Charakterystyka poczucia sprawczości nad działaniami protez sterowanych interfejsem neuron-maszyna
7 stycznia 2019
Tutaj prezentujemy protokół, który charakteryzuje poczucie sprawczości rozwinięte nad kontrolą zmysłowych wirtualnych lub robotycznych protez rąk. Kwestionariusze psychofizyczne są stosowane w celu uchwycenia wyraźnego doświadczenia sprawczości, a oszacowania przedziałów czasowych (celowe wiązanie) są stosowane do niejawnego pomiaru poczucia sprawczości.
Prawdziwa wymiana kończyny wymaga zatarcia poznawczych linii percepcyjnych między mną a maszyną. Sprawczość jest kluczowym pomostem do postrzegania działań sztucznej kończyny jako generowanych przez siebie i intencjonalnych. Technika ta zapewnia unikalny wgląd w skuteczność poznawczej komunikacji percepcyjnej między człowiekiem a maszyną.
Metoda ta może zostać rozszerzona na dowolne badanie wpływu sprzężenia zwrotnego na sprawczość, na przykład w przypadku protez mioelektrycznych lub zasilanych przez ciało, stymulacji kory mózgowej, udaru, a nawet przeszczepów dłoni. Tę procedurę demonstrują Dylan Beckler i Zachary Thumser, inżynierowie pracujący w naszym laboratorium. Zaprowadź uczestnika do sali testowej i poproś go, aby usiadł przed monitorem.
Zacznij od wygenerowania percepcji kinestetycznej ręki za pomocą neuronowego interfejsu maszynowego uczestnika lub NMI i uchwyć kinematykę postrzeganego ruchu, prosząc uczestnika o zademonstrowanie tego, co czuje, używając nienaruszonej ręki. Użyj wirtualnej symulacji ręki lub protezy, aby odtworzyć kinematykę percepcji ruchu. Następnie skonfiguruj sprzęt, aby przechwytywać sygnały sterujące celowym ruchem ręki z NMI uczestnika.
Przyporządkuj ten sygnał sterujący do aktywności wirtualnej protezy. Następnie utwórz główny program sterujący, który koordynuje pozyskiwanie sygnału sterującego NMI, ruch wirtualnej protezy oraz generowanie kinestetycznych informacji zwrotnych NMI w czasie rzeczywistym. Wyświetl wirtualną protezę na monitorze i dostosuj jej rozmiar i położenie tak, aby była ustawiona zgodnie z lokalizacją brakującej kończyny.
Następnie renderuj obiekty, takie jak unoszące się piłki, w środowisku wirtualnym, aby obsługiwać punkty zatrzymania dla pozycji zamknięcia i otwarcia ręki. Na koniec skonfiguruj główny program sterujący w taki sposób, aby gdy wirtualne cyfry zetkną się z wirtualnymi punktami zatrzymania, po regulowanym opóźnieniu czasowym odtwarzany był sygnał dźwiękowy. Przed rozpoczęciem eksperymentu należy utworzyć plik wejściowy dla głównego programu sterującego, który określa ustawienia dla każdej próby, a także warunki kontrolne i eksperymentalne.
Zaprogramuj dodatkowe warunki mające na celu przeanalizowanie wkładu w sprawczość intencji motorycznej, czucia kinestetycznego i niedopasowania czasowego do wyświetlanej kinematyki wirtualnej protezy. Rozważ na przykład użycie następujących pięciu warunków: ruch przeciwny, zbyt szybki, zbyt wolny, opóźnienie początku i brak sprzężenia zwrotnego. Aby rozpocząć każdą próbę, należy nacisnąć przycisk start na głównym programie sterującym, który przesuwa wirtualną wskazówkę do pozycji startowej, sygnalizując rozpoczęcie próby.
W pierwszej sesji treningowej poproś uczestnika, aby poprowadził rękę do punktu końcowego ruchu i zagrał dźwięk słuchowy 1000 milisekund po tym, jak wirtualne cyfry osiągną wirtualny punkt zatrzymania przez 10 prób. W drugiej sesji treningowej ponownie poproś uczestnika, aby poprowadził rękę do punktu końcowego ruchu. Losowo dobieraj tony słuchowe tak, aby odstępy 300, 500 i 700 milisekund opóźnienia były prezentowane co najmniej pięć razy każdy.
Rejestruj ustnie zgłaszane przez uczestników szacunki dotyczące odstępu czasu opóźnienia. Na koniec przejdź do zestawów eksperymentalnych składających się z 15 prób dla każdego warunku. Przedstaw warunki w losowej kolejności i podaj kwestionariusz na końcu każdego warunku.
W tym przypadku wyniki wskazują średni wynik dla czterech pytań agencyjnych, a także czterech pytań kontrolnych dla każdego uczestnika i według każdego warunku informacji zwrotnej. Średnia ocena większa niż jeden oznacza zgodę na dane stwierdzenie, a zero oznacza neutralność zgody. Różnice między rzeczywistymi i postrzeganymi przedziałami czasowymi zostały następnie uśrednione dla trzech uczestników i są prezentowane w odniesieniu do wyjściowego warunku sprzężenia zwrotnego.
Większe negatywne różnice wskazują na silniejsze ukryte poczucie sprawczości, na przykład w przypadku zbyt szybkiego działania. Co więcej, wyniki te pokazują porównanie jawnych i ukrytych środków sprawczych. Zbyt szybki warunek świadczył o najsilniejszym kształtowaniu się sprawczości, zarówno jawnie, jak i niejawnie.
Drobne modyfikacje mogą poszerzyć nasze techniki o badanie dodatkowych modalności sensorycznych, takich jak dotyk, i ich wpływu na sprawczość. Ponadto, dodanie pomiarów własności kończyn może pomóc nam zrozumieć wzajemne relacje między sprawczością a ucieleśnieniem. Technika ta umożliwiła zbadanie roli percepcyjnego sprzężenia zwrotnego ruchu w neuronowym interfejsie maszynowym na wewnętrzny mechanizm, którego mózg używa do ustalenia autorstwa zamierzonych ruchów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół służący do charakterystyki poczucia sprawstwa w kontrolowaniu wirtualnych lub robotycznych protez dłoni. Wykorzystuje ono kwestionariusze psychofizyczne oraz szacowanie odstępów czasowych w celu pomiaru zarówno jawnych, jak i ukrytych doświadczeń sprawstwa.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Protetyka
- Psychologia poznawcza
Wprowadzenie
- Zrozumienie poczucia sprawstwa jest kluczowe dla skutecznej wymiany kończyn.
- Poczucie sprawstwa pomaga użytkownikom postrzegać ruchy sztucznej kończyny jako generowane przez nich samych.
- Niniejsze badanie może dostarczyć informacji na temat mechanizmów sprzężenia zwrotnego w różnych technologiach protetycznych.
- Wnioski mogą mieć zastosowanie w przypadku protez mioelektrycznych oraz stymulacji kory mózgowej.
Cel badania
- Zbadanie poznawczej komunikacji percepcyjnej między użytkownikami a maszynami.
- Pomiar poczucia sprawstwa w sterowaniu urządzeniami protetycznymi.
- Ocena skuteczności sprzężenia zwrotnego w zakresie percepcji sprawstwa.
Zastosowane metody
- Kwestionariusze psychofizyczne służące do uchwycenia jawnego doświadczenia sprawstwa.
- Szacunki odstępów czasowych (wiązanie intencjonalne) do pomiarów ukrytych.
- Zaangażowanie uczestników w kontrolowanym środowisku testowym.
- Demonstracja przeprowadzona przez inżynierów badawczych w warunkach laboratoryjnych.
Główne wyniki
- Wyniki wskazują na istotne spostrzeżenia dotyczące postrzegania sprawstwa.
- Rezultaty sugerują silny związek między informacją zwrotną a doświadczeniem sprawstwa.
- Zaprezentowane metody mogą zostać zastosowane w różnych technologiach protetycznych.
- Potencjalne implikacje dla strategii rehabilitacyjnych u pacjentów po udarze.
Wnioski
- Badanie to pogłębia zrozumienie poczucia sprawstwa w sterowaniu protezami.
- Stanowi ono podstawy dla przyszłych badań nad mechanizmami sprzężenia zwrotnego.
- Uzyskane wnioski mogą poprawić komfort użytkowania sztucznych kończyn.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ustanowienie poczucia sprawstwa nad protezami kończyn ma kluczowe znaczenie dla akceptacji użytkownika i efektywnej kontroli w zaawansowanych protezach kończyn górnych. Metoda ta pozwala na ilościowe określenie formowania się sprawstwa zarówno jawnego, jak i ukrytego, stanowiąc mechanistyczny etap minimalizacji ryzyka dla technologii interfejsów neuronaukowych. Poprzez powiązanie sprzężenia zwrotnego z percepcją autorstwa, metoda ta wspomaga walidację celu oraz pewność predykcyjną w procesach projektowania protez.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Analizuje hipotezy terapeutyczne dotyczące mechanizmów sprzężenia zwrotnego w percepcji ucieleśnienia kończyny.
- Wartość operacyjna: Umożliwia biologiczną redukcję ryzyka w projektowaniu interfejsów neuronowych poprzez izolację wpływu poczucia sprawstwa.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfelu badawczym poprzez kwantyfikację formowania się poczucia sprawstwa w różnych warunkach sprzężenia zwrotnego.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do późniejszej oceny modalności sprzężenia zwrotnego.
- Wyniki ilościowe: Generuje zestandaryzowane oceny sprawstwa oraz szacunki przedziałów czasowych do celów przesiewu porównawczego.
- Wielokrotne wykorzystanie platformy: Umożliwia skalowalną ocenę sprzężenia zwrotnego sensoromotorycznego w różnych technologiach protez.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy mierniki poczucia sprawstwa z fazy odkryć z badaniami nad ucieleśnieniem w fazie przedklinicznej.
- Dopasowanie biomarkerów: Umożliwia korelację pomiarów poczucia sprawstwa z funkcjonalnymi wynikami sterowania protezą.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Dostarcza informacji dla decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) w oparciu o progi formowania się poczucia sprawstwa.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu odkrywania leków, od walidacji celu, przez identyfikację związku wiodącego, aż po walidację przedkliniczną, w szczególności w ramach programów neuroprotetycznych i neuromodulacyjnych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących roli sprzężenia zwrotnego w percepcji w kształtowaniu poczucia sprawstwa.
- Przesiewanie: Dostarcza gotowych do analizy ilościowych odczytów do porównania warunków sprzężenia zwrotnego.
- Analityka: Zapewnia jawne wyniki kwestionariuszowe oraz niejawne szacunki odstępów czasowych do analizy międzywarunkowej.
- Badania translacyjne: Łączy wskaźniki sprawstwa z efektami ucieleśnienia i kontroli w modelach przedklinicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako reużywalna metoda oceny technologii interfejsów neuronalnych w różnych wskazaniach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w komunikacji percepcyjno-poznawczej pomiędzy użytkownikiem a maszyną.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje ocenę poczucia sprawstwa w różnych modalnościach informacji zwrotnej i platformach protetycznych.
- Wartość strategiczna: Poprawia decyzje typu go/no-go poprzez kwantyfikację ryzyka akceptacji użytkownika związanego z poczuciem sprawstwa.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów na interfejsy neuronowych-maszynowych z uwzględnieniem ryzyka na podstawie formowania poczucia sprawstwa.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu neuronauki, psychologii poznawczej oraz inżynierii interfejsów neuronowych.
- Zależy od systemów przechwytywania ruchu w czasie rzeczywistym, renderowania środowisk wirtualnych oraz systemów sprzężenia zwrotnego w formie sygnałów słuchowych.
- Wymaga standaryzacji protokołów pomiaru sprawstwa między zespołami.
- Obejmuje rozważania dotyczące adaptacji do różnych sygnałów sterujących protezami oraz rodzajów sprzężenia sensorycznego.
- Ograniczone przez konieczność kalibracji ruchu nienaruszonej kończyny u osób z amputacjami.
