Summary
Her presenterer vi en protokoll som preger følelsen av byrået utviklet over kontrollen av sensate virtuelle eller robotic protese hender. Psykofysiske spørreskjemaer er ansatt å fange eksplisitt opplevelsen av byrået, og intervallet estimater (tilsiktet bindende) er ansatt implisitt måle følelse av byrået.
Abstract
Dette verket beskriver en metodiske rammeverk som kan brukes til å eksplisitt og implisitt karakterisere følelsen av byrået utviklet over neural-maskin-grensesnitt (NMI) kontrollen sensate virtuelle eller robotic protese hender. Dannelsen av byrået er grunnleggende i atskillende handlingene som vi utfører med våre lemmer som våre egne. Ved å innlemme avanserte øvre lem proteser i disse samme perseptuell mekanismer, kan vi begynne å integrere en kunstig lem nærmere i brukerens eksisterende kognitive rammeverk for lem kontroll. Dette har viktige implikasjoner fremme brukeraksept, bruk og effektiv kontroll over avanserte øvre lem proteser. Denne protokollen, deltakerne kontrollere en virtuell kunstig hånd og motta kinestetiske sensorisk feedback gjennom sine eksisterende NMIs. En rekke virtuelle fatte oppgaver utføres og forstyrrelser introdusert systematisk til kinestetiske tilbakemeldinger og virtuelle håndbevegelser. To separate mål av byrået er ansatt: etablert psykofysiske spørreskjemaer (å fange eksplisitt opplevelsen av byrået) og et tidsintervall anslå oppgave å fange implisitt følelsen av byrået (tilsiktet bindende). Resultatene av denne protokollen (spørreskjema score og tidsintervallet anslår) kan analyseres for å kvantifisere omfanget av byrået formasjon.
Introduction
Så robotic proteser blitt stadig mer avansert, vil viktigheten av relevante sensorisk feedback fortsette å vokse. Sensorisk feedback påvirker hvordan mennesker oppfatter, samhandle med og selv integrere maskiner i kroppen skjema. Siste NMI teknikker kan gi protese lemmer brukerne intuitiv kontroll og oppnå opplevelser knyttet trykk1,,2,,3,,4,,5,,6 , 7 og kinesthesia (bevegelse forstand)8,9 i manglende lemmer. Når denne sensoriske informasjonen er sammenkoblet med visuelle informasjonen ved å se kunstig lem under drift, har vi tilgang til viktige elementer som informerer æren av selv -versus-andre. Å utnytte denne tilgangen kan bidra til å bringe protese lemmer brukere et skritt nærmere å opererer en kunstig lem som en del av kroppen, i stedet for bare et verktøy.
Kroppsbevissthet og følelse av å være nedfelt oppstår fra etableringen av byrået (en opplevelse av over en lem handlinger) og eierskap (følelsen av at en lem er en del av kroppen)10,11. Eierskap er hovedsakelig mediert gjennom integrering av touch og visuell informasjon12. Byrået framgår av integrering av hensikt, bevegelse sensasjon (kinesthesia), visuell informasjon og prediktiv kognitive modeller11. Under utførelsen av en frivillig handling, blir byrå dannet når sensoriske konsekvensene av handlingen justere med utøveren hensikt og spådommer fra utøveren interne modeller13. Agency er separat og distinkt fra eierskap. Begrepet lem eierskap har vært studert ofte i protese litteratur14. En følelse av lem eierskap skjemaer i NMI deltakere når touch tilbakemelding passer romlig og timelig, som målte eksplisitt gjennom spørreskjemaer eller implisitt gjennom endringer i gjenværende lemmet temperatur eller temporal dommer15. Imidlertid eksistert færre muligheter for å utforske byrå i sammenheng med NMI16. Nylige arbeider med NMI deltakere har vist at etaten kan fremmes målbevisst og er atskilt fra opplevelsen av eierskap8.
Byrået er spesielt viktig i driften av robot proteser som det er en kognitiv link til kontroll av kunstig lems fysiske handlinger gjennom erfaringer kausalitet, følelsen av kontrollere kunstig lem eller forårsaker noe skje17. Robotic protesene er avanserte datastyrt maskiner som brukeren må samarbeide med å effektivt fullføre oppgaver. Noen protese lemmer har innarbeidet autonome funksjoner, som grep-slip deteksjon og korrigering; men har disse systemene sett begrenset adopsjon som funksjonalitet kjører utenfor brukerens kontroll kan vises like frustrerende hvis ikke riktig implementert8,18. Dette gir en grunnleggende utfordring som er ekko gjennom programmer av menneskelig samarbeid med autonome maskiner. Det vil si mennesker stole ofte på sine egne handlinger over de som følge av et samarbeid med datamaskiner eller maskiner, og denne klareringen påvirker direkte en operatør er sannsynligheten for å bruke den autonome funksjoner19,20. Som mennesker stole vi innately på oss selv og våre organer for å utføre handlinger vil vi; Når dette er oppnådd, etablere vi en indre følelse av byrået. Interessant, er dannelsen av byrået påvirket i kooperativ menneske-maskin-handlinger. Under menneske-menneske samarbeidende aktiviteter, kan en felles oppfatning av byrået dannes over bevegelse21; Likevel, antyder litteraturen at delte etaten er beheftet under menneske-maskin samarbeid22,23. Disse utfordringene gjenspeiles i protese øvre lem bruk og avvisning utbredelsen av robotsveising enheter fortsatt høy, med 23% – 39% av brukerne nedlagte deres bruk24. Faktisk foretrekke mange protese brukernes fremdeles kroppen-powered systemer25. Disse systemene fjerne datastyrt maskinen fra kontroll sløyfen og mer par intimt brukerens kroppsbevegelse til protesen bevegelse via wire kabler. Dette ytterligere forsterker betydningen av kognitiv integrering i bruk av avansert protese enheter. Vi foreslår at NMI systemer kan gi en rekke nødvendige sensoriske og motor brikkene til å flytte kunstige lemmer nærmere til å etablere en felles følelse av byrået, og dette vil være medvirkende til å fremme aksept og sann integrering av disse datastyrt maskiner med brukerne.
Byrået kan måles på flere måter. De enkleste tiltakene bruker psykofysiske spørreskjemaer eller skalaer som eksplisitt be deltakerne hvem eller hva de attributtet en hendelse17,26,27. Dette er avhengig av en persons eksisterende oppfatning av "selvbetjening" ved å kreve deltakerne gjøre inferential dommer for selvstendig henvisning (dvs.å eksplisitt bedømme om "Jeg" eller en annen enhet var ansvarlig for en handling eller hendelse). Implisitt tiltak gir innsikt i bakgrunnen kognitive prosesser som oppstår under motor action og sensoriske hendelser. Denne visningen av byrået forsøker å måle som ikke eksplisitt oppfattes av en enkeltperson. Vanligvis gjøres dette ved at deltakerne karakterisere en oppfattet forskjell i selv - og eksternt-genererte handlinger, for eksempel at deltakerne rapportere tidsperioden de oppfattet oppstår mellom en selv og eksternt-genererte hendelsen 17 , 28. under utførelsen av selv-generert handlinger, byrået implisitt manifesterer seg som en perseptuell komprimering mellom handlinger og deres sensoriske konsekvenser, kjent som forsettlig bindende28. Når enkeltpersoner rapporterer tid de oppfattet oppstår mellom en handling og resultatet, tilsvarer kortere oppfattet tidsvarighet en sterkere dannet følelse av byrået29,30. Interessant, har det vært vist at eksplisitte og implisitte tiltak ikke kan direkte samsvarer som de er sannsynlig karakterisere ulike perseptuell mekanismer17 som sammen informere betydningen av byrået. Som sådan, vil å etablere en mer omfattende forståelse av byrået formasjon under protese bruk trolig kreve eksperimentelle protokoller ansette tydelig og umerkbar tiltak.
Dette verket beskriver en metodiske rammeverk som kan brukes til å eksplisitt og implisitt karakterisere følelsen av byrået utviklet over NMI kontrollen sensate virtuelle eller robotic protese hender. To teknikker å måle byrået under utførelsen av et sensorimotor objekt-fatte aktiviteten er uthevet. Etablerte psykofysiske spørreskjemaer er ansatt å fange eksplisitt opplevelsen av byrået, mens intervall estimater (tilsiktet bindende) er ansatt implisitt måle følelse av byrået.
Omfanget av denne protokollen er å evaluere følelsen av byrået i sammenheng med en NMI fysiologisk aktuelle aktiv motorstyring og kinestetisk tilbakemelding. Disse teknikkene er generalizable virtuelle eller fysiske protese NMI-systemer. Det er minimale begrensninger på bestander som kan bli rekruttert til å utføre denne protokollen. For eksempel mobilitet i deltakerens øvre lemmer bilateralt påvirkes ikke (de må ha en lyd lem), og de må ha kognitive muligheten til å gjøre tidsbaserte dommer og artikulere erfarne opplevelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne protokollen er godkjent tidligere, og følger retningslinjene i Cleveland Clinics menneskelige forskning etikk.
1. maskinvare og programvare på NMI
- Opprette hver enkelt deltaker NMI kontroll og tilbakemelding slik at når de prøver å utføre en bevegelse, de ser og føler en virtuell protese fullføre denne bevegelsen.
- Generere en hånd kinestetiske percept gjennom deltakerens NMI og fange kinematikken av oppfattet bevegelsen ved å ha deltakeren viser hva de føler med seg intakt.
Merk: Teknikker for å karakterisere kinestetiske percept kinematikk har blitt illustrert i andre works8 og kan oppnås ved hjelp av en data-hanske eller en optisk motion capture system. - Bruk en virtuell hånd/protese simulering til å reprodusere kinematikken av bevegelse percept.
- Sette opp maskinvare å fange tilsiktet hånd bevegelse kontroll signalene fra deltakerens NMI.
- Tilordne denne kontrollsignal til aktiviteten til virtuelle protesen.
- Opprette et overordnet kontrollprogram som koordinerer oppkjøpet av NMI-kontrollsignal, bevegelsen av virtuelle protesen og generering av kinestetiske NMI tilbakemelding i sanntid.
- Generere en hånd kinestetiske percept gjennom deltakerens NMI og fange kinematikken av oppfattet bevegelsen ved å ha deltakeren viser hva de føler med seg intakt.
2. eksperimentelle oppsett
- Sete deltakeren og plassere en skjerm vannrett (dvs., på ryggen, vendt opp.) på et bord foran seg.
- Vis virtuelle protesen på skjermen og justere størrelsen og plasseringen slik at den plasseres congruently med plasseringen av deres manglende lem.
- Gjøre objekter (f.eksflytende baller) i det virtuelle miljøet som distanse for tett og åpne plasseringen av hånden (endepunktene på bevegelse).
- Konfigurere programmet overordnede kontrollen slik at når de virtuelle sifrene gjør kontakt med de virtuelle distanse, en auditory tone er spilt etter en justerbar tidsforsinkelse (300, 500, 700 eller 1000 ms).
3. eksperimentelle forhold
- Bygge en inndatafil overordnede kontrollen programmet angir innstillingene for hver prøve, inkludert auditiv tone forsinkelsen, om NMI tilbakemeldingen slås på/av, hastighet og retning av virtuelle hånd bevegelse, og forsinkelsen mellom kommandoen og virtuelle hånd bevegelse.
- Opprett to kontroll forhold, en plan og en passiv tilstand.
- For den opprinnelige tilstanden, konfigurere kinematikk og kontroll av virtuelle hånden å matche NMI kinestetiske percept.
Merk: Opprinnelig tilstanden representerer den ideelle congruency motor hensikt, bevegelse kinematikk og kinestetisk tilbakemelding. - Programmet passiv tilstanden til å utføre en virtuell hånd bevegelse når utløst av etterforskeren (fjerne kontrollen fra brukeren) samtidig som deltakeren med NMI kinestetiske percept.
Merk: Betingelsen passiv fanger teoretisk verste byrået betingelsene (dvs., bevegelse i fravær av kontroll [uten form, lignende kroppen flyttes passivt).
- For den opprinnelige tilstanden, konfigurere kinematikk og kontroll av virtuelle hånden å matche NMI kinestetiske percept.
- Programmet tilleggsbetingelser designet for å analysere ut bidragene til byrå motor hensikt, kinestetiske sensasjon og tidsmessige konflikt med vises kinematikken av virtuelle protesen. Vurder å bruke følgende fem.
- Motsatte bevegelsen: NMI kinestetiske tilbakemeldingen angir at hånden stenger mens hånd visualisering åpnes.
- For fort: hånd visualisering lukker raskere enn angitt med NMI kinestetiske tilbakemeldingen.
- Lav: hånd visualisering lukker tregere enn angitt av NMI kinestetiske tilbakemeldingen.
- Utbruddet forsinkelse: hånd visualisering lukker 1 s senere enn angitt av NMI kinestetiske tilbakemeldingen.
- Ingen tilbakemelding: hånd visualisering lukker uten NMI kinestetiske tilbakemeldinger.
- Opprett to kontroll forhold, en plan og en passiv tilstand.
4. ytelse av eksperimentet
- Pålegge deltakere å kjøre hånden fra åpen til lukket posisjon uten å stoppe og rapportere sine estimering av tidsforsinkelsen fra da de virtuelle sifrene kontaktet de virtuelle distanse til da de hørte auditiv tonen.
Merk: Deltakere kan bruke noen representasjon mellom 0 og 1 s som er mest fornuftig til dem (f.eks, millisekunder, brøkdeler av sekunder, 0 - 10 skala). - Starte hvert forsøk ved å trykke en start-knapp på den overordnede kontroll programmet, som flytter den virtuelle hånden til startposisjonen, signaliserer begynnelsen av rettssaken. Dette pekepinner deltakeren å kjøre virtuelle hånden til virtuelle stopp poeng, som forårsaker en auditory tone å spille etter en randomisert forsinkelse (300, 500 eller 700 ms).
- Registrere deltakerens verbalt rapporterte estimering av forsinkelse tidsintervallet.
- Organisere forsøk eksperimentelle blokkene.
- Begynner med to øvelser og utelukke dem fra den endelige analysen.
- I den første øvelsesøkten, har deltaker stasjonen hånden til bevegelse sluttpunktet og spille auditiv tonen 1000 ms når de virtuelle sifrene når de virtuelle distanse for 10 forsøk.
- Deltakerne trenger ikke å rapportere anslagsvis intervallene for denne øvelsen.
Merk: Dette trinnet er nødvendig å orientere deltakerne på hvor lang tid en andre føles.
- Deltakerne trenger ikke å rapportere anslagsvis intervallene for denne øvelsen.
- I øvelsen, igjen, har deltaker stasjonen hånden til bevegelse sluttpunktet. Tilfeldig auditiv toner slik at 300-, 500- og 700 ms forsinkelse intervallene minst 5 ganger hver.
- Be deltakerne å rapportere anslagsvis forsinkelse intervallene.
- Informere deltakerne av hvor nær sine anslag av forsinkelse intervaller er den faktiske forsinkelsen under disse praksis forsøk eller påfølgende forsøk i eksperimentell blokken.
Merk: Dette trinnet er viktig som deltakerne vil trolig være uerfaren i å gjøre tid dommer på en skala fra brøkdelen av et sekund, og testprosedyre kanskje ikke intuitivt å unpracticed test deltakeren.
- I den første øvelsesøkten, har deltaker stasjonen hånden til bevegelse sluttpunktet og spille auditiv tonen 1000 ms når de virtuelle sifrene når de virtuelle distanse for 10 forsøk.
- Flytte til eksperimentelle sett med 15 prøvelser for hver tilstand. Presentere betingelsene i en randomisert rekkefølge og administrere et spørreskjema på slutten av hver betingelse.
- Instruere deltakerne til å reflektere over de nyeste sett av studier og i spørreskjemaet åtte-erklæringen agency (inkluderer fire spørsmål å kvantifisere eksplisitt opplevelsen av byrået og fire kontrollspørsmål [eksempel i Supplerende File])8,26.
- Tilfeldig spørreskjemaet uttalelser å gi minst fem unike ordre presenteres tilfeldig til deltakerne.
- Instruere deltakerne til å reflektere over de nyeste sett av studier og i spørreskjemaet åtte-erklæringen agency (inkluderer fire spørsmål å kvantifisere eksplisitt opplevelsen av byrået og fire kontrollspørsmål [eksempel i Supplerende File])8,26.
- Avslutt eksperimentelle blokken med et sett med 15 prøvelser for passiv betingelsen og administrere et spørreskjema etter disse.
Merk: Administrere passiv forsøkene på slutten av hver eksperimentelle blokk å unngå en etablert følelse av byrået.
- Begynner med to øvelser og utelukke dem fra den endelige analysen.
- Fullføre fire eksperimentelle blokker med forskjellige randomiserte bestillinger av eksperimentelle forhold.
- Tilby flere muligheter over varigheten av testing for deltakerne å ta en pause. Det er ingen minimum tid eller tidsbegrensning for disse pausene, men sikre deltakeren ikke er fysisk eller mentalt trøtt før du fortsetter testingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eksperimentell protokollen ble utført med tre amputert deltakere opererer en sensate virtuelle protese via deres NMI8 (figur 1). Oppsettet brukes en deltaker kontrollerbare virtuelle hånden beveger seg gjennom forhåndsprogrammerte Kinematisk profiler som bruker MuJoCo HAPTIX fysikk motor31. Den virtuelle hånden ble vist på en horisontal skjerm foran deltakerne et sted romlig sammenfallende med deres manglende lem. NMI deltakerne har gått en kirurgisk nevrale rewiring prosedyre (målrettet reinnervation), som ble kombinert med standard protese lemmer myoelectric (EMG) kontroll strategier for å gi intuitiv kontroll av virtuelle hånden32; dermed kunne deltakerne kjøre virtuelle hånden ved å "tenke" om åpning og lukking mangler hånden. Strategisk vibrasjoner av deltakernes kirurgisk rewired muskler indusert illusorisk oppfatninger hånd bevegelse, gir en plattform for kinestetiske sensorisk feedback8. Gjennom tilpasset programvare, ble EMG hånd styresignaler og virtuelle protese gjengivelser integrert med produksjonen av en vibrasjon tilbakemelding enhet. Når deltakeren startet en bevegelse av vises virtuelle hånden, vil vibrasjon indusere en tilsvarende matchet følelse av en kompleks grep bevegelse i mangler hånden.
Figur 1: et eksempel oppsett som tilfredsstiller kravene til å karakterisere byrå. Dette oppsettet gir brukeren intuitiv kontroll og kinestetisk tilbakemeldinger av vises virtuelle hånden. Virtuelle håndkontroll og tilbakemeldinger er oppnådd gjennom neural-maskin-grensesnitt med myoelectric kontroll og vibrasjon stimulering (fremlokkende illusorisk bevegelse percepts av manglende lem) av amputerte reinnervated muskulaturen. Kontroll og tilbakemeldinger er koordinert gjennom et data oppkjøpet system og tilpasset programvare for datamaskinen. Virtuelle hånden kinematikk vises for brukeren på en horisontal skjerm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2A er tilgjengelig for sammenligning av eksplisitt tiltak av byrået under hver av tilbakemeldinger. Her, er gjennomsnittlig poengsum for fire byrået spørsmål (og fire kontrollspørsmål) tegnet for hver deltaker og betingelsene tilbakemelding. I figur 2B, disse individuelle deltaker scorer gjennomsnitt og plottet for hver tilbakemelding tilstand, med feilfeltene representerer gjennomsnittlig standardavviket. Gjennomsnittlig vurdering større enn 1 indikerer en avtale med en gitt setning og 0 angir nøytralitet avtalen26. Høyere avtalen karakterer (≥ 1) for byrået spørsmål indikerer en større opplevelse av byrået. Svarene på kontroll spørsmålene bør være negative eller nøytrale (≤ 0) og en poengsum mellom 0 og 1 er tatt som mangelfulle. 'Grunnlinjen', 'for fort' og 'ingen tilbakemelding' tilstand vist laveste gjennomsnittlige intervallet anslår indikerer den sterkeste følelsen av byrået dannet, mens "passiv" og "motsatte bevegelsen' forhold demonstrert svakeste følelsen av byrået.
Figur 2: eksplisitt tiltak av byrået under betingelsene tilbakemelding. (A) gjennomsnittlige score for fire byrå og fire kontrollspørsmål gitt til hver deltaker under betingelsene tilbakemelding. (B) gjennomsnittet score over deltakerne under betingelsene tilbakemelding. Feilfeltene representerer standardavviket. Begge tomter, Gjennomsnittlig vurdering større enn 1 indikerer avtale og for byrået spørsmålene, dannelsen av agency, mens 0 angir nøytralitet. Dette tallet har blitt endret fra Marasco et al. 8. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
For en sammenligning av forsettlig bindende i hver tilbakemelding tilstand, figur 3A viser tidsintervallet estimater for hver deltaker i gjennomsnitt ifølge tilbakemeldinger tilstand. Forskjeller mellom faktiske og oppfattet tidsintervallene ble deretter gjennomsnitt over de tre deltakerne og presenteres i figur 3B i forhold til grunnlinjen tilbakemelding tilstanden. Feilfeltene betegne gjennomsnittlig standardavviket. Lavere tidsintervallet anslår (figur 3A) og større negativ forskjeller (figur 3B) er en indikasjon på en sterkere implisitt følelse av byrået. "For rask" tilstand etterfulgt av den opprinnelige tilstanden vist laveste gjennomsnittlige intervall anslag, som angir den sterkeste følelsen av byrået dannet, mens betingelsen 'motsatte bevegelsen' vist den svakeste følelsen av byrået.
Figur 3: Implisitt tiltak av byrået via tid intervall anslag under betingelsene tilbakemelding. (A) det gjennomsnittlige intervallet estimater for forsinkelse intervallet mellom fullføringen av den virtuelle hånden nær og auditiv tonen plottet for hver deltaker hver tilfeldig presentert faktiske intervall. Resultatene er plottet for hver tilbakemelding tilstand, og en lavere anslaget indikerer en sterkere følelse av byrået. Disse sidene er endret fra Marasco et al. 8. (B) gjennomsnittlige forskjellen (over deltakere og forsinkelse intervaller) mellom den faktiske forsinkelsen og deltakerens anslått tidsintervall i forhold til grunnlinjen tilbakemelding tilstanden. Resultatene er plottet for begge. Her en mer negativ verdi angir en sterkere gjennomsnittlig følelse av byrået, og CI angir 95% konfidensintervall (CI). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 gir en sammenligning av klare og umerkbare byrået tiltak. Gjennomsnittlig forskjellen mellom faktiske og oppfattet tidsintervaller tegnes i forhold til resultatene av den opprinnelige tilbakemelding tilstanden og forhold til gjennomsnitt byrået spørreskjemaet score for hver tilbakemelding tilstand. I denne presentasjonen av data, flytte fra venstre til høyre på x-aksen angir en nedgang i eksplisitt opplevelsen av byrået og flytte fra bunn til topp på y-aksen angir en nedgang i implisitt følelsen av byrået. Som i figur 2 og Figur 3viste "for rask" betingelsen sterkeste dannelsen av byrået, både eksplisitt og implisitt.
Figur 4: gjennomsnittlig eksplisitte og implisitte tiltak av byrået for hvert tilbakemelding vilkår, kombinere resultatene presentert i figur 2B og figur 3B. Gjennomsnittlig eksplisitt byrået resultatene plottes på x-aksen og gjennomsnittlig intervall anslagene plottes på y-aksen. Feilfeltene betegne standardavvik. Omflyttingen fra igjen å rett på x-aksen viser en nedgang i eksplisitt opplevelsen av byrået, og flytte fra bunn til topp på y-aksen angir en nedgang i implisitt følelsen av byrået. Dette tallet har blitt endret fra Marasco et al. 8. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Her vises en metodiske rammeverk betegner opplevelsen av byrået dannet under drift sensate proteser via NMIs. I denne sammenheng er byrået særlig relevant som den bygger fysisk handling i bakgrunnen kognitive prosesser som forme oppfatning. Gjennom en deltakers protesen og NMI, vi har direkte tilgang til en rekke viktige elementer som etablerer følelsen av Byrået: hensikt og motoren bevegelse sensasjon. Viktig for avansert protese lemmer kontroll, verktøyene i dette arbeidet utnytte denne direkte tilgang for å låse opp en forståelse av hvordan disse elementene kan fremme brukerens følelse av kontroll over, og kognitiv integrering av, handlingene til deres protese.
Teknikkene uthevet er fleksibel i at de kan brukes med alle NMI forskning og klinisk protese system så lenge de oppfyller kriteriene for sanntids perceptually relevante kontroll og kinestetisk tilbakemelding. Fordelen ligger mange NMIs er potensialet for intuitiv kontroll oppnås ved å utnytte de ekstra nervebaner som forblir postamputation. Dette gir måling av gjenværende fysiologisk aktivitet at når ledsaget intakt lem bevegelser, som kan i sin tur bli dekodet og tilordnet den aktuelle virtuelle eller protese lemmer bevegelsen. Derfor de fleste NMI teknikker bør tilfredsstille kravet for perceptually relevante kontroll, forutsatt at innspilte nevrale aktiviteten og tilhørende digitalt grensesnitt kan produsere pålitelige utsignaler som kan være riktig tilordnet den virtuelle hånden. Eksperimentelle oppsett krever også en systemet gir etterforskerne muligheten til å starte aktivt kinestetiske opplevelser i sanntid med vises virtuelle hånden kinematikken. Dette er en betenkelig behov som en følelse av byrået over bevegelser blir etablert når vi engasjere seg i en handling og sensoriske tilbakemeldinger returneres under ferdigstillelse av denne handlingen13. Igjen, så lenge dette kriteriet er oppfylt, de fleste alle NMI kinestetiske feedback systemet vil være riktig.
Teknikker som presenteres her har fordelen av å evaluere tydelig og umerkbar kognitiv-perseptuelle målinger av byrået. Det er bevis som tyder på at hver kan være et resultat av egen kognitive mekanismer som sammen danner en komplett følelse av byrået17; men er det fortsatt ikke en fullstendig forståelse av dette forholdet. Resultatene fra disse tiltakene er kvantitative og lett tolket. Nedgang i tid intervall anslår foreslå at en sterkere implisitt følelse av byrået ble dannet. Tilsvarende indikerer høyere spørreskjemaet score på byrået uttalelser en sterkere eksplisitt opplevelse av byrået. Det anbefales at disse kvantitative verdier kan gi grunnlag for å vurdere og justere NMI kontroll og sensorisk feedback. For eksempel i en tidligere arbeid8 som rapporteres her i Figur 4, deltakerne ofte rapportert mindre oppfattet tidsintervaller og eksplisitt rapportert sterkere oppfattet byrået når en virtuell hånd ble vist som lukket litt raskere enn kinestetiske følelsen de opplevde. Dette angir at brukeren følte en sterkere følelse av kontroll over handlingene til hånden, som rapportert eksplisitt, men foreslår også at kognitive prosesser som oppretter denne følelsen av kontroll sterkere forbinder med raskere Kinematisk skjermen. Som sådan, kan justeres NMI kontroll ordningen med en klinisk protese til raskere hånd lukke hjelpe forbedre brukerens oppfatninger av kontroll over sine fysiske enheter og oppfordrer brukeren til å identifisere deres enhetens handlinger som selv-generert.
Teknikker som presenteres kan også benyttes til å danne en mer fullstendig forståelse av hvordan flere sensoriske modaliteter kan påvirke oppfatninger av eierskap over kunstige lemmer. For eksempel kan touch sensorisk feedback (eller andre sensoriske modaliteter) innlemmes i paradigmet presenteres her for å vurdere deres mulige personlige roller i potentiating følelsen av byrået. I tillegg kan teknikker som presenteres her være forbundet med tiltak av eierskap til mer omfattende karakterisere til innbyrdes forbindelser mellom byrået og legemliggjørelsen personlige sensoriske modaliteter. Metodene har også bredere anvendelse utover NMI-kontrollerte enheter. Lignende eksperimentelle oppgaver kan implementeres med komplekse systemer (for eksempel myoelectric mønstergjenkjenning), tradisjonell myoelectric proteser, og kroppen-powered systemer, samt systemer uten NMI sensorisk feedback. Dette kan gi rom for et unikt perspektiv i å forstå hvordan kognitive prosesser reagere på mindre "naturlige" kontroll og tilbakemeldinger paradigmer og gi innsikt i hvordan byrå og oppfatninger av kontroll kan handle under drift av mer tradisjonelle forskning eller klinisk protese systemer.
Som robotic proteser vokser stadig mer sofistikerte, så øker også behovet for effektiv og kognitive integrering av disse enhetene. Følelsen er en vei til å møte en rekke kritiske barrierer, og kunne vurdere understøttelsen mekanismer som behandler bevegelse sensasjon og informasjon er en viktig brikke. Verktøyene her kan hjelpe lette integrering av enheter med brukere overvåker eksplisitte og implisitte dannelsen av byrået. Disse teknikkene hjelpe kvantifisere fordelene av medfødte intuitive motorstyring og følelsen at NMIs kan gi og kan tilby en plattform for vurdering og tuning, å til slutt forbedre brukerens oppfatning av å ha kontroll over sine kunstige lem.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gjerne takke Madeline Newcomb for hennes bidrag til figur generasjon. Dette arbeidet ble finansiert av amerikanske skattebetalere gjennom en NIH, kontor, felles fondet, Transformative R01 forskning Award (stipend #1R01NS081710-01) og Defense Advanced Research Projects Agency (kontraktnummeret N66001-15-C-4015 i regi av Biologi teknologi Office program manager 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).
