WheelCon: Een wheel control-based gaming platform voor het bestuderen van menselijke sensorimotor controle
15 augustus 2020
WheelCon is een nieuw, gratis en open-source platform om videogames te ontwerpen die niet invasief mountainbiken simuleert over een steil, kronkelend, hobbelig parcours. Het bevat componenten die zich presenteren in menselijke sensorimotorische controle (vertraging, kwantisering, ruis, verstoring, en meerdere feedback lussen) en stelt onderzoekers in staat om de gelaagde architectuur in sensorimotorische controle te bestuderen.
Menselijke sensorische motor controle systeem is zeer robuust, hoewel de detectie is verdeeld, schaars, gekwantificeerd, lawaaierig, en vertraagd. Het computergebruik in het centrale zenuwstelsel is traag, de spieractuatie vermoeien en verzadigt. Om deze oorzakelijke factoren en de gevolgen daarvan voor de systeemprestaties van sensorische motorbesturing te bestuderen, is het belangrijk om een gebruiksvriendelijk experimenteel platform te ontwikkelen dat deze factoren manipuleert en de prestaties registreert.
Hier presenteren we een gaming platform genaamd de WheelCon, dat is een gratis en open source platform om videogames te ontwerpen voor onze virtuele omgeving die simuleert rijden op een mountainbike langs een steile, verwrongen, hobbelige trail. WheelCon integreert met een stuurwiel omdat het de variabelen in het menselijke sensorische motorcontrolesysteem kan manipuleren, zoals signaleringsvertraging, kwantificering, ruis en de storing tijdens het registreren van het motorcontroletraject en de aerodynamica. Het maakt het ook mogelijk onderzoek om de laag van de architecten in sensorische motorische controle te bestuderen, met inbegrip van de hogere laag doelen, plannen, beslissingen, en de onderste laag sensing, reflex en actie.
Ga op de computer met Windows 10 naar de webpagina WheelCon, klik op Klonen of downloaden en klik vervolgens op ZIP downloaden in het pop-updialoogvenster. Haal alle bestanden naar de lokale harde schijf. Ga naar de website van de fabrikant en download de bijbehorende coureur voor uw racewielmodel.
Monteer het racewiel stevig op zitniveau voor een monitor. Sluit de USB-kabel van het wiel aan op de pc en de voedingsadapter op een stopcontact. Om het programma te testen, dubbelklikt u op wheelcon.
exe in de map Excutable Output-bestand. Configureer de instellingen op basis van de installatie van de monitor en klik op Afspelen. Plaats het onderwerp comfortabel achter de wielen.
Zorg ervoor dat het onderwerp voldoende bewegingsbereik heeft bij het hanteren van het wiel. Klik op De wettaak van Fitt. Klik op het tekstvak en typ een naam voor het uitvoerbestand, inclusief onderwerp- en taakgegevens.
Klik op Bestand selecteren en selecteer De wet van De Pas. txt als input. Klik op Game beginnen.
Instrueer het onderwerp om de grijze zone met de groene lijn te volgen door het stuur te draaien. Dit spel dient om het onderwerp vertrouwd te maken met de setup. Klik op Mountainbike Taak.
Typ de uitvoerbestandsnaam en selecteer Vision_Delay.txt. Klik op Game beginnen om te beginnen met testen. In dit spel verandert de lengte van het vooruitkijken venster om geavanceerde waarschuwing, geen waarschuwing of een visuele vertraging te bieden.
Klik op Mountainbiketaak, typ de uitvoerbestandsnaam en selecteer Action_Delay.txt. Klik op Game beginnen om te beginnen met testen. In dit spel wordt een vertraging toegevoegd tussen het wiel draaien van het onderwerp en de beweging van de groene lijn.
De vertraging begint op nul seconden en neemt toe met 0,15 seconden tot het 0,75 seconden bereikt. Klik op Mountainbiketaak, typ de uitvoerbestandsnaam en selecteer Vision Quantization.txt. Klik op Game beginnen om te beginnen met testen.
In dit spel wordt de visuele gegevenssnelheid gemanipuleerd. Wanneer de visuele gegevens laag zijn, kan het spoor alleen worden weergegeven op een paar losse grijze locaties. Naarmate de visuele gegevenssnelheid toeneemt, kan de grijze zone op meer potentiële locaties worden weergegeven en wordt de beweging ervan continuer.
Klik op Mountainbiketaak, typ de uitvoerbestandsnaam en selecteer Actiekwantificering.txt. Klik op Game beginnen om te beginnen met testen. In dit spel wordt de actiegegevenssnelheid gemanipuleerd.
Wanneer de gegevenssnelheid het langzaamst is, kan de grijze lijn slechts met één snelheid gaan. Naarmate de gegevenssnelheid toeneemt, wordt het regelen van de wielsnelheid fijner. Klik op Mountainbiketaak, typ de uitvoerbestandsnaam en selecteer Bump Trail.txt.
Klik op Game beginnen om te beginnen met testen. In dit spel, storingen worden toegevoegd, hetzij als een koppel op het wiel, het simuleren van een bult, een plotselinge draai op het parcours of de twee soorten verstoringen gecombineerd. Als u testresultaten wilt ophalen, gaat u naar de map Uitvoerbare uitvoer en zoekt u naar het bestand met eerder opgegeven bestandsnamen.
Van links naar rechts geeft elke rij in het uitvoerbestand tijd, proefpositie, bumpgrootte, actiegegevenssnelheid, actievertraging, visuele vertraging, visuele gegevenssnelheid, trackingfout en stuurhoek op. Open de WheelCon Mntn Bike Trail Design Code om een nieuw invoerbestand te ontwikkelen. m in de map Broncode met Matlab.
Als u dit gedeelte van de code selecteert voor de gewenste spelparameters, drukt u op Control plus T om de reactie te ontbinden en drukt u vervolgens op Uitvoeren. Het invoerbestand wordt in dezelfde map geregenereerd. Zoals de figuur suggereert, in games met visuele of actie vertragingen, de fout van het onderwerp toegenomen met grotere vertragingen.
Het beperken van de gegevenssnelheden in visuele invoer of actie-uitvoer resulteerde in grotere fouten. Dit cijfer toont de aerodynamica tijdens proeven met ofwel alleen hobbels, alleen bochten of de twee gecombineerd. Terwijl je deze video bekijkt, moet je bekend zijn met hoe je WheelCon toepassen op een menselijke sensorische motorcontrolestudie.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
WheelCon is een gratis en open-source gameplatform ontworpen om niet-invasief bergfietsrijden langs een uitdagende route te simuleren. Dit platform stelt onderzoekers in staat om de menselijke sensorimotrice besturing te onderzoeken door variabelen zoals vertraging, kwantisering en ruis te manipuleren, en biedt inzichten in de gelaagde architectuur van motorische besturing.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Sensorimotrice besturing
- Mens-computerinteractie
Achtergrond
- Het menselijke sensorimotrice controlesysteem is complex en robuust, ondanks zijn verdeelde en lawaaierige aard.
- Het begrijpen van de gevolgen van verschillende causale factoren op de systeemprestaties is essentieel voor het bevorderen van onderzoek.
- Bestaande experimentele platforms missen vaak gebruiksgemak voor het manipuleren van deze factoren.
Doel van de studie
- Om een experimenteel platform te ontwikkelen dat manipulatie van parameters die de sensorimotrice besturing beïnvloeden, mogelijk maakt.
- Om het registreren van prestatieresultaten onder verschillende experimentele omstandigheden mogelijk te maken.
- Om de studie van verschillende lagen in sensorimotrice besturing te faciliteren, zowel hoger niveau doelen als lagere niveau acties omvattend.
Gebruikte methoden
- Het belangrijkste platform dat wordt gebruikt is WheelCon, een videogame-achtige omgeving die draait op Windows 10.
- Deelnemers werken met een racewielinterface om verschillende omstandigheden te verkennen, inclusief visuele en actievertragingen.
- Meerdere proeven worden uitgevoerd om de invloed van vertragingen en kwantisering op de trackingprestaties te beoordelen.
- Configuraties kunnen worden aangepast om verschillende soorten verstoringen en hun effecten op motorische besturing te observeren.
Belangrijkste resultaten
- Verhoogde vertragingen leidden tot hogere trackingfouten bij proefpersonen.
- Lagere gegevenssnelheden voor zowel visuele input als motorische output waren geassocieerd met grotere fouten in taakprestaties.
- De bevindingen benadrukken de gevoeligheid van het motorische besturingssysteem voor variërende parameters, wat inzichten biedt voor ontwerpen voor toekomstige studies.
Conclusies
- WheelCon toont een veelzijdig hulpmiddel voor het bestuderen van menselijke sensorimotrice besturing in een veilige, gecontroleerde omgeving.
- Het stelt onderzoekers in staat om complexe interacties tussen meerdere variabelen die motorische prestaties beïnvloeden, te onderzoeken.
- De mogelijkheid van het platform om verschillende factoren te manipuleren en te registreren verbetert het begrip van motorische besturingsmechanismen en mogelijke toepassingen in revalidatie.
Veelgestelde vragen
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.
