WheelCon: una piattaforma di gioco basata sul controllo delle ruote per studiare il controllo del senso umano
15 agosto 2020
WheelCon è una piattaforma nuova, libera e open-source per progettare videogiochi che simulano in modo non invasivo la mountain bike lungo un sentiero ripido, tortuoso e accidentato. Contiene componenti che presentano nel controllo sensomotorio umano (ritardo, quantizzazione, rumore, disturbo e cicli di feedback multipli) e consente ai ricercatori di studiare l'architettura a strati nel controllo sensomotorio.
Il sistema di controllo del motore sensoriale umano è estremamente robusto, sebbene il rilevamento sia distribuito, sparso, quantizzato, rumoroso e ritardato. Il calcolo nel sistema nervoso centrale è lento, l'azionamento muscolare affatica e satura. Per studiare questi fattori causali e le sue conseguenze sulle prestazioni del sistema di controllo sensoriale del motore, è importante sviluppare una piattaforma sperimentale di facile utilizzo che manipoli questi fattori e registri le prestazioni.
Qui presenta una piattaforma di gioco chiamata WheelCon, che è una piattaforma gratuita e open source per progettare videogiochi per il nostro ambiente virtuale che simula la guida di una mountain bike lungo un sentiero ripido, tortuoso e accidentato. WheelCon si integra con un volante in quanto può manipolare le variabili nel sistema umano di controllo sensoriale del motore, come il ritardo di segnalazione, la quantizzazione, il rumore e il disturbo durante la registrazione della traiettoria di controllo del motore e dell'aerodinamica. Consente inoltre alla ricerca di studiare lo strato degli architetti nel controllo sensoriale del motore, inclusi gli obiettivi, i piani, le decisioni e il rilevamento, il riflesso e l'azione dello strato inferiore.
Nel computer che esegue Windows 10 passare alla pagina Web WheelCon, fare clic su Clona o scarica e quindi su Scarica ZIP nella finestra di dialogo popup. Estrarre tutti i file sul disco rigido locale. Vai sul sito web del produttore e scarica il pilota corrispondente per il tuo modello di ruota da corsa.
Montare la ruota da corsa in modo sicuro a livello seduto davanti a un monitor. Collegare il cavo USB della ruota al PC e l'adattatore di alimentazione a una presa. Per testare il programma, fare doppio clic su wheelcon.
exe nella cartella del file di output excutable. Configurare le impostazioni in base alla configurazione del monitor e fare clic su Riproduci. Seduti il soggetto comodamente dietro le ruote.
Assicurarsi che al soggetto sia consentita un'adeguata gamma di movimento durante la movimentazione della ruota. Fare clic su Attività legge fitt. Fare clic sulla casella di testo e digitare un nome per il file di output, includere informazioni sull'oggetto e sull'attività.
Fare clic su Seleziona file e quindi selezionare Legge fitt. txt come input. Fare clic su Inizia gioco.
Istruisi il soggetto a tracciare la zona grigia con la linea verde ruotando il volante. Questo gioco serve a familiarizzare l'argomento con la configurazione. Fare clic su Attività Mountain Bike.
Digitare il nome del file di output e Vision_Delay.txt. Fare clic su Inizia gioco per iniziare i test. In questo gioco, la lunghezza della finestra di look-ahead cambia per fornire un avviso avanzato, nessun avviso o un ritardo visivo.
Fare clic su Attività Mountain Bike, digitare il nome del file di output e selezionare Action_Delay.txt. Fare clic su Inizia gioco per iniziare i test. In questo gioco, viene aggiunto un ritardo tra la rotazione della ruota del soggetto e il movimento della linea verde.
Il ritardo inizia a zero secondi e aumenta di 0,15 secondi fino a raggiungere 0,75 secondi. Fate clic su Attività Mountain Bike (Mountain Bike Task), digitate il nome del file di output e selezionate Quantizzazione visione (Vision Quantization.txt). Fare clic su Inizia gioco per iniziare i test.
In questo gioco, la velocità dei dati visivi viene manipolata. Quando i dati visivi sono bassi, il percorso può essere visualizzato solo in alcune posizioni grigie sciolte. Con l'aumentare della velocità dei dati visivi, la zona grigia può apparire in posizioni più potenziali e il suo movimento diventa più continuo.
Fare clic su Attività Mountain Bike, digitare il nome del file di output e selezionare Quantificazione azione.txt. Fare clic su Inizia gioco per iniziare i test. In questo gioco, la velocità dei dati di azione viene manipolata.
Quando la velocità dei dati è più lenta, la linea grigia può andare solo a una velocità. Con l'aumentare della velocità dei dati, il controllo della velocità della ruota diventa più fine. Fare clic su Attività Mountain Bike, digitare il nome del file di output e selezionare Bump Trail.txt.
Fare clic su Inizia gioco per iniziare i test. In questo gioco, i disturbi vengono aggiunti come coppia sulla ruota, simulando un urto, una svolta improvvisa sul sentiero o i due tipi di disturbi combinati. Per recuperare i risultati dei test, passare alla cartella del file di output eseguibile e cercare il file con nomi di file specificati in precedenza.
Da sinistra a destra, ogni riga del file di output specifica il tempo, la posizione di prova, la dimensione dell'urto, la velocità dei dati di azione, il ritardo dell'azione, il ritardo visivo, la velocità dei dati visivi, l'errore di tracciamento e l'angolo del volante. Per sviluppare un nuovo file di input, aprite il codice di progettazione WheelCon Mntn Bike Trail. m nella cartella Codice Sorgente con Matlab.
Selezionando questa sezione del codice per i parametri di gioco desiderati, premere Ctrl più T per annullare il commento, quindi premere Esegui. Il file di input verrà rigenerato nella stessa cartella. Come suggerisce la figura, nei giochi con ritardi visivi o di azione, l'errore del soggetto è aumentato con ritardi maggiori.
La limitazione della velocità dei dati nell'input visivo o nell'output dell'azione ha comportato errori più grandi. Questa figura mostra l'aerodinamica durante le prove con solo dossi, solo curve o i due combinati. Mentre guardi questo video, dovresti avere familiarità con come applicare WheelCon a uno studio di controllo motorio sensoriale umano.
Visualizza la trascrizione completa e accedi a migliaia di video scientifici
Panoramica
WheelCon è una piattaforma di gioco gratuita e open-source progettata per simulare in modo non invasivo il ciclismo in montagna su un percorso impegnativo. Questa piattaforma consente ai ricercatori di studiare il controllo sensorimotorio umano manipolando variabili come ritardo, quantizzazione e rumore, fornendo informazioni sull'architettura a livelli del controllo motorio.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienze
- Controllo sensorimotorio
- Interazione uomo-computer
Sfondo
- Il sistema di controllo motorio sensoriale umano è complesso e robusto, nonostante la sua natura distribuita e rumorosa.
- Comprendere le conseguenze di vari fattori causali sulle prestazioni del sistema è essenziale per far progredire la ricerca.
- Le piattaforme sperimentali esistenti spesso mancano di facilità d'uso per manipolare questi fattori.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare una piattaforma sperimentale che consenta la manipolazione dei parametri che influenzano il controllo sensorimotorio.
- Consentire la registrazione dei risultati delle prestazioni in diverse condizioni sperimentali.
- Facilitare lo studio dei diversi livelli nel controllo sensorimotorio, comprendendo sia gli obiettivi di livello superiore che le azioni di livello inferiore.
Metodi utilizzati
- La piattaforma principale utilizzata è WheelCon, un ambiente simile a un videogioco che funziona su Windows 10.
- I partecipanti interagiscono con un'interfaccia a volante per esplorare varie condizioni, inclusi ritardi visivi e di azione.
- Vengono condotti molteplici tentativi per valutare l'influenza dei ritardi e della quantizzazione sulle prestazioni di tracciamento.
- Le configurazioni possono essere modificate per osservare diversi tipi di disturbi e i loro effetti sul controllo motorio.
Principali risultati
- Ritardi maggiori hanno portato a errori di tracciamento più elevati tra i soggetti.
- Minori tassi di dati sia per l'input visivo che per l'output motorio erano associati a maggiori errori nelle prestazioni dei compiti.
- I risultati evidenziano la sensibilità del sistema di controllo motorio a parametri variabili, fornendo indicazioni per i design di studi futuri.
Conclusioni
- WheelCon dimostra uno strumento versatile per studiare il controllo sensorimotorio umano in un ambiente sicuro e controllato.
- Consente ai ricercatori di esplorare interazioni complesse tra multiple variabili che influenzano le prestazioni motorie.
- La capacità della piattaforma di manipolare e registrare vari fattori migliora la comprensione dei meccanismi di controllo motorio e delle potenziali applicazioni nella riabilitazione.
Domande frequenti
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.
