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Behavior

Caractérisation du sens de l’Agence sur les Actions de Neural-machine Interface commande prothèses

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58702
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1, 3, 1,4
1Laboratory for Bionic Integration, Department of Biomedical Engineering, Lerner Research Institute, Cleveland Clinic, 2Research Service, Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 3Department of Biomedical Engineering, Stevens Institute of Technology, 4Advanced Platform Technology Center, Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center

Summary

Nous présentons ici un protocole qui caractérise le sens de l’agence mis au point pour le contrôle de sensorielles mains prothétiques virtuels ou robotiques. Psychophysiques questionnaires sont utilisés pour rendre l’expérience explicite de l’agence, et estimations d’intervalle de temps (liaison intentionnelle) sont employées pour mesurer implicitement le sens de l’Agence.

Abstract

Cet ouvrage décrit un cadre méthodologique qui peut être utilisé pour explicitement et implicitement caractériser le sens de l’agence mis au point sur le contrôle neural-machine interface (NMI) de sensorielles mains prothétiques virtuels ou robotiques. La formation de l’Agence est fondamentale pour distinguer les actions que nous effectuons avec nos membres comme étant notre propre. En s’efforçant d’intégrer les avancées des prothèses du membre supérieur dans ces mêmes mécanismes perceptifs, nous pouvons commencer à intégrer plus étroitement une prothèse cadre cognitif actuel de l’utilisateur pour le contrôle de la branche. Ceci a des implications importantes pour promouvoir l’acceptation par l’utilisateur, l’utilisation et un contrôle efficace des avancées prothèses du membre supérieur. Dans ce protocole, participants contrôlent une main prothétique virtuelle et rétroaction sensorielle kinesthésique à travers leurs INM préexistants. Exécute une série de tâches de préhension virtuels et perturbations sont systématiquement introduites dans les réactions kinesthésique et les mouvements de main virtuelle. Deux mesures distinctes d’agence sont employés : mis en place des questionnaires psychophysiques (pour capturer l’expérience explicite de l’Agence) et un intervalle de temps estiment tâche pour capturer le sens implicit de l’Agence (liaison intentionnelle). Résultats du présent protocole (scores du questionnaire et l’intervalle de temps estime) peuvent être analysées afin de quantifier le degré de formation de l’Agence.

Introduction

Comme les prothèses robotiques deviennent de plus en plus avancées, l’importance de la rétroaction sensorielle pertinente va continuer à croître. La rétroaction sensorielle influe sur les humains perçoivent, interagissent avec et même intègrent les machines dans leur schéma de corps. Les techniques récentes de NMI peuvent maintenant fournir membre utilisateurs contrôle intuitif et atteindre des sensations associées à touchent1,2,3,4,5,6 , 7 et kinesthésie (détection de mouvement)8,9 membres manquants. Lorsque cette information sensorielle est jumelée avec l’information visuelle fournie en regardant le membre artificiel au cours de l’opération, nous avons accès à des éléments clés qui informent la distinction d’auto -versus-autres. S’appuyant sur cet accès peut aider à mettre les utilisateurs de membre un pas de plus à une prothèse de fonctionnement dans le cadre de leur corps, plutôt qu’un simple outil.

Conscience du corps et le sentiment d’être incarné résulte de la mise en place de l’Agence (l’expérience de l’auteur sur les actions d’un membre) et de la propriété (le sentiment qu’une branche est une partie du corps)10,11. Propriété est véhiculée principalement par le biais de l’intégration du toucher et de l’information visuelle12. Agence se dégage de l’intégration de l’intention, sensation de mouvement (kinesthésie), des informations visuelles et les modèles cognitifs prédictive11. Pendant l’exécution d’une action volontaire, l’Agence se forme lorsque les conséquences sensorielles de ladite action alignent avec l’intention de l’artiste et les prédictions de modèles internes13 de l’interprète. L’Agence est indépendante et distincte de la propriété. Le concept de propriété de membre a été étudié fréquemment dans la littérature de prothèse14. Un sens des formes de propriété limb chez les participants NMI quand rétroaction tactile est spatialement et temporellement appropriée, comme ordre mesurée explicitement par le biais de questionnaires ou implicitement des changements de température du moignon ou temporelle jugements15. Toutefois, moins d’opportunités existent pour explorer l’Agence dans le cadre du NMI16. Des travaux récents avec des participants de NMI a démontré que l’agence peut être promue de façon ponctuelle et est séparée de l’expérience de propriété8.

L’Agence est particulièrement significatif dans le fonctionnement des prothèses robotiques car c’est un lien cognitif au contrôle des actions physiques de la prothèse à travers des expériences de la causalité, le sentiment de contrôler la prothèse ou la provocation quelque chose à arriver à17. Prothèses robotiques sont avancées des machines informatisées que l’utilisateur doit coopérer avec pour réaliser efficacement des tâches. Certaines prothèses ont intégré des fonctions autonomes, telles que la poignée antidérapante détection et de correction ; Pourtant, ces systèmes ont vu adoption limitée comme fonctionnalité en cours d’exécution en dehors du contrôle de l’utilisateur peut être considérée aussi frustrante si non mise en œuvre adéquate de8,18. Cela représente un défi fondamental qui trouve un écho dans l’ensemble des applications de la coopération humaine avec les machines autonomes. Autrement dit, les humains souvent confiance à leurs propres actions sur ceux qui résultent d’une collaboration avec ordinateurs physiques ou et cette confiance influence directement la probabilité de l’opérateur d’utiliser les fonctions autonomes19,20. En tant qu’humains, nous espérons naturellement nous-mêmes et nos corps pour exécuter les actions que nous avons l’intention ; Lorsque cela est réalisé, nous établissons un sens intrinsèque de l’Agence. Fait intéressant, la formation de l’Agence est affectée à des actions de coopération homme-machine. Au cours de tâches coopératives humain, un sens partagé de l’Agence peuvent être formé au cours du mouvement21; Pourtant, la littérature suggère que l’Office partagé est grevé au cours de la coopération homme-machine22,23. Ces défis sont reflétées dans les prothèses du membre supérieur utilisation et les taux de rejet des dispositifs robotiques restent élevés, avec 23 % - 39 % d’utilisateurs cesser leur utilisation24. En fait, de nombreux utilisateurs de prothèse préfèrent encore systèmes corps25. Ces systèmes d’éliminer la machine informatisée de la boucle de régulation et plus intimement couple mouvement du corps de l’utilisateur aux prothèse mouvement via câbles. Cela renforce l’importance de l’intégration cognitive dans l’utilisation des prothèses avancés. Nous suggérons de NMI systèmes peuvent offrir un certain nombre des pièces sensorielles et motrice nécessaires pour aider à déplacer les membres artificiels plus proche pour établir un sens coopératif de l’agence, et cela jouera un rôle important dans la promotion de l’acceptation et l’intégration réelle de ces machines informatisées avec leurs utilisateurs.

L’agence peut être mesurée dans un certain nombre de façons. Les mesures les plus simples utilisent des questionnaires psychologiques ou échelles qu’explicitement demandent aux participants à qui ou à quoi ils attribuent un événement17,26,27. Cela dépend de la perception actuelle de l’individu de « soi » en demandant aux participants de porter des jugements inférentielles de l’attribution (c.-à-d., explicitement de juger si « I » ou une autre entité était responsable d’une action ou un événement). Les mesures implicites donnent un aperçu de l’arrière-plan des processus cognitifs qui se produisent pendant l’action moteur et sensoriels événements. Ce point de vue de l’Agence tente de mesurer ce qui n’est pas explicitement perçue par un individu. En général, ceci est réalisé en ayant les participants à caractériser une différence perçue en soi et extérieurement-généré par des actions, par exemple les participants signaler la durée de temps, qu'ils semblent pour se produire entre un individu et extérieurement-événement généré 17 , 28. dans l’exercice des actions autoproduites, agence implicitement se manifeste par une compression perceptuelle dans le temps entre les actions et leurs conséquences sensorielles, appelées liaison intentionnelle28. Lorsque les individus signalera le temps qu'ils ont percevaient entre une action et son résultat, une plus courte durée perçue correspond à un sentiment plus fortement formé d’agence29,30. Fait intéressant, il a été démontré que des mesures explicites et implicites peuvent corréler pas directement car ils sont sans doute caractériser différents mécanismes perceptifs17 qui informent ensemble le sens de l’Agence. À ce titre, établissant une compréhension plus globale de formation de l’Agence lors de l’utilisation de prothèses nécessitera probablement des protocoles expérimentaux utilisant des mesures explicites et implicites.

Cet ouvrage décrit un cadre méthodologique qui peut être utilisé pour explicitement et implicitement caractériser le sens de l’agence mis au point le contrôle de NMI de sensorielles mains prothétiques virtuels ou robotiques. Deux techniques pour mesurer l’agence pendant l’exécution d’une tâche d’objet-préhension sensorimoteur sont mises en évidence. Questionnaires psychologiques établis sont utilisés pour rendre l’expérience explicite de l’agence, alors que les estimations d’intervalle de temps (liaison intentionnelle) sont employées pour mesurer implicitement le sens de l’Agence.

Le champ d’application du présent protocole est d’évaluer le sens de l’Agence dans le cadre d’un NMI assurant la motricité active physiologiquement pertinente et rétroaction kinesthésique. Ces techniques peuvent être généralisées aux systèmes de NMI prothétiques virtuels ou physiques. Il y a des restrictions minimales sur les populations qui peuvent être recrutées pour effectuer ce protocole. Par exemple, la mobilité des membres supérieurs du participant ne peut être affectée de façon bilatérale (ils doivent avoir une branche saine), et ils doivent posséder la capacité cognitive de porter des jugements basés sur le temps et d’articuler des sensations expérimentées.

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Protocol

Ce protocole a été déjà approuvé et conforme aux lignes directrices du comité de déontologie de la recherche humaine de la clinique de Cleveland.

1. matériels et logiciels de l’INM

  1. Définir chaque participant individuel contrôle NMI et rétroaction afin que lorsqu’ils tentent d’effectuer un mouvement, ils voient et qu’ils sentent une prothèse virtuelle terminer ce mouvement.
    1. Générer un percept kinesthésique de main par le biais NMI du participant et capturer la cinématique du mouvement perçu en ayant le participant de démontrer ce qu’ils ressentent à l’aide de leur main intacte.
      NOTE : Techniques pour caractériser la cinématique percept kinesthésique ont été illustrés dans d’autres œuvres8 et peuvent être réalisés à l’aide d’un gant de données ou un système de capture de mouvement optique.
    2. Une simulation virtuelle main/prothétique permet de reproduire la cinématique de la perception du mouvement.
    3. Configurer le matériel pour capter les signaux de commande de mouvement de main intentionnelle de NMI du participant.
    4. Mapper ce signal de commande à l’activité de la prothèse virtuelle.
    5. Créer un programme de contrôle qui coordonne l’acquisition de signaux NMI, le mouvement de la prothèse virtuel et la génération de commentaires de NMI kinesthésique en temps réel.

2. expérimental

  1. Le participant de siège et placez un moniteur en position horizontale (c'est-à-diresur le dos, face vers le haut) sur une table en face d’eux.
  2. Affichez la prothèse virtuelle sur l’écran et ajuster sa taille et son emplacement afin qu’il soit positionné congruente avec l’emplacement de leur membre manquant.
  3. Restituer les objets (p. ex., flottant balles) dans l’environnement virtuel pour servir de points d’arrêt pour les positions étroites et ouvertes de la main (points de terminaison du mouvement).
  4. Configurer le programme de contrôle maître afin que lorsque les chiffres virtuels prendre contact avec les points d’arrêt virtuel, un signal auditif est joué après un temps réglable retarder (300, 500, 700 ou 1 000 ms).

3. experimental Conditions

  1. Créer un fichier d’entrée pour le programme de contrôle maître qui spécifie les paramètres pour chaque essai, dont le retard de ton audition, si la rétroaction NMI est mises en marche/arrêt, la vitesse et la direction du mouvement de la main virtuelle et le délai entre la commande et la mouvement de la main virtuelle.
    1. Créer deux conditions de contrôle, une ligne de base et une condition passive.
      1. Pour l’état initial, configurer la cinématique et le contrôle de la main virtuelle pour correspondre à la perception kinesthésique NMI.
        Remarque : La condition de base représente la congruence idéal d’intention moteur, cinématique du mouvement et la rétroaction kinesthésique.
      2. Programmer la condition passive pour effectuer un mouvement de main virtuelle lors du déclenchement de l’enquêteur (retirer le contrôle de l’utilisateur) tout en offrant le participant avec la perception kinesthésique NMI.
        Remarque : La condition passive capte les conditions théoriques plus pessimistes de l’Agence (c.-à-d., mouvement en l’absence de contrôle [sans intention], semblable à son corps passivement déplacé).
    2. Conditions supplémentaires du programme conçues pour analyser les contributions à l’agence d’intention moteur, sensation kinesthésique et décalage temporel avec la cinématique affichée de la prothèse virtuelle. Pensez à utiliser les cinq conditions suivantes.
      1. En face du mouvement : la rétroaction kinesthésique NMI indique que la main se ferme alors que la visualisation de la main s’ouvre.
      2. Trop vite : la visualisation de la main se ferme plus rapidement qu’indiqué par la rétroaction kinesthésique NMI.
      3. Trop lent : la visualisation de main ferme plus lentement que celle indiquée par la rétroaction kinesthésique NMI.
      4. Délai d’apparition : la visualisation main ferme 1 s plus tard que celle indiquée par la rétroaction kinesthésique NMI.
      5. Aucun retour d’information : la visualisation de main ferme sans n’importe quelle rétroaction kinesthésique NMI.

4. exécution de l’expérience

  1. Instruire les participants à la main en voiture depuis l’ouverture de la position fermée sans s’arrêter et de faire rapport de leur estimation du temps écoulé depuis quand les chiffres virtuels a communiqué avec les points d’arrêt virtuel à quand ils ont entendu le signal auditif.
    NOTE : Les Participants peuvent utiliser toute représentation du temps entre 0 et 1 s qui fait le plus de sens pour eux (p. ex., millisecondes, fractions de secondes, un 0 - 10 échelle).
  2. Débuter chaque essai en appuyant sur un bouton de démarrage sur le programme de contrôle principal, qui déplace la main virtuelle à la position de départ, le début du procès de signalisation. Cela cues le participant pour enfoncer la main virtuelle pour les points d’arrêt virtuel, ce qui provoque un signal auditif à jouer après un délai aléatoire (300, 500 ou 700 ms).
    1. Enregistrer estimation verbalement déclarés du participant de l’intervalle de délai.
  3. Organiser des essais expérimentaux en blocs.
    1. Commencer avec deux séances d’essais et les exclure de l’analyse finale.
      1. Dans la première séance d’essais, ont le lecteur participant la main au point de terminaison de mouvement et joue la tonalité sonore 1 000 ms après que les chiffres virtuels atteint les points d’arrêt virtuel pour 10 essais.
        1. Les participants n’avez pas besoin de déclarer les intervalles estimés pour cette session d’exercices pratiques.
          Remarque : Cette étape est nécessaire pour orienter les participants à combien de temps un seul se sent ensuite.
      2. Dans la seconde séance d’essais, ont encore une fois, le lecteur participant la main au point de terminaison de mouvement. Alternez les tons auditifs afin que les intervalles de délai de 300, 500 et 700 ms sont présentés au moins 5 fois chacun.
        1. Demandez aux participants de rendre compte des intervalles de délai estimé.
        2. N’informent pas le participant de près leurs estimations des intervalles de délai sont pour le délai réel au cours de ces essais pratiques ou des essais subséquents dans le bloc expérimental.
          Remarque : Cette étape est importante car les participants seront probablement inexpérimentés en temps porter des jugements sur une échelle de fractions de seconde, et la procédure d’essai peut ne pas être intuitive au participant règlement test.
    2. Se déplacer aux coffrets de 15 essais pour chaque condition. Présenter les conditions dans un ordre aléatoire et d’administrer un questionnaire à la fin de chaque condition.
      1. Enjoindre aux participants de réfléchir à la dernière série d’essais et de remplir le questionnaire de huit-déclaration agence (comprend quatre questions à quantifier l’expérience explicite de l’Agence et quatre questions de contrôle [exemple fourni dans la Fichier supplémentaire])8,26.
        1. Alternez les énoncés du questionnaire afin de fournir au moins cinq ordres de question unique qui sera présenté au hasard aux participants.
    3. Terminer le bloc expérimental avec un ensemble de 15 essais pour la condition passive et d’administrer un questionnaire après avoir terminé ces essais.
      NOTE : Administrer les essais passifs à la fin de chaque bloc expérimental pour éviter les interférences avec un sens de l’Agence.
  4. Toutes les quatre blocs expérimentaux avec différents ordres aléatoires des conditions expérimentales.
  5. Fournir des occasions multiples au cours de la durée des essais pour les participants de prendre une pause. Il n’y a aucune durée minimale ou la date limite pour ces pauses, mais s’assurer que le participant n’est pas fatigué physiquement ou mentalement, avant de poursuivre les essais.

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Representative Results

Le protocole expérimental a été réalisé avec trois participants amputé d’une prothèse virtuel sensorielles via leur NMI8 (Figure 1). La configuration utilisée une main virtuelle contrôlable par participant, se déplaçant à travers des profils cinématiques préprogrammées à l’aide de la MuJoCo HAPTIX de moteur physique31. La main virtuelle était affichée sur un écran horizontal devant les participants à un endroit dans l’espace congruent avec leur membre manquant. Les participants de NMI avaient subi auparavant recablage neurale chirurgicale (réinnervation ciblée), a été couplée à des stratégies de lutte (EMG) myoélectriques de membre standard pour fournir un contrôle intuitif de la main virtuelle32; ainsi, les participants pourraient entraîner la main virtuelle de « réflexion » sur l’ouverture et la fermeture de leur main manquante. Stratégiques vibrations des muscles chirurgicalement réorganiser des participants induit une perception illusoire de mouvement de la main, offrant une plate-forme pour la rétroaction sensorielle kinesthésique8. Par le biais de logiciels sur mesure, signaux de commande de main EMG et des rendus de prothèse virtuel ont été intégrés avec la sortie d’un appareil de rétroaction de vibration. Lorsque le participant a lancé un mouvement de la main virtuelle affichée, la vibration induirait une sensation correspondante assortie d’un mouvement complexe poignée dans la main manquante.

Figure 1
Figure 1 : un exemple de réglage qui remplit les conditions pour caractériser agence. Cette configuration permet à l’utilisateur avec un contrôle intuitif et le kinesthésique retour d’une main virtuelle affichée. Feedback et contrôle de la main virtuelle sont obtenus via l’interface neurale-machine à l’aide de la commande myoélectrique et stimulation de la vibration (suscitant percepts illusoire de mouvement du membre manquant) de musculature trans-section des personnes amputées. Contrôle et rétroaction sont coordonnés par un système d’acquisition de données et un ordinateur exécutant un logiciel personnalisé. La cinématique de main virtuelle sont affichées à l’utilisateur sur un écran horizontal. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2 a est fournie pour la comparaison des mesures explicites de l’Agence au titre de chacune des conditions de retour. Ici, la note moyenne pour le quatre agence questions (et quatre questions de contrôle) sont tracées par chaque participant et pour chaque condition de rétroaction. Dans la Figure 2 b, ces scores participants individuels sont en moyenne, tracés pour chaque condition de rétroaction, avec les barres d’erreur qui représente l’écart type moyen. Une moyenne nominale supérieure à 1 indique un accord avec une déclaration donnée et 0 indique la neutralité de l’accord,26. Notes d’accord plus élevées (≥ 1) pour les questions de l’agence indiquent une plus grande expérience de l’Agence. Les réponses à des questions de contrôle devraient être négatif ou neutre (≤ 0) et un score compris entre 0 et 1 est pris comme non concluants. Le « de base », « trop vite » et « aucune rétroaction » condition a démontré l’intervalle moyen plus bas les estimations indiquant le sens plus fort de l’agence formé, tandis que le « passif » et « en face de mouvement » des conditions ont démontré le sens les plus faibles de l’Agence.

Figure 2
Figure 2 : mesures explicites de l’Agence dans le cadre de chaque condition de rétroaction. (A), la moyenne de score pour les questions de contrôle quatre fournies à chaque participant à chaque condition de rétroaction et l’agence quatre. (B) la moyenne des scores participants dans chaque condition de rétroaction. Les barres d’erreur représentent l’écart-type. Dans les deux parcelles, une moyenne de note supérieure à + 1 indique l’accord et, pour les questions de l’agence, la formation de l’agence, tandis que 0 indique la neutralité. Ce chiffre a été modifié par Marasco et al. 8. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Pour une comparaison des intentionnelle obligatoire dans chaque condition de rétroaction, Figure 3 a montre estime que l’intervalle de temps pour chaque participant, en moyenne selon la condition de vos commentaires. Différences entre les intervalles de temps réelle et perçue ont ensuite étés à travers les trois participants et sont présentés dans la Figure 3 b par rapport à l’état de retour initial. Les barres d’erreur indiquent l’écart moyen. Estimations de l’intervalle de temps inférieur (Figure 3 a) et grands écarts négatifs (Figure 3 b) sont une indication de sentiment implicite de l’Agence. La condition « trop vite », suivie de l’état initial a démontré les estimations plus faible intervalle moyen, indiquant le sens plus fort de l’agence formée, considérant que la condition « en face de mouvement » a démontré le sens les plus faibles de l’Agence.

Figure 3
Figure 3 : Mesures implicites d’Office par l’intermédiaire du temps estimations intervalle dans chaque condition de rétroaction. (A) l’intervalle moyen estime pour l’intervalle de délai entre la fin de la main virtuelle proches et le ton auditif tracé pour chaque participant à travers chacun au hasard présenté intervalle réel. Les résultats sont tracés pour chaque condition de rétroaction, et une estimation de temps inférieure indique une meilleure idée de l’Agence. Ces panneaux ont été modifiés de Marasco et al. 8. (B) la moyenne de différence (entre les participants et les intervalles de délai) entre le délai réel et du participant estime intervalle de temps par rapport à l’état de retour initial. Les résultats sont tracés pour les deux. Ici, une valeur plus négative indique un sentiment moyens d’agence, et CI indique 95 % intervalle de confiance (IC). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4 permet une comparaison des mesures explicites et implicites de l’Agence. La différence moyenne entre les intervalles de temps réelle et perçue sont tracés par rapport aux résultats de l’état de rétroaction initial et en ce qui concerne les scores de questionnaire agence en moyenne pour chaque condition de rétroaction. Dans cette présentation des données, se déplaçant de gauche à droite sur l’axe des x indique une diminution de l’expérience explicite de l’Agence et se déplaçant de bas en haut sur l’axe des ordonnées indique une diminution dans le sens implicite de l’Agence. Comme dans la Figure 2 et Figure 3, la condition « trop vite » a démontré la plus forte création d’agence, explicitement et implicitement.

Figure 4
Figure 4 : moyenne des mesures explicites et implicites de l’Agence pour chaque condition de rétroaction, en combinant les résultats présentés dans la Figure 2 b et 3 b Figure. Les résultats de l’agence explicite moyenne sont tracées sur l’axe des abscisses et les estimations de l’intervalle moyen sont tracées sur l’axe y. Les barres d’erreur indiquent écart-type. De gauche à droite sur l’axe des x indiquent une diminution de l’expérience explicite de l’agence, et se déplaçant de bas en haut sur l’axe des ordonnées indique une diminution dans le sens implicite de l’Agence. Ce chiffre a été modifié par Marasco et al. 8. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Ici, un cadre méthodologique est présenté afin de caractériser l’expérience de l’agence formé lors de l’utilisation des prothèses sensorielles via INM. Dans ce contexte, l’Agence est particulièrement pertinent car il comble des mesures physiques pour les processus cognitifs de fond qui façonnent la perception. Grâce à d’un participant prothèse et NMI, nous avons un accès direct à un certain nombre d’éléments clés à établir le sens de l’Agence : intention, puissance moteur et sensation de mouvement. D’importance au contrôle avancé membre, les outils fournis dans le présent travail tirer parti de cet accès direct pour aider à débloquer de comprendre comment ces éléments peuvent favoriser une certaine maîtrise de l’utilisateur et l’intégration cognitive des, les actions de leurs prothèse.

Les techniques mis en évidence sont flexibles en ce qu’ils peuvent être employés avec n’importe quel recherche NMI et système prothétique clinique tant qu’ils répondent aux critères de contrôle comme étant pertinente en temps réel et de la rétroaction kinesthésique. L’avantage inhérent à l’INM beaucoup est le potentiel pour une commande intuitive réalisée en s’appuyant sur les voies nerveuses qui restent postamputation. Cela permet la mesure de l’activité physiologique résiduelle qu’une fois accompagné de mouvements des membres intacts, qui peut, à son tour, être décodé et mappé sur le mouvement approprié membre virtuel ou prothétique. Par conséquent, la plupart des techniques de NMI doivent satisfaire à l’exigence de contrôle comme étant pertinents, prévu que l’activité neuronale enregistrée et l’interface numérique qui l’accompagne peuvent produire des signaux de sortie fiable qui peuvent être mappés correctement à la main virtuelle. Le montage expérimental requiert également un système donnant la possibilité d’engager activement les sensations kinesthésiques dans des enquêteurs en temps réel avec la cinématique de main virtuelle affichée. Il s’agit d’une exigence essentielle qu’un sens de l’Agence au cours de mouvements est établi lorsque nous nous engageons dans une action et une rétroaction sensorielle appropriée est retournée lors de l’achèvement de cette action13. Encore une fois, tant que ce critère est rempli, la plupart n’importe quel système de rétroaction kinesthésique NMI sera approprié.

Les techniques présentées ici ont l’avantage de l’évaluation des mesures cognitives et perceptives explicites et implicites de l’Agence. On constate que chacun pourrait être le résultat de mécanismes cognitifs distincts qui, ensemble, forment un sens complet de l’agence17; Toutefois, il n'est pas encore une compréhension complète de cette relation. Les résultats de ces mesures sont quantitatifs et facilement interprété. Diminue dans le temps intervalle estimations suggère que sentiment implicit de l’Agence a été formé. De même, des scores plus élevés de questionnaire sur les déclarations de l’agence indiquent une expérience plus forte explicite de l’Agence. Il est suggéré que ces valeurs quantitatives peuvent fournir une base pour évaluer et régler les contrôle NMI et rétroaction sensorielle. Par exemple, dans un précédent travail8 qui est rapportée ici dans la Figure 4, participants souvent signalé des intervalles de temps plus petites et explicitement agence perçue plus fort quand une main virtuelle a été affiché qui fermé un peu plus vite que la sensation kinesthésique, ils ont connu. Cela indique que l’utilisateur a ressenti un sentiment de contrôle sur les actions de la main, tel que rapporté explicitement, mais suggère également que les processus cognitifs qui établissent ce sentiment de contrôle plus fortement associent avec cet affichage cinématique la plus rapide. Par conséquent, un ajustement du régime de contrôle de NMI une prothèse clinique pour accueillir la main plus rapide fermeture peut aider à améliorer la perception de l’utilisateur de contrôler leur appareil physique et encourager l’utilisateur à identifier les actions de leur appareil comme autoproduite.

Les techniques présentées peuvent également être employées pour former une compréhension plus complète de comment plusieurs modalités sensorielles peuvent influencer la perception de la propriété au-dessus des membres artificiels. Par exemple, la rétroaction sensorielle tactile (ou autres modalités sensorielles) peuvent être incorporées dans le paradigme présenté ici pour évaluer leurs rôles individuels possibles en potentialisant le sens de l’Agence. En outre, les techniques présentées ici peuvent être jumelés avec mesures de propriété afin de caractériser plus globalement les interrelations entre l’agence, l’incarnation et différentes modalités sensorielles. Les méthodes fournies peuvent également avoir plus largement applicables au-delà de périphériques contrôlés par NMI. Des tâches expérimentales similaires pourraient être appliquées avec des systèmes de contrôle complexes (tels que la reconnaissance de formes myoélectrique), prothèses myoélectriques traditionnels et systèmes de propulsion corps, ainsi que systèmes sans rétroaction sensorielle NMI. Cela peut permettre une perspective unique dans la compréhension des processus cognitifs comment répondre aux paradigmes moins « naturels » de contrôle et de rétroaction et donnent un aperçu de comment l’Agence et les perceptions du contrôle peuvent agir pendant l’opération de recherche plus traditionnelle ou systèmes prothétiques cliniques.

Comme prothèses robotiques poussent de plus en plus sophistiqués, alors que trop le besoin pour un contrôle efficace et intégration cognitive de ces dispositifs. La sensation est une voie pour résoudre un certain nombre d’obstacles critiques, et étant en mesure d’évaluer les mécanismes de base qui traitent les informations et la sensation de mouvement est un élément important. Les outils fournis ici peuvent aider à faciliter l’intégration des dispositifs avec les utilisateurs en caractérisant la formation explicite et implicite de l’Agence. Ces techniques permettent de quantifier les avantages de l’accès innée à motricité intuitive et sensation qu’INM peut-être prévoir et peut offrir une plate-forme d’évaluation et de mise au point, pour finalement améliorer la perception de l’utilisateur d’avoir le contrôle de leur artificiel Limb.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs tiens à remercier Madeline Newcomb pour sa contribution à la génération de la figure. Ce travail a été financé par les contribuables américains à travers un NIH, bureau du directeur, fonds commun, transformatrices R01 Research Award (subvention No 1R01NS081710-01) et la Defense Advanced Research Projects Agency (numéro de contrat N66001-15-C-4015 sous les auspices de Biologie technologie programme chef de bureau 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.

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References

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Caractérisation du sens de l’Agence sur les Actions de Neural-machine Interface commande prothèses
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Schofield, J. S., Shell, C. E., Thumser, Z. C., Beckler, D. T., Nataraj, R., Marasco, P. D. Characterization of the Sense of Agency over the Actions of Neural-machine Interface-operated Prostheses. J. Vis. Exp. (143), e58702, doi:10.3791/58702 (2019).

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