MPI Cyber​​Motionシミュレータ：三次元的に多感覚パスの統合を調査するための新しいモーションシミュレータの実装

本実験の全体的な目的は、被験者への視覚的および前庭感覚的な入力情報を制御しながら、三次元空間における経路ナビゲーションを測定することです。これは、椅子に座った状態の前庭系を刺激する、6自由度を持つ改良型ロボットチェアを用いて行われます。被験者は仮想的な星空を視認します。ロボットチェアを動作させ、同時に星空の表示を変化させることで、システムは視覚的および前庭感覚的な手がかりを被験者に提供します。

参加者は、記憶した開始位置を指し示す正確さと速度によって、経路ナビゲーションのフィードバックを提供します。結果は、自己運動の不正確な推定が、移動平面および移動させられた角度に依存することを示しています。モーションプラットフォームのような既存の手法に対するこの技術の主な利点は、MPI Cyber Motionシミュレーターが、観察者をさまざまな次元、特に下方へ移動させることが可能な広いワークスペースを備えていることです。

この手法は、脳が異なる次元における自己運動を同様に表現しているかなど、神経科学分野における重要な疑問に答えることができます。これらの実験のアイデアは、同僚のManuel Vidalによる研究から得られました。彼は、視覚提示のみを用いて、被験者を仮想迷路の中で移動させました。

ここで、MACESに垂直成分が含まれると、経路ナビゲーションが損なわれることが分かりました。この手法の意義は、正常な脳における経路ナビゲーションの基準を提供するため、空間識失調の診断にまで及びます。NPI Cyber モーションシミュレーターは、3, 2, 1 構成の6軸シリアルロボットで構成されています。

実験の安全性を確保するため、可搬重量500 kgの産業用ロボットをベースとしています。ハードウェアとソフトウェアの両方に改良が加えられており、MPIサイバーモーションシミュレーターを用いることで、横方向の移動と回転を組み合わせた複雑な動作プロファイルを生成することが可能です。

軸1、4、6は連続的に回転可能です。ハードウェアのストッパー4組によって、軸2、3、5の両方向の可動範囲が制限されています。直線運動の最大範囲は、運動を開始する位置に強く依存します。実験を行う前に、各実験的な動作軌道についてテスト段階を経る必要があります。

軌道は、MPIサイバーモーションシミュレーターを構成するために、KUKA設計のオフィスPCを用いてプログラムされます。このオープンループ構成では、軌道はデカルト座標で指定され、逆運動学を通じて12ミリ秒ごとにジョイント空間の角度に変換されます。現在の関節角度位置は、制御システムからイーサネット接続を介してMPIサイバーモーションシミュレーターに送信され、そこで逐次的に読み取られ、ロボットのディスクに記録されます。

5点式安全ベルトシステムを備えたレースカーシートが、フットレストを含むシャシーに取り付けられています。このシャシーはロボットアームのフランジに装着されています。被験者は、実験者との双方向通信用マイクを備えたノイズキャンセリングヘッドホンを着用する必要があります。

また、被験者は実験設定について事前に知らされていない状態でなければなりません。ロボットの動作音を遮断するため、ヘッドホンから持続的なノイズを流します。また、被験者を密閉されたキャビンに座らせ、暗闇の中で実験を行うことも可能です。

赤外線カメラを用いることで、制御室からの視覚的なモニタリングが可能になります。可視化の構成は、LCDスクリーン、ステレオ前方投影、モノ前方投影、またはヘッドマウントディスプレイなど、複数の構成が可能です。本実験では、被験者に視覚的な手がかりを提供するため、被験者の前方50センチメートルの位置に配置されたLCDディスプレイによって自己運動の視覚的手がかりを提示します。

本ソフトウェアは、200,000個の点を含む仮想OID空間を参加者に提示します。空間内の各点は、黒い背景に白い円として描画されます。画面には、視角13度から0.3度に相当する点が表示されます。

これらのドットは、参加者から0.085および4の仮想単位の距離に配置されています。仮想フィールドの動きは、MPI制御コンピュータからの動作軌跡を介して物理的な動作と同期されており、これによりオプティカルフローと動作の間に視差が生じます。

視野のより深い位置にある点は、参加者の動きに関わらず小さく描画されます。各点は、ランダムに再割り当てされる前に、非同期に2秒間表示されます。したがって、毎秒合計10万個の点が移動します。

応答ボタンを備えたカスタムメイドのジョイスティックにより、被験者はイーサネット接続を通じて制御システムにデータを送信できます。感覚情報は、限定的な寿命を持つ星野からの視覚的手がかりのみを提供するか、被験者が目を閉じた状態での受動的自己運動による前庭運動感覚的手がかりのみを提供するか、あるいは被験者が目を開けた状態で両方の手がかりを提供することで操作可能です。

本実験における運動軌跡は、2つのセグメント長で構成されました。1つ目は 0.4 meters で、2つ目は 1 meter です。任意の2つの運動セグメント間の角度は、45 degrees または 90 degrees のいずれかとして設定されました。

例えば、水平面における運動は、前方への90度の移動、右方への45度の移動、前方への90度の移動、または右前方への45度の移動のいずれかで構成されます。これらの種類の運動は、矢状面および前頭面においても同様に行われます。軌道は、回転を伴わない並進運動として提供されます。

各軌跡の後にはリポジショニング・シーケンスが行われ、続いて15秒間の休止時間が設けられます。これは、各試行前の動作による干渉を最小限に抑え、また前庭システムを定常状態からテストすることで、知覚された動きのフィードバックを得るためです。参加者はジョイスティックで矢印を動かし、起点に対する自身の移動方向を示します。起点は3つの視点からのアバターとして提示され、試行前の調整前に、矢印は常にランダムに配置されます。参加者がフィードバックシステムを正確に使用できるようトレーニングすることが不可欠です。

参加者は、試行中に膝の上に置かれたジョイスティックなど、周囲の物体に矢印を向けることができる必要があります。ジョイスティックの動きは軌道平面内に制限されており、データ収集時には任意の視点、またはすべての視点を使用することが可能です。各実験条件は3回繰り返し、ランダムな順序で提示されます。

16名の参加者から得られたデータを分析した。極端な外れ値スコアは除外された。モダリティおよび角度は、推定された動きに有意な影響を及ぼさなかった。しかし、参加者は水平面における動きの角度サイズをほぼ9度過小評価し、前額面における角度サイズを約5度過大評価した。

角度因子は前額面因子と有意に相互作用しており、45度の動作における過大評価は90度の動作における過大評価よりも大きいことが示されました。さらに、感覚様式は角度と有意に相互作用し、90度の動作において前庭情報のみから得られた過小評価は、視覚条件および統合条件と比較して有意に大きいことが分かりました。このような相違は、45度の動作では認められませんでした。

視覚的条件および複合的条件と比較して、前庭運動感覚の手がかりのみでフィードバックが提供された場合に、反応時間が有意に遅くなることが分かりました。また、他の平面と比較して、水平面で移動させた際にも参加者の反応は有意に遅くなりました。これらの結果は、脳における空間表現が次元間で対称ではないことを示唆しており、非常に驚くべきものです。

人は水平面における自身の動きを過小評価する傾向があることは以前から知られていましたが、今回は垂直方向においてはそうではないことを初めて示しました。将来的には、これらの手法を用いて、曲線を含む3次元すべての方向で経路を構築できるようになるでしょう。これにより、脳がどのようにして平面をまたいで動きを統合しているのか、また、どのように曲がり角をナビゲートしているのかといった、さらなる疑問に答えることが可能になります。