WheelCon: Eine radgesteuerte Gaming-Plattform zum Studium der menschlichen sensorimotorischen Steuerung
15. August 2020
WheelCon ist eine neuartige, kostenlose und Open-Source-Plattform, um Videospiele zu entwerfen, die das Mountainbiken auf einem steilen, kurvenreichen, holprigen Trail nicht invasiv simulieren. Es enthält Komponenten, die in der menschlichen sensorimotorischen Steuerung (Verzögerung, Quantisierung, Rauschen, Störungen und mehrere Rückkopplungsschleifen) präsentiert werden, und ermöglicht es Forschern, die geschichtete Architektur in der sensorimotorischen Steuerung zu untersuchen.
Die menschliche sensorische Motorsteuerung ist extrem robust, obwohl die Erfassung verteilt, spärlich, quantisiert, laut und verzögert ist. Die Rechenleistung im zentralen Nervensystem ist langsam, die Muskelbetätigung ermüdet und sättigt. Um diese ursächlichen Faktoren und ihre Auswirkungen auf die Systemleistung der sensorischen Motorsteuerung zu untersuchen, ist es wichtig, eine einfach zu bedienende experimentelle Plattform zu entwickeln, die diese Faktoren manipuliert und die Leistung aufzeichnet.
Hier präsentieren wir eine Gaming-Plattform namens WheelCon, eine kostenlose und Open-Source-Plattform, um Videospiele für unsere virtuelle Umgebung zu entwerfen, die das Fahren mit dem Mountainbike auf einem steilen, verdrehten, holprigen Trail simuliert. WheelCon lässt sich mit einem Lenkrad integrieren, da es die Variablen in der menschlichen sensorischen Motorsteuerung wie Signalverzögerung, Quantisierung, Rauschen und Störungen während der Aufzeichnung der Motorsteuerungsbahn und Aerodynamik manipulieren kann. Es ermöglicht der Forschung auch, die Schicht der Architekten in der sensorischen Motorsteuerung zu untersuchen, einschließlich der Ziele, Pläne, Entscheidungen und der Erfassung, des Reflexes und der Aktion der unteren Schicht.
Wechseln Sie auf dem Computer mit Windows 10 zur WheelCon-Webseite, klicken Sie auf Klonen oder herunterladen, und klicken Sie dann im Popup-Dialog auf ZIP herunterladen. Extrahieren Sie alle Dateien auf die lokale Festplatte. Gehen Sie auf die Website des Herstellers und laden Sie den entsprechenden Fahrer für Ihr Rennradmodell herunter.
Montieren Sie das Rennrad sicher auf Sitzenvordervordern vor einem Monitor. Schließen Sie das USB-Kabel des Rades an den PC und das Netzteil an eine Steckdose an. Um das Programm zu testen, doppelklicken Sie auf wheelcon.
exe im Ordner der Excutable Output-Datei. Konfigurieren Sie die Einstellungen entsprechend der Monitoreinrichtung und klicken Sie auf Wiedergabe. Setzen Sie das Motiv bequem hinter die Räder.
Stellen Sie sicher, dass dem Motiv ein ausreichender Bewegungsumfang bei der Handhabung des Rades eingeräumt wird. Klicken Sie auf Fitts Rechtsaufgabe. Klicken Sie auf das Textfeld und geben Sie einen Namen für die Ausgabedatei ein, geben Sie Betreff- und Aufgabeninformationen ein.
Klicken Sie auf Datei auswählen, und wählen Sie dann Fitts Gesetz aus. txt als Eingabe. Klicken Sie auf Spiel beginnen.
Weisen Sie das Subjekt an, die Grauzone mit der grünen Linie zu verfolgen, indem Sie das Lenkrad drehen. Dieses Spiel dient dazu, das Thema mit dem Setup vertraut zu machen. Klicken Sie auf Mountain Bike Task.
Geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein, und wählen Sie Vision_Delay.txt aus. Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen. In diesem Spiel ändert sich die Länge des Look-Ahead-Fensters, um eine erweiterte Warnung, keine Warnung oder eine visuelle Verzögerung bereitzustellen.
Klicken Sie auf Mountain Bike Task, geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein, und wählen Sie Action_Delay.txt aus. Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen. In diesem Spiel wird eine Verzögerung zwischen dem Raddrehen des Subjekts und der Bewegung der grünen Linie hinzugefügt.
Die Verzögerung beginnt bei null Sekunden und erhöht sich um 0,15 Sekunden, bis sie 0,75 Sekunden erreicht. Klicken Sie auf Mountain Bike Task, geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein und wählen Sie Vision Quantization.txt. Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen.
In diesem Spiel wird die visuelle Datenrate manipuliert. Wenn die visuellen Daten niedrig sind, kann der Trail nur in wenigen losen grauen Positionen angezeigt werden. Wenn die visuelle Datenrate zunimmt, kann die Grauzone an potenziellen Positionen angezeigt werden, und ihre Bewegung wird kontinuierlicher.
Klicken Sie auf Mountain Bike Task, geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein, und wählen Sie Aktionsquantisierung.txt. Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen. In diesem Spiel wird die Aktionsdatenrate manipuliert.
Wenn die Datenrate am langsamsten ist, kann die graue Linie nur mit einer Geschwindigkeit verlaufen. Mit steigender Datenrate wird die Steuerung der Radgeschwindigkeit feiner. Klicken Sie auf Mountain Bike Task, geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein und wählen Sie Bump Trail.txt.
Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen. In diesem Spiel werden Störungen entweder als Drehmoment am Rad hinzugefügt, das eine Beule, eine plötzliche Drehung auf dem Trail oder die beiden Arten von Störungen kombiniert simuliert. Um Testergebnisse abzurufen, wechseln Sie zum Ordner der ausführbaren Ausgabedatei, und suchen Sie nach der Datei mit zuvor angegebenen Dateinamen.
Von links nach rechts gibt jede Zeile in der Ausgabedatei Zeit, Testposition, Bump-Größe, Aktionsdatenrate, Aktionsverzögerung, visuelle Verzögerung, visuelle Datenrate, Tracking-Fehler und Lenkradwinkel an. Um eine neue Eingabedatei zu entwickeln, öffnen Sie den WheelCon Mntn Bike Trail Design Code. m im Quellcodeordner mit Matlab.
Wenn Sie diesen Abschnitt des Codes für die gewünschten Spielparameter auswählen, drücken Sie Control plus T, um die Kommentierung zu deaktivieren, und drücken Sie dann Ausführen. Die Eingabedatei wird im selben Ordner neu generiert. Wie die Abbildung andeutet, hat sich der Fehler des Themas in Spielen mit visuellen oder Aktionsverzögerungen mit größeren Verzögerungen erhöht.
Das Beschränken der Datenraten in der visuellen Eingabe oder der Aktionsausgabe führte zu größeren Fehlern. Diese Abbildung zeigt die Aerodynamik bei Versuchen mit entweder nur Beulen, nur Kurven oder zwei kombinierten. Wenn Sie sich dieses Video ansehen, sollten Sie mit der Anwendung von WheelCon auf eine menschliche sensorische Motorsteuerungsstudie vertraut sein.
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Übersicht
WheelCon ist eine kostenlose und Open-Source-Gaming-Plattform, die entwickelt wurde, um bergab Radfahren auf einem anspruchsvollen Trail nicht-invasiv zu simulieren. Diese Plattform ermöglicht es Forschern, die menschliche sensomotorische Kontrolle zu untersuchen, indem sie Variablen wie Verzögerung, Quantisierung und Rauschen manipuliert und Einblicke in die geschichtete Architektur der Motorsteuerung liefert.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Sensomotorische Kontrolle
- Mensch-Computer-Interaktion
Hintergrund
- Das menschliche sensomotorische Kontrollsystem ist komplex und robust, trotz seiner verteilten und störenden Natur.
- Das Verständnis der Auswirkungen verschiedener kausalen Faktoren auf die Systemleistung ist für den Fortschritt der Forschung unerlässlich.
- Bestehende experimentelle Plattformen verfügen oft nicht über eine einfache Bedienung zur Manipulation dieser Faktoren.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer experimentellen Plattform, die die Manipulation von Parametern ermöglicht, die die sensomotorische Kontrolle beeinflussen.
- Ermöglichung der Aufzeichnung von Leistungsergebnissen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen.
- Erleichterung der Untersuchung verschiedener Schichten in der sensomotorischen Kontrolle, die sowohl höhere Ziele als auch niedrigere Aktionen umfassen.
Verwendete Methoden
- Die Hauptplattform ist WheelCon, eine Videospiel-ähnliche Umgebung, die unter Windows 10 läuft.
- Die Teilnehmer interagieren mit einer Lenkrad-Schnittstelle, um verschiedene Bedingungen einschließlich visueller und Aktionsverzögerungen zu erkunden.
- Mehrere Versuche werden durchgeführt, um den Einfluss von Verzögerungen und Quantisierung auf die Verfolgungsleistung zu beurteilen.
- Konfigurationen können geändert werden, um verschiedene Arten von Störungen und deren Auswirkungen auf die Motorsteuerung zu beobachten.
Hauptergebnisse
- Erhöhte Verzögerungen führten zu höheren Verfolgungsfehlern bei den Probanden.
- Niedrigere Datenraten sowohl für den visuellen Input als auch für den motorischen Output waren mit größeren Fehlern in der Aufgabenleistung verbunden.
- Die Ergebnisse unterstreichen die Empfindlichkeit des Motorsteuerungssystems gegenüber variierenden Parametern und informieren über Designs für zukünftige Studien.
Schlussfolgerungen
- WheelCon zeigt sich als vielseitiges Werkzeug für die Untersuchung der menschlichen sensomotorischen Kontrolle in einer sicheren, kontrollierten Umgebung.
- Es ermöglicht Forschern, komplexe Interaktionen zwischen mehreren Variablen zu untersuchen, die die Motorleistung beeinflussen.
- Die Fähigkeit der Plattform, verschiedene Faktoren zu manipulieren und aufzuzeichnen, verbessert das Verständnis der Motorsteuerungsmechanismen und möglicher Anwendungen in der Rehabilitation.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
WheelCon provides a low-cost, flexible platform for probing human sensorimotor control by manipulating feedback loop parameters such as delay, quantization, and disturbance. This enables mechanistic de-risking in target validation by isolating causal variables in sensorimotor pathways. The system supports predictive confidence in preclinical modeling through quantifiable behavioral outputs aligned with computational models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by isolating sensorimotor feedback components.
- Operational Value: Supports biological de-risking through controlled manipulation of neural signaling delays and noise.
- Predictive Value: Facilitates portfolio triage by linking parameter perturbations to measurable performance deficits.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated behavioral assays for downstream compound screening in motor function.
- Operational Value: Ensures assay standardization via reproducible input file generation and quantized data rate control.
- Scalability: Enables platform reuse across labs through open-source accessibility and simple hardware requirements.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-layer sensorimotor insights to preclinical validation of neuromodulators.
- Mechanistic De-risking: Clarifies how disturbances in feedback loops affect motor output, informing target engagement strategies.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by quantifying performance thresholds under perturbed conditions.
Pipeline & Workflow Integration
WheelCon fits within the discovery continuum from target hypothesis testing to lead optimization in neuromotor therapeutics, enabling iterative refinement based on sensorimotor readouts.
- Discovery Biology: Tests how perturbations in feedback loops affect motor control, supporting pathway clarification.
- Screening: Delivers quantitative outputs like tracking error and steering angle for compound effect comparison.
- Analytics: Generates time-series data on action/visual delay and data rate for statistical modeling of motor performance.
- Translational Research: Aligns with biomarker development by linking manipulated variables to functional outcomes.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular capability across neuroscience and rehabilitation teams due to open-source design.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing ambiguity in sensorimotor mechanism attribution.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized game configurations and file-based input/output.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by lowering barriers to sensorimotor assay implementation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on dose-response in perturbed feedback conditions.
Implementation Considerations
- Requires familiarity with MATLAB for input file generation and game parameter customization.
- Depends on compatible force feedback steering wheel and Windows 10 system for full functionality.
- Necessitates cross-team standardization of subject setup and task instruction for reproducible results.
- Involves adaptation considerations when extending beyond mountain bike task to other sensorimotor paradigms.
- Limited by the physical range of motion and ergonomic setup of the steering wheel interface.
