller virtuelle kroppen har blitt godt undersøkt i sammenheng med telepresence, hjerne-maskin-grensesnitt, og hjerne-datamaskin-grensesnitt ^1,2,7-9. Noen forskere rapporterte at et menneskelik robot, som kan overføre den taktile følelsen fra sin robot hånd til operatørens side kan fange brukerens følelse av selv-body til roboten, samt følelsen av å være på et sted hvor roboten er posisjonert snarere enn der operatøren faktisk eksisterer, kalt tele-eksistens ^en. Andre forskere rapporterte at en virtuell avatar gjenspeiler førerens kroppsbevegelser sterkly overfører operatørens følelse av selv-body fra fører egen kropp til den virtuelle kroppen ^ni. Disse funnene indikerer hvordan brukerne kan projisere sin følelse av selv-kroppen inn i en kunstig kropp, for eksempel en humanoid, fjernkontroll robot, elektrisk protese, eller datagrafikk avatar i virtuell virkelighet, selv om den kunstige kroppen ikke er direkte koblet til deres hjerne og kropp.

Grunnleggende forskning på denne typen selv følelse for ikke-kjøtt-og-blod, kunstige kroppslignende gjenstander undersøkt de underliggende hjernemekanismer for opplevelsen av selv-body med gummi hånd illusjon (RHI) ^10-13 og speil illusjon (MI) ^14-16 i de medisinske og engineering felt så vel som i psykofysikk og nevropsykologi. RHI er følelsen som en gummi hånd tilhører ens egen kropp og er fremkalt ved samtidig å stryke en synlig gummi hånd og deltakerens skjult hånd. I MI, en hånd image i et speil plassert langs midsagittal aksen visuelt fanger deltakerens oppfattes plasseringen av usett motsatt hånd. Videre synkrone bevegelser av den reflekterte og usett hånd fremkalle sterk følelse som om den reflekterte hånden bilde var det usynlige motsatt hånd. Ifølge forskning på disse illusjonene, synes konsistens mellom multimodal informasjon og prediksjon og sensorisk tilbakemelding om kroppens bevegelser til å spille en viktig rolle for bedømmelsen av selv kroppen attribusjon. Dermed kan disse to illusjoner være enkle, men kraftfulle bevis og verktøy for forskere å undersøke hjernen mekanismene bak vår følelse av å bli lurt eller å tro at noen kunstig objekt eller bilde kan subjektivt være vår egen kropp del, og at vår selv følelse gjør ikke å være knyttet til vår naturlige fysiske kroppen.

I alle disse studiene er nevnt ovenfor, har den diskusjon er basert på konseptet av "selv" consisting av to typer sensasjon foreslått av filosofen Gallagher ^17: følelsen av eierskap og følelsen av byrået. Følelsen av eierskap refererer til følelsen at en observert kroppsdel ​​er ens egen. Følelsen av etaten tilsvarer følelsen at kroppsbevegelse er selv forårsaket. Disse to følelsene er definert som den minimale selv, det vil si en umiddelbar følelse av seg selv ^16. Ifølge dette konseptet, kan tildeling av "self" for de naturlige, skadet, virtuelle og mekaniske organer vurderes av de samme indeksene: følelsen av eierskap og byrå. For å kunne bruke denne følelsen for vitenskapelig vurdering, oppstår spørsmålet om hvordan man skal måle følelse av eierskap og byrå robust. Foreløpig beregning av eierskap og byrået bygger hovedsakelig på spørreskjemaer, som opprinnelig foreslått av Botvinick ^9. I tillegg til spørreskjemaer, kan vi forsøke å måle dem i kvantitative metoder. For eksempel, i huden conductance respons (SCR) har blitt brukt som en fysiologisk indeks av eierskap i de tilfeller der gummi hånd plutselig kuttet med en kniv ^18. SCR blir beregnet ved å måle de elektriske egenskapene til huden og er en følsom og gyldig indikator for opphisselse ^19. Siden denne metoden er vanligvis brukt for enkelt forsøk per deltaker, er å måle SCR ikke egnet som en fysisk indeks i psyko eksperimenter som krever gjentatte målinger innenfor deltakere. En av de mest vellykkede atferds indekser for eierskap er proprioseptiv drift. Proprioseptiv drift er endringen i det som oppfattes som plasseringen av usynlige ekte hånd mot posisjonen til et objekt som ser ut som en hånd, slik som gummi-laget protese eller datagrafikk ^10-13. Siden denne endringen kan estimeres gjentagelser og robust ved å måle avstanden mellom usett ekte hånd og det visuelle bildet av hånden, proprioseptiv drift isa egnet fysisk indeks for psyko målinger. Imidlertid må denne bruken må vurderes nøye, fordi siste diskusjonene har stilt spørsmål om proprioseptiv drift kan alltid brukes som en atferds indeks over eierskapet ^12.

Vanligvis er sansemotorisk drift måles i bare en av de tre retninger, slik som høyde, bredde eller dybde. Proprioseptive drift har sjelden blitt målt i flere retninger på grunn av vanskeligheten med å estimere og å visualisere multi-dimensjonale data. Dette metrologisk begrensningen er ikke kritisk for grunnforskning utforske de mekanismer som behandler multisensorisk informasjon, fordi eksperimentelle forhold kan enkelt utformet og kontrollert for å begrense de målte dimensjoner. Men i det daglige liv, våre hender bevege seg fritt i 3D for å følge våre intensjoner. I denne situasjonen er det vanskelig og utilstrekkelig for å måle en deltaker atferd med spørreskjemaer, noe som sterkt begrenser bevegelse og positions av hendene. Dermed vurderer mulige bruksområder for eierskap og byrå i prosjektering og rehabilitering, en måling som inkluderer flere retninger og tillater fri hånd bevegelse er nødvendig for å evaluere den romlige forholdet mellom visuelle og proprioseptive tilbakemeldinger i daglige livssituasjoner. Hvis en slik måling var mulig, kan den målte avstanden mellom reelle og observerte hender benyttes som en retningslinje for følelse av selv-legeme. Dette kan ikke bare bli en indikator for utviklingen av rehabilitering, men også et kriterium for romlig forskyvningen mellom manipulert målet i displayet og drifts hånd. Spørsmålet gjenstår om hvordan denne målingen kan gjennomføres sikkert og effektivt.

For å løse dette spørsmålet, innfører vi en ny metode for å anslå proprioseptiv drift, noe som tilsvarer skiftet fra stillingen som deltakerens usett ekte hånd som i en synlig hånd lignende object, på et 2D-plan ved hjelp av speilet illusjon ved å kombinere en psykologisk prosedyre og en analyse ved hjelp av maskinlæring. Sammenlignet med en gummi hånd, hånden bildet i et speil sterkt fanger deltakerens oppfattes plasseringen av usett ekte hånd. Videre et speilet bilde umiddelbart gjenspeiler frivillige håndbevegelser for hånd plassering. Dermed ble et speilbilde valgt som et visuelt inntrykk av deltakerens hånd. I tillegg til å måle proprioseptiv drift lik daglige livssituasjoner, deltakerne plassert sine skjulte hånd trial-by-rettssaken på deres vilje, og antall forsøk ble økt. Selv om en hvilken som helst kombinasjon av retninger kan ha blitt brukt, ble kombinasjonen av høyde og dybde valgt på grunn av den enkle å plassere speil vertikalt. For å sjekke konsistens mellom vår metode og tidligere forskning ¹³ ble to visuelle forhold implementert: med og uten visuell tilbakemelding. I tilstanden med visuell tilbakemelding, speilet wsom plasseres langs midsagittal plan for å skape et reflektert bilde av venstre hånd, som om det ble sett på som høyre hånd. I tilstanden uten visuell tilbakemelding, ble en matt tavle brukes for å skjule deltakerens real høyre hånd. Vi vurderte effekten av denne nye fremgangsmåten ved å sammenligne resultatene til de som oppnås med et spørreskjema om eierskap og byrå.

Protocol

Alle aspekter av forsøket ble godkjent av etisk komité Tokyo Institute of Technology.

1. Forsøksoppsett

1. Materiale og oppsett for måling Proprioseptiv Drift.
   1. Skaff et stativ som kan holde en 100 x 100 cm plate vertikalt (figur 1).
   2. Få tak i en stol hvor deltakeren kan sitte komfortabelt under forsøket.
   3. Skaff en 100 x 100 cm akryl speil og matt tavle.
   4. Skaff posisjon tracker (for eksempel SLC-C02, Cyverse) for å spore deltakerens høyre posisjon. Romlig oppløsning bør være omtrent 1,5 mm for å tillate tilstrekkelig antall samplings som skal brukes for maskinlæring.
   5. Skaff en infrarød LED og reflekterende markører som skal brukes til å angi posisjonen av stativet og deltakerens høyre hånd, henholdsvis (se trinn 1.1.11 og 3.2.6).
   6. Skaff fotpedalen for deltakerens svar. Lag skreddersydd program, som kan ta opp og samtidig vise deltakerens svar og høyre hånd posisjon og spille en pipelyd som tilbakemelding av deltakernes respons når pedalen trykkes. I disse forsøkene ble deltakerens høyre hånd posisjon samlet inn ved hjelp av motoren fangst enheten og dens skreddersydd program i henhold til produsentens instruksjoner.
      MERK: Ifølge en tidligere papir ^16, ble programmet utviklet med en programvareutvikling verktøykasse. Den skreddersydde program utviklet av programvareutvikling verktøysettet kan tilpasses for andre merker av motion capture-enheter.
   7. Bruk en metronom for å gi styringssignaler for opplæring av håndbevegelser, det vil si å trykke på overflaten av speilet eller tavle. Se trinn 3.1.1 for nøyaktige trenings instruksjoner.
   8. Bruk støydempende hodetelefoner for å redusere muligheten for at deltakeren kan høre lyd signaler for håndstilling.
   9. For visuell tilbakemelding tilstand, feste speilet til stativet. For tilstanden uten visuell tilbakemelding, feste tavle til stativet.
   10. Plasser den infrarøde LED øverst til venstre i speilet eller tavle.
2. Materiale og oppsett for måling av eierskap og Agency.
   1. Gjenta prosedyren fra trinn 1.1.1 til trinn 1.1.11.
   2. Opprett eller få spørreskjemaet vurdere eierskap og byrået (f.eks ^10,13,16). Tabell 1 viser eksempler fra dette spørreskjemaet brukt i forrige undersøkelse ^15.
   3. Bruk en skjerm eller tavle-PC for å vise spørreskjema til deltakeren.

2. Deltakerne

1. Rekruttere ca 10 høyrehendte deltakere med normal eller korrigert til normalt syn.
   Merk: Antall deltakere kan justeres i henhold til de eksperimentelle mål og antall gjentatte forsøk per participmaur.
2. Innhente skriftlig informert samtykke for deltakelse før starten av forsøket.

3. Eksperimenter Prosedyre

1. Trening fase for håndbevegelser.
   1. Trene deltakerne til synkront banke med begge hendene på speilet eller tavle på et visst tempo ved hjelp av metronomen. Instruere deltakerne for å utføre tappe bevegelse ved å holde hælen av hånden i kontakt med speilet eller brettet. I begynnelsen av treningen, starter metronomen i et tempo på 60 slag per minutt og deretter instruere deltakeren til å flytte begge hendene synkront i henhold til lyden av metronomen.
   2. Pass på at tidspunktet for deltakerens hånd bevegelse er nær en syklus per sekund (ca. 1 Hz) ved å sammenligne det til lyden av metronomen flere minutter etter begynnelsen av tapping.
2. Estimering av Proprioseptiv Drift i deltakerens Midsagittal Plane.
   1. Monter speilet eller tavle på stativet basert på de vilkår: med visuell tilbakemelding, montere speil; uten visuell tilbakemelding, montere tavle.
   2. Sørg for at deltakeren sitter svært nær speilet eller tavle, som er plassert langs midsagittal plan for deltakeren (figur 1).
   3. Sørg for at deltakeren kan se speilbilde av den venstre, men kan ikke se den virkelige høyre hånd.
   4. Instruere deltaker for å ta hensyn til bildet av den venstre hånd i speilet under forsøket.
   5. Sett reflekterende markørene på deltakerens rette pekefingertuppen og håndleddet.
      1. Siden markørene er bare satt på deltakerens høyre hånd, må du kontrollere at haptisk følelsen av deltakerens høyre hånd på grunn av de vedlagte markører ikke endres med betydelig sammenliknet med venstre hånd ved å spørre dendeltaker muntlig.
   6. Sett støydempende hodetelefoner over deltakernes ører.
   7. Be deltakeren til å flytte venstre hånd ca 30 cm i høyden og 30 cm horisontalt fra nedre høyre hjørne av speilet og å opprettholde denne venstre posisjon under forsøket. Denne posisjonen er satt som opprinnelsen til overflaten av 2D-plan.
   8. Be deltaker å plassere høyre hånd på vilje på den andre siden av speilet eller tavle og for å opprettholde sin posisjon til slutten av rettssaken.
   9. Be deltakeren om oppgaven som følger:
      1. I begynnelsen av hvert forsøk, instruere deltakeren til å skyve den midterste knappen på fotpedalen. På denne tiden, vil systemet høres et pip gjennom hodetelefonen som tilbakemelding av pedalen pressen.
      2. Etter å ha hørt pipetonen, instruere deltakeren til å begynne å banke med begge hender synkront på en Hz på brettet, som er speilet itilstanden med visuell tilbakemelding eller tavle i stand uten visuell tilbakemelding.
      3. Etter mer enn seks håndbevegelser, instruere deltakeren å stoppe bevegelsen ved foretrukne tid og svare på spørsmålet om den høyre posisjon ved å trykke på høyre eller venstre knapp på fotpedalen. Den høyre knappen er et ja og venstre er et nei. Spørsmålet er: "Føler du at høyre og venstre hånd er i samme posisjon?" På dette tidspunktet vil deltakeren hører et pip som tilbakemelding for pedalen trykk igjen.
         MERK: Hvis deltakerne spørre om betydningen av "samme posisjon," forteller dem at "samme posisjon" betyr at den subjektive høyde og dybde på høyre hånd er tilsvarende som i venstre hånd.
      4. Be deltakeren til å flytte sin høyre hånd til en annen posisjon for sine valg. Deretter starter rettssaken igjen. Denne syklusen vil fortsette i opptil 200 forsøk per tilstand.
   10. I løpet av oppgaven, sjekk at tidspunktet for deltakerens tapping holder seg på omtrent 1 Hz ved å vise bevegelse i forhold til metronomen.
       Merk: Lyden av metronom kan høres bare av eksperimentator.
   11. Etter å ha fullført ca 100 forsøk, la deltakeren ta en pause.
   12. Utfør eksperimentet for de andre forholdene (med eller uten visuell tilbakemelding) på separate dager.
3. Estimering av eierskap og Agency i speilet tilstand.
   1. Definer høyre hånd posisjoner for å samle deltakernes svar på spørreskjemaet om eierskap og byrå. For eksempel, i en tidligere publikasjon ^16, var det 13 som prefiks høyre hånd stillinger. Disse punktene ble arrangert hver 7 cm opp til ± 21 cm fra opprinnelsen.
   2. Utfør samme prosedyre for above estimering som er oppført fra trinn 3.2.2 til trinn 3.2.7.
   3. Be deltaker å plassere høyre hånd etter eksperimentators guide og opprettholde sin posisjon til å fullføre en rettssak.
   4. Be deltakeren om oppgaven som følger:
      1. I begynnelsen av rettssaken, skyv den midterste knappen på fotpedalen. På denne tiden, vil deltakeren hører lydsignalet som tilbakemelding av pedalen pressen.
      2. Deretter begynner å trykke på høyre og venstre hånd synkront ved 1 Hz.
      3. Etter mer enn seks ganger for tapping, stoppe tapping når eksperimentator indikerer. Deretter svare på spørsmål om eierskap og byrået vises på skjermen ved hjelp av en 7-punkts Likert skala med karakterer som spenner fra -3 ( "helt uenig") til tre ( «helt enig») med 0 indikerer verken enighet eller uenighet ("usikker").
      4. Flytt høyre hånd til stillingen som eksperimentator indikerer. Deretter starter rettssakenen gang til. Denne syklusen vil fortsette inntil antallet høyre hånd posisjoner som eksperimentator definerer.
   5. Sørg for at deltakeren kan forstå oppgaven og be deltakeren å starte oppgaven.

4. Data Analysis

1. Analysen av Proprioseptiv Drift i deltakerens Midsagittal Plane.
   1. Skaff den statistiske verktøy som inneholder maskinlæring program, spesielt støtte vektor maskin (f.eks R, MATLAB). Bruk støtte vektor maskin (SVM) som klassifiserings å trekke grensene for deltakernes svar. En tidligere publikasjon gir en forklaring på algoritmer for sorter (se kapittel 7) ^20. I denne artikkelen forklarer vi metoden bruker R (versjon 3.1.2).
   2. Installer pakke kalt "kernlab" ^21, som inneholder analyse ved hjelp SVM i R-programmet.
   3. Mark på området som viser proprioceptive drift av hånden på følgende måte (Figur 2 beskriver skjematisk fremstilling av det dataanalyse strøm). Se programvare Supplemental kode og data prøve for nærmere forklaring av denne dataanalyse.
      1. Beregn de relative høyre hånd stillinger fra opprinnelsen. Kast data med feil (for eksempel manglende data om posisjon eller deltakerens svar) fra analysen.
      2. Lag en sannsynlighetsmodell av deltakernes "ja" svar i 2D plass ved hjelp av SVM. Bruk data fra responsene som en symbolsk beskrivelse av modellen. Bruk data for den høyre stilling som parametrene til modellen. Bruk brukte radial basis funksjon kernel som kjernen for SVM. For å unngå den vilkårlige analyse, beregne sigma (dvs. parameteren som benyttes for endring av vekten av hvert datapunkt) ved automatisk sigma estimering.
      3. Sørg for at modellen er korrekt montert ved å kontrollere at the treningsfeilene fra modellen er under 0,2. Ved hjelp av sannsynlighetsmodell, definere området hvor p-verdien av deltakernes "ja" svar ble anslått til å være over 0,5.
   4. Gjennomsnitt hver deltakers data for å gjøre et område som viser proprioceptiv drift.
      MERK: Ettersom det er vanskelig å gjennomsnitt grensen av "ja" og "nei" svar området estimeres ved p-verdiene av svarene i 2D plass, er to typer gjennomsnittlig anbefales. En metode er å gjennomsnitt p-verdiene for deltakerens reaksjoner i 2D plass, som er den metoden som brukes før beregning av grensen. Den andre metoden er å gjennomsnitt størrelsen området, som brukes etter beregning av grensen.
2. Analyse av spørreskjemadata og områdestørrelse.
   1. Skaff den statistiske verktøy for å vurdere betydningen av posisjon og kategorier av spørreskjemaet (f.eks SPSS eller R).
   2. Vurdere normal distribution av alle data ved hjelp av Shapiro-Wilk test, og bruk den aktuelle ikke-parametrisk test når en eller flere av de tilsvarende datasettene ikke klarte å oppfylle kriteriene for normalfordeling (f.eks Wilcoxon signed-rank test, Friedman test).
      Merk: Hvis en ikke-parametrisk metode som passer forsøket mangler, kan du bruke en parametrisk metode og forklare begrunnelsen. I en tidligere studie ^16, en to-veis gjentatt tiltak ANOVA analysert spørreskjemadata, så det var ingen ikke-para erstatning for denne analysen.

Representative Results

Representative resultater fra en tidligere studie presenteres for å illustrere metoden ^16. 3A viser at områdefigurer der deltakeren ikke kunne oppdage den romlige forskyvning mellom venstre og høyre hånd posisjon skilte mellom de vilkår med (speil) og uten (tavle) visuell . tilbakemelding Figur 3B viser at størrelsene området i stand med visuell tilbakemelding er betydelig større enn i den tilstand uten visuell tilbakemelding (Wilcoxon signed-rank test: Z = -2,803, p = 0,005). Disse resultatene tyder på at den nødvendige korreksjon mellom visuell og proprioseptive tilbakemeldinger å opprettholde proprioseptiv drift er ca 10 cm, og dette verdiendringer av retning (figur 3 og 4). Vertical offset dukket større enn vannrett forskyvning. På figur 5, den vertikale og horisontale romlige fordeling av spørreskjemaet stillingen feller kropps eierskap og etaten viste en unimodal distribusjon. Deres toppene var i origo, hvor deltakeren høyre hånd var nesten på samme sted som den speilet hånden bildet. I motsetning til dette, den romlige fordelingen for at resultatet av kontroll utsagn var nesten flat og under -1. En to-veis gjentatt tiltak ANOVA viste de viktigste effektene for kategoriene og posisjoner som deltakerne angitt i spørreskjemaene (Horisontal Kategori: F (3,27) = 11,12, p <0,001; Posisjon: F (6,54) = 10.27, p <0,001; Vertikal Kategori: F (3,27) = 24,21, p <0,001, plassering: F (6,54) = 7,298, p <0,001). Samspillet mellom kategori og posisjon var også signifikant (Horisontal: F (18162) = 9,42, p <0,001; Vertikal: F (18162) = 8,00, p <0,001). Disse resultatene antyder at følelsen av eierskap og etaten redusert når den romlige forskyvningen mellom deltakernes virkelige skjult høyre hånd og speilet hånd bilde økt. i Figure 6, viser sammenligningen mellom visualisering av proprioseptive drift og spørreskjema resultater for eierskap og byrå som offset områdene for å opprettholde disse fenomenene er konsentriske og nesten overlapper hverandre.

Figur 1:. Oversikt over oppsett Det eksperimentelle oppsettet inkluderer et stativ som holder enten speilet eller tavla, en stol, en respons enhet (fotpedal), og opptaksutstyr for deltakerens hånd posisjon. Den øverste figuren viser skjematisk fremstilling av oppsettet fra den retningen hvor deltakeren kan se speilbilde av hans / hennes venstre hånd. Den nederste figuren viser utsikten fra baksiden av speilet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2:. Dataanalyse Flow (A) Et eksempel på deltakernes respons og høyre hånd posisjoner. (B) Skjematisk fremstilling av "ja" svar modellen estimeres ved SVM. (C) Resultat av grensen analysen. (D) Gjennomsnittlig områder over deltakerne. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3: Sammenligning av former og størrelser området mellom betingelser med og uten visuell tilbakemelding (A) Sammenligning av områdefigurer.. Opprinnelsen av grafen er posisjonen til venstre, det vil si plasseringen av mirrored hånd bilde i visuell tilbakemelding tilstand. De vertikale og horisontale akser vise deltakerens høyre hånd posisjon som proprioseptive tilbakemeldinger av hånden. (B) Sammenligning av arealstørrelser. Vertikale aksen viser størrelsene området der deltakerne ikke kunne oppdage den romlige forskyvning mellom venstre og høyre hånd posisjon. Horisontale aksen viser tilstanden med eller uten speil hånd bilde som visuell tilbakemelding (høyre: med visuell tilbakemelding, venstre: uten visuell tilbakemelding). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4:. Individuell data for de fleste deltakere, formen på grensen i speilet tilstand var større enn i tavle tilstand. Dette tyder på at visualisering metode medSVM lyktes i å vise effekten av visuelle fangst av kroppen speilbilde. I motsetning til deltakerne D, H og J, var det få forskjeller mellom forholdene, noe som indikerer at det kan være individuelle forskjeller for effekten av visuell fangst. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5: Spørreskjema Resultater (A) Romlig fordeling av spørreskjemaet poengsum langs den vertikale aksen.. (B) Romlig fordeling av spørreskjemaet stillingen langs den horisontale aksen. Eierskap og byrå score var høyest i origo i forhold til de vertikale og horisontale stillinger. Please klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6: Sammenligning mellom Klassifisering og Questionnaire (A) Romlig fordeling av spørre score for eierskap og byrået langs den horisontale aksen.. (B) Romlig fordeling av spørre score for eierskap og byrået langs den vertikale aksen. (C) Estimert området der deltakerne ikke kunne oppdage forskyvningen mellom speilet hånd bilde og skjult real høyre hånd. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Kategori
Eie	1. Jeg følte meg som om jeg var looking på min høyre hånd.
	2. Jeg følte det som om hånden i speilet var en del av kroppen min.
	3. Det virket som om jeg sensing bevegelsen av min høyre hånd i stedet der hånd i speilet flyttet.
	4. Jeg følte det som om hånden i speilet var min hånd.
Eie kontroll	5. Jeg følte det som om min virkelige høyre hånd ble snu i hånd i speilet.
	6. Det virket som om jeg hadde mer enn en høyre hånd.
	7. Det virket som om hånden i speilet drev mot mitt egentlige hånd.
	8. Det føltes som om jeg hadde ikke lenger en høyre hånd, som om min høyre hånd hadde forsvunnet.
Byrå	9. hånd i speilet flyttet akkurat som jeg ønsket min høyre hånd til, som om det var adlyde min vilje.
	10. Jeg følte meg som om jeg var å kontrollere bevegelsen av hånden i speilet som jeg ville kontrollere at min høyre hånd.
	11. Jeg følte meg som om jeg var forårsaker bevegelsen skapt av den hånden som jeg så min høyre hånd.
	12. Når jeg flyttet min høyre hånd, jeg forventet hånd i speilet for å bevege seg på samme måte.
Byrå kontroll	13. Jeg følte det som om hånden i speilet tok kommandoen min vilje.
	14. Jeg følte det som om hånden i speilet tok kommandoen mine bevegelser.
	15. Jeg kunne kjenne bevegelse fra et sted mellom min virkelige høyre hånd og hånd i speilet.
	16. Det virket som om hånden i speilet hadde en vilje av sine egne.

1:. Spørreskjema består av 16 utsagn klassifisert i fire kategorier Spørreskjemaet ble tilpasset og oversatt til japansk fra spørreskjemaer som brukes i gummi-hånd illusjon eksperimenter ^10,13.

Supplemental filer. Eksempelkode og datasett for analysemetoden ved hjelp av SVM. Denne koden kan utføres ved hjelp av R (versjon 3.1.2) og gjennomføre samme analyse som i dagens papir. Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Vi viser en metode for å anslå proprioseptiv drift i et 2D-plan under speilet illusjon ved hjelp av SVM og å sammenligne resultatet med spørreskjemaet for eierskap og byrå. Denne romanen metoden avslørt at nødvendige korreksjon mellom visuell og proprioseptive tilbakemeldinger å opprettholde proprioseptiv drift er ca 10 cm, og at dette oppveie tett overlapper med forskyvning nødvendig for å opprettholde en følelse av eierskap og byrå.

Legg merke til at de mest kritiske trinn av denne fremgangsmåten er beskrevet under 3.2.5, en instruksjon for å deltakerne om deres oppmerksomhet. I forrige pilotstudie ¹⁶ ble effekten av visuell fange av en speilet hånd bilde sjelden observert når deltakerne subjektivt rapporterte at de har betalt mer oppmerksomhet til kroppen sin. Det er fortsatt uklart om oppmerksomhet bidrar til dette fenomenet. Forholdet mellom oppmerksomhet og følelse av eierskap og byrået har sjeldenblitt diskutert på grunn av vanskeligheter med å kontrollere eller måle deltakernes oppmerksomhet. Så vidt vi vet, er det bare én studie ²² som direkte undersøkte effekten av oppmerksomhet på eierskap. For å unngå komplekse diskusjoner om hvordan du kan styre og måle oppmerksomhet, er forsiktig instruksjon om deltakernes oppmerksomhet som kreves.

Den andre kritiske punktet er at deltakerne kan velge håndposisjonen for neste prøveperiode på sin egen vilje i økten måling proprioseptiv drift. I tradisjonelle psykofysikk, har en tendens til graden av frihet av deltakernes oppførsel til å være begrenset og kontrollert for å gjøre forsøket mer robust og reproduserbar. For eksempel, i forsøkene måle proprioseptiv drift og eierskap og byrå med gummi hånd illusjon paradigme ^10-13, prøvetakingspunktene på deltakernes hånd posisjon var forhåndsdefinert langs en av de tre retnings, slik som høyde, bredde eller dybde, for å unngå vanskeligheter med å måle og å visualisere multi-dimensjonale data. Spesielt siden spørre ta tid for hvert prøvetakingspunkt på grunn av antall kategorier (f.eks eierskap, byrå, og kontrollsetninger), antall prøvetakingspunkter er mer begrenset i forhold til de metoder opptak menneskelig atferd. I denne metoden, for å sikre samsvar med andre studier, ble måling av eierskap og byrå ved hjelp av et spørreskjema begrenset og prefiks også. Denne begrensningen knyttet til deltakernes oppførsel er ikke kritisk for grunnforskning utforske hjernen mekanisme av følelse av eierskap og byrå, fordi det er mulig å utforme og styre forsøksbetingelsene nøyaktig og reproduserbar ved å inkludere disse begrensningene i forsøksbetingelsene. Men med tanke på mulige bruksområder for eierskap og byrå i prosjektering og rehabilitering, denne begrensningenkan være avgjørende for å estimere menneskelig atferd i 3D henhold daglige livsvilkår. Under disse omstendigheter, der deltakerne kan flytte sin hånd og velge sin posisjon mer fritt, er det vanskelig å anslå proprioseptiv drift ved hjelp av tradisjonelle psyko metoder. For å bøte på dette problemet, en SVM, en type maskinlæring, ble vedtatt for estimering og visualisering av proprioseptiv drift. Denne teknikken kan samle inn og analysere massive data, for eksempel multi-dimensjonale data som inneholder deltakernes svar og håndposisjoner i 2D med gratis utvalg. Ved hjelp av denne teknikken, ble deltakernes svar samplet på ulike håndstillinger klassifisert og området analysert hvor deltakerne ikke merke avstanden mellom speilbilde av den venstre og den skjulte selve høyre hånd.

Denne metoden har en kritisk begrensning, som er at den gjennomsnittlige området viser proprioseptiv drift over deltakere foreløpig ikke viser individual forskjeller. Dette er på grunn av begrensning av visualisering metode for å vise mer enn tre-dimensjonale data på en 2D underlag. Dataene for den gjennomsnittlige området viser proprioseptiv drift vil inneholde 2D posisjonsdata, sannsynligheten for deltakerens svar, og den enkelte forskjell. For å inkludere individuelle forskjeller, en visualisering metode som kan vise fire-dimensjonale data ville være nødvendig.

Den fremtidige retningen for denne metoden er å utvide dimensjonene fra 2D til 3D, og ​​for å inkludere timelige funksjoner. Selv om det fortsatt er noen problemer med visualisering metode for mer enn tre-dimensjonale data, vil disse utvidelsene med flere dimensjoner bidra til å forstå hvordan hjernen behandler multisensorisk informasjon fra flere modaliteter, som syn og propriosepsjon. For å oppnå denne utvidelsen, er videre forskning nødvendig.

Fra et program perspektiv, kan denne metoden hjelpe engineers til strategisk utforming brukervennlighet eller følelse av kontroll for real-time kontroll av systemer, for eksempel roboter, kirurgiske robotsystemer, og virtual reality-systemer. I disse systemene er brukerens sensasjon under drift ofte anslått av spørre ex post facto. Derfor er det vanskelig å gjennomføre brukerens sensasjon under drift når du gjør et system prototype. Hvis vi kunne avsløre begrensning av tid og rom uoverensstemmelse mellom multisensorisk tilbakemeldinger for å opprettholde en følelse av eierskap og byrå, vil det bidra til å gi regler om multisensorisk tilbakemeldinger fra maskinsystemer for å opprettholde selv kroppen som brukervennlighet, der operatørene styre systemer som om de ville kontrollere sin egen kropp. Denne metoden avslører den romlige forskyvning mellom visuell og proprioseptive tilbakemeldinger å opprettholde en følelse av eierskap og byrå. Basert på dette resultatet, kan deltakernes følelser mot speilet hånd bilde styres ved å manipulereavstanden mellom hånd bilde og skjult ekte hånd. Endring av tid og rom forhold over multisensorisk tilbakemeldinger fra ulike tiltak vil være første skritt for å strategisk styre brukerens følelse under drift.

Denne ideen kan tas i bruk, ikke bare for prosjektering, men også for rehabilitering. Flere forskningsinnsats har som mål å forbedre motorikk og smerte hos personer med manglende eller lammet lemmer. Men siden hovedtemaet i tradisjonell rehabilitering er for pasienter å gjenvinne funksjon i deres daglige liv, lite av denne forskningen har klart å forbedre pasientens følelser i en manglende eller lammet lem. Vurderer innvirkning på pasientenes livskvalitet, er forbedring av deres opplevelser avgjørende for å leve med en manglende eller lammet lem. Denne metoden kan gi en kvantitativ estimering om eierskap og byrå i et manglende eller lammet lem ved å måle forskyvningen mellom pasientenes subjective lem posisjon og posisjonen til den virkelige eller synlig lem. Dette vil bidra til fysioterapeut for å kvantitativt beregne pasientens følelse av deres lemmer.

For å konkludere, gir dette papiret en ny metode for å visualisere den romlige forskyvning mellom visuell og proprioseptive tilbakemeldinger å opprettholde proprioseptive drift langs midsagittal planet. Basert på tidligere forskning ved hjelp av denne metoden ^15, den romlige oppveie at deltakerne ikke kunne oppdage utvidet til ca 10 cm. Dessuten, denne verdien samsvarer med området der deltakerne føler en følelse av eierskap og byrå for hånd bilde i speilet. Disse funnene vil bidra til ytterligere å undersøke underliggende mekanismer for eierskap og byrå fra en multimodalitet perspektiv av sensorisk informasjon. Videre kan denne metoden gi et verktøy for rehabilitering av manglende eller lammet lemmer og for design av sanntids kontrollsystemer, som den kvantitative indicator viser romlig forskyvning mellom visuell og proprioseptive tilbakemeldinger for å opprettholde selv body-lignende følelse eller brukervennlighet. På denne måte utviklingen av beregningsteknikker, slik som maskinlæring, gjør det mulig å bygge estimering og visualiseringsmetoder som tidligere var umulig på grunn av de konvensjonelle statistiske begrensninger. Denne typen metrologisk fremgang kunne avsløre menneskelig atferd og hjernemekanismer som produserer følelse av selvtillit i mer naturlige situasjoner.

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.