Visualisering Metod för Proprioceptiv Drift på ett 2D-plan Använda Support Vector Machine

Summary

Den här artikeln beskriver en ny metod för att uppskatta proprioceptiv drift på ett 2D-plan med hjälp av spegel illusion och kombinera en psyko förfarande med en analys med hjälp av maskininlärning.

Introduction

Under senare år har forskning om den meningen eller erfarenhet av den själv kropp, det vill säga den egna kroppen, har ökat i samband med utföringsformen. Utförande hänvisar till idén eller konceptet att ha en fysisk eller virtuell kropp som kan påverka miljön, såsom att nå, gripa och gripande. Till exempel, kan människor röra ett objekt eller en annan människa placerad i miljön genom att flytta sin egen kropp, i detta fall sin egen arm och hand. Numera är denna interaktion eller kommunikation inte begränsad till att använda den egna naturliga kroppen. På grund av uppfinningar och utveckling av människoliknande robotar eller avatarer i den virtuella världen, kan den naturliga kroppen bytas ut mot en konstgjord, såsom en humanoid, fjärrkontroll robot, elektrisk protes eller dator-grafik avatar i virtuell verklighet. Till exempel, forskare utvecklat en robot vars operatör kan "greppa" ett objekt placeras framför roboten via dess mekaniska organ, även om robot placeras långt bort från förarkroppsställning ^1,2. I likhet med detta exempel, om en människa kan utföra en åtgärd via en konstgjord, vilken kropp skulle hålla tilldelningen av operatörens egen kropp?

Vi kan lätt hitta ämnen med anknytning till denna diskussion om tilldelning eller projektion av "själv" från vår egen naturliga kroppen till en konstgjord, icke-kött-och-ben kroppen. Ett exempel kan hittas inom det medicinska området; till exempel när det gäller medicinsk rehabilitering, behandlingar som "trick" patientens självkroppskänsla med hjälp av speglar undersöks för att minska smärta och förbättra motoriken av en saknad eller förlamad lem, kallad spegelterapi ^3-6. I denna terapi kan spegelbild av den opåverkade kroppsdel ​​eller lem vilseleda patientens hjärna att tro att den saknade eller förlamad lem motsvarar den som visas i spegeln och leda till en känsla av att det är fortfarande i dets tidigare tillstånd (dvs före olyckan). Det är fortfarande under diskussion hur denna illusion påverkar hjärnans motståndskraft i samband med kroppen representation. Utöver denna typ av diskussion om vår naturliga kroppen, kan vi hitta liknande diskussioner om utförande, särskilt av humant-system interaktion designfrågor inom teknik. Den självkänsla för en konstgjord eller virtuell kropp har väl undersökts inom ramen för telepresence, hjärna och maskin, och brain-machine interface ^1,2,7-9. Vissa forskare rapporterade att en människoliknande robot, som kan överföra den taktila känslan från sin robothand till operatörens hand kan fånga operatörens känsla av själv kroppen till roboten samt känslan av att vara på en plats där roboten är placerad snarare än där operatören faktiskt existerar, kallad tele-existence ^en. Andra forskare rapporterade att en virtuell avatar återspeglar operatörens kroppsrörelser starkly överför operatörens känsla av själv kroppen från operatörens egen kropp till den virtuella kroppen ^9. Dessa fynd tyder på hur användarna kan projicera sin känsla av själv kropp till en konstgjord, såsom en humanoid, fjärrkontroll robot, elektrisk protes eller dator-grafik avatar i virtuell verklighet, även om konstgjord inte är direkt kopplad till deras hjärna och kropp.

Grundforskning på denna typ av självkroppskänsla för icke-kött och blod, artificiella kroppsliknande föremål granskade de underliggande hjärnmekanismer för upplevelsen av själv kroppen med hjälp av gummi handen illusion (RHI) ^10-13 och spegel illusion (MI) ^14-16 i de medicinska och tekniska områdena samt i psyko och neuropsykologi. RHI är känslan som en gummihand tillhör den egna kroppen och framkallas genom att samtidigt strök en synlig gummihand och deltagarens dold hand. I MI, en hand imaGE i en spegel placeras längs midsagittal axeln fångar visuellt deltagarens upplevda position osedda andra handen. Dessutom synkrona rörelser reflekteras och osynlig hand framkalla starka känsla som om den reflekterade handen bilden var osedda andra handen. Enligt forskning på dessa illusioner, överensstämmelsen mellan multimodala information och förutsägelsen och sensorisk återkoppling om kroppsrörelser verkar spela en viktig roll för att avgöra själv kropp skrivning. Således kan dessa två illusioner vara enkla men kraftfulla bevis och verktyg för forskare att undersöka hjärnans mekanismer bakom vår känsla av att vara lurad eller tro att någon konstgjord objekt eller en bild subjektivt kan vara vår egen kroppsdel, och att vår självkroppskänsla gör inte vara bunden till vår naturliga fysiska kropp.

I samtliga dessa studier anges ovan har diskussionen varit baserade på begreppet "själv" däriblng av två typer av känsel föreslagits av filosofen Gallagher ^17: känslan av delaktighet och känslan av byrån. Känslan av delaktighet avser känslan att en observerad kroppsdel ​​är en egen. Känslan av byrån motsvarar känslan att kroppsrörelser är själv orsakat. Dessa två förnimmelser definieras som den minimala själv, det vill säga en omedelbar känsla av själv ^16. Enligt detta koncept, kan tilldelningen av "jaget" för de naturliga, skadade, virtuella och mekaniska organ utvärderas av samma index: känslan av delaktighet och byrå. För att kunna använda denna känsla för vetenskaplig utvärdering, uppstår frågan om hur man mäter känslan av delaktighet och byrå kraftigt. För närvarande förlitar sig uppskattningen av den känsla av ägarskap och byrå huvudsakligen på frågeformulär, som ursprungligen föreslogs av Botvinick ^9. Förutom enkäter, kan vi försöka att mäta dem i kvantitativa sätt. Till exempel, huden conductance svar (SCR) har använts som en fysiologisk index av ägandet i de fall då gummi handen plötsligt minskas med en kniv ^18. SCR beräknas genom att mäta de elektriska egenskaperna i huden och är en känslig och giltig indikator för upphetsning ^19. Eftersom denna metod används vanligen för enstaka försök per deltagare, är att mäta SCR inte lämplig som en fysisk index under psyko experiment som kräver upprepade mätningar inom deltagarna. En av de mest framgångsrika beteende index för känslan av delaktighet är proprioceptiva drift. Proprioceptiv drift är förändringen i den upplevda positionen för osynliga riktig hand mot positionen för ett föremål som ser ut som en hand, såsom gummigjorda protes eller datorgrafik ^10-13. Eftersom denna ändring kan uppskattas repetitivt och kraftigt genom att mäta avståndet mellan den osynliga riktig hand och den visuella bilden av handen, proprioceptiva drift isa lämplig fysikalisk index för psykofysiska mätningar. Dock måste denna användning utvärderas noggrant, eftersom den senaste tidens diskussioner har ifrågasatt om proprioceptiva drift alltid kan användas som ett beteende index ägande ^12.

Typiskt är proprioceptiva avdrift mäts i endast en av de tre riktningar, såsom höjd, bredd eller djup. Proprioceptiva avdrift har sällan mätts i flera riktningar på grund av svårigheten att uppskatta och visualisera flerdimensionella data. Denna metrologisk begränsning är inte kritisk för grundforskning att utforska de mekanismer som behandlar multisensorisk information, eftersom experimentella betingelser kan lätt utformas och kontrolleras för att begränsa de uppmätta dimensionerna. Men i det dagliga livet, våra händer röra sig fritt i 3D för att följa våra avsikter. I denna situation är det svårt och otillräckliga för att mäta en deltagares beteende med frågeformulär, som allvarligt begränsar rörelsen och positions i händerna. Således, med tanke på de potentiella tillämpningar för känsla av delaktighet och byrå inom teknik och rehabilitering, ett mått som inkluderar flera riktningar och tillåter krävs fri handrörelse för att utvärdera den rumsliga relationen mellan visuell och proprioceptiv återkoppling i vardagssituationer. Om en sådan mätning var möjlig, skulle det uppmätta avståndet mellan verkliga och observerade händer användas som en riktlinje för självkänsla kroppen. Detta kan inte bara blivit en indikator för utvecklingen av rehabilitering men också ett kriterium för den rumsliga förskjutningen mellan den manipulerade målet på displayen och rörelse handen. Frågan kvarstår om hur denna mätning kan genomföras på ett tillförlitligt och effektivt sätt.

För att lösa detta fråga, vi införa en ny metod för att uppskatta proprioceptiv drift, vilket motsvarar övergången från läget av deltagarens osynliga riktig hand som ett synliga handen liknande object på ett 2D-plan med hjälp av spegel illusion genom att kombinera en psyko förfarande och en analys med hjälp av maskininlärning. Jämfört med en gummihand, hand bilden i en spegel fångar starkt deltagarens upplevda position osynliga riktig hand. Dessutom en spegelbild reflekterar omedelbart frivilliga handrörelser för handplacering. Således var en spegelbild vald som visuell feedback av deltagarens hand. Förutom att mäta proprioceptiva drift liknar dagliga livssituationer, deltagarna placerade sin dolda sidan trial-by-prov på sin vilja, och antalet försök ökades. Även om vilken som helst kombination av riktningar kunde ha använts, var kombinationen av höjd och djup som valts på grund av lättheten att placera spegeln vertikalt. För att kontrollera överensstämmelse mellan vår metod och tidigare forskning ^13, har två visuella villkor som införts: med och utan visuell återkoppling. I tillståndet med visuell feedback, spegeln wsom placeras längs mittsagittalplan att skapa en spegelbild av den vänstra handen, som om det sågs som höger hand. I det tillstånd utan visuell feedback, var en matt svart tavla som används för att dölja deltagarens verkliga högra hand. Vi bedömde effektiviteten i denna nya metod genom att jämföra resultaten till de som erhållits med ett frågeformulär om känslan av delaktighet och byrå.

Protocol

Alla aspekter av försöket har godkänts av den etiska kommittén för Tokyo Institute of Technology.

1. Försöksinställning

1. Material och inställning för att mäta Proprioceptiv Drift.
   1. Skaffa ett stativ som kan hålla en 100 x 100 cm platta vertikalt (Figur 1).
   2. Skaffa en stol där deltagaren kan sitta bekvämt under experimentet.
   3. Skaffa en 100 x 100 cm akryl spegel och matt svarta tavlan.
   4. Skaffa läge tracker (till exempel, SLC-C02, Cyverse) för att spåra deltagarens högra läge. Rumslig upplösning bör vara ca 1,5 mm för att tillåta tillräckligt antal provtagningar som skall användas för den maskininlärning.
   5. Skaffa en infraröd LED och återreflekterande markörer som kommer att användas för att indikera positionen av stativet och deltagarens högra respektive (se steg 1.1.11 och 3.2.6).
   6. Skaffa fotpedalen för deltagarens svar. Skapa skräddarsydda program som kan spela in och samtidigt visa deltagarens svar och högra position och spela en ljudsignal som återkoppling av deltagarens svar när fotpedalen trycks. I dessa experiment var deltagarens högra läget uppsamlades med användning av motorinfångningsanordningen och dess skräddarsydda program i enlighet med tillverkarens instruktioner.
      OBS: Enligt en tidigare papper ^16, har programmet utvecklats med mjukvaruutveckling verktygslåda. Den skräddarsydda program som utvecklats av mjukvaruutveckling verktyg kan anpassas för andra märken av motion capture-enheter.
   7. Använd en metronom för att ge tidssignaler för utbildning av handrörelse, det vill säga att peka på ytan av spegeln eller tavlan. Se steg 3.1.1 för exakta utbildningsinstruktioner.
   8. Använd brusreducerande hörlurar för att minska möjligheten att deltagaren kan höra ljud ledtrådar för handställning.
   9. För visuell feedback tillstånd fästa spegeln stativet. För tillståndet utan visuell feedback, fästa tavlan till stativet.
   10. Placera den infraröda LED längst upp till vänster i spegeln eller tavlan.
2. Material och inställning för att mäta känsla av delaktighet och byrå.
   1. Upprepa proceduren från steg 1.1.1 till steg 1.1.11.
   2. Skapa eller få enkäten bedömer känsla av delaktighet och byrå (t.ex. ^10,13,16). Tabell 1 visar exempel från detta frågeformulär som används i den tidigare studien ^15.
   3. Använd en bildskärm eller Tablet PC för att visa frågeformulär till deltagaren.

2. Deltagare

1. Rekrytera cirka 10 högerhänta deltagarna normal eller korrigerad till normal syn.
   Obs: Antalet deltagare kan justeras i enlighet med de experimentella mål och antalet upprepade försök per participmyra.
2. Skaffa skriftligt informerat samtycke till deltagande före starten av experimentet.

3. Experiment Tillvägagångssätt

1. Träningsfasen för handrörelse.
   1. Träna deltagarna att synkront peka med båda händerna på spegeln eller tavlan vid en viss tempo använder metronomen. Instruera deltagarna att utföra gäng rörelsen genom att hålla hälen av handen i kontakt med spegeln eller kartong. I början av utbildningen, starta metronomen i ett tempo på 60 slag per minut och sedan instruera deltagaren att flytta båda händerna synkront enligt ljudet av metronomen.
   2. Se till att tidpunkten för deltagarens handrörelse ligger nära en cykel per sekund (ca 1 Hz) genom att jämföra den med ljudet av metronom flera minuter efter början av gäng.
2. Uppskattningen av Proprioceptiv Drift i deltagarens mittsagittalplan.
   1. Montera spegeln eller tavlan på stativet utifrån de förutsättningar: med visuell feedback, montera spegeln; utan visuell feedback, montera tavlan.
   2. Se till att deltagaren sitter mycket nära till spegeln eller svarta tavlan, som är placerad längs mittsagittalplan deltagaren (Figur 1).
   3. Se till att deltagaren kan se spegelbilden av den vänstra handen, men kan inte se den verkliga höger hand.
   4. Instruera deltagaren att uppmärksamma bilden av den vänstra i spegeln under experimentet.
   5. Sätt återreflekterande markörer på deltagarens rätt index fingertopp och handleden.
      1. Eftersom markörerna bara sätta på deltagarens högra hand, se till att den haptiska känslan av deltagarens högra hand på grund av att de bifogade markörerna inte ändras väsentligt jämfört med den vänstra handen genom att frågadeltagare oralt.
   6. Sätt brusreducerande hörlurar över deltagarens öron.
   7. Instruera deltagaren för att flytta till vänster om ca 30 cm vertikalt och 30 cm horisontellt från det nedre högra hörnet av spegeln och att bibehålla denna vänstra läget under experimentet. Denna position är inställd som ursprunget till ytan av 2D-plan.
   8. Instruera deltagaren att placera den högra efter behag på andra sidan spegeln eller tavlan och behålla sin position fram till slutet av försöket.
   9. Instruera deltagaren om uppgiften enligt följande:
      1. I början av varje försök, instruera deltagaren att trycka på mittenknappen på fotpedalen. Vid denna tidpunkt kommer systemet att avge en ljudsignal i hörlurarna som återkoppling av pedal pressen.
      2. Efter att ha hört pipet instruera deltagaren att börja knacka med båda händerna synkront vid 1 Hz på bordet, vilket är spegeln ivillkoret med visuell återkoppling eller tavlan i det skick utan visuell återkoppling.
      3. Efter mer än sex handrörelser, instruera deltagaren att stoppa rörelsen vid önskad tid och svara på frågan om den högra positionen genom att trycka på höger- eller vänsterknappen på fotpedalen. Den högra knappen är en ja och vänster är ett nej. Frågan är, "Känner du att höger och vänster är i samma position?" I detta ögonblick, kommer deltagaren hör ett pip som återkoppling för pedal tryck igen.
         OBS: Om deltagarna fråga om innebörden av "samma position," berätta för dem att "samma position" innebär att ett subjektivt höjd och djup den högra motsvarar den vänstra handen.
      4. Instruera deltagaren att flytta sin högra hand till en annan position som de själva väljer. Starta sedan rättegången igen. Denna cykel kommer att fortsätta upp till 200 försök per tillstånd.
   10. Under uppgiften, kontrollera att tidpunkten för deltagarens avlyssning förblir ungefär 1 Hz genom att titta på rörelse i förhållande till metronom.
       Obs: Ljudet från metronomen kan höras endast av försöksledaren.
   11. Efter avslutad cirka 100 försök, låt deltagaren ta en paus.
   12. Utföra experimentet för de övriga villkoren (med eller utan visuell återkoppling) på separata dagar.
3. Uppskattning av känsla av delaktighet och byrå i Mirror skick.
   1. Definiera rätt handens positioner för att samla in deltagarens svar på enkäten om känslan av delaktighet och byrå. Till exempel, i en tidigare publikation ^16, det var 13 prefixet högra positioner. Dessa punkter ordnades var 7 cm upp till ± 21 cm från ursprunget.
   2. Utför samma procedur för above uppskattning som anges från steg 3.2.2 till steg 3.2.7.
   3. Instruera deltagaren att placera den högra efter försökshandbok och behålla sin position tills efterbehandling en rättegång.
   4. Instruera deltagaren om uppgiften enligt följande:
      1. I början av rättegången, tryck på mittenknappen på fotpedalen. Vid denna tidpunkt, kommer deltagaren höra pip som återkoppling av pedal press.
      2. Sedan börjar peka på höger och vänster hand synkront vid 1 Hz.
      3. Efter mer än sex gånger för att trycka, sluta knacka när försöks indikerar. Sedan besvara frågorna om känsla av delaktighet och byrå som visas på bildskärmen med en 7-gradig Likertskala med betyg som sträcker sig från -3 ( "instämmer inte alls") till tre ( "instämmer helt och hållet") med 0 indikerar varken avtal eller oenighet ("osäker").
      4. Flytta höger till det läge som försöksledaren anger. Starta sedan rättegångenigen. Denna cykel kommer att fortsätta fram till antalet högerpositioner som försöks definierar.
   5. Se till att deltagaren kan förstå uppgiften och be deltagaren att starta uppgiften.

4. Dataanalys

1. Analysen av Proprioceptiv Drift i deltagarens mittsagittalplan.
   1. Skaffa statistiskt verktyg som innehåller maskininlärning ansökan, särskilt stödvektormaskin (t.ex. R, MATLAB). Använd stödvektormaskin (SVM) som klassificerare att extrahera gränser deltagarens svar. En tidigare publikation ger en förklaring till de algoritmer klassificerare (se kapitel 7) ^20. I den här artikeln förklarar vi den metod som använder R (version 3.1.2).
   2. Installera paketet som heter "kernlab" ^21, som innehåller en analys med hjälp av SVM i R ansökan.
   3. Markera det område som visar proprioceptive avdrift av handen enligt följande (figur 2 beskriver schematisk representation av dataflödesanalys). Se Kompletterande programkod och data prov för ytterligare förklaring av denna dataanalys.
      1. Beräkna de relativa högra positioner från ursprunget. Kasta data med fel (t.ex. saknas positionsdata eller deltagarens svar) från analysen.
      2. Gör en sannolikhetsmodell av deltagarnas "ja" svar i 2D utrymme med hjälp av SVM. Använd data från svaren som en symbolisk beskrivning av modellen. Använda uppgifterna från den högra positionen som parametrarna i modellen. Använd vanligt förekommande radiella grund funktion kärna som kärnan för SVM. För att undvika den godtyckliga analyser, beräkna sigma (dvs parameter som används för att ändra vikten av varje datapunkt) genom automatisk sigma uppskattning.
      3. Se till att modellen är korrekt monterad genom att kontrollera att the utbildning fel i modellen är under 0,2. Med användning av det probabilistiska modellen, definierar området där den p-värde på deltagarens "ja" -svar uppskattades vara över 0,5.
   4. Genomsnitt varje deltagares data för att göra ett område som visar proprioceptiva drift.
      OBS: Eftersom det är svårt att medelvärdes gränsen till "ja" och "nej" svarsarea uppskattades genom p-värden av svaren i 2D utrymme, är två typer av snitt rekommenderas. En metod är att beräkna genomsnittet på p-värdena för deltagarens svar i 2D utrymme, vilket är den metod som används innan uppskatta gränsen. Den andra metoden är att medelvärdesområdesstorlek, som används efter att uppskatta den gränsen.
2. Analys av frågeformuläret Data och områdets storlek.
   1. Skaffa den statistiska verktyg för att bedöma betydelsen av läget och vilka kategorier av enkäten (t.ex. SPSS eller R).
   2. Bedöma normal distribution av alla data med hjälp av Shapiro-Wilk testet, och tillämpa lämpliga icke-parametriska testet när en eller flera av de motsvarande dataset misslyckats med att uppfylla kriterierna för normalfördelning (t.ex. Wilcoxon signed-rank test, Friedman test).
      Obs: Om en icke-parametrisk metod som passar experimentet saknas, använd en parametrisk metod och förklara resonemanget. I en tidigare studie ^16, en tvåvägs upprepad-mätningar ANOVA analyserat enkätdata, eftersom det inte fanns någon icke-parametrisk substitut för denna analys.

Representative Results

Representativa resultat från en tidigare studie presenteras för att illustrera metoden ^16. Figur 3A visar att området former där deltagaren inte kunde upptäcka den rumsliga förskjutningen mellan vänster och höger hand position skilde mellan de villkor (spegel) och utan (tavlan) visuell . återkoppling Figur 3B visar att storlekar i området i skick med visuell återkoppling är betydligt större än i det skick utan visuell återkoppling (Wilcoxon signed-rank test: Z = -2,803, p = 0,005). Dessa resultat tyder på att den erforderliga förskjutningen mellan visuell och proprioceptiv återkoppling för att upprätthålla proprioceptiv glidningen är ca 10 cm och detta värde ändras med riktning (figur 3 och 4). Vertikal förskjutning verkade större än horisontell förskjutning. I figur 5, den vertikala och horisontella rumsliga fördelningen av frågeformuläret poäng feller kroppen ägande och byrå visade en unimodal fördelning. Deras toppar var i origo, där deltagaren högra hand var nästan på samma position som den speglade handen bilden. I motsats, den rumsliga fördelningen för poängen för kontroll uttalanden var nästan platt och under -1. En tvåvägs upprepade-mätningar ANOVA visade de viktigaste effekterna för de kategorier och positioner som deltagarna som anges i frågeformulären (Horisontal: Kategori: F (3,27) = 11,12, p <0,001; Position: F (6,54) = 10,27, p <0,001; Vertikalt: Kategori: F (3,27) = 24,21, p <0,001, Position: F (6,54) = 7,298, p <0,001). Samspelet mellan kategori och läge var också signifikant (Horisontellt: F (18.162) = 9,42, p <0,001; Vertikalt: F (18.162) = 8,00, p <0,001). Dessa resultat antyder att den känsla av delaktighet och byrå minskade när den rumsliga förskjutningen mellan deltagarens verkliga skyms höger och spegel handen bilden ökat. i Figur 6, jämförelsen mellan visualisering av proprioceptiva drift och enkätresultat för känsla av delaktighet och byrå visar att de förskjutna områdena att hålla dessa fenomen är koncentriska och nästan överlappar varandra.

Figur 1:. Översikt över installation inkluderar Den experimentuppställning ett stativ som håller antingen spegeln eller tavlan, en stol, en svarsanordning (fotpedal), och inspelningsenheter för deltagarens handställning. Den översta figuren visar den schematiska representationen av installationen från riktningen där deltagaren kan se spegelbilden av hans / hennes vänstra hand. Den nedre figuren visar synen på baksidan av spegeln. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

(A) Ett exempel på deltagarens svar och högerpositioner Data Analysis Flow. Figur 2. (B) Schematisk bild av "ja" svar modell uppskattas av SVM. (C) Resultat av analys gränsen. (D) Genomsnittlig områden över deltagarna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3: Jämförelse av området former och storlekar mellan de villkor och utan visuell återkoppling (A) Jämförelse av ytformer.. Ursprunget till grafen är positionen för vänster hand, det vill säga positionen för mirrored handen bild i visuell feedback skick. De vertikala och horisontella axlar visar deltagarens högra position som proprioceptiv återkoppling av handen. (B) Jämförelse av areastorlekar. Vertikala axeln visar området storlekar där deltagarna inte kunde upptäcka den rumsliga förskjutningen mellan vänster och höger position. Horisontella axeln visar tillståndet med eller utan spegel handen bilden som visuell feedback (höger: med visuell feedback, vänster: utan visuell återkoppling). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4:. Individuella data för de flesta deltagarna, formen på gränsen i spegeln tillstånd var större än i tavlan skick. Detta tyder på att visualisering metod som använderSVM lyckats visa effekten av visuella ta av kroppsuppfattning i spegeln. I motsats, för deltagare D, H och J, det fanns några skillnader mellan de villkor, vilket tyder på att det kan finnas individuella skillnader för effekten av visuella fånga. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5: Frågeformulär Resultat (A) Rumslig fördelning av frågeformuläret poäng längs den vertikala axeln.. (B) Rumslig fördelning av frågeformuläret poäng längs den horisontella axeln. Ägande och agentur poäng var högst vid ursprung i förhållande till de vertikala och horisontella positionerna. Pleas klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6: Jämförelse mellan klassificering och Questionnaire (A) Rumslig fördelning av enkätresultat för ägande och byrå längs den horisontella axeln.. (B) Rumslig fördelning av enkätresultat för ägande och byrå längs den vertikala axeln. (C) Beräknad område där deltagarna inte kunde upptäcka förskjutningen mellan spegel hand bilder och skyms verklig höger. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kategori
Äganderätt	1. Det kändes som om jag var looking på min högra hand.
	2. Det kändes som om handen i spegeln var en del av min kropp.
	3. Det verkade som om jag känner av rörelse av min högra hand på den plats som handen i spegeln flyttas.
	4. Det kändes som om handen i spegeln var min hand.
Äganderätt kontrollera	5. Det kändes som om mitt riktiga högra hand var förvandlas till handen i spegeln.
	6. Det verkade som om jag hade mer än en högra hand.
	7. Det föreföll som om handen i spegeln drev mot min riktiga hand.
	8. Det kändes som om jag hade inte längre en höger, som om min högra hand hade försvunnit.
Byrå	9. hand i spegeln flyttas precis som jag ville ha min högra hand för att, som om det vore lyda min vilja.
	10. Det kändes som om jag kontrollerade handrörelse i spegeln som jag skulle kontrollera att min högra hand.
	11. Det kändes som om jag orsakade rörelsen som skapas av den hand som jag såg som min högra hand.
	12. När jag flyttade min högra hand, förväntade jag handen i spegeln att röra sig på samma sätt.
Byrå kontrollera	13. Det kändes som om handen i spegeln kontrollerade min vilja.
	14. Det kändes som om handen i spegeln kontrollerade mina rörelser.
	15. Jag kunde känna rörelsen från någonstans mellan mitt riktiga höger och handen i spegeln.
	16. Det verkade som om handen i spegeln hade en egen vilja.

1. Frågeformulär bestående av 16 rapporter delas in i fyra kategorier Detta frågeformulär anpassades och översatt till japanska från frågeformulär som används i gummi hand illusion experiment ^10,13.

Kompletterande filer. Exempelkod och datamängd för analysmetoden använder SVM. Denna kod kan utföras med hjälp av R (version 3.1.2) och genomföra samma analys som i det nuvarande pappers. Klicka här för att ladda ner filen.

Discussion

Vi visar en metod för att uppskatta proprioceptiv drift i ett 2D-plan under spegeln illusion med hjälp av SVM och jämföra resultatet med enkätsvar för känsla av delaktighet och byrå. Denna nya metod visade att den nödvändiga förskjutningen mellan visuell och proprioceptiv återkoppling för att upprätthålla proprioceptiv drift är ca 10 cm och att denna förskjutning nära lappar med förskjutningen som krävs för att upprätthålla en känsla av ägarskap och byrå.

Observera att det mest kritiska steget i denna metod beskrivs under 3.2.5, en instruktion till deltagarna om deras uppmärksamhet. I den tidigare pilotstudie ^16, undersöktes effekten av visuella infångning av en speglad hand bilder sällan observeras när deltagarna subjektivt rapporterade att de betalat mer uppmärksamhet till sin kropp. Det är fortfarande oklart om uppmärksamhet bidrar till detta fenomen. Förhållandet mellan uppmärksamhet och känsla av delaktighet och byrå har sällandiskuterats på grund av svårigheten att kontrollera eller mäta deltagarnas uppmärksamhet. Så vitt vi vet finns det bara en studie ²² som direkt undersökte effekten av uppmärksamhet på känslan av delaktighet. För att undvika komplicerade diskussioner om hur man styr och mäta uppmärksamhet, noggrann instruktion avseende deltagarnas uppmärksamhet som krävs.

Den andra kritiska punkten är att deltagarna kan välja handposition för nästa prov på sin egen vilja i sessionen mäta proprioceptiva drift. I traditionella psyko tenderar frihetsgraden av deltagarnas beteende begränsas och kontrolleras för att göra experimentet mer robust och reproducerbar. Till exempel i experimenten som mäter proprioceptiva drift och känsla av delaktighet och byrå med hjälp av gummihand illusion paradigm ^10-13, punkterna deltagarnas handställning provtagnings var fördefinierade längs en av de tre riktnings, såsom höjd, bredd, eller djup, för att undvika svårigheter att mäta och visualisera flerdimensionella data. Speciellt eftersom frågeformulär ta tid för varje provtagningspunkt på grund av antalet kategorier (t.ex. äganderätt, byrå, och kontrollsatser), antalet provtagningspunkter är mer begränsade i jämförelse med de metoder som inspelnings mänskliga beteenden. I denna metod, i syfte att säkerställa överensstämmelse med andra studier, var mätningen av den känsla av ägarskap och byrå med hjälp av ett frågeformulär begränsad och prefixet också. Denna begränsning i samband med deltagarnas beteende är inte kritisk för grundforskning att utforska hjärnmekanismen av den känsla av ägarskap och byrå, eftersom det är möjligt att utforma och kontrollera experimentella betingelser exakt och reproducerbart genom att inkludera dessa begränsningar i experimentella betingelser. Men med tanke på de potentiella tillämpningar för känsla av delaktighet och byrå inom teknik och rehabilitering, denna begränsningkan vara avgörande för att uppskatta mänskligt beteende i 3D enligt dagliga livsvillkor. Under dessa omständigheter, där deltagarna kan röra sin hand och välja sin position mer fritt, är det svårt att uppskatta proprioceptiv drift med traditionella psyko metoder. För att lösa detta problem, en SVM, en typ av maskininlärning, antogs för beräkning och visualisering av proprioceptiv drift. Denna teknik kan samla in och analysera stora data, såsom flerdimensionella data som innehåller deltagarnas svar och handpositioner i 2D med fritt val. Med denna teknik, var de deltagarnas svar samplade vid olika handgrepp klassificerats och området analyseras där deltagarna inte märker avståndet mellan spegelbild av den vänstra och den dolda faktiska högra hand.

Denna metod har en kritisk begränsning, vilket är att den genomsnittliga området visar proprioceptiva drift över deltagarna för närvarande inte visar individual skillnader. Detta beror på begränsningen av visualisering metod för att visa mer än tre-dimensionella data på en 2D-yta. Uppgifterna för den genomsnittliga området visar proprioceptiva drift skulle innehålla 2D positionsdata, sannolikheten för deltagarens svar, och den individuella skillnaden. Att inkludera individuella skillnader, en visualiseringsmetod som kan visa fyrdimensionell uppgifter skulle krävas.

Den framtida inriktningen av denna metod är att utöka dimensioner från 2D till 3D och att inkludera tids funktioner. Även om det fortfarande finns vissa svårigheter i visualiseringsmetod för mer än tre-dimensionella data, kommer dessa expansioner med ytterligare dimensioner hjälpa till att förstå hur hjärnan bearbetar multisensorisk information från flera metoder, såsom syn och proprioception. För att åstadkomma denna expansion, ytterligare forskning behövs.

Från ett program perspektiv, kan denna metod hjälpa engirer att strategiskt konstruktion användbarhet eller känsla av kontroll för realtids styrsystem, såsom robotar, kirurgiska robotsystem, och virtuell verklighet system. I dessa system är användarens sensation under drift ofta uppskattas av frågeformulär i efterhand. Därför är det svårt att genomföra användarens sensation under drift när du gör ett system prototyp. Om vi ​​kunde avslöja begränsningen av Spatiotemporal skillnaden mellan multisensorisk feedback för att bibehålla känslan av delaktighet och byrå, skulle det bidra till att reglerna om multisensorisk feedback från maskinsystem för att upprätthålla själv kropp liknande användbarhet, där operatörerna styr system som om de skulle kontrollera sin egen kropp. Denna metod avslöjar rumsliga förskjutning mellan visuell och proprioceptiv återkoppling för att upprätthålla en känsla av ägarskap och byrå. Baserat på detta resultat kan deltagarens känslor mot spegel handen bild styras genom att manipuleraavståndet mellan handen bild och dolda riktig hand. Ändra Spatiotemporal förhållandet mellan multisensorisk feedback från olika åtgärder skulle vara det första steget för att strategiskt styra användarens känsla under drift.

Denna idé kan antas inte bara för teknik utan också för rehabilitering. Flera forskningsinsatser har syftat till att förbättra motorik och smärta hos personer med lemmar saknade eller förlamad. Eftersom huvudtemat för traditionell rehabilitering är för patienter att återfå funktionen i deras dagliga liv, lite av denna forskning har lyckats förbättra patienternas känslor i en saknad eller förlamad lem. Med tanke på den inverkan på patienternas livskvalitet, är avgörande för att leva med en saknad eller förlamad lem förbättring av sina känslor. Denna metod kan ge en kvantitativ uppskattning om känslan av delaktighet och byrå i en försvunnen eller förlamad lem genom att mäta förskjutningen mellan patienternas SUÅL lem läget och läget av den verkliga eller synlig lem. Detta skulle hjälpa sjukgymnasten att kvantitativt uppskatta patienternas känsla av deras lemmar.

Avslutningsvis ger detta papper en ny metod för att visualisera den rumsliga förskjutning mellan visuell och proprioceptiv återkoppling för att upprätthålla proprioceptiva drift längs mittsagittalplan. Baserat på tidigare forskning med denna metod ^15, den rumsliga förskjutning att deltagarna inte kunde upptäcka förlängd till ca 10 cm. Dessutom matchar det här värdet det område där deltagarna känner en känsla av delaktighet och organ för handen bild i spegeln. Dessa resultat kommer att bidra till att ytterligare undersöka bakomliggande mekanismerna för känslan av delaktighet och byrå från en multimodalitet perspektiv sensorisk information. Dessutom kan denna metod ger ett verktyg för rehabilitering av benen saknade eller förlamade och för utformning av realtid styrsystem, som den kvantitativa indicator visar rumsliga förskjutning mellan visuell och proprioceptiv återkoppling för att upprätthålla själv kropp liknande känsla eller användbarhet. På detta sätt, utveckling av beräkningsmetoder, såsom maskininlärning, gör det möjligt att bygga skattningsmetoder och visualisering som tidigare omöjligt på grund av de konventionella statistiska begränsningar. Denna typ av metrologiska framsteg kunde avslöja mänskligt beteende och hjärnans mekanismer som producerar självkänsla i mer naturliga situationer.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.