轮式康:一个基于车轮控制的游戏平台，用于研究人类传感器运动控制
2020年8月15日
WheelCon 是一个新颖、免费和开源的平台，用于设计视频游戏，无创地模拟山地自行车沿着陡峭、曲折、崎岖的小径骑行。它包含人类传感器运动控制（延迟、量化、噪声、干扰和多个反馈回路）中的组件，并允许研究人员研究传感器运动控制中的分层结构。
人体感官电机控制系统非常坚固，尽管传感是分布式、稀疏、量化、噪声和延迟的。中枢神经系统的计算速度缓慢，肌肉驱动疲劳和饱和。为了研究这种因果因素及其对感觉电机控制系统性能的影响，开发一个易于利用的实验平台来操作这些结果并记录性能是十分重要的。
在这里，我们提出了一个游戏平台称为车轮Con，这是一个自由和开源的平台，设计视频游戏的虚拟环境，模拟骑山地自行车沿着陡峭，扭曲，颠簸的小径。WheelCon 与方向盘集成，因为它可以操作人体感官电机控制系统中的变量，例如信号延迟、量化、噪声和干扰，同时记录电机控制轨迹和空气动力学。它还允许研究在感觉电机控制中研究建筑师的层，包括上层的目标、计划、决策以及下层的感应、反射和作用。
在运行 Windows 10 的计算机上，转到 WheelCon 网页，单击"克隆"或"下载"，然后单击弹出对话框中的"下载 ZIP"。将所有文件提取到本地硬盘驱动器。转到制造商的网站，下载相应的驱动程序为您的赛车车轮模型。
将赛车轮牢固地安装在显示器前的坐姿上。将车轮的 USB 电缆连接到 PC，将电源适配器连接到插座。要测试程序，请双击滚轮。
exe 在"可执行输出"文件的文件夹中。根据监视器设置配置设置，然后单击"播放"。将主体舒适地放在车轮后面。
在处理车轮时，确保主体有足够的运动范围。单击"适合的法律任务"。单击文本框并键入输出文件的名称，包括主题和任务信息。
单击"选择文件"，然后选择"适合定律"。txt 作为输入。单击"开始游戏"。
通过转动方向盘，指示主体用绿线跟踪灰色区域。这个游戏用于熟悉主题与设置。单击山地自行车任务。
键入输出文件名并选择Vision_Delay.txt。单击"开始游戏"开始测试。在这个游戏里，前视窗口的长度会发生变化，以提供高级警告、没有警告或视觉延迟。
单击山地自行车任务，键入输出文件名并选择Action_Delay.txt。单击"开始游戏"开始测试。在此游戏中，在主体的车轮转动和绿线运动之间添加延迟。
延迟从零秒开始，增加 0.15 秒，直到达到 0.75 秒。单击山地自行车任务，键入输出文件名并选择"视觉量化.txt。单击"开始游戏"开始测试。
在这个游戏中，视觉数据速率纵。当可视数据较低时，跟踪只能出现在几个松散的灰色位置。随着可视数据速率的增加，灰色区域可以出现在更多潜在位置，并且其移动变得更加连续。
单击"山地自行车任务"，键入输出文件名并选择"操作量化.txt。单击"开始游戏"开始测试。在这个游戏中，操作数据速率纵。
当数据速率最慢时，灰色线只能以一个速度移动。随着数据速率的增加，控制车轮速度变得更精细。单击山地自行车任务，键入输出文件名并选择凹凸.txt。
单击"开始游戏"开始测试。在这个游戏中，干扰被添加为车轮上的扭矩，模拟颠簸，突然转向小径或两种类型的干扰组合。若要检索测试结果，请转到可执行输出文件的文件夹，并查找具有以前指定的文件名的文件。
从左到右，输出文件中的每一行指定时间、试验位置、颠簸大小、动作数据速率、动作延迟、视觉延迟、视觉数据速率、跟踪误差和方向盘角度。要开发新的输入文件，请打开 WheelCon Mntn 自行车道设计代码。m 在具有 Matlab 的源代码文件夹中。
为所需的游戏参数选择代码的这一部分，按"控制"加上"T"以取消注释，然后按"运行"。输入文件将在同一文件夹中重新生成。正如这个数字所示，在视觉或动作延迟的游戏中，主体的错误随着更大的延迟而增加。
在可视输入或操作输出中限制数据速率会导致更大的错误。此图显示了试验期间的空气动力学，要么只有颠簸，只有转弯，要么两者结合。当您观看此视频时，您应该熟悉如何将 WheelCon 应用于人类感官电机控制研究。
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概述
WheelCon 是一个免费且开源的游戏平台，旨在通过非侵入方式模拟在具有挑战性的山地车道上骑行山地自行车的过程。该平台允许研究人员通过操控延迟、量化和噪声等变量来研究人体的感觉运动控制，从而深入了解运动控制的分层结构。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 感觉运动控制
- 人机交互
背景
- 尽管人类感觉运动控制系统具有分布性和噪声特性，但其结构复杂且功能稳健。
- 理解各种因果因素对系统性能的影响，对于推动相关研究至关重要。
- 现有的实验平台通常在操控这些因素方面缺乏便捷性。
研究目的
- 建立一个实验平台，用于调控影响感觉运动控制的各种参数。
- 实现在不同实验条件下对行为表现结果的记录。
- 促进对感觉运动控制中不同层次的研究，涵盖高级目标与低级动作。
使用的方法
- 使用的主要平台是 WheelCon，这是一个在 Windows 10 上运行的类似视频游戏的环境。
- 参与者通过赛车方向盘接口，探索包括视觉延迟和动作延迟在内的各种条件。
- 通过多次试验，评估延迟和量化对追踪性能的影响。
- 可调整配置以观察不同类型的干扰及其对运动控制的影响。
主要结果
- 延迟增加导致受试者的跟踪误差增大。
- 视觉输入和运动输出的数据速率降低与任务表现中的更大误差相关。
- 研究结果凸显了运动控制系统对不同参数变化的敏感性，为未来研究的设计提供了依据。
结论
- WheelCon 展示了一种多功能工具，可在安全、受控的环境中研究人类感觉运动控制。
- 它使研究人员能够探索影响运动表现的多个变量之间的复杂相互作用。
- 该平台具备操控和记录多种因素的能力，有助于深入理解运动控制机制及其在康复中的潜在应用。
常见问题
行业重要性概述
WheelCon 提供了一个低成本、灵活的平台，通过调节反馈回路参数（如延迟、量化和干扰）来研究人类感觉运动控制。该平台能够通过分离感觉运动通路中的因果变量，在靶点验证中实现机制层面的风险评估。该系统通过与计算模型相一致的可量化行为输出，支持在临床前建模中进行预测性信心评估。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过分离感觉运动反馈组分，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：通过可控调节神经信号传递延迟和噪声，支持生物学风险降低。
- 预测价值：通过将参数扰动与可测量的性能缺陷相关联，促进项目组合的优先筛选。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：为运动功能相关的下游化合物筛选制备经过验证的行为学检测方法。
- 操作价值：通过可重复的输入文件生成和量化数据速率控制，确保检测方法的标准化。
- 可扩展性：通过开源获取和简单的硬件需求，实现跨实验室的平台复用。
转化与临床前研究
- 转化连续性：将发现层面的感知运动机制研究与神经调节剂的临床前验证相连接。
- 机制性风险降低：阐明反馈回路紊乱如何影响运动输出，从而指导靶点参与策略的制定。
- 基于风险评估的推进决策：通过量化扰动条件下的性能阈值，支持继续或终止项目的决策。
流程与工作流整合
WheelCon 适用于神经运动治疗领域从靶点假设验证到先导化合物优化的发现连续过程，能够基于感觉运动读数进行迭代优化。
- Discovery Biology： 通过测试反馈环路中的扰动如何影响运动控制，支持通路机制的阐明。
- Screening： 提供如追踪误差和转向角度等定量输出，用于比较化合物效应。
- Analytics： 生成关于动作/视觉延迟和数据速率的时间序列数据，用于运动表现的统计建模。
- Translational Research： 通过将可调控变量与功能结果关联，支持生物标志物的开发。
- Enterprise Reuse： 由于采用开源设计，可在神经科学与康复团队间作为模块化能力重复使用。
运营与企业影响
- 科学价值：通过减少对感觉运动机制归因的模糊性，提高预测可信度。
- 操作价值：通过标准化的游戏配置和基于文件的输入/输出，增强实验可重复性。
- 战略价值：降低感觉运动检测实施的门槛，从而提高资本使用效率。
- 组合影响：能够在受干扰的反馈条件下，根据剂量-反应关系实现对化合物的风险调整优先排序。
实施注意事项
- 需要熟悉 MATLAB，以生成输入文件并自定义游戏参数。
- 依赖兼容的力反馈方向盘和 Windows 10 系统以实现完整功能。
- 为获得可重复的结果，需在不同团队间对受试者设置和任务指导进行标准化。
- 当将本方法从山地自行车任务扩展至其他感觉运动范式时，需考虑适应性调整。
- 受方向盘接口的物理活动范围和人体工学设置限制。
