Karakterisering van de betekenis van het Agentschap over de acties van neurale-machine Interface bediende protheses

Summary

Hier presenteren we een protocol dat de zin van agentschap ontwikkeld over de controle van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen kenmerkt. Psychofysisch vragenlijsten worden gebruikt om vast te leggen van de expliciete ervaring van Agentschap en schatting van de interval tijd (opzettelijke bindende) worden gebruikt impliciet het meten van het gevoel van het Agentschap.

Abstract

Dit werk beschrijft een methodologisch kader dat kan worden gebruikt voor expliciet en impliciet karakteriseren het gevoel van agentschap ontwikkeld over de controle van de neurale / machine-interface (NMI) van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen. De vorming van het Agentschap is van fundamenteel belang onderscheid te maken van de acties die we met onze ledematen als onze eigen uitvoeren. Door te streven naar het integreren van geavanceerde Opper-ledemaat prothesen in deze dezelfde perceptuele mechanismen, kunnen we beginnen met het integreren van een kunstmatige ledematen nauwer in van de gebruiker bestaande cognitieve kader voor de controle van de ledematen. Dit heeft belangrijke implicaties biij gebruikersacceptatie, gebruik, en effectieve controle van geavanceerde Opper-ledemaat protheses. In dit protocol, deelnemers bepalen een virtuele nephand en kinesthetische sensorische feedback via hun bestaande NMIs te ontvangen. Een reeks virtuele grijpen taken worden uitgevoerd en verstoringen zijn systematisch ingevoerd om de kinesthetische feedback en virtuele handbewegingen. Twee afzonderlijke maatregelen van agentschap werkzaam zijn: gevestigde psychofysische vragenlijsten voor het vastleggen (de expliciete ervaring van Bureau) en een tijdsinterval schatten taak om vast te leggen van de impliciete betekenis van het Agentschap (opzettelijke bindende). Resultaten van dit protocol (vragenlijst scores en tijdsinterval schat) kan worden geanalyseerd om te kwantificeren van de omvang van de formatie van het Agentschap.

Introduction

Zoals robotic prothesen steeds meer geavanceerde worden, zal het belang van relevante sensorische feedback blijven groeien. Sensorische feedback is van invloed op hoe mensen waarnemen, interactie met, en zelfs machines te integreren in hun lichaam schema. Recente NMI technieken kunnen nu prothetische ledematen gebruikers te voorzien van intuïtieve bediening en bereiken sensaties gekoppeld touch^{1,2,3,4,5,6 , 7} en kinesthesia (beweging sense)^8,9 in ontbrekende ledematen. Wanneer deze zintuiglijke informatie wordt gekoppeld aan de visuele informatie verstrekt door te kijken naar de kunstmatig ledematen tijdens operatie, hebben we toegang tot de belangrijkste elementen die het onderscheid van zelf –ten opzichte vande hoogte-andere. Hefboomwerking deze toegang kan helpen prothetische ledematen gebruikers een stap dichter te brengen om een kunstmatige ledematen als een deel van hun lichaam, in plaats van slechts een hulpmiddel.

Lichaams-bewustzijn en het gevoel van wordt belichaamd vloeit voort uit de oprichting van het Agentschap (de ervaring van auteurschap over een limb’s acties) en eigendom (het gevoel dat een ledemaat een deel van het lichaam is)^10,11. Eigendom is voornamelijk gemedieerd door de integratie van de touch en beeldinformatie¹². Agentschap naar voren komt uit de integratie van intentie, verkeer sensatie (kinesthesia), visuele informatie en voorspellende cognitieve modellen¹¹. Tijdens de uitvoering van een vrijwillige actie, wordt Agentschap gevormd wanneer de sensorische gevolgen van dat optreden met de intentie en de voorspellingen van¹³interne modellen van de vertolker van de vertolker uitlijnen. Agentschap is afzonderlijke en onderscheiden van eigendom. Het concept van ledematen eigendom is vaak bestudeerd in de prothese literatuur¹⁴. Een gevoel van ledematen eigendom formulieren in NMI deelnemers bij aanraking feedback ruimtelijk en stoffelijk voorkomend als gemeten via vragenlijsten expliciet of impliciet residuele ledemaat temperatuurveranderingen, of tijdelijke volgorde arresten^{15 is}. Echter hebben minder mogelijkheden bestaan om te verkennen Agentschap in het kader van NMI¹⁶. Recent werk met NMI deelnemers heeft aangetoond dat Agentschap doelgericht kan worden bevorderd en staat los van de ervaring van eigendom⁸.

Agentschap is bijzonder belangrijk in de werking van robotic prothesen, want het is een cognitieve link naar de controle van de kunstmatige ledematen fysieke acties door ervaringen van causaliteit, het gevoel van controle op de kunstmatig ledematen of iets te veroorzaken ¹⁷gebeuren. Robotic prothesen zijn geautomatiseerde machines die de gebruiker met samenwerken moet geavanceerde aan taken effectief uitvoeren. Sommige prothetische lidmaten hebben opgenomen autonome functies zoals grip-slip opsporing en correctie; Toch hebben deze systemen beperkte goedkeuring gezien als functionaliteit uitgevoerd buiten de controle van de gebruiker zo frustrerend kan worden bekeken als die nog niet op de juiste manier geïmplementeerd^8,18. Dit vormt een fundamentele uitdaging die wordt weerspiegeld in de gehele toepassingen van menselijke samenwerking met autonome machines. Dat wil zeggen, mensen vertrouwen vaak hun eigen acties over die welke voortvloeien uit een samenwerking met computers of machines, en dit vertrouwen beïnvloedt direct kans op een operator’s gebruik van de autonome functies^19,20. Als mensen vertrouwen we aangeboren onszelf en onze lichamen voor het uitvoeren van de acties die wij van plan; Wanneer dit gebeurt, stellen wij een intrinsieke betekenis van Agentschap. Interessant is dat wordt de vorming van het Agentschap beïnvloed in samenwerkingsmaatregelen mens-computer. Tijdens de coöperatieve taken mens-mens, kan een gemeenschappelijk besef van Agentschap worden gevormd over verkeer²¹; de literatuur suggereert echter dat gedeelde Agentschap is bezwaard tijdens mens-computer samenwerking^22,23. Deze uitdagingen worden weerspiegeld in prothetische Opper-ledemaat gebruik, en de tarieven van de afwijzing van robotic apparaten hoog blijven, met 23-39% van gebruikers stoppen met hun gebruik²⁴. In feite, veel gebruikers van de prothese nog steeds de voorkeur lichaam-aangedreven systemen²⁵. Deze systemen de geautomatiseerde machine verwijderen uit de lus van de controle en meer koppel nauw de gebruiker van de beweging van het lichaam naar de prothese verkeer via de kabels van de draad. Dit versterkt verder het belang van cognitieve integratie in het gebruik van geavanceerde protheses. Wij stellen voor dat NMI systemen een aantal de nodige sensorische en motorische stukken leveren kunnen te helpen bewegen kunstledematen dichter aan de oprichting van een coöperatieve gevoel van Agentschap, en dit zal behulpzaam zijn bij het bevorderen van de aanvaarding en de daadwerkelijke integratie van deze geautomatiseerde machines met hun gebruikers.

Agentschap kan worden gemeten op een aantal manieren. De eenvoudigste maatregelen gebruik psychofysische vragenlijsten of schalen dat expliciet vragen deelnemers aan wie of wat zij schrijven een gebeurtenis^17,26,27. Dit is gebaseerd op de bestaande perceptie van een individu van “zelf” door te eisen dat de deelnemers aan de inferentiële vellen van zelfstandige attributie (d.w.z., expliciet beoordelen of “I” of een andere entiteit verantwoordelijk voor een actie of gebeurtenis was). Impliciete maatregelen inzicht geven in de achtergrond cognitieve processen die zich tijdens de motor actie en zintuiglijke evenementen voordoen. Deze weergave van Bureau probeert te meten die niet expliciet is gezien door een individu. Meestal is dit bereikt doordat deelnemers een waargenomen verschil in zelf en extern-gegenereerde acties, bijvoorbeeld met deelnemers verslag de tijdsduur dat die ze waargenomen optreden tussen een gebeurtenis zelf en extern-gegenereerde karakteriseren ^{17 , 28}. tijdens het uitvoeren van de automatisch gegenereerde acties, agentschap impliciet manifesteert als een perceptuele compressie in tijd tussen acties en hun zintuiglijke gevolgen, bekend als opzettelijk bindende²⁸. Als individuen Rapporteer de tijd die zij waargenomen optreden tussen een actie en het resultaat daarvan, overeen een kortere waargenomen tijdsduur met een sterker gevormde gevoel van Agentschap^29,30. Interessant, is gebleken dat expliciete en impliciete maatregelen niet direct correleren kunnen zoals ze zijn waarschijnlijk het karakteriseren van verschillende mechanismen van perceptuele¹⁷ , die samen het gevoel van het Agentschap op de hoogte. Als zodanig zal tot de oprichting van een vollediger begrip van de formatie van het Agentschap tijdens het gebruik van de prothese waarschijnlijk vereisen experimentele protocollen dienst zowel impliciete als expliciete maatregelen.

Dit werk beschrijft een methodologisch kader dat kan worden gebruikt voor expliciet en impliciet karakteriseren het gevoel van agentschap ontwikkeld over de controle van de NMI van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen. Twee technieken voor het meten van Agentschap tijdens het uitvoeren van een sensomotorische object-grijpen taak worden gemarkeerd. Gevestigde psychofysische vragenlijsten zijn te vangen de expliciete ervaring van Bureau, terwijl de schatting van de interval tijd (opzettelijke bindende) worden gebruikt impliciet het meten van het gevoel van agentschap werkzaam.

Het toepassingsgebied van dit protocol is het evalueren van het gevoel van het Agentschap in het kader van een NMI waarmee fysiologisch relevante actieve motorische controle en kinesthetische feedback. Deze technieken zijn gegeneraliseerd tot virtuele of fysieke prothetische NMI-systemen. Er zijn minimale beperkingen op de populaties die kunnen worden aangeworven voor het uitvoeren van dit protocol. Bijvoorbeeld, de mobiliteit van de bovenste ledematen van de deelnemer bilateraal kan niet worden beïnvloed (zij moeten een gezonde ledematen), en zij moeten beschikken over het cognitieve vermogen te vellen op basis van tijd en articuleren ervaren sensaties.

Protocol

Dit protocol eerder heeft goedgekeurd en volgt de richtsnoeren van de Cleveland Clinic’s menselijke onderzoek ethisch comité. 1. hardware en Software van het NMI Tot stand brengen van elke individuele deelnemer NMI controle en feedback zodat wanneer ze proberen om uit te voeren van een beweging, ze zien en voelen van een virtuele prothese die beweging te voltooien. Een hand kinesthetische percept door de deelnemer NMI genereren en vastleggen van de kinematica van de waargeno…

Representative Results

Het experimentele protocol werd uitgevoerd met drie geamputeerde deelnemers die een zintuiglijke virtuele prothese via hun NMI8 (Figuur 1). De setup gebruikt een deelnemer-controleerbaar virtuele hand voorgeprogrammeerde kinematische profielen met behulp van de MuJoCo HAPTIX natuurkunde motor31doorlopen. De virtuele hand werd getoond op een horizontale monitor voor de deelnemers aan een locatie ruimteli…

Discussion

Hier wordt een methodologisch kader gepresenteerd om het karakteriseren van de ervaring van Agentschap gevormd terwijl de bedrijfslasten zintuiglijke prothesen via NMIs. In dit verband is agentschap met name relevant als overbrugt het fysieke handeling op de achtergrond cognitieve processen die vorm van perceptie. Door een deelnemer prothese en NMI, we hebben directe toegang tot een aantal belangrijke elementen die het gevoel van het Agentschap vast: intentie, motor output en verkeer sensatie. Van belang is voor…

Materials

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.