Summary
Hier presenteren we een protocol dat de zin van agentschap ontwikkeld over de controle van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen kenmerkt. Psychofysisch vragenlijsten worden gebruikt om vast te leggen van de expliciete ervaring van Agentschap en schatting van de interval tijd (opzettelijke bindende) worden gebruikt impliciet het meten van het gevoel van het Agentschap.
Abstract
Dit werk beschrijft een methodologisch kader dat kan worden gebruikt voor expliciet en impliciet karakteriseren het gevoel van agentschap ontwikkeld over de controle van de neurale / machine-interface (NMI) van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen. De vorming van het Agentschap is van fundamenteel belang onderscheid te maken van de acties die we met onze ledematen als onze eigen uitvoeren. Door te streven naar het integreren van geavanceerde Opper-ledemaat prothesen in deze dezelfde perceptuele mechanismen, kunnen we beginnen met het integreren van een kunstmatige ledematen nauwer in van de gebruiker bestaande cognitieve kader voor de controle van de ledematen. Dit heeft belangrijke implicaties biij gebruikersacceptatie, gebruik, en effectieve controle van geavanceerde Opper-ledemaat protheses. In dit protocol, deelnemers bepalen een virtuele nephand en kinesthetische sensorische feedback via hun bestaande NMIs te ontvangen. Een reeks virtuele grijpen taken worden uitgevoerd en verstoringen zijn systematisch ingevoerd om de kinesthetische feedback en virtuele handbewegingen. Twee afzonderlijke maatregelen van agentschap werkzaam zijn: gevestigde psychofysische vragenlijsten voor het vastleggen (de expliciete ervaring van Bureau) en een tijdsinterval schatten taak om vast te leggen van de impliciete betekenis van het Agentschap (opzettelijke bindende). Resultaten van dit protocol (vragenlijst scores en tijdsinterval schat) kan worden geanalyseerd om te kwantificeren van de omvang van de formatie van het Agentschap.
Introduction
Zoals robotic prothesen steeds meer geavanceerde worden, zal het belang van relevante sensorische feedback blijven groeien. Sensorische feedback is van invloed op hoe mensen waarnemen, interactie met, en zelfs machines te integreren in hun lichaam schema. Recente NMI technieken kunnen nu prothetische ledematen gebruikers te voorzien van intuïtieve bediening en bereiken sensaties gekoppeld touch1,2,3,4,5,6 , 7 en kinesthesia (beweging sense)8,9 in ontbrekende ledematen. Wanneer deze zintuiglijke informatie wordt gekoppeld aan de visuele informatie verstrekt door te kijken naar de kunstmatig ledematen tijdens operatie, hebben we toegang tot de belangrijkste elementen die het onderscheid van zelf -ten opzichte vande hoogte-andere. Hefboomwerking deze toegang kan helpen prothetische ledematen gebruikers een stap dichter te brengen om een kunstmatige ledematen als een deel van hun lichaam, in plaats van slechts een hulpmiddel.
Lichaams-bewustzijn en het gevoel van wordt belichaamd vloeit voort uit de oprichting van het Agentschap (de ervaring van auteurschap over een limb's acties) en eigendom (het gevoel dat een ledemaat een deel van het lichaam is)10,11. Eigendom is voornamelijk gemedieerd door de integratie van de touch en beeldinformatie12. Agentschap naar voren komt uit de integratie van intentie, verkeer sensatie (kinesthesia), visuele informatie en voorspellende cognitieve modellen11. Tijdens de uitvoering van een vrijwillige actie, wordt Agentschap gevormd wanneer de sensorische gevolgen van dat optreden met de intentie en de voorspellingen van13interne modellen van de vertolker van de vertolker uitlijnen. Agentschap is afzonderlijke en onderscheiden van eigendom. Het concept van ledematen eigendom is vaak bestudeerd in de prothese literatuur14. Een gevoel van ledematen eigendom formulieren in NMI deelnemers bij aanraking feedback ruimtelijk en stoffelijk voorkomend als gemeten via vragenlijsten expliciet of impliciet residuele ledemaat temperatuurveranderingen, of tijdelijke volgorde arresten15 is. Echter hebben minder mogelijkheden bestaan om te verkennen Agentschap in het kader van NMI16. Recent werk met NMI deelnemers heeft aangetoond dat Agentschap doelgericht kan worden bevorderd en staat los van de ervaring van eigendom8.
Agentschap is bijzonder belangrijk in de werking van robotic prothesen, want het is een cognitieve link naar de controle van de kunstmatige ledematen fysieke acties door ervaringen van causaliteit, het gevoel van controle op de kunstmatig ledematen of iets te veroorzaken 17gebeuren. Robotic prothesen zijn geautomatiseerde machines die de gebruiker met samenwerken moet geavanceerde aan taken effectief uitvoeren. Sommige prothetische lidmaten hebben opgenomen autonome functies zoals grip-slip opsporing en correctie; Toch hebben deze systemen beperkte goedkeuring gezien als functionaliteit uitgevoerd buiten de controle van de gebruiker zo frustrerend kan worden bekeken als die nog niet op de juiste manier geïmplementeerd8,18. Dit vormt een fundamentele uitdaging die wordt weerspiegeld in de gehele toepassingen van menselijke samenwerking met autonome machines. Dat wil zeggen, mensen vertrouwen vaak hun eigen acties over die welke voortvloeien uit een samenwerking met computers of machines, en dit vertrouwen beïnvloedt direct kans op een operator's gebruik van de autonome functies19,20. Als mensen vertrouwen we aangeboren onszelf en onze lichamen voor het uitvoeren van de acties die wij van plan; Wanneer dit gebeurt, stellen wij een intrinsieke betekenis van Agentschap. Interessant is dat wordt de vorming van het Agentschap beïnvloed in samenwerkingsmaatregelen mens-computer. Tijdens de coöperatieve taken mens-mens, kan een gemeenschappelijk besef van Agentschap worden gevormd over verkeer21; de literatuur suggereert echter dat gedeelde Agentschap is bezwaard tijdens mens-computer samenwerking22,23. Deze uitdagingen worden weerspiegeld in prothetische Opper-ledemaat gebruik, en de tarieven van de afwijzing van robotic apparaten hoog blijven, met 23-39% van gebruikers stoppen met hun gebruik24. In feite, veel gebruikers van de prothese nog steeds de voorkeur lichaam-aangedreven systemen25. Deze systemen de geautomatiseerde machine verwijderen uit de lus van de controle en meer koppel nauw de gebruiker van de beweging van het lichaam naar de prothese verkeer via de kabels van de draad. Dit versterkt verder het belang van cognitieve integratie in het gebruik van geavanceerde protheses. Wij stellen voor dat NMI systemen een aantal de nodige sensorische en motorische stukken leveren kunnen te helpen bewegen kunstledematen dichter aan de oprichting van een coöperatieve gevoel van Agentschap, en dit zal behulpzaam zijn bij het bevorderen van de aanvaarding en de daadwerkelijke integratie van deze geautomatiseerde machines met hun gebruikers.
Agentschap kan worden gemeten op een aantal manieren. De eenvoudigste maatregelen gebruik psychofysische vragenlijsten of schalen dat expliciet vragen deelnemers aan wie of wat zij schrijven een gebeurtenis17,26,27. Dit is gebaseerd op de bestaande perceptie van een individu van "zelf" door te eisen dat de deelnemers aan de inferentiële vellen van zelfstandige attributie (d.w.z., expliciet beoordelen of "I" of een andere entiteit verantwoordelijk voor een actie of gebeurtenis was). Impliciete maatregelen inzicht geven in de achtergrond cognitieve processen die zich tijdens de motor actie en zintuiglijke evenementen voordoen. Deze weergave van Bureau probeert te meten die niet expliciet is gezien door een individu. Meestal is dit bereikt doordat deelnemers een waargenomen verschil in zelf en extern-gegenereerde acties, bijvoorbeeld met deelnemers verslag de tijdsduur dat die ze waargenomen optreden tussen een gebeurtenis zelf en extern-gegenereerde karakteriseren 17 , 28. tijdens het uitvoeren van de automatisch gegenereerde acties, agentschap impliciet manifesteert als een perceptuele compressie in tijd tussen acties en hun zintuiglijke gevolgen, bekend als opzettelijk bindende28. Als individuen Rapporteer de tijd die zij waargenomen optreden tussen een actie en het resultaat daarvan, overeen een kortere waargenomen tijdsduur met een sterker gevormde gevoel van Agentschap29,30. Interessant, is gebleken dat expliciete en impliciete maatregelen niet direct correleren kunnen zoals ze zijn waarschijnlijk het karakteriseren van verschillende mechanismen van perceptuele17 , die samen het gevoel van het Agentschap op de hoogte. Als zodanig zal tot de oprichting van een vollediger begrip van de formatie van het Agentschap tijdens het gebruik van de prothese waarschijnlijk vereisen experimentele protocollen dienst zowel impliciete als expliciete maatregelen.
Dit werk beschrijft een methodologisch kader dat kan worden gebruikt voor expliciet en impliciet karakteriseren het gevoel van agentschap ontwikkeld over de controle van de NMI van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen. Twee technieken voor het meten van Agentschap tijdens het uitvoeren van een sensomotorische object-grijpen taak worden gemarkeerd. Gevestigde psychofysische vragenlijsten zijn te vangen de expliciete ervaring van Bureau, terwijl de schatting van de interval tijd (opzettelijke bindende) worden gebruikt impliciet het meten van het gevoel van agentschap werkzaam.
Het toepassingsgebied van dit protocol is het evalueren van het gevoel van het Agentschap in het kader van een NMI waarmee fysiologisch relevante actieve motorische controle en kinesthetische feedback. Deze technieken zijn gegeneraliseerd tot virtuele of fysieke prothetische NMI-systemen. Er zijn minimale beperkingen op de populaties die kunnen worden aangeworven voor het uitvoeren van dit protocol. Bijvoorbeeld, de mobiliteit van de bovenste ledematen van de deelnemer bilateraal kan niet worden beïnvloed (zij moeten een gezonde ledematen), en zij moeten beschikken over het cognitieve vermogen te vellen op basis van tijd en articuleren ervaren sensaties.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dit protocol eerder heeft goedgekeurd en volgt de richtsnoeren van de Cleveland Clinic's menselijke onderzoek ethisch comité.
1. hardware en Software van het NMI
- Tot stand brengen van elke individuele deelnemer NMI controle en feedback zodat wanneer ze proberen om uit te voeren van een beweging, ze zien en voelen van een virtuele prothese die beweging te voltooien.
- Een hand kinesthetische percept door de deelnemer NMI genereren en vastleggen van de kinematica van de waargenomen beweging door het hebben van de deelnemer laten zien wat ze voelen met hun intacte hand.
Opmerking: Technieken te karakteriseren kinesthetische percept kinematica hebben geïllustreerd in andere works8 en kunnen worden bereikt met behulp van een gegevens-handschoen of een optische bewegingssysteem vastleggen. - Een virtuele hand/prothetische simulatie te reproduceren de kinematica van de beweging percept gebruiken.
- Hardware instellen om vast te leggen van de opzettelijke hand beweging controle signalen van de deelnemer NMI.
- Deze controle-signaal toewijzen aan de activiteit van de virtuele prothese.
- Maak een hoofdsectie programma dat het verwerven van het stuursignaal NMI, de beweging van de virtuele prothese en de generatie van kinesthetische NMI feedback in real-time coördineert.
- Een hand kinesthetische percept door de deelnemer NMI genereren en vastleggen van de kinematica van de waargenomen beweging door het hebben van de deelnemer laten zien wat ze voelen met hun intacte hand.
2. experimentele opstelling
- Zetel van de deelnemer en de positie van een monitor horizontaal (dat wil zeggen, op zijn rug, naar boven gericht) op een tafel voor hen.
- De virtuele prothese op de monitor weergegeven en de grootte en locatie aanpassen, zodat het congruently is geplaatst met de locatie van de ontbrekende ledematen.
- Objecten (bijvoorbeelddrijvende ballen) maken in het virtuele milieu om te dienen als stop punten voor de nauwe en open posities van de hand (eindpunten van beweging).
- De hoofdsectie programma zodanig configureren dat wanneer de virtuele cijfers maken contact met de virtuele stop punten, een auditieve Toon wordt afgespeeld na een instelbare tijd (300, 500, 700 of 1000 ms).
3. de proefomstandigheden
- Bouwen van een invoerbestand voor de hoofdsectie programma waarmee de instellingen voor elk afzonderlijk experiment, met inbegrip van de auditieve Toon vertraging, ongeacht de NMI-feedback is ingeschakeld, aan/uit, de snelheid en richting van de virtuele hand beweging, en de vertraging tussen de opdracht en de virtuele hand beweging.
- Maak twee controlevoorwaarden, een basislijn en een passieve toestand.
- Configureer voor de referentietoestand, de kinematica en de controle van de virtuele hand aan het NMI kinesthetische percept.
Opmerking: De referentietoestand vertegenwoordigt de ideale congruency voor motor bedoeling, verkeer kinematica en kinesthetische feedback. - De passieve voorwaarde voor het uitvoeren van een virtuele hand beweging wanneer geactiveerd door de onderzoeker (door het besturingselement te verwijderen van de gebruiker) terwijl nog het verstrekken van de deelnemer met de NMI kinesthetische percept Program.
Opmerking: De passieve toestand vangt de theoretische worst-case Agentschap voorwaarden (d.w.z., verkeer in de afwezigheid van controle [zonder opzet], soortgelijk aan iemands lichaam wegvloeien passief).
- Configureer voor de referentietoestand, de kinematica en de controle van de virtuele hand aan het NMI kinesthetische percept.
- Programma aanvullende voorwaarden ter parseren uit de bijdragen aan het Agentschap van motor intentie, kinesthetische sensatie en temporele wanverhouding met de weergegeven kinematica van de virtuele prothese. Overweeg het gebruik van de volgende vijf voorwaarden.
- Tegenover de beweging: de NMI kinesthetische feedback geeft aan dat de hand sluit terwijl de hand visualisatie wordt geopend.
- Te snel: de hand visualisatie sluit sneller dan aangegeven door de NMI kinesthetische feedback.
- Te traag: de hand visualisatie sluit langzamer dan wordt aangegeven door het NMI kinesthetische feedback.
- Begin vertraging: de hand visualisatie sluit 1 s later dan aangegeven door de NMI kinesthetische feedback.
- Geen feedback: de hand visualisatie wordt gesloten zonder een NMI kinesthetische feedback.
- Maak twee controlevoorwaarden, een basislijn en een passieve toestand.
4. uitvoering van het Experiment
- Instrueren deelnemers naar station de hand van de open naar de gesloten positie zonder te stoppen en te rapporteren hun schatting van de tijdvertraging van toen de virtuele cijfers contact met de virtuele stop punten toen ze de auditieve Toon hoorde.
Opmerking: Deelnemers kunt een vertegenwoordiging van tijd tussen 0 en 1 s die het meest zinvol voor hen (bvmilliseconden, fracties van seconden, een 0 - 10 schaal). - Elk afzonderlijk experiment starten door het indrukken van een startknop op de hoofdsectie-programma, dat wordt verplaatst van de virtuele hand naar de startpositie, signalering van het begin van de proef. Dit cues de deelnemer om te rijden de virtuele hand naar de virtuele stop punten, waardoor een auditieve Toon te spelen na een gerandomiseerde vertraging (300, 500 of 700 ms).
- Opnemen van de deelnemer verbaal gerapporteerde schatting van het tijdsinterval voor de vertraging.
- Organiseren van proeven in experimentele blokken.
- Beginnen met twee oefensessies en hen uitsluiten van de definitieve analyse.
- In de eerste oefensessie, de deelnemers rijden de hand tot aan het eindpunt van de beweging en spelen de auditieve Toon 1000 ms na de virtuele cijfers de virtuele stop punten voor 10 proeven bereiken.
- Deelnemers hoeven niet te melden van de geschatte intervallen voor deze oefensessie.
Opmerking: Deze stap is noodzakelijk om te oriënteren van de deelnemers op hoe lang een honkslag tweede voelt.
- Deelnemers hoeven niet te melden van de geschatte intervallen voor deze oefensessie.
- In de tweede oefensessie, nogmaals, hebben de deelnemers rijden de hand tot aan het eindpunt van de beweging. Randomize de auditieve tonen zodat de 300, 500 en 700 ms vertraging intervallen worden ten minste 5 x elk gepresenteerd.
- Vragen van deelnemers aan het verslag van de geschatte vertraging intervallen.
- Doen niet informeren van de deelnemer van hoe dicht hun ramingen van de vertraging intervallen de werkelijke vertraging tijdens deze praktijk proeven of latere proeven in het experimentele blok zijn.
Opmerking: Deze stap is belangrijk, omdat deelnemers onervaren wellicht zal in tijd oordeelvorming op een schaal van fracties van een seconde, en de testprocedure mogelijk niet intuïtief aan de deelnemer van de unpracticed test.
- In de eerste oefensessie, de deelnemers rijden de hand tot aan het eindpunt van de beweging en spelen de auditieve Toon 1000 ms na de virtuele cijfers de virtuele stop punten voor 10 proeven bereiken.
- Verplaats naar experimentele sets van 15 proeven voor elke voorwaarde. De voorwaarden in een willekeurige volgorde presenteren en beheren van een vragenlijst aan het einde van elke voorwaarde.
- Instrueren van de deelnemers te reflecteren over de nieuwste reeks proeven en vul de vragenlijst van de acht-verklaring Agentschap (omvat vier vragen aan het kwantificeren van de expliciete ervaring van Agentschap en vier controle vragen [voorbeeld waarin de Aanvullende bestand])8,26.
- Randomize de verklaringen van de vragenlijst voor ten minste vijf unieke vraag bestellingen te willekeurig worden voorgelegd aan de deelnemers.
- Instrueren van de deelnemers te reflecteren over de nieuwste reeks proeven en vul de vragenlijst van de acht-verklaring Agentschap (omvat vier vragen aan het kwantificeren van de expliciete ervaring van Agentschap en vier controle vragen [voorbeeld waarin de Aanvullende bestand])8,26.
- Beëindigen van het experimentele blok met een set van 15 proeven voor de passieve voorwaarde en beheren van een vragenlijst na het voltooien van deze proeven.
Opmerking: Beheren de passieve proeven aan het einde van elk experimentele blok te voorkomen bemoeien met een gevestigde gevoel van Agentschap.
- Beginnen met twee oefensessies en hen uitsluiten van de definitieve analyse.
- Volledige experimentele vier blokken met verschillende gerandomiseerde orders experimentele omstandigheden.
- Meerdere mogelijkheden bieden gedurende de looptijd van het testen voor de deelnemers om een pauze te nemen. Er is geen minimale tijd of de termijn voor deze onderbrekingen, maar zorg ervoor de deelnemer niet fysiek of mentaal vermoeid vóór voortzetting van het testen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het experimentele protocol werd uitgevoerd met drie geamputeerde deelnemers die een zintuiglijke virtuele prothese via hun NMI8 (Figuur 1). De setup gebruikt een deelnemer-controleerbaar virtuele hand voorgeprogrammeerde kinematische profielen met behulp van de MuJoCo HAPTIX natuurkunde motor31doorlopen. De virtuele hand werd getoond op een horizontale monitor voor de deelnemers aan een locatie ruimtelijk congruent zijn met hun ontbrekende ledematen. Het NMI deelnemers hadden eerder ondergaan een chirurgische neurale rewiring procedure (gerichte reinnervation), die ging gepaard met standaard prothetische ledematen LED (EMG) bestrijdingsstrategieën te bieden intuïtieve bediening van de virtuele hand32; dus konden de deelnemers Fly-by de virtuele hand 'denken' over het openen en sluiten hun ontbrekende hand. Strategische trillingen van de deelnemers operatief bedrading spieren geïnduceerde illusoir percepties van hand beweging, bieden een platform voor kinesthetische sensorische feedback8. Via aangepaste software, werden EMG controle handgebaren en virtuele prothese renderings geïntegreerd met de output van een vibratie feedback apparaat. Wanneer de deelnemer geïnitieerd een beweging van de weergegeven virtuele hand, zou de trillingen veroorzaken een overeenkomstige gecompenseerde sensatie van een complexe greep beweging in de ontbrekende hand.
Figuur 1: een voorbeeld setup dat voldoet aan de eisen te karakteriseren Agentschap. Deze instelling biedt de gebruiker met intuïtieve bediening en kinesthetische feedback van een weergegeven virtuele hand. Virtuele handbediening en feedback worden bereikt via de neurale / machine-interface met behulp van LED controle en stimulatie van de trilling (opwekken illusoir verkeer waarnemingen van de ontbrekende ledematen) van de geamputeerden reinnervated musculatuur. Controle en feedback zijn gecoördineerd door middel van een data-acquisitiesysteem en de computer met aangepaste software. Virtuele hand bewegingen worden weergegeven aan de gebruiker via een horizontale monitor. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2A is de vergelijking van expliciete maatregelen van het Agentschap uit hoofde van elk van de voorwaarden van feedback voorzien. Hier, worden de gemiddelde score voor de vier agentschap vragen (en vier controle vragen) uitgezet voor elke deelnemer en door elke feedback voorwaarde. In figuur 2B, zijn deze individuele deelnemer scores gemiddeld en die feedback een voorwaarde, zijn getekend met de foutbalken die vertegenwoordigen de gemiddelde standaardafwijking. Een gemiddelde rating groter is dan 1 duidt een overeenkomst met een bepaalde verklaring en de 0 duidt neutraliteit van26van de overeenkomst. Hogere overeenkomst classificaties (≥ 1) voor het Agentschap vragen geven een grotere ervaring van Agentschap. De antwoorden op de vragen van de controle moeten negatieve of neutrale (≤ 0) en een score tussen 0 en 1 zo onduidelijk is genomen. De 'baseline', 'te snel' en 'geen feedback' voorwaarde aangetoond dat de laagste gemiddelde interval schat die aangeeft de sterkste zin van Agentschap gevormd, terwijl de 'passieve' en 'tegenover beweging' voorwaarden aangetoond de zwakste zin van Agentschap.
Figuur 2: expliciete maatregelen van het Agentschap uit hoofde van elke feedback voorwaarde. (A) de gemiddelde score voor de vier Agentschap en vier controle vragen aan elke deelnemer onder elke feedback voorwaarde verstrekt. (B) de gemiddelde scores over deelnemers onder elke feedback voorwaarde. De foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie. In beide percelen, een gemiddelde rating meer dan + 1 geeft aan dat de overeenkomst en, voor het Agentschap vragen, de vorming van het Agentschap, terwijl 0 geeft aan dat de neutraliteit. Dit cijfer is gewijzigd van Marasco et al. 8. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Voor een vergelijking van opzettelijke bindend in feedback een voorwaarde, figuur 3A toont het tijdsinterval schat voor elke deelnemer, gemiddeld volgens feedback voorwaarde. Verschillen tussen de werkelijke en waargenomen tijdsintervallen waren dan gemiddeld over de drie deelnemers en worden gepresenteerd in figuur 3B ten opzichte van de feedback van de referentietoestand. Foutbalken geven de gemiddelde standaardafwijking. Lagere tijdsinterval (figuur 3A) schat en grotere negatieve verschillen (figuur 3B) zijn een indicatie van een sterker impliciete betekenis van het Agentschap. De 'te snel' voorwaarde, gevolgd door de referentietoestand aangetoond de laagste gemiddelde interval raming, met vermelding van de sterkste zin van Agentschap gevormd, dat de voorwaarde 'tegenover beweging' gebleken de zwakste zin van agentschap dat.
Figuur 3: Impliciete maatregelen van het Agentschap via tijd interval schattingen onder elke feedback voorwaarde. (A) de gemiddelde interval schat voor het interval van de vertraging tussen de voltooiing van de virtuele hand dicht en de auditieve Toon uitgezet voor elke deelnemer over elk willekeurig gepresenteerd werkelijke interval. De resultaten worden uitgezet voor elke voorwaarde die feedback, en een lagere tijd schatting geeft aan een sterker gevoel van Agentschap. Deze panelen zijn gewijzigd van Marasco et al. 8. (B) het gemiddelde verschil (over deelnemers en vertraging intervallen) tussen de werkelijke tijdvertraging en van de deelnemer geschat tijdsinterval ten opzichte van de feedback van de referentietoestand. De resultaten worden uitgezet voor beide. Hier, een meer negatieve waarde wijst op een sterkere gemiddelde gevoel van Agentschap en CI duidt 95% betrouwbaarheidsinterval (CI). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 zorgt voor een vergelijking van expliciete en impliciete Agentschap maatregelen. Het gemiddelde verschil tussen de werkelijke en waargenomen tijdsintervallen worden uitgezet ten opzichte van de resultaten van de feedback van de referentietoestand, en met betrekking tot de gemiddelde Agentschap vragenlijst scores voor elke voorwaarde die feedback. In deze presentatie van gegevens, verplaatsen van links naar rechts op de x-as geeft een daling van de expliciete ervaring van Agentschap en verplaatsen van onder naar boven op de y-as geeft aan een daling van de impliciete betekenis van het Agentschap. Zoals in Figuur 2 en Figuur 3aangetoond de "te snel" voorwaarde de sterkste vorming van Agentschap, zowel impliciet als expliciet.
Figuur 4: gemiddelde expliciete en impliciete maatregelen van Agentschap voor feedback een voorwaarde, het combineren van de resultaten gepresenteerd in figuur 2B en figuur 3B. De gemiddelde expliciete Agentschap resultaten worden uitgezet op de x-as en de gemiddelde interval ramingen op de y-as worden uitgezet. De foutbalken duiden standaarddeviatie. Verplaatsen van links naar rechts op de x-as wijst op een daling in de expliciete ervaring van Agentschap en verplaatsen van onder naar boven op de y-as geeft aan een daling van de impliciete betekenis van het Agentschap. Dit cijfer is gewijzigd van Marasco et al. 8. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hier wordt een methodologisch kader gepresenteerd om het karakteriseren van de ervaring van Agentschap gevormd terwijl de bedrijfslasten zintuiglijke prothesen via NMIs. In dit verband is agentschap met name relevant als overbrugt het fysieke handeling op de achtergrond cognitieve processen die vorm van perceptie. Door een deelnemer prothese en NMI, we hebben directe toegang tot een aantal belangrijke elementen die het gevoel van het Agentschap vast: intentie, motor output en verkeer sensatie. Van belang is voor de controle van de geavanceerde prothetische ledematen, de instrumenten als bedoeld in dit werk hefboomwerking deze directe toegang om te helpen met het ontgrendelen van een goed begrip van hoe deze elementen kunnen bevorderen van de gebruiker gevoel van controle over, en de cognitieve integratie van, de acties van hun prothese.
De technieken die gemarkeerd zijn flexibel in dat ze kunnen worden gebruikt met elke NMI onderzoek en klinische prothetische systeem zo lang als zij voldoen aan de criteria voor real-time perceptually relevante controle en kinesthetische feedback. Het voordeel inherent aan vele NMIs is het potentieel voor intuïtieve bediening bereikt door gebruik te maken van de zenuwbanen die postamputation blijven. Dit zorgt voor de meting van de resterende fysiologische activiteit dat zodra vergezeld intact ledemaat verkeer, die kunnen op hun beurt worden gedecodeerd en toegewezen aan de juiste virtuele of prothetische ledematen beweging. Derhalve meeste NMI technieken moeten voldoen aan de vereisten voor perceptually relevante besturingselement, in staat gesteld dat de opgenomen neurale activiteit en de begeleidende digitale interface kunnen produceren betrouwbare uitgangssignalen die op de juiste wijze kunnen worden toegewezen aan de virtuele hand. De experimentele opzet vereist ook een systeem onderzoekers te voorzien van de mogelijkheid om actief initiëren kinesthetische sensaties in real-time met de weergegeven virtuele hand kinematica. Dit is een kritieke eis als een gevoel van het Agentschap over de verplaatsingen wordt ingesteld wanneer we deelnemen aan een actie en passende sensorische feedback tijdens de voltooiing van die actie13wordt geretourneerd. Opnieuw, zolang dit criterium wordt voldaan, de meeste elke NMI kinesthetische feedbacksysteem dient.
De technieken die hier gepresenteerd hebben het voordeel van de evaluatie van zowel expliciete en impliciete cognitief-perceptuele maatregelen van Agentschap. Er is bewijs voor te stellen dat elk een resultaat van afzonderlijke cognitieve mechanismen die zijn kan, samen een compleet gevoel van Agentschap17 vormen; Er is echter nog steeds niet een volledig inzicht in deze relatie. De resultaten van deze maatregelen zijn kwantitatieve en gemakkelijk geïnterpreteerd. Afname in tijd interval ramingen suggereren dat een sterker impliciete gevoel van agentschap werd opgericht. Ook geven hogere scores van de vragenlijst over de verklaringen van het Agentschap een sterkere expliciete ervaring van Agentschap. Er wordt voorgesteld dat deze kwantitatieve waarden een basis te evalueren en tune NMI controle en sensorische feedback kunnen verschaffen. Bijvoorbeeld, in een vorige werk8 die hier worden gemeld in Figuur 4, deelnemers vaak gemeld kleinere waargenomen tijdsintervallen, en expliciet sterker waargenomen Agentschap wanneer een virtuele hand werd weergegeven dat iets sneller gesloten zij ervaren dan de kinesthetische sensatie. Dit geeft aan dat de gebruiker een sterker gevoel van controle over de acties van de hand voelde, zoals expliciet gemeld, maar stelt ook voor dat de cognitieve processen die dit gevoel van controle sterker stellen met dit sneller kinematische display associëren. Als zodanig is een aanpassing van de NMI-controleregeling van een klinisch prothese voor snellere hand sluiten kan helpen verbeteren van de gebruiker percepties van controle over hun fysieke apparaat en moedigen de gebruiker identificeren van hun apparaat acties als self-generated.
De technieken gepresenteerd kunnen ook worden gebruikt om te vormen van een vollediger begrip van hoe meerdere zintuiglijke modaliteiten percepties van eigendom over kunstmatige ledematen kunnen beïnvloeden. Touch sensorische feedback (of andere zintuiglijke modaliteiten) kunnen bijvoorbeeld worden opgenomen in het paradigma dat hier gepresenteerd ter evaluatie van hun mogelijke individuele rollen in de zin van Bureau potentiating. Bovendien, kunnen de technieken die hier gepresenteerd gekoppeld worden aan maatregelen van eigendom te grondiger karakteriseren de relaties tussen het Agentschap en belichaming afzonderlijke zintuiglijke modaliteiten. De methoden die wellicht ook bredere toepasbaarheid buiten NMI bestuurde apparaten. Soortgelijke experimentele taken kunnen worden uitgevoerd met complexe systemen (zoals LED patroonherkenning), traditionele LED prothesen, lichaam-aangedreven systemen, alsmede systemen zonder NMI sensorische feedback. Dit kan zorgen voor een uniek perspectief begrijpen hoe cognitieve processen reageren op minder 'natuurlijke' controle en feedback paradigma's en inzicht verwerven in hoe Agentschap en percepties van controle tijdens het gebruik van meer traditionele onderzoek optreden kunnen of klinische prothese systemen.
Als robot prothesen steeds meer verfijnd groeien, zodat ook doet de behoefte aan effectieve controle en cognitieve integratie van deze apparaten. Sensatie is een pad naar het aanpakken van een aantal kritische belemmeringen en zijnde kundig voor het beoordelen van de onderliggende mechanismen die beweging sensatie en informatie verwerken is een belangrijk stuk. De tools hier kunnen helpen vergemakkelijken de integratie van apparaten met gebruikers door het karakteriseren van de expliciete en impliciete vorming van Agentschap. Deze technieken helpen het kwantificeren van de voordelen van de aangeboren toegang tot het intuïtieve motorische controle en sensatie dat NMIs bepalen kunnen en een platform voor beoordeling en afstemmen biedt, uiteindelijk verbeteren van de gebruiker perceptie van controle van hun kunstmatige ledemaat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs bedank Madeline Newcomb voor haar bijdragen aan de generatie van de figuur. Dit werk werd gefinancierd door de Amerikaanse belastingbetaler via een NIH, Bureau van de directeur, gemeenschappelijk fonds, transformatieve R01 Research Award (subsidie #1R01NS081710-01) en de Defense Advanced Research Projects Agency (contractnummer N66001-15-C-4015 onder auspiciën van Biologie technologie programma officemanager D. Weber).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LabVIEW 2015, Service Pack 1, Version 15.0.1f2 64-bit | National Instruments, Austin, TX, USA | Full or Pro Version | We wrote custom software in LabVIEW to coordinate virtual prosthesis control with kinesthetic feedback as well as to present experimental conditions and record data. |
| 8-Slot, USB CompactDAQ Chassis | National Instruments, Austin, TX, USA | cDAQ-9178 | |
| ±60 V, 800 kS/s, 12-Bit, 8-Channel C Series Voltage Input Module | National Instruments, Austin, TX, USA | NI-9221 | |
| 100 kS/s/ch Simultaneous, ±10 V, 4-Channel C Series Voltage Output Module | National Instruments, Austin, TX, USA | NI-9263 | |
| Custom Wearable Kinesthetic Tactor | HDT Global, Solon, OH, USA | N/A | This item was custom made. Other methods of delivering kinesthetic feedback are acceptable as long as the participant feels the sensation of the hand moving in real-time with the movements of the virtual hand. |
| MuJoCo Physics Engine, HAPTIX Version | Roboti LLC, Redmond, WA, USA | mjhaptix150 | Newer versions of MuJoCo should be acceptable as well. We used the MPL Gripper Model. |
| Myobock Electrodes, powered by Otto Bock EnergyPack in MyoBoy Battery Receptacle | Ottobock, Duderstadt, Germany | electrodes: 13E200=60 battery: 757B21 battery receptacle: 757Z191=2 |
Any setup that provides an amplified, filtered, and rectified EMG or neural control signal could be used. |
References
- Kuiken, T. A., Marasco, P. D., Lock, B. A., Harden, R. N., Dewald, J. P. A. Redirection of cutaneous sensation from the hand to the chest skin of human amputees with targeted reinnervation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (50), 20061-20066 (2007).
- Hebert, J. S., et al. Novel targeted sensory reinnervation technique to restore functional hand sensation after transhumeral amputation. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 22 (4), 765-773 (2014).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. Science Translational Medicine. 257 (6), (2014).
- Oddo, C. M., et al. Intraneural stimulation elicits discrimination of textural features by artificial fingertip in intact and amputee humans. eLife. 5 (MARCH2016), (2016).
- Raspopovic, S., et al. Bioengineering: Restoring natural sensory feedback in real-time bidirectional hand prostheses. Science Translational Medicine. 6 (222), (2014).
- Flesher, S. N., et al. Intracortical microstimulation of human somatosensory cortex. Science Translational Medicine. 8 (361), (2016).
- Tabot, G. A., et al. Restoring the sense of touch with a prosthetic hand through a brain interface. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (45), 18279-18284 (2013).
- Marasco, P. D., et al. Illusory movement perception improves motor control for prosthetic hands. Science Translational Medicine. 10 (432), (2018).
- Horch, K., Meek, S., Taylor, T. G., Hutchinson, D. T. Object discrimination with an artificial hand using electrical stimulation of peripheral tactile and proprioceptive pathways with intrafascicular electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (5), 483-489 (2011).
- Braun, N., et al. The senses of agency and ownership: A review. Frontiers in Psychology. 9 (APR), (2018).
- Van Den Bos, E., Jeannerod, M. Sense of body and sense of action both contribute to self-recognition. Cognition. 85 (2), 177-187 (2002).
- Botvinick, M., Cohen, J. Rubber hands "feel" touch that eyes see. Nature. 391 (6669), 756 (1998).
- Gallagher, S. Philosophical conceptions of the self: Implications for cognitive science. Trends in Cognitive Sciences. 4 (1), 14-21 (2000).
- Niedernhuber, M., Barone, D. G., Lenggenhager, B. Prostheses as extensions of the body: Progress and challenges. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 92, 1-6 (2018).
- Marasco, P. D., Kim, K., Colgate, J. E., Peshkin, M. A., Kuiken, T. A. Robotic touch shifts perception of embodiment to a prosthesis in targeted reinnervation amputees. Brain. 134 (3), 747-758 (2011).
- Rognini, G., Blanke, O. Cognetics: Robotic Interfaces for the Conscious Mind. Trends in Cognitive Sciences. 20 (3), 162-164 (2016).
- Dewey, J. A., Knoblich, G. Do implicit and explicit measures of the sense of agency measure the same thing. PLoS ONE. 9 (10), (2014).
- Edwards, A. L. Adaptive and Autonomous Switching: Shared Control of Powered Prosthetic Arms Using Reinforcement Learning. , University of Alberta. Master's thesis (2016).
- Desai, M., Stubbs, K., Steinfeld, A., Yanco, H. Creating trustworthy robots: Lessons and inspirations from automated systems. Adaptive and Emergent Behaviour and Complex Systems - Proceedings of the 23rd Convention of the Society for the Study of Artificial Intelligence and Simulation of Behaviour, AISB 2009. , 49-56 (2009).
- Lee, J. D., See, K. A. Trust in automation: designing for appropriate reliance. Human Factors. 46 (1), 50-80 (2004).
- Moore, J. W. What is the sense of agency and why does it matter? Frontiers in Psychology. 7 (AUG), 1-9 (2016).
- Obhi, S. S., Hall, P. Sense of agency in joint action: Influence of human and computer co-actors. Experimental Brain Research. 211 (3-4), 663-670 (2011).
- Sahaï, A., Pacherie, E., Grynszpan, O., Berberian, B. Co-representation of human-generated actions vs. machine-generated actions: Impact on our sense of we-Agency? 2017 26th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN). , Lisbon, Portugal. August 28 - September 1, 2017 (2017).
- Biddiss, E., Chau, T. Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years. Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).
- Atkins, D. J., Heard, D. C. Y., Donovan, W. H. Epidemiologic overview of individuals with upper-limb loss and their reported research priorities. Journal of Prosthetics and Orthotics. 8 (1), 2-11 (1996).
- Kalckert, A., Ehrsson, H. H. Moving a Rubber Hand that Feels Like Your Own: A Dissociation of Ownership and Agency. Frontiers in Human Neuroscience. 6 (March), 1-14 (2012).
- Caspar, E. A., Cleeremans, A., Haggard, P. The relationship between human agency and embodiment. Consciousness and Cognition. 33, 226-236 (2015).
- Haggard, P., Clark, S., Kalogeras, J. Voluntary action and conscious awareness. Nature Neuroscience. 5 (4), 382-385 (2002).
- Engbert, K., Wohlschläger, A., Haggard, P. Who is causing what? The sense of agency is relational and efferent-triggered. Cognition. 107 (2), 693-704 (2008).
- Moore, J. W., Wegner, D. M., Haggard, P. Modulating the sense of agency with external cues. Consciousness and Cognition. 18 (4), 1056-1064 (2009).
- Kumar, V., Todorov, E. MuJoCo HAPTIX: A virtual reality system for hand manipulation. 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , Seoul, South Korea. November 3 - 5, 2015 (2015).
- Kuiken, T. A., et al. Targeted reinnervation for enhanced prosthetic arm function in a woman with a proximal amputation: a case study. Lancet. 369 (9559), 371-380 (2007).
