Caracterização do sentido da Agência sobre as ações de próteses neurais-máquina de Interface-operado

Resumo

Aqui nós apresentamos um protocolo que caracteriza o sentido de agência desenvolvido sobre o controle de sentidos mãos próteses virtuais ou robóticos. Questionários psicofísicos são empregados para capturar a experiência explícita da Agência, e as estimativas do intervalo de tempo (ligação intencional) são empregadas para medir implicitamente o sentido de agência.

Resumo

Este trabalho descreve um quadro metodológico que pode ser usado para explicitamente e implicitamente caracteriza o sentido de agência desenvolvido sobre o controle de interface neural-máquina (NMI) de sentidos mãos próteses virtuais ou robóticos. A formação da agência é fundamental na distinção entre as ações que realizamos com nossos membros como sendo a nossa própria. Por se esforçando para incorporar estes mesmos mecanismos perceptuais próteses de membro superior avançadas, podemos começar a integrar um membro artificial mais estreitamente no quadro de cognitivo existente do usuário para controle de membro. Isto tem implicações importantes na promoção do controle eficaz das próteses de membro superior avançadas, uso e aceitação do usuário. Neste protocolo, os participantes controlam uma mão protética virtual e recebem feedback sensorial cinestésica através deles NMIs preexistentes. Uma série de tarefas de preensão virtuais são executadas e perturbações são sistematicamente introduzidas para o feedback cinestésico e movimentos da mão virtual. Duas medidas distintas da Agência são empregadas: estabelecida psicofísicos questionários (para capturar a experiência explícita da Agência) e um intervalo de tempo estimam tarefa para capturar o sentido implícito de agência (ligação intencional). Os resultados do presente protocolo (escores do questionário e o intervalo de tempo estima) pode ser analisado para quantificar a extensão da formação da agência.

Introdução

Como próteses robóticas tornam-se cada vez mais avançadas, a importância de feedback sensorial relevante continuará a crescer. Feedback sensorial afeta como os seres humanos percebem, interagirem com e até mesmo integrarem máquinas em seu esquema de corpo. Recentes técnicas de NMI agora podem fornecer aos usuários de prótese membro controle intuitivo e alcançar sensações associadas com toque^{1,2,3,4,5,6 , 7} e cinestesia (sentido de movimento)^8,9 nos membros faltantes. Quando esta informação sensorial é emparelhada com a informação visual fornecida por assistir o membro artificial durante a operação, temos acesso a elementos-chave que informam a distinção de auto -versus-outros. Aproveitar este acesso pode ajudar a trazer a usuários de prótese membro um passo mais perto para operar um membro artificial como parte de seu corpo, ao invés de apenas uma ferramenta.

Consciência corporal e o sentido de ser encarnado decorre o estabelecimento de propriedade (a sensação de que um membro é uma parte do corpo) e a agência (a experiência de autoria sobre as ações do limbo)^10,11. Posse é principalmente mediada através da integração de toque e de informação visual¹². Agência que emerge da integração de intenção, sensação de movimento (cinestesia), informação visual e modelos cognitivos preditivos¹¹. Durante o desempenho de uma ação voluntária, a agência é formada quando as consequências sensoriais de ação alinharem-se com a intenção do artista e previsões de modelos internos de^{13 do executor}. Agência é separada e distinta da posse. O conceito de propriedade de membro foi estudado com frequência em prótese literatura¹⁴. Um sentido de formas de propriedade membro em participantes NMI quando comentários de toque é espacial e temporalmente apropriado, como ordem temporal, ou medido explicitamente através de questionários ou implicitamente através de mudanças na temperatura do coto acórdãos¹⁵. No entanto, menos oportunidades existem para explorar a Agência no contexto de NMI¹⁶. Trabalhos recentes com participantes de NMI demonstrou que a Agência pode ser propositadamente promovida e é separada da experiência de posse de⁸.

Agência é particularmente significativa na operação de próteses robóticas, pois é um link cognitivo para o controle das ações físicas do membro artificial, através de experiências de causalidade, a sensação de controlar o membro artificial ou fazendo algo para aconteceu¹⁷. Próteses robóticas são avançadas máquinas computarizadas que o usuário deve cooperar com a efetivamente concluir tarefas. Alguns membros protéticos incorporaram funções autônomas, como aperto antiderrapante deteção e correção; ainda estes sistemas visto limitada adoção como funcionalidade a correr fora de controle do usuário pode ser vista como frustrante se não adequadamente implementados^8,18. Isso apresenta um desafio fundamental que é ecoado durante aplicações de cooperação humana com máquinas autónomas. Ou seja, os seres humanos muitas vezes confia em suas próprias ações sobre aquelas resultantes de uma colaboração com computadores ou máquinas, e essa confiança influencia directamente a probabilidade de um operador para usar as funções autónomas^19,20. Como seres humanos, inatamente confiamos em nós mesmos e nossos corpos para executar as ações que pretendemos; Quando isto é conseguido, estabelecemos um sentido intrínseco da agência. Curiosamente, a formação da agência é impactada em acções de cooperação humano-computador. Durante tarefas cooperativas humano, um sentimento comum de agência pode ser formado sobre movimento²¹; ainda, a literatura sugere que a Agência compartilhada está hipotecada durante cooperação humano-computador^22,23. Estes desafios são refletidos em prótese superior-membro uso, e as taxas de rejeição de dispositivos robóticos continuam altas, com 23% - 39% dos usuários descontinuar seu uso²⁴. Na verdade, muitos usuários de prótese ainda preferem corpo-powered sistemas²⁵. Estes sistemas retire a máquina computarizada do loop de controle e mais intimamente casal movimento do corpo do usuário para os prótese movimento através de cabos. Isso reforça ainda mais a importância da integração cognitiva no uso de próteses avançadas. Sugerimos o NMI sistemas podem fornecer um número das peças de motor e sensoriais necessários para ajudar a mover membros artificiais mais perto de estabelecer um sentido cooperativo da Agência, e isso será fundamental para promover a aceitação e a verdadeira integração desses máquinas computarizadas com seus usuários.

Agência pode ser medida em um número de maneiras. As medidas mais simples usam psicofísicos questionários ou escalas que explicitamente peça aos participantes para quem ou o que eles atribuem um evento^17,26,27. Isto baseia-se na percepção existente de um indivíduo de "auto", exigindo que os participantes a fazer julgamentos inferencial de auto atribuição (isto é, explicitamente, julgar se o "Eu" ou outra entidade foi responsável por uma ação ou evento). Implícitas medidas fornecem insights sobre o plano de fundo processos cognitivos que ocorrem durante a ação de motor e sensoriais eventos. Esta vista da Agência tenta medir o que não é explicitamente percebida por um indivíduo. Normalmente isso é conseguido por ter participantes caracterizam uma diferença percebida em auto e externamente-gerados pelo relatam de ações, por exemplo, tendo os participantes a duração do tempo perceberam que ocorrem entre um auto e externamente-gerado pelo evento ^{17 , 28}. durante o desempenho das ações auto-gerada, agência implicitamente se manifesta como uma percepção compressão no tempo entre ações e suas consequências sensoriais, conhecidas como ligação intencional²⁸. Quando indivíduos relatam o tempo perceberam que ocorrem entre uma ação e seu resultado, uma menor duração percebida de tempo corresponde a um sentido mais fortemente formado de agência^29,30. Curiosamente, foi demonstrado que as medidas explícitas e implícitas não podem diretamente correlaciona como eles são, provavelmente, caracterizando diferentes mecanismos perceptuais¹⁷ que juntos informar o sentido de agência. Como tal, estabelecer uma compreensão mais abrangente da formação da Agência durante o uso de prótese provavelmente exigirá protocolos experimentais empregando medidas explícitas e implícitas.

Este trabalho descreve um quadro metodológico que pode ser usado para explicitamente e implicitamente caracteriza o sentido de agência desenvolvido sobre o controle de NMI de sentidos mãos próteses virtuais ou robóticos. Destacam-se duas técnicas para medir a Agência durante o desempenho de uma tarefa de objeto-agarramento sensório-motor. Questionários psicofísicos estabelecidos são empregados para capturar a experiência explícita da Agência, enquanto as estimativas do intervalo de tempo (ligação intencional) são empregadas para medir implicitamente o sentido de agência.

O âmbito de aplicação do presente protocolo é avaliar o sentido de agência no contexto de um NMI que fornece controle motor ativo fisiologicamente relevante e feedback cinestésico. Estas técnicas são generalizáveis para sistemas de NMI próteses virtuais ou físicos. Existem restrições mínimas para as populações que podem ser recrutadas para realizar este protocolo. Por exemplo, a mobilidade dos membros superiores do participante não pode ser afectada bilateralmente (eles devem ter um membro de som), e possuem a capacidade cognitiva de fazer julgamentos baseados em tempo e articular sensações experientes.

Protocolo

Este protocolo foi aprovado anteriormente e segue as diretrizes do Comitê de ética de pesquisa humana da Clínica Cleveland.

1. hardware e Software da NMI

1. Estabelecer controle de NMI do cada participante individual e feedback para que quando eles tentam executar um movimento, ver e sentir uma prótese virtual completar aquele movimento.
   1. Gerar um perceptivo cinestésica mão através NMI do participante e capturar a cinemática do movimento percebido, tendo o participante demonstrar o que sentem usando sua mão intacta.
      Nota: Técnicas para caracterizar cinemática perceptivo cinestésica tem sido ilustradas em outras obras de⁸ e podem ser alcançadas usando uma luva de dados ou um sistema de captura de movimento óptico.
   2. Use uma simulação virtual de mão/prótese para reproduzir a cinemática de perceptivo o movimento.
   3. Configure o hardware para captar os sinais de controle de movimento de mão intencional de NMI do participante.
   4. Mapear o sinal de controle para a atividade da prótese virtual.
   5. Crie um programa de controle mestre que coordena a aquisição do sinal de controle do NMI, o movimento da prótese virtual e a geração de feedback de NMI cinestésica em tempo real.

2. experimental Setup

1. O participante do assento e posicione um monitor na horizontal (ou seja, de costas, virado para cima) sobre uma mesa na frente deles.
2. Exibir a prótese virtual no monitor e ajuste seu tamanho e localização, para que ele está posicionado congruente com a localização do seu membro ausente.
3. Renderizar objetos (por exemplo, flutuando bolas) no ambiente virtual para servir como pontos de paragem para as posições de aberto e perto da mão (pontos de extremidade do movimento).
4. Configurar o programa de controle mestre, para que quando os dígitos virtuais fazem contato com os pontos de paragem virtual, um sinal auditivo é jogado após um ajustável tempo atrasar (300, 500, 700 ou 1.000 ms).

3. experimentais condições

1. Construir um arquivo de entrada para o programa de controle mestre que especifica as configurações para cada julgamento, incluindo o atraso do sinal auditivo, quer o feedback de NMI é ativado on/off, a velocidade e direção do movimento de mão virtual e o atraso entre o comando e o movimento da mão virtual.
   1. Crie duas condições de controle, uma linha de base e uma condição passiva.
      1. Para a condição de base, configure a cinemática e controle de mão virtual para coincidir com o perceptivo cinestésico NMI.
         Nota: A condição de base representa a congruência ideal de motor intenção, cinemática do movimento e feedback cinestésico.
      2. Programe a condição passiva para executar um movimento de mão virtual quando acionado pelo investigador (removendo o controle do usuário), enquanto continua a fornecer o participante com o perceptivo cinestésico NMI.
         Nota: A condição passiva capta as condições teórico Agência pior (ou seja, movimento na ausência de controle [sem intenção], semelhante a um corpo sendo movido passivamente).
   2. Condições adicionais do programa projetadas para analisar as contribuições para a agência de intenção motor, sensação cinestésica e incompatibilidade temporal com a cinemática exibida da prótese virtual. Considere o uso de cinco condições a seguir.
      1. Em frente ao movimento: o feedback cinestésico NMI indica que a mão fecha enquanto abre a visualização de mão.
      2. Muito rápido: a visualização de mão fecha mais rápido do que o indicado pelo feedback cinestésico NMI.
      3. Muito lento: a visualização de mão fecha mais lento do que o indicado pelo feedback cinestésico NMI.
      4. Atraso de início: a visualização da mão fecha 1 s mais tarde do que o indicado pelo feedback cinestésico NMI.
      5. Nenhum feedback: a visualização de mão fecha sem qualquer feedback cinestésico NMI.

4. desempenho do experimento

1. Instrua os participantes para conduzir a mão de campo aberto para a posição fechada sem parar e para relatar sua estimativa do atraso de tempo de quando os dígitos virtuais contactou os pontos de paragem virtual para quando eles ouviram o sinal auditivo.
   Nota: Os participantes podem usar qualquer representação de tempo entre 0 e 1 s que faz mais sentido para eles (por exemplo, milissegundos, frações de segundos, uma 0 - 10 escala).
2. Inicie cada julgamento pressionando um botão de iniciar o programa de controle mestre, o que move a mão virtual para a posição inicial, sinalizando o início do julgamento. Esta sugestões o participante para conduzir a mão virtual para os pontos de paragem virtual, que faz com que um sinal auditivo jogar depois de um atraso aleatório (300, 500 ou 700 ms).
   1. Grave a estimativa de verbalmente relatadas do participante do intervalo de atraso de tempo.
3. Organize ensaios em blocos experimentais.
   1. Começar com duas sessões de treinos e excluí-los da análise final.
      1. Na primeira sessão de treinos, ter a unidade participante a mão para o ponto de extremidade do movimento e jogar o sinal auditivo 1.000 ms após os dígitos virtuais alcançar os pontos de paragem virtual para 10 testes.
         1. Os participantes não precisam relatar os intervalos estimados para esta sessão de treinos.
            Nota: Este passo é necessário para orientar os participantes a quanto tempo um único segundo sente-se.
      2. Na segunda sessão de treinos, novamente, tem a unidade participante a mão para o ponto de extremidade do movimento. Randomize os tons auditivos para que os intervalos de atraso de 300, 500 e 700 ms são apresentados pelo menos 5 vezes cada um.
         1. Peça aos participantes para relatar os intervalos de atraso estimado.
         2. Não informe o participante de suas estimativas dos intervalos de atraso são íntimo o atraso real durante esses ensaios de prática ou ensaios subsequentes no bloco experimental.
            Nota: Este passo é importante porque os participantes provavelmente será inexperientes em fazer julgamentos de tempo em uma escala de frações de segundo, e o procedimento de teste pode não ser intuitivo para o participante do teste inexperientes.
   2. Mover para conjuntos experimentais de 15 ensaios para cada condição. As condições do presente em uma ordem aleatória e administrar um questionário no final de cada condição.
      1. Instruir os participantes a refletir sobre o mais recente conjunto de ensaios e preencha o questionário de oito-declaração agência (inclui quatro perguntas para quantificar a experiência explícita da Agência e quatro perguntas de controle [exemplo fornecido a Arquivo complementar])^8,26.
         1. Randomize as declarações de questionário para fornecer pelo menos cinco ordens de pergunta original a ser apresentado aleatoriamente aos participantes.
   3. Participante do bloco experimental com um conjunto de 15 ensaios para a condição passiva e administrar um questionário após completar estes testes.
      Nota: Administre os julgamentos passivos no final de cada bloco experimental para evitar interferência com um sentido estabelecido da agência.
4. Complete quatro blocos experimentais com diferentes ordens de delineamento das condições experimentais.
5. Fornece várias oportunidades ao longo da duração dos testes para os participantes fazer uma pausa. Não há tempo mínimo ou limite de tempo para estas pausas, mas certifique-se do que participante não é fisicamente ou mentalmente cansado antes de continuar o teste.

Resultados

O protocolo experimental foi realizado com três participantes amputados, operando uma prótese virtual sensível através deles NMI⁸ (Figura 1). A configuração usada uma mão virtual participante-controláveis, movendo-se através de perfis de cinemáticas pré-programados usando o MuJoCo HAPTIX física motor³¹. A mão virtual foi exibida em um monitor horizontal na frente dos participantes em um loc...

Discussão

Aqui apresenta-se um quadro metodológico para caracterizar a experiência da Agência formada durante a operação sensível próteses através de NMIs. Neste contexto, a agência é particularmente relevante como lo pontes ação física para os processos cognitivos de fundo que moldam a percepção. Através de um participante prótese e NMI, temos acesso direto a um número de elementos-chave que estabelecem o sentido de agência: intenção, saída motor e sensação de movimento. De importância para o con...

Materiais

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.