Método de visualización para la deriva propioceptiva en un plano 2D que usa la máquina de vectores de soporte

Summary

En este artículo se describe un nuevo método para estimar la deriva propioceptiva en un plano 2D usando la ilusión espejo y la combinación de un procedimiento psicofísico con un análisis utilizando la máquina de aprendizaje.

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

En los últimos años, la investigación sobre el sentido o la experiencia del auto-cuerpo, es decir, el propio cuerpo, ha aumentado en el contexto de la realización. Forma de realización se refiere a la idea o concepto de tener un cuerpo físico o virtual que puede interactuar con el medio ambiente, tales como alcanzar, agarrar, y el tacto. Por ejemplo, los seres humanos pueden tocar un objeto u otro ser humano colocado en el medio ambiente por pasar su propio cuerpo, en este caso, su propio brazo y la mano. Hoy en día, esta interacción o comunicación no se limita al uso del propio cuerpo natural. Debido a la invención y el desarrollo de robots humanoides o avatares en el mundo virtual, el cuerpo humano natural puede ser sustituido por un cuerpo artificial, tal como un humanoide, robot de control remoto, prótesis eléctrica, o avatar infografía en la realidad virtual. Por ejemplo, los investigadores desarrollaron un robot cuyo operador puede "comprender" un objeto colocado en frente del robot a través de su cuerpo mecánico, incluso si el robot se coloca lejos de la posición del cuerpo ^1,2 del operador. Al igual que en este ejemplo, si un ser humano podría realizar una acción a través de un cuerpo artificial, que sería el organismo mantenga la atribución de auto-cuerpo del operador?

Podemos encontrar fácilmente los temas relacionados con esta discusión sobre la atribución o la proyección de "auto" de nuestro propio cuerpo natural de un cuerpo artificial, no de carne y hueso. Un ejemplo se puede encontrar en el campo médico; por ejemplo, en el campo de la rehabilitación médica, los tratamientos que "truco" sensación de auto-cuerpo del paciente utilizando espejos están siendo exploradas para reducir el dolor y mejorar la función motora de una extremidad que falta o paralizado, llamados terapia del espejo ^3-6. En esta terapia, la imagen reflejada de la parte del cuerpo afectada o la integridad física puede confundir el cerebro del paciente en la creencia de que el miembro amputado o paralizado corresponde a la que aparece en el espejo y dar lugar a la sensación de que todavía está en ellas condición anterior (es decir, antes del accidente). Todavía se está debatiendo cómo esto afecta a la capacidad de recuperación ilusión del cerebro relacionada con la representación del cuerpo. Además de este tipo de discusión sobre nuestro cuerpo natural, podemos encontrar discusiones similares sobre la realización, en especial de los problemas de diseño de interacción hombre-máquina en el campo de la ingeniería. El sentido de sí mismo para un cuerpo artificial o virtual ha sido bien investigado en el contexto de la telepresencia, la interfaz cerebro-máquina, y una interfaz cerebro-ordenador ^1,2,7-9. Algunos investigadores informaron que un robot humanoide, que puede transferir la sensación táctil de su mano de robot a la mano del operador, puede capturar el sentido de que el operador de la auto-cuerpo para el robot, así como la sensación de estar en un lugar donde el robot se posiciona lugar de donde realmente existe el operador, llamada tele-existencia ^1. Otros investigadores informaron que un avatar virtual que refleja los movimientos del cuerpo del operador fuerteLy transfiere el sentido de que el operador de la auto-cuerpo del propio cuerpo del operador al cuerpo virtual ^9. Estos hallazgos indican cómo los usuarios pueden proyectar su sentido de auto-cuerpo en un cuerpo artificial, tal como un humanoide, robot de control remoto, prótesis eléctrica, o avatar infografía en la realidad virtual, incluso si el cuerpo artificial no está conectado directamente a su cerebro y el cuerpo.

La investigación científica básica en este tipo de sensación de auto-cuerpo por falta de carne y hueso, objetos de cuerpo como artificiales examinó los mecanismos cerebrales subyacentes a la experiencia de auto-cuerpo usando la ilusión mano de goma (RHI) ^10-13 y el espejo ilusión (MI) ^14-16 en los campos de la medicina y de ingeniería, así como en la psicofísica y la neuropsicología. La RHI es la sensación que pertenece una mano de goma para el propio cuerpo y es evocado por acariciar al mismo tiempo una mano de goma visible y la mano oculta del participante. En el MI, una mano image en un espejo colocado a lo largo del eje sagital medio captura visualmente la posición percibida del participante de la invisible mano opuesta. Por otra parte, los movimientos sincrónicos de la mano invisible reflejada y evocan la sensación fuerte como si la imagen reflejada mano eran lo invisible mano opuesta. De acuerdo con la investigación sobre estas ilusiones, la consistencia entre la información multimodal y la predicción y la retroalimentación sensorial acerca de los movimientos del cuerpo parece jugar un papel importante para el juicio de atribución de auto-cuerpo. Por lo tanto, estas dos ilusiones pueden ser pruebas y herramientas simples pero de gran alcance para los científicos que investigan los mecanismos cerebrales subyacentes nuestra sensación de ser engañado o creer que un objeto artificial o imagen puede ser subjetivamente nuestra propia parte del cuerpo, y que nuestra sensación de auto-cuerpo hace no tiene que estar atado a nuestro cuerpo físico natural.

En todos estos estudios mencionados anteriormente, la discusión se ha basado en el concepto de "lo propio" consisting de dos tipos de sensaciones propuestos por el filósofo Gallagher ^17: el sentido de pertenencia y el sentido de la agencia. El sentido de propiedad se refiere a la sensación de que una parte del cuerpo que se observa es la propia. El sentido de acción corresponde a la sensación de que el movimiento del cuerpo es auto-causado. Estas dos sensaciones se definen como el ser mínima, es decir, una sensación inmediata de la auto ^16. De acuerdo con este concepto, la atribución de la "auto" para los cuerpos naturales, dañado, virtuales, y mecánicas puede ser evaluada por los mismos índices: el sentido de la propiedad y la agencia. Para utilizar esta sensación de evaluación científica, se plantea la cuestión de cómo medir el sentido de propiedad y la agencia de forma robusta. Actualmente, la estimación del sentido de propiedad y la agencia se basa principalmente en cuestionarios, propuesto originalmente por Botvinick ^9. Además de los cuestionarios, podemos intentar medirlos de manera cuantitativa. Por ejemplo, el aire de la pielrespuesta conductancia (SCR) se ha utilizado como un índice fisiológico de la propiedad en los casos en que la mano de goma es repentinamente cortada por un cuchillo ^18. El SCR se calcula mediante la medición de las características eléctricas de la piel y es un indicador sensible y válido para la excitación ^19. Dado que este método se aplica típicamente para los ensayos individuales por participante, la medición de SCR no es adecuado como un índice físico durante psicofísica experimentos que requieren mediciones repetitivas dentro de los participantes. Uno de los índices de comportamiento de mayor éxito para el sentido de la propiedad es la deriva propioceptiva. Deriva propioceptiva es el cambio en la posición percibida de la verdadera mano invisible hacia la posición de un objeto que se parece a una mano, como por ejemplo la prótesis de goma a medida ni gráficos por ordenador ^10-13. Puesto que este cambio puede ser estimado de manera repetitiva y robusta mediante la medición de la distancia entre la mano real invisible y la imagen visual de la mano, la deriva propioceptiva isa índice físico adecuado para mediciones psicofísicas. Sin embargo, este uso debe ser evaluado cuidadosamente, porque las discusiones recientes han cuestionado si la deriva propioceptiva siempre se puede utilizar como un índice de comportamiento de la propiedad ^12.

Típicamente, la deriva propioceptiva se mide sólo en una de las tres direcciones, como la altura, anchura o profundidad. la deriva propioceptiva rara vez se ha medido en múltiples direcciones, debido a la dificultad de estimar y visualizar datos multidimensionales. Esta limitación metrológico no es crítica para la investigación básica explorar los mecanismos que procesan la información multisensorial, ya que las condiciones experimentales pueden ser diseñadas y controladas para limitar las dimensiones medidas fácilmente. Sin embargo, en la vida cotidiana, nuestras manos se mueven libremente en 3D para seguir nuestras intenciones. En esta situación, es difícil e inadecuado para medir el comportamiento de un participante con cuestionarios, que severamente limita el movimiento y posiciónitions de las manos. Por lo tanto, teniendo en cuenta las posibles aplicaciones de sentido de propiedad y la agencia en la ingeniería y la rehabilitación, una medición que incluye múltiples direcciones y permite que se necesita movimiento de la mano libre para evaluar la relación espacial entre la retroalimentación visual y propioceptiva en situaciones de la vida cotidiana. Si dicha medición fuera posible, la distancia medida entre las manos reales y observadas podría ser utilizado como una guía para el sentido de auto-cuerpo. Esto no sólo podría llegar a ser un indicador para el progreso de la rehabilitación, sino también un criterio para el offset espacial entre el blanco manipulado en la pantalla y la mano de operación. La pregunta sigue siendo cómo esta medida puede ser implementado de manera fiable y eficaz.

Para abordar esta cuestión, se introduce un nuevo método para estimar la deriva propioceptiva, que se corresponde con el cambio de la posición de la mano real invisible del participante a la de una forma de mano o visiblebject, en un plano 2D usando la ilusión del espejo mediante la combinación de un procedimiento psicofísico y un análisis utilizando la máquina de aprendizaje. En comparación con una mano de goma, la imagen de la mano en un espejo capta firmemente la posición percibida del participante de la verdadera mano invisible. Por otra parte, una imagen de espejo refleja inmediatamente los movimientos voluntarios mano de colocación de las manos. Por lo tanto, una imagen de espejo fue seleccionada como la retroalimentación visual de la mano del participante. Además, para medir la deriva propioceptiva similar a situaciones de la vida cotidiana, los participantes colocan sus manos ensayo por ensayo oculto a su voluntad, y se aumentó el número de ensayos. Aunque cualquier combinación de direcciones podría haber sido utilizado, la combinación de la altura y la profundidad se eligió debido a la facilidad de colocar el espejo en posición vertical. Para comprobar la coherencia entre nuestro método y la investigación anterior ^13, se llevaron a cabo dos condiciones visuales: con y sin retroalimentación visual. En la condición con realimentación visual, el espejo wcomo colocado a lo largo del plano sagital medio para crear una imagen reflejada de la mano izquierda, como si se hubiera visto como la mano derecha. En la condición sin retroalimentación visual, una pizarra mate se utilizó con el fin de ocultar verdadera mano derecha del participante. Se evaluó la eficacia de este nuevo método mediante la comparación de los resultados con los obtenidos con un cuestionario sobre el sentido de la propiedad y la agencia.

Protocol

Todos los aspectos del experimento fueron aprobados por el Comité Ético del Instituto de Tecnología de Tokio. 1. Configuración Experimental Materiales y configuración para la medición de la deriva propioceptiva. Obtener un soporte que puede sostener una placa de 100 x 100 cm verticalmente (Figura 1). Obtener una silla en la que el participante pueda sentarse cómodamente durante el experimento. Obtener un espejo de acrílico 100 x 100 cm y pizarra ma…

Representative Results

Los resultados representativos de un estudio previo se presentan para ilustrar el método 16. La Figura 3A muestra que las formas de las áreas donde el participante no pudo detectar el desplazamiento entre la posición de la mano izquierda y derecha espacial diferían entre las condiciones con (espejo) y sin (pizarra) Visual . retroalimentación Figura 3B muestra que el tamaño de la zona en la condición con retroalimentación visual es sign…

Discussion

Se demuestra un método para estimar la deriva propioceptiva en un plano 2D durante la ilusión de duplicación utilizando SVM y comparar el resultado con las respuestas al cuestionario de sentido de propiedad y la agencia. Este nuevo método reveló que el desplazamiento necesario entre la retroalimentación visual y propioceptiva para mantener la deriva propioceptiva es de aproximadamente 10 cm y que este desplazamiento coincide estrechamente con la diferencia requerida para mantener el sentimiento de propiedad y la a…

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.