サポートベクターマシンを利用して2次元平面上の固有受容ドリフトのための可視化手法

Summary

この記事では、ミラーの錯覚を使用して機械学習を用いた分析と心理物理手順を組み合わせた2次元平面上に固有受容ドリフトを推定する新規な方法を説明します。

Abstract

Proprioceptive drift, which is a perceptual shift in body-part position from the unseen real body to a visible body-like image, has been measured as the behavioral correlate for the sense of ownership. Previously, the estimation of proprioceptive drift was limited to one spatial dimension, such as height, width, or depth. As the hand can move freely in 3D, measuring proprioceptive drift in only one dimension is not sufficient for the estimation of the drift in real life situations. In this article, we provide a novel method to estimate proprioceptive drift on a 2D plane using the mirror illusion by combining an objective behavioral measurement (hand position tracking) and subjective, phenomenological assessment (subjective assessment of hand position and questionnaire) with a sophisticated machine learning approach. This technique permits not only an investigation of the underlying mechanisms of the sense of ownership and agency but also assists in the rehabilitation of a missing or paralyzed limb and in the design rules of real-time control systems with a self-body-like usability, in which the operator controls the system as if it were part of his/her own body.

Introduction

近年、自己身体の感覚や経験についての研究、つまり、自分の体は、実施形態の文脈で増加しています。実施形態は、このような、到達把握、および触れるとして、環境と相互作用することができる物理または仮想ボディを持つのアイデアや概念を指します。例えば、人間がオブジェクトまたはこの場合、自分の腕と手で、自分自身の体を動かすことにより、環境に位置し、別の人間に触れることができます。今日では、この相互作用または通信は、自分の自然な体の使用に限定されるものではありません。本発明と仮想世界におけるヒト様ロボットやアバターの開発のために、自然の人間の体は、そのような仮想現実でヒューマノイド、遠隔制御ロボット、電動プロテーゼ、またはコンピュータグラフィックスアバターとして、人工体によって置換することができます。例えば、研究者があっても、ロボをそのオペレータの機械本体を介してロボットの前方に配置されたオブジェクトを「掴む」ことができるロボットを開発しましたトンは、作業者の身体の位置^1,2から遠く離れて配置されています。人間は体が事業者の自己身体の帰属を開催する人工体を介してアクションを実行することができれば、この例と同様に？

私たちは簡単に人工的な、非肉と骨本体に私たち自身の自然な身体からの「自己」の帰属や投影上のこの議論に関連するトピックを見つけることができます。一例としては、医療分野で見つけることができます。例えば、医学的リハビリテーションの分野では、治療は、ミラーを使用して「トリック」は、患者の自己身体感覚は、ミラー療法^3-6と呼ばれる、痛みを軽減し、欠落または麻痺肢の運動機能を改善するために探求されていること。この療法では、影響を受けない身体部分や手足のミラーイメージが欠落しているか、麻痺肢がミラーに表示されて1に対応していることを信じるように、患者の脳に誤解を与えることができますし、それはそれにまだあるという感じにつながります元の状態（ すなわち 、事故の前に）。それは、この錯覚は、身体表現に関連する脳の回復力をどのように影響するかまだ検討中です。私たちの自然な身体上の議論のこのタイプに加えて、我々は、特に工学の分野における人間系の相互作用の設計問題の実施形態に同様の議論を、見つけることができます。人工または仮想ボディのために自己の感覚がよく、テレプレゼンス、ブレイン・マシン・インターフェース、およびブレイン・マシン・インタフェース^1,2,7-9の文脈で検討されています。一部の研究者は、作業者の手にそのロボットハンドから触感を転送することができます人間のようなロボットは、ロボットだけでなく、ロボットが配置されている場所であるという意味に自己身体の操作者の感覚をキャプチャすることができますことを報告しましたむしろオペレータが実際に存在する場合よりも、テレ存在¹と呼ばれます。他の研究者は、仮想アバターが強いオペレータの身体の動きを反映していることを報告しましたlyが仮想ボディ⁹にオペレータ自身の体から自己の体の操作者の感覚を転送します。これらの知見は、ユーザが、人工本体が直接に接続されていない場合でも、そのような仮想現実でヒューマノイド、遠隔制御ロボット、電動プロテーゼ、またはコンピュータグラフィックスアバターとして、人工的な体内への自己身体の感覚を投影することができる方法を示し、その脳と体。

非生身のための自己身体感覚のこのタイプの基本的な科学的研究は、人工的な身体のようなオブジェクトは、ゴムの手の錯覚^{（RHI）10-13}とミラーを用いた自己身体の経験のために、基礎となる脳のメカニズムを調べました錯覚（MI）医療と工学の分野でだけでなく、心理物理学と神経心理学で^14-16。 RHIはゴム手が自分の体に属し、同時に見えるゴム手と参加者の隠れた手を撫でによって誘発される感覚です。 MI、手IMAで正中矢状軸に沿って配置された鏡の中のGEは、視覚的に目に見えない反対側の手の参加者の知覚位置を捕捉します。反射された手の画像が見えない反対側の手であるかのようにまた、反射して目に見えない手の同期動きが強い感覚を呼び起こします。これらの幻想の研究によると、マルチモーダル情報や予測と身体の動きに関する感覚フィードバックの間の一貫性は、自己の身体帰属の判断に重要な役割を果たしているようです。したがって、これらの二つの幻想はだまされているか、いくつかの人工的なオブジェクトや画像を主観的に私たち自身の体の一部とすることができると信じて私たちの感覚の根底にある脳のメカニズムを研究する科学者のためのシンプルでありながら強力な証拠とツールすることができ、私たちの自己身体感覚がないこと私たちの自然な肉体に縛られる必要はありませ。

上記のすべてのこれらの研究では、議論は「自己」consistiの概念に基づいています当事者意識と代理店の意味：哲学者ギャラガー¹⁷によって提案された感覚の2種類のngの。当事者意識が観測された身体の部分は自分で感覚を指します。機関の感覚は、身体の動きが自己引き起こされる感覚に相当します。これら二つの感覚は、自己¹⁶の即時感ある最小限の自己、として定義されています。所有権と代理店の意味：この概念によれば、損傷した、自然な仮想、および機械的なボディのための「自己」の属性は、同じインデックスによって評価することができます。科学的評価のためのこの感覚を使用するためには、質問が強固に所有権と代理店の感覚を測定する方法で発生します。現在、所有権と代理店の感覚の推定は、主に、もともとBotvinick ⁹によって提案された質問票に依存しています。アンケートに加えて、定量的な方法でそれらを測定するように試みることができます。例えば、皮膚のコンコンダクタンス反応（SCR）は、ゴム手が突然ナイフ¹⁸により切断された場合には、所有権の生理指標として用いられてきました。 SCRは、皮膚の電気的特性を測定することによって計算され、覚醒¹⁹のための高感度かつ有効な指標です。この方法は、通常、参加者ごとに単一の試験のために印加されているので、測定SCRは、参加者の中繰り返し測定を必要とする心理物理学実験中の物理的な指標としては適していません。当事者意識のための最も成功した行動指標の一つは、 固有受容ドリフトである。固有受容ドリフトは、ゴム製の補綴物として、または、手のように見える物体の位置に向かって目に見えない本物の手の知覚位置の変化でありますコンピュータグラフィックス^10-13。この変更は、自己受容ドリフト私、目に見えない本物の手と手の視覚画像との間の距離を測定することにより、繰り返しとロバストに推定することができるので、精神物理学的測定のためのsa適した物理インデックス。しかし、この使用は、最近の議論は自己受容ドリフトが常に所有¹²の行動の指標として用いることができるかどうかを疑問視しているので、慎重に評価される必要があります。

典型的に、固有受容ドリフトは、高さ、幅、または深さの3方向の一方のみで測定されます。固有受容ドリフトはほとんど多次元データを推定し、視覚化の難しさのために、複数の方向で測定されていません。この計量制限は、実験条件を容易に設計し、測定された寸法を制限するように制御することができるので、多感覚情報を処理するメカニズムを探索する基礎研究のために重要ではありません。しかし、日常生活の中で、私たちの手は、私たちの意思に従うことを3Dで自由に移動します。この状況では、アンケート、厳しく制限動きとPOSとの参加者の行動を測定することは困難かつ不十分です手のitions。したがって、エンジニアリングおよびリハビリテーションにおける所有権や代理店、複数の方向が含まれており、自由な手の動きは、日常生活の状況における視覚と固有受容フィードバックとの間の空間的関係を評価するために必要とされることができ、測定の感覚のための潜在的な用途を考慮。このような測定が可能であった場合は、実数と観測された手の間の測定距離は、自己の体の感覚のためのガイドラインとして利用することができます。これは、だけでなく、リハビリの進行の指標だけでなく、表示および操作手で操作対象との間の空間オフセットの基準になる可能性があります。問題は、この測定を確実かつ効果的に実施することができる方法として残ります。

この問題に対処するために、我々は目に見える手のようなOのそれに参加者の目に見えない本物の手の位置からのシフトに対応する固有受容ドリフトを推定する新規な方法を紹介しますbject、心理物理手順と機械学習を用いた解析を組み合わせることにより、ミラーの錯覚を使用して、2次元平面上に。ゴム手と比較すると、鏡の中の手のイメージが強く、目に見えない本物の手の参加者の知覚位置を捕捉します。また、ミラーリングされた画像はすぐに手の配置のための自主的な手の動きを反映しています。これにより、鏡像が参加者の手の視覚的なフィードバックとして選択しました。また、日常生活の状況に似た固有受容ドリフトを測定するために、参加者は自分の意志で自分の隠された手のトライアル・バイ・トライアルに位置し、試行回数が増加しました。方向の任意の組み合わせが使用されている可能性があるが、高さと深さとの組み合わせが原因垂直ミラーを配置を容易に選択しました。本手法と以前の研究¹³との間の整合性をチェックするために、2つの視覚的な条件が実装されました：とし、視覚的なフィードバックなし。視覚フィードバック、ミラーワットとの条件で正中矢状面に沿って配置されたとして、それは右手のように見られたかのように、左手の反射像を作成することができます。視覚的なフィードバックのない状態では、マットの黒板は、参加者の実際の右手を隠すために使用されました。私たちは、所有権と代理店の感覚に関するアンケートで得られたものと結果を比較することによって、この新規な方法の有効性を評価しました。

Protocol

実験のすべての側面は、東京工業大学の倫理委員会によって承認されました。 1.実験のセットアップ固有受容ドリフトを測定するための材料とセットアップ。 垂直方向に100×100センチのプレート（ 図1）を保持することができるスタンドを取得します。 参加者が実験中に快適に座ることができた椅子を取得します。 100×100センチのアクリルミラ?…

Representative Results

以前の研究からの代表的な結果を方法16を例示するために提示される。 図3（a）は、視覚的な参加者が左右の手の位置との間の空間オフセットを検出することができなかった領域の形状は（ミラー）との条件間で異なっていることを示しており、（黒板）なしフィードバック図3Bは、視覚的なフィードバックとの条件で、その領域のサ…

Discussion

私たちは、SVMを使用してミラー錯覚の間に2次元平面内で固有受容ドリフトを推定すると、所有権と代理店の感覚のためのアンケートの回答と結果を比較する方法を示しています。この新規な方法は、固有受容性ドリフトが約10cmであり、これは密接にオフセット所有権や代理店の感覚を維持するために必要なオフセットと重なっていることを維持するために、視覚と固有受容フィードバック?…

Materials

Acric mirror
Matte blackboard
custom-made stand			e.g. wood pole or PVC(poly vinyl chloride) pipe
Chair
Foot pedal	P.I. Engineering	Classic X-keys USB, and PS/2 Foot Pedals	Other response device can be avaliable.
Position sensor	CyVerse	SLC-C02	Other position sensor can be avaliable.
Custom-made retroreflectivemarker			The marker provided by the motion capture vendor can be available.
Noise canselling head phone	bose	Quiet Comfort 3	Other head phone can be avaliable.
PC	Mouse computer	NG-N-i300GA	Other PC can be available.