Karakterisering af følelse af agenturet over handlinger af neurale-machine Interface-drives proteser

Summary

Her præsenterer vi en protokol, der præger følelsen af agenturet udviklet kontrol over sensate virtuelle eller robot proteser hænder. Psykofysiske spørgeskemaer er ansat til at fange den eksplicitte oplevelse af agenturet, og interval estimater (forsætlig bindende) er ansat til implicit måle følelsen af agenturet.

Abstract

Dette arbejde beskriver en metodisk ramme, som kan bruges til eksplicit og implicit karakterisere følelse af agenturet udviklet neurale-maskine-interface (NMI) kontrol over sensate virtuelle eller robot proteser hænder. Dannelsen af agenturet er grundlæggende skelne de handlinger, vi udfører med vores lemmer som værende vores egne. Ved at stræbe at indarbejde avancerede øvre lemmer proteser i disse samme perceptuelle mekanismer, kan vi begynde at integrere en kunstige lemmer tættere i brugerens eksisterende kognitive rammer for lemmer kontrol. Dette har stor betydning for at fremme brugernes accept, anvendelse og effektiv kontrol af avancerede øvre lemmer proteser. I denne protokol, deltagerne styre en virtuel proteser hånd og modtage kinæstetisk sensoriske feedback gennem deres allerede eksisterende NMIs. En række virtuelle grasping opgaver udføres og perturbationer introduceres systematisk kinæstetisk feedback og virtuelle håndbevægelser. To separate foranstaltninger i agenturet er ansat: etableret psykofysiske spørgeskemaer (til at fange den eksplicitte oplevelse af agenturet) og en gang interval beregne opgave for at fange den implicitte følelse af agenturet (forsætlig bindende). Resultaterne af denne protokol (spørgeskema scores og tidsinterval anslår) kan analyseres for at opgøre omfanget af agenturet dannelse.

Introduction

Som robot proteser bliver stadig mere avanceret, vil betydningen af relevante sensoriske feedback fortsætte med at vokse. Sensorisk feedback påvirker hvordan mennesker opfatter, interagere med og endda integrere maskiner til deres krop skema. Seneste NMI teknikker kan nu levere protese lemmer brugere med intuitiv kontrol og opnå fornemmelser knyttet touch^{1,2,3,4,5,6 , 7} og kinesthesia (bevægelse forstand)^8,9 i manglende lemmer. Når disse sensoriske oplysninger er parret med visuelle oplysninger ved at se de kunstige lemmer under drift, vi har adgang til centrale elementer, der underretter skelnen af self –versus-andre. Udnytte denne adgang kan hjælpe med at bringe protese lemmer brugere et skridt tættere på at operere en kunstige lemmer som en del af deres krop, snarere end blot et værktøj.

Kropsbevidsthed og følelsen af at være inkarneret skyldes oprettelsen af agenturet (oplevelse af forfatterskab over en legemsdel handlinger) og ejerskab (følelsen af, at en legemsdel er en del af kroppen)^10,11. Ejerskab er primært medieres gennem integration af touch og visuel information¹². Agenturet fremgår af integrationen af hensigtserklæringer, bevægelse sensation (kinesthesia), visuel information og kognitive prognosemodeller¹¹. Under udførelsen af en frivillig indsats, er agenturet dannet når de sensoriske konsekvenser af handlingen justere med kunstnerens hensigt og forudsigelser fra kunstnerens interne modeller¹³. Agenturet er adskilte og forskellige fra ejerskab. Begrebet lemmer ejerskab er blevet undersøgt ofte i protesen litteratur¹⁴. En følelse af lemmer ejerformer i NMI deltagerne når touch feedback er rumligt og tidsligt passende som målte udtrykkeligt via spørgeskemaer eller implicit resterende lemmer temperaturforandringer, eller tidsmæssige rækkefølge domme¹⁵. Imidlertid har færre muligheder eksisteret for at udforske agenturet i forbindelse med NMI¹⁶. Seneste arbejde med NMI deltagere har vist, at agenturet kan fremmes målrettet og er adskilt fra oplevelsen af ejerskab⁸.

Agenturet er særligt vigtige efter operation af robot proteser, da det er en kognitiv link til kontrol af den kunstige lemmer fysiske handlinger gennem oplevelser af kausalitet, følelsen af kontrollere de kunstige lemmer eller forårsager noget at ske¹⁷. Robot proteser er avancerede edb maskiner, som brugeren skal samarbejde med til effektivt udføre opgaver. Nogle protese lemmer har indarbejdet autonome funktioner, såsom greb-slip afsløring og korrektion; men disse systemer har set begrænset vedtagelse som funktionerne kører brugerens kontrol kan ses så frustrerende hvis ikke korrekt gennemført^8,18. Dette er en grundlæggende udfordring, der går igen i hele anvendelser af menneskelige samarbejde med autonome maskiner. Det vil sige mennesker har ofte tillid til deres egne handlinger over dem som følge af et samarbejde med computere eller maskiner, og denne tillid påvirker direkte luftfartsforetagendets sandsynligheden for at bruge de autonome funktioner^19,20. Som mennesker stole vi medfødt på os selv og vores kroppe for at udføre de handlinger, vi har til hensigt; Når dette er opnået, opretter vi en iboende følelse af agenturet. Interessant, er dannelsen af agenturet påvirket i menneske-computer samarbejdsaktioner. Under menneske-menneske kooperative opgaver, kan en fælles følelse af agenturet dannes over bevægelse²¹; endnu, litteraturen tyder på, at delte agentur er belastet under menneske-computer samarbejde^22,23. Disse udfordringer er afspejlet i proteser øvre lemmer brug, og afvisning satser for robotic enheder forbliver høje, med 23% – 39% af brugerne ophørende deres brug²⁴. I virkeligheden, foretrækker mange protesen brugere stadig kroppen-drevne systemer²⁵. Disse systemer fjerne edb maskinen fra kontrol loop og mere par intimt brugerens krop bevægelse til protesen bevægelse via wire kabler. Dette forstærker yderligere vigtigheden af kognitive integration i brugen af avanceret prosthetic enheder. Vi foreslår at NMI systemer kan give et antal af de nødvendige sensoriske og motoriske stykker til at hjælpe med at flytte kunstige lemmer tættere til oprettelse af et kooperativt følelse af agenturet, og dette vil være medvirkende til at fremme accept og den ægte integration af disse edb maskiner med deres brugere.

Agenturet kan måles i en række forskellige måder. De enkleste foranstaltninger anvendes psykofysiske spørgeskemaer eller skalaer der udtrykkeligt spørge deltagerne til hvem eller hvad de tilskriver en begivenhed^17,26,27. Dette beror på en persons eksisterende opfattelse af “selv” ved at kræve deltagere at gøre inferential domme af selvstændig attribution (dvs., at udtrykkeligt bedømme, om “I” eller en anden enhed var ansvarlig for en handling eller en begivenhed). Implicitte foranstaltninger giver indblik i baggrunden kognitive processer, der opstår under motor action og sensoriske begivenheder. Denne opfattelse af agenturet forsøger at måle det, der ikke opfattes udtrykkeligt af en individuel. Dette opnås typisk ved at have deltagere karakterisere opfattede forskel i self – og eksternt-genererede handlinger, for eksempel at have deltagerne rapport varighed af de opfattes som opstår mellem en self – og eksternt-genereret begivenhed ^{17 , 28}. under udførelsen af selvstændige genereret handlinger, agenturet implicit manifesterer sig som en sanselig kompression i tid mellem handlinger og konsekvenserne heraf sensoriske, kendt som forsætlig bindende²⁸. Når individer rapporterer tid de opfattes som opstår mellem en handling og dens resultat, svarer en kortere opfattede varighed til en kraftigere dannede følelse af agenturet^29,30. Interessant, er det blevet påvist, at eksplicitte og implicitte foranstaltninger direkte ikke kan korrelere som de sandsynligvis karakterisere forskellige perceptuelle mekanismer¹⁷ , sammen informere følelse af agenturet. Som sådan, vil om oprettelse af en mere omfattende forståelse af agenturet dannelse under protesen brug sandsynligvis kræve eksperimentelle protokoller beskæftiger både eksplicitte og implicitte foranstaltninger.

Dette arbejde beskriver en metodisk ramme, som kan bruges til eksplicit og implicit karakterisere følelse af agenturet udviklet NMI kontrol over sensate virtuelle eller robot proteser hænder. To teknikker til at måle agenturet under udførelsen af en sensorimotor objekt-fatte opgave er fremhævet. Etablerede psykofysiske spørgeskemaer er ansat til at fange den eksplicitte oplevelse af agenturet, mens intervallet estimater (forsætlig bindende) er ansat til implicit måle følelsen af agenturet.

Anvendelsesområdet for denne protokol er at vurdere følelsen af agenturet i forbindelse med en NMI, der giver fysiologisk relevante aktive motorisk kontrol og kinæstetisk feedback. Disse teknikker er generaliserbart til virtuelle eller fysiske proteser NMI systemer. Der er minimal restriktioner på de befolkninger, der kan ansættes til at udføre denne protokol. For eksempel mobilitet af deltagerens øvre lemmer kan ikke være bilateralt påvirket (de skal have en forsvarlig lemmer), og de skal besidde den kognitive evne til at gøre tidsbaserede domme og formulere erfarne fornemmelser.

Protocol

Denne protokol har tidligere godkendt og følger retningslinjerne i Cleveland Clinic menneskelige videnskabsetisk Komité. 1. hardware og Software af NMI Etablere enkelte individuelle deltageres NMI kontrol og feedback, så at når de forsøger at udføre en bevægelse, de ser og føler en virtuel protesen fuldføre denne bevægelse. Generere en hånd kinæstetisk percept gennem deltagerens NMI og fange kinematik opfattede forslaget ved at have deltageren dokumentere, hvad de…

Representative Results

En eksperimentel protokol blev udført med tre amputeret deltagere opererer en sensate virtuelle protesen via deres NMI8 (figur 1). Opsætningen brugt en deltager-styrbar virtuelle hånd bevæger sig gennem forprogrammerede kinematiske profiler ved hjælp af MuJoCo HAPTIX fysik motor31. Den virtuelle side blev vist på en vandret skærm foran deltagere på en placering rumligt kongruent med deres mangle…

Discussion

Her præsenteres en metodisk ramme for at karakterisere oplevelsen af agenturet dannede samtidig opererer sensate proteser via NMIs. I forbindelse er agenturet især relevant som det broer fysisk handling til de kognitive baggrundsprocesser at forme opfattelsen. Gennem en deltagers protesen og NMI, vi har direkte adgang til en række centrale elementer, der etablerer følelsen af agenturet: hensigtserklæringer, motor output og bevægelse sensation. Af betydning for avancerede protese lemmer kontrol, de værktø…

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.