מישוש חצי אוטומטי פסיבי אצבע זווית מגרה (TSPAS)
Summary
מוצג הוא TSPAS ממריץ זווית אצבע פסיבית למחצה מישוש, דרך חדשה להעריך חדות מרחבית מישוש אפליה זווית מישוש באמצעות מערכת גירוי מישוש מבוקר מחשב המחיל גירויים זווית מוגברת על משטח האצבע הפסיבי של הנושא, תוך שליטה על מהירות התנועה, מרחק, ומשך מגע.
Abstract
תפיסה מישוש פסיבית היא היכולת לתפוס באופן פסיבי וסטטי מידע גירוי מגיע מן העור; לדוגמה, היכולת לחוש מידע מרחבי היא החזקה ביותר בעור על הידיים. יכולת זו נקראת חדות מרחבית מישושית, והיא נמדדת על ידי סף המישוש או סף האפליה. כיום, סף שתי הנקודות משמש בהרחבה כמדד של חדות מרחבית מישוש, אם כי מחקרים רבים הראו כי גירעונות קריטיים קיימים באפליה של שתי נקודות. לכן, פותחה מערכת גירוי מישוש הנשלטת על ידי מחשב, ממריץ זווית אצבע פסיבית (TSPAS) המבויש למחצה, תוך שימוש בסף האפליה של זווית המישוש כאמצעי חדש לחדות מרחבית מישוש. ה- TSPAS היא מערכת פשוטה המופעלת בקלות, המחילה גירויים מזווית מוגבהת על משטח האצבע הפסיבי של הנבדק, תוך שליטה במהירות התנועה, במרחק ובמשך המגע. הרכיבים של TSPAS מתוארים בפירוט, כמו גם את ההליך לחישוב סף אפליה זווית מישוש.
Introduction
תפיסת מגע היא צורה בסיסית של התחושות המעובדות על ידי המערכת הסומטוסנסורית, כולל תפיסה haptic ותפיסה מישוש. תפיסה מישוש פסיבית, בניגוד לחקירה פעילה, פירושה שהאובייקט מועבר ליצירת קשר עם עור סטטי1,2. כמו במובנים אחרים, פתרון מרחבי בתפיסה מישוש, המכונה גם חדות מרחבית מישוש, מיוצג בדרך כלל על ידי סף מישוש, סף זיהוי, או סף אפליה2,3. ב -100 השנים האחרונות, סף שתי הנקודות שימש בדרך כלל כמדד של חדות מרחבית מישוש4. עם זאת, מחקרים רבים הראו כי סף שתי הנקודות הוא מדד לא חוקי של יכולת מרחבית מישוש מכיוון שאפליה דו-נקודתית (TPD) אינה יכולה לשלול רמזים לא מרחביים (לדוגמה, אם שתי נקודות קרובות מדי, הם עשויים לאתר שדה פתוח אחד, המעורר בקלות פעילות עצבית מוגברת) ולשמור על קריטריון יציב לתגובות3,4,5. בשל מספר החסרונות של TPD, מספר שיטות חדשות ומבטיחות פותחו כתחליף, כגון אוריינטציה סורגת מישוש (GO)3,6, שתי נקודות אוריינטציה אפליה5, העלה זיהוי אותיות, זיהויפערים 7, דפוסי נקודה, טבעות Landolt C 8 , ואפלייתזווית(לספירה)9,10. כיום, בגלל היתרונות בהפעלת GO, כמו גם את המבנה המרחבי ואת המורכבות של הגירוי בשימוש, GO משמש יותר ויותר כדי למדוד חדות מרחבית מישוש11,12,13.
למרות GO מישוש נחשב להסתמך על מנגנונים מרחביים הבסיסית, ובכך להניב מידה אמינה של חדות מרחבית מישוש, זה עדיין שנוי במחלוקת אם ביצועי GO מושפע בחלקו על ידי רמזים לא מרחביים14 (למשל, סימנים אינטנסיביים שעשויים לספק רמז כדי לזהות את ההבדל בין גירויים אוריינטציה). בנוסף, GO מורכב רק מפעילויות פשוטות של אוריינטציה מרחבית (כלומר, אופקית ואנכית) וכרוך בעיקר בעיבוד חושי, המגביל את השימוש בו בעת חקירת יחסי הגומלין ההיררכיים בין עיבוד ראשוני מישוש בקליפת המוח הסומטו-סנסורית העיקרית לבין החזקה מתקדמת מישוש המערבת את קליפת המוח הקודקודית האחורית (PPC) ו- supramarginal gyrus (SMG)15,16,17. כדי לפצות על חסרונות אלה, AD מישוש פותחה כדי למדוד חדות מרחביתמישוש 9,10. בשנת לספירה, זוג זוויות מחליקות באופן פסיבי לאורך קצות האצבעות. הזוויות משתנות בגודלן, והנושא צריך לקבוע אילו מהזוויות גדולות יותר. כדי להשלים משימה זו באופן עקבי, תכונות מרחביות של זוויות מישוש חייבות להיות מיוצגות ומאוחסנות בזיכרון העבודה ולאחר מכן להשוות ולהבחין בהן. לכן, AD מישוש כרוך לא רק עיבוד ראשוני, אלא גם הכרה מתקדמת של תפיסה מישוש, כגון זיכרון עבודה ותשומת לב.
כמו במגוון מבחני תפיסת כיוון קו, ב מישוש לספירה הנושא מוצג ברציפות עם זווית התייחסות אחת וזווית השוואה אחת ומתבקש לציין איזו זווית גדולה יותר18,19,20,21. הקווים המרכיבים את הזוויות שווים באורך ומופצים באופן סימטרי לאורך ביסקטורית דמיונית. על ידי שינוי סימטרי של הממדים המרחביים של הקווים, ניתן ליצור את כל סוגי זוויות המישור המוגבהות. לכן, יתרון קריטי של שיטה זו הוא כי הזוויות להיות מובחן יש מבנים מרחביים דומים. בנוסף, הייצוג המרחבי שנצבר לספירה הוא רציף יותר מזה שהושג ב- GO. עם זאת, סף לספירה מספק ראיות לכך שחדות מרחבית מישושית מספיקה כדי לאפשר אפליה מרחבית בין אובייקטים22. יתר על כן, התפיסה המרחבית המישושית של הזווית עשויה להיות מנוסה מנקודה לקו ולבסוף ליצור זווית מישור דו מימדית שבה רמזים לא מרחביים עשויים לשחק רק תפקיד קטן.
סף לספירה נמצא לגדול עם הגדלת הגיל, אשר עשוי לנבוע הצורך בעומס קוגניטיבי גבוה במשימת AD מישוש. לכן, הוא עשוי לספק מנגנון ניטור באבחון ליקוי קוגניטיבי9,10. למרות שביצועי AD מושפעים מירידה הקשורה לגיל, ניתן לשפר אותה באופן משמעותי אצל צעירים על ידי אימון מתמשך או אימון משימה מישוש דומה23. יתר על כן, מחקרי fMRI הראו כי משימה מושהית של זווית מישוש תואמת לדגימה הפעילה אזורים מסוימים בקליפת המוח האחראים על זיכרון העבודה, כגון קליפת המוח הקודקודית האחורית17,24. ממצאים אלה מצביעים על כך שאפליית זווית מישוש היא אמצעי מבטיח לחדות מרחבית מישוש המערבת הכרה מתקדמת. כאן, ציוד AD מישוש והשימוש בו מתואר בפירוט. חוקרים מישוש אחרים יכולים לשחזר את ציוד לספירה ולהשתמש בו במחקר שלהם.
ציוד AD מישוש, או גירוי זווית פסיבית חצי אוטומטית מישוש (TSPAS), משתמש בשקופית אלקטרונית כדי להעביר זוג גירויים זווית להחליק באופן פסיבי על פני העור (איור 1). זרועות הנבדקים שוכבות בנוחות, מתרוצץ על שולחן. יד ימין יושבת על צלחת יד בטבלה, ומנחת אצבעות ממוקמת מעט מתחת לפתיחת הצלחת. תוכנת מחשב יכולה לשלוט בשקופית, להזיז אותה במהירות קבועה ולהזיז אותה קדימה ואחורה. כאשר השקופית נעה קדימה, גירויי הזווית מחליקים באופן פסיבי על פני העור במהירות קבועה החל מקצה האצבע. כאשר השקופית נעה אחורה למיקום ההתחלה שלה ומשתנה לזוג אחר של גירויים זוויתיים, הנושא צריך להרים את האצבע המורה למעלה ולחכות לפקודה למקם אותה שוב בפתיחה. לכן, הציוד מציג גירויים זווית מישוש במהירות מבוקרת, משך מגע יציב, מרווח ביניים קבוע. הנושא מדווח בעל פה על מספר רצף, והניסוי רושם אותו כתגובה וממשיך לנהל את הניסוי הבא.
איור 1: מבט כולל על ה- TSPAS.
הציוד מורכב מארבעה חלקים: 1) גירויים זווית מישוש (כלומר, זווית התייחסות ועשר זוויות השוואה); 2) צלחת היד שמתקן את היד של הנושא במקום ושומר רק את האצבע המורה במגע עם הגירויים; 3) המחוון האלקטרוני שנושא את הגירויים המישושיים; ו -4) מערכת הבקרה של המחשב האישי (PC) השולטת על המהירות ועל מרחק התנועה של השקופית האלקטרונית. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
אמצעי חדש עבור חדות מרחבית מישוש, מישוש לספירה, מוצג. במערכת זו זוג זוויות מחליק באופן פסיבי על פני האצבע המורה משותק של נושא. AD משלב את היתרונות של GO ו- TPD, צמצום ההשפעה של רמזים אינטנסיביים ואת קצב הדחף שיא העצבי של נקודה אחת. מחקר זה מראה כי יש שינוי הדרגתי באפליה תפיסתית כמו ההבדל בזווית מש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי האגודה היפנית לקידום המדע KAKENHI מענקים JP17J40084, JP18K15339, JP18H05009, JP18H01411, JP18K18835, ו JP17K18855. אנו מודים גם לטכנאי (יושיהיקו טמורה) במעבדה שלנו שעזר לנו לעצב את הזווית המוגבהת.
Materials
| Acrylic sheet (3 mm) | MonotaRO Co.,Ltd. | 33159874 | Good Material |
| Acrylic sheet (1 mm) | MonotaRO Co.,Ltd. | 45547101 | Good Material |
| EZ limo (easy linear motion motor) | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | EZS3 | Good Motorized Linear Slides |
| Data Editing Software | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | EZED2 | easy to use |
| Operating Manual (Orientalmotor) | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | HL-17151-2 | Good Guidebook |
References
- Smith, A. M., Chapman, C. E., Donati, F., Fortier-Poisson, P., Hayward, V. Perception of simulated local shapes using active and passive touch. Journal of Neurophysiology. 102 (6), 3519-3529 (2009).
- Reuter, E. M., Voelcker-Rehage, C., Vieluf, S., Godde, B. Touch perception throughout working life: Effects of age and expertise. Experimental Brain Research. 216 (2), 287-297 (2012).
- Craig, J. C. Grating orientation as a measure of tactile spatial acuity. Somatosensory and Motor Research. 16 (3), 197-206 (1999).
- Craig, J. C., Johnson, K. O. The two-point threshold: Not a measure of tactile spatial resolution. Current Directions in Psychological Science. 9 (1), 29-32 (2000).
- Tong, J., Mao, O., Goldreich, D. Two-point orientation discrimination versus the traditional two-point test for tactile spatial acuity assessment. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 1-11 (2013).
- Goldreich, D., Wong, M., Peters, R. M., Kanics, I. M. A tactile automated passive-finger stimulator (TAPS). Journal of Visualized Experiments. (28), e1374 (2009).
- Johnson, K. O., Phillips, J. R. Tactile spatial resolution. I. Two-point discrimination, gap detection, grating resolution, and letter recognition. Journal of Neurophysiology. 46 (6), 1177-1191 (1981).
- Legge, G. E., Madison, C., Vaughn, B. N., Cheong, A. M. Y., Miller, J. C. Retention of high tactile acuity throughout the life span in blindness. Perception and Psychophysics. 70 (8), 1471-1488 (2008).
- Yang, J., Ogasa, T., Ohta, Y., Abe, K., Wu, J. Decline of human tactile angle discrimination in patients with mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease. Journal of Alzheimer’s Disease. 22 (1), 225-234 (2010).
- Wu, J., Yang, J., Ogasa, T. Raised-angle discrimination under passive finger movement. Perception. 39 (7), 993-1006 (2010).
- Sathian, K., Zangaladze, A. Tactile learning is task specific but transfers between fingers. Perception and Psychophysics. 59 (1), 119-128 (1997).
- Wong, M., Peters, R. M., Goldreich, D. A physical constraint on perceptual learning: tactile spatial acuity improves with training to a limit set by finger size. Journal of Neuroscience. 33 (22), 9345-9352 (2013).
- Trzcinski, N. K., Gomez-Ramirez, M., Hsiao, S. S. Functional consequences of experience-dependent plasticity on tactile perception following perceptual learning. European Journal of Neuroscience. 44 (6), 2375-2386 (2016).
- Essock, E. A., Krebs, W. K., Prather, J. R. Superior Sensitivity for Tactile Stimuli Oriented Proximally-Distally on the Finger: Implications for Mixed Class 1 and Class 2 Anisotropies. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance. 23 (2), 515-527 (1997).
- Gurtubay-Antolin, A., Leon-Cabrera, P., Rodriguez-Fornells, A. Neural evidence of hierarchical cognitive control during Haptic processing: An fMRI study. eNeuro. 5 (6), (2018).
- Yang, J., et al. Tactile priming modulates the activation of the fronto-parietal circuit during tactile angle match and non-match processing: an fMRI study. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 926 (2014).
- Yu, Y., Yang, J., Ejima, Y., Fukuyama, H., Wu, J. Asymmetric Functional Connectivity of the Contra- and Ipsilateral Secondary Somatosensory Cortex during Tactile Object Recognition. Frontiers in Human Neuroscience. 11, (2018).
- Olczak, D., Sukumar, V., Pruszynski, J. A. Edge orientation perception during active touch. Journal of Neurophysiology. 120 (5), 2423-2429 (2018).
- Lederman, S. J., Taylor, M. M. Perception of interpolated position and orientation by vision and active touch. Perception and Psychophysics. 6 (3), 153-159 (1969).
- Peters, R. M., Staibano, P., Goldreich, D. Tactile orientation perception: An ideal observer analysis of human psychophysical performance in relation to macaque area 3b receptive fields. Journal of Neurophysiology. 114 (6), 3076-3096 (2015).
- Bensmaia, S. J., Hsiao, S. S., Denchev, P. V., Killebrew, J. H., Craig, J. C. The tactile perception of stimulus orientation. Somatosensory and Motor Research. 25 (1), 49-59 (2008).
- Morash, V., Pensky, A. E. C., Alfaro, A. U., McKerracher, A. A review of haptic spatial abilities in the blind. Spatial Cognition and Computation. 12 (2-3), 83-95 (2012).
- Wang, W., et al. Tactile angle discriminability improvement: roles of training time intervals and different types of training tasks. Journal of Neurophysiology. 122 (5), 1918-1927 (2019).
- Yang, J., et al. Tactile priming modulates the activation of the fronto-parietal circuit during tactile angle match and non-match processing: an fMRI study. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 926 (2014).
- Peters, R. M., Hackeman, E., Goldreich, D. Diminutive Digits Discern Delicate Details: Fingertip Size and the Sex Difference in Tactile Spatial Acuity. Journal of Neuroscience. 29 (50), 15756-15761 (2009).
- Sathian, K., Zangaladze, A., Green, J., Vitek, J. L., DeLong, M. R. Tactile spatial acuity and roughness discrimination: Impairments due to aging and Parkinson’s disease. Neurology. 49 (1), 168-177 (1997).
- Hoehler, F. K. Logistic equations in the analysis of S-shaped curves. Computers in Biology and Medicine. 5 (3), 367-371 (1995).
- Kuehn, E., Doehler, J., Pleger, B. The influence of vision on tactile Hebbian learning. Scientific Reports. 7 (1), 1-11 (2017).
- Weder, B., Nienhusmeier, M., Keel, A., Leenders, K. L., Ludin, H. P. Somatosensory discrimination of shape: Prediction of success in normal volunteers and parkinsonian patients. Experimental Brain Research. 120 (1), 104-108 (1998).
