Name: wheelcon: a wheel control-based gaming platform for studying human sensorimotor control
Uploaded: 2020-08-15T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about WheelCon: A Wheel Control-Based Gaming Platform for Studying Human Sensorimotor Control at JoVE.com

Wir danken Herrn Zhengyang Wang für die Neugestaltung der Drehbücher, den Dreharbeiten und der Bearbeitung des Videos und Herrn Ziyuan Ye für die Bearbeitung des Videos. Diese Studie wurde von cIT Endowment & National Science Foundation (zu JCD), Boswell Fellowship (zu QL) und High-Level University Fund (Nr. G02386301, G02386401), Guangdong Natural Science Foundation Joint Fund (Nr. 2019A1515111038).

Die Entwicklung und Anwendung des Protokolls wurde vom California Institute of Technology Institutional Review Board (IRB) und der Southern University of Science and Technology IRB genehmigt. Der Antragsteller gab vor der Durchgeführt von Verfahren eine informierte Einwilligung ab.
1. Systemvorbereitung und -einrichtung
<ol><li>Die empfohlene Basishardware ist ein 2 GHz Dual-Core-Prozessor und 4 GB Systemspeicher.</li>
	<li>Erstellen Sie die Gaming-Plattform unter der Unity-Plattform, währ...

<ol>
	<li>Franklin, D. W., Wolpert, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+Mechanisms+of+Sensorimotor+Control.">Computational Mechanisms of Sensorimotor Control.</a> Neuron. 72 (3), 425-442 (2011).</li><li>Bays, P. M., Wolpert, D. 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In diesem Beitrag haben wir eine kostenlose Open-Source-Gaming-Plattform, WheelCon, vorgestellt, um die Auswirkungen von Verzögerung, Quantisierung, Störung und geschichteten Rückkopplungsschleifen in der menschlichen sensorimotorischen Steuerung zu untersuchen. Wir haben die Hardware, die Software und die GUI gezeigt. Die Einstellungen einer einzigen sensorimotorischen Regelschleife mit Verzögerung und Quantisierung wurden implementiert, die es uns ermöglicht, die Auswirkungen von Verzögerung, Quantisierung und St...

Die menschliche sensorimotorische Steuerung ist extrem robust1, obwohl die Erfassung verteilt ist, variabel, spärlich, quantisiert, laut und verzögert2,3,4; die Berechnung im zentralen Nervensystem ist langsam5,6,7; und die Muskelbetätigung ermüdet und sättigt8. Viele rechnerische theoretische Modelle wurden vorgeschlagen, um den komplizierten menschlichen sensorimotorischen Steuerungsprozess4,9,10,11,12,13,14, das ist ein Kompromissprozess in menschlicher Reichweite und Antwort15,16. Zum Beispiel, Feedback-Kontrolltheorie prognostiziert die optimale Steuerungspolitik12, Bayesian Theorie Modelle sensorimotorisches Lernen17,18,19 und Informationstheorie sensorimotorische Grundlage20,21. Im Gegensatz zur Fülle theoretischer Modelle fehlt es experimentellen Plattformen, die wichtige Komponenten mehrerer Rückkopplungsschleifen manipulieren können, an Entwicklung. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Entwicklung einer Plattform zur Überbrückung und Erprobung dieser Aspekte der sensorimotorischen Steuerung ein vielfältiges Spektrum an Fachwissen erfordert, das von der Theorie der Motorsteuerung über die Signalverarbeitung und Interaktion bis hin zur Computergrafik und Programmierung reicht. Forscher entwickeln oft ihre eigenen kundenspezifischen Hardware-/Softwaresysteme, um die leistung der menschlichen sensorimotorischen Steuerung zu charakterisieren, was die Möglichkeit einschränken kann, Datensätze über Forschungsgruppen hinweg zu vergleichen/kontrastieren und zu integrieren. Die Entwicklung eines benutzerfreundlichen und validierten Systems könnte die quantitative Charakterisierung der sensorimotorischen Steuerung erweitern.
In diesem Beitrag stellen wir die WheelCon-Plattform vor, eine neuartige, kostenlose und Open-Source-Plattform, um Videospiele für eine virtuelle Umgebung zu entwerfen, die ein Fitts' Law erreichendes Spiel und eine Mountainbike-Aufgabe mit einem steilen, kurvenreichen und holprigen Trail nicht invasiv simuliert. Das Fitts-Gesetz zum Erreichen der Aufgabe quantifiziert den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit, bei dem die Zeit, die für das Erreichen eines Breitenziels auf Entfernungsskalen benötigt wird, wie22,23beträgt. Die "Mountainbike-Aufgabe" ist eine Kombination aus Verfolgungs- und Kompensationsverfolgungsaufgabe, die zwei klassische Komponenten der Forschung zur menschlichen sensorimotorischen Leistung sind, insbesondere im Hinblick auf das Studium von Rückkopplungsschleifen.
WheelCon enthält die in jeder Theorie vorgestellten dringend geforderten Grundkomponenten: Verzögerung, Quantisierung, Rauschen, Störung und mehrere Rückkopplungsschleifen. Es ist ein mögliches Werkzeug, um die folgenden verschiedenen Fragen in der menschlichen sensorimotorischen Steuerung zu untersuchen:
• Wie das menschliche sensorimotorische System mit der Verzögerung und Quantisierung in der neuronalen Signalisierung umgeht, die durch die begrenzten Ressourcen (wie Raum und Stoffwechselkosten) im Gehirn grundsätzlich eingeschränkt ist24,25; • Wie neuronale Korrelation im menschlichen Kortex mit sensorimotorischer Steuerung26; • Wie Menschen mit den unvorhersehbaren, äußeren Störungen in der sensorimotorischen Steuerung umgehen27; • Wie die hierarchischen Regelkreise geschichtet und integriert in menschliche sensenmotorische System16,28,29; • Die Folge der Verzögerung und Quantisierung in der menschlichen visuellen Rückkopplung30 und Reflex-Feedback31 in der sensorimotorischen Steuerung; • Die optimale Politik und Strategie für sensorisches Lernen unter Verzögerung und Quantisierung16,17,24,29.
WheelCon lässt sich in ein Lenkrad integrieren und kann Spielbedingungen simulieren, die die Variablen in diesen Fragen manipulieren, wie z. B. Signalverzögerung, Quantisierung, Rauschen und Störungen, während die dynamische Steuerungsrichtlinie und Systemfehler aufgezeichnet werden. Es ermöglicht Forschern auch, die geschichtete Architektur in der sensorimotorischen Steuerung zu studieren. Im Beispiel des Mountainbikefahrens sind zwei Steuerschichten dabei: der Hochschichtplan und der Low-Layer-Reflex. Für sichtbare Störungen (d.h. den Weg) planen wir, bevor die Störung eintrifft. Bei im Voraus unbekannten Störungen (d.h. kleinen Unebenheiten) setzt die Steuerung auf verzögerte Reflexe. Die Theorie der Feedback-Kontrolle schlägt vor, dass effektive mehrschichtige Architekturen die Ziele, Pläne, Entscheidungen der höheren Schichten mit der Sensorik, dem Reflex und der Aktion der unteren Ebenen integrieren können24. WheelCon bietet experimentelle Werkzeuge, um unterschiedliche Störungen in der Plan- und Reflexschicht separat zu induzieren, um eine solche geschichtete Architektur zu testen (Abbildung 1).
Wir bieten eine kostengünstige, einfach zu bedienende und flexible Programmierplattform WheelCon, die die Lücke zwischen theoretischen und experimentellen Studien über Neurowissenschaften überbrückt. Um genau zu sein, kann es verwendet werden, um die Auswirkungen von Verzögerung, Quantisierung, Störung, potenziell Geschwindigkeit-Genauigkeit Kompromisse zu untersuchen. Die Variablen, die in Regelschleifen bearbeitet werden können, sind in Tabelle 1dargestellt. Es kann auch für die Untersuchung der Entscheidungsfindung und Multiplexing-Fähigkeit über verschiedene Kontrollschichten in der menschlichen sensorimotorischen Steuerung angewendet werden. Darüber hinaus ist WheelCon mit nichtinvasiven neuronalen Aufnahmen wie Elektroenzephalographie (EEG) kompatibel, um die neuronale Reaktion während der sensorimotorischen Steuerung32,33,34,35, und die nicht-invasiven Hirnstimulationstechniken wie Transkranielle elektrische Stimulation (tES) und transkranielle Magnetische Stimulation (TMS) zu messen, um die neuronale Aktivität36,37zu manipulieren.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Gaming Wheel</td>
			<td>Logitech</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Windows 10 OS</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

wheelcon: a wheel control-based gaming platform for studying human sensorimotor control

Die Theorie der Feedback-Steuerung wurde umfassend umgesetzt, um die menschliche sensorimotorische Steuerung theoretisch zu modellieren. Experimentelle Plattformen, die wichtige Komponenten mehrerer Feedbackschleifen manipulieren können, sind jedoch nicht entwickelt. In diesem Beitrag wird WheelCon beschrieben, eine Open-Source-Plattform, die darauf abzielt, solche Unzulänglichkeiten zu beheben. Mit nur einem Computer, einem Standarddisplay und einem preiswerten Gaming-Lenkrad, das mit einem Kraftrückkopplungsmotor ausgestattet ist, simuliert WheelCon sicher die kanonische sensorimotorische Aufgabe, ein Mountainbike auf einem steilen, kurvenreichen, holprigen Trail zu fahren. Die Plattform bietet Flexibilität, wie in den bereitgestellten Demos gezeigt wird, so dass Forscher die Störungen, Verzögerungen und Quantisierungen (Datenrate) in den mehrschichtigen Feedbackschleifen manipulieren können, einschließlich einer hochgradigen erweiterten Planschicht und einer verzögerten Reflexschicht auf niedriger Ebene. In diesem Artikel veranschaulichen wir die grafische Benutzeroberfläche (GUI) von WheelCon, die Eingabe und Ausgabe vorhandener Demos und das Entwerfen neuer Spiele. Darüber hinaus stellen wir das grundlegende Feedback-Modell und die experimentellen Ergebnisse der Demo-Spiele vor, die gut mit der Vorhersage des Modells übereinstimmen. Die WheelCon-Plattform kann unter https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon heruntergeladen werden. Kurz gesagt, die Plattform ist billig, einfach zu bedienen und flexibel für effektive sensorimotorische neurowissenschaftliche Forschung und Steuerungstechnik Ausbildung zu programmieren.

Modellierung Feedback Control
Wir zeigen ein vereinfachtes Feedback-Kontrollmodell in Abbildung 1. Die Systemdynamik wird gegeben durch:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61092/61092equ01.jpg">
wobei x(t) der Fehler zum Zeitpunkt t, r(t) die Trail-Störung w(t) ist, ist die Bump-Störung, und <em...

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WheelCon: A Wheel Control-Based Gaming Platform for Studying Human Sensorimotor Control

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.

WheelCon: Eine radgesteuerte Gaming-Plattform zum Studium der menschlichen sensorimotorischen Steuerung

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of ...

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.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Measuring Circadian and Acute Light Responses in Mice using Wheel Running Activity

Mess-und Circadian Akute Licht Responses in Mäuse mit Rad Laufen Activity

Circadian rhythms are physiological functions that cycle over a period of approximately 24 hours (circadian- circa: approximate and diem: day)1, 2.  They ...

Forschung

Neurowissenschaften

Three Dimensional Vestibular Ocular Reflex Testing Using a Six Degrees of Freedom Motion Platform

Dreidimensional Vestibuläre Ocular Reflex-Test mit Six Degrees of Freedom Bewegung Platform

The vestibular organ is a sensor that measures angular and linear accelerations with six degrees of freedom (6DF). Complete or partial defects in the ...

Recording and Analysis of Circadian Rhythms in Running-wheel Activity in Rodents

Aufnahme und Analyse der zirkadianen Rhythmen in Laufen-Rad-Aktivität in Nagetiere

When rodents have free access to a running wheel in their home cage, voluntary use of this wheel will depend on the time of day1-5. Nocturnal rodents, ...

A Simplified Method for Ultra-Low Density, Long-Term Primary Hippocampal Neuron Culture

Ein vereinfachtes Verfahren für Ultra-Low Density, Long-Term Primäre Hippocampus Kultur

Culturing primary hippocampal neurons in vitro facilitates mechanistic interrogation of many aspects of neuronal development. Dissociated embryonic ...

Fabrication of High Contact-Density, Flat-Interface Nerve Electrodes for Recording and Stimulation Applications

Die Herstellung von High-Kontakt-Dichte, Flach-Interface Nerve Elektroden für die Aufnahme und Stimulation Anwendungen

Many attempts have been made to manufacture multi-contact nerve cuff electrodes that are safe, robust and reliable for long term neuroprosthetic ...

&#181;Tongue: A Microfluidics-Based Functional Imaging Platform for the Tongue In Vivo

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μTongue: Eine mikrofluidikbasierte funktionelle Bildgebungsplattform für die Zunge in vivo

Intravital fluorescence microscopy is a tool used widely to study multicellular dynamics in a live animal. However, it has not been successfully used in ...

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

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Im lebenden Organismus Drahtlose optogenetische Steuerung des motorischen Verhaltens

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these ...

A Flexible Platform for Monitoring Cerebellum-Dependent Sensory Associative Learning

Eine flexible Plattform zur Überwachung des kleinhirnabhängigen sensorischen assoziativen Lernens

Climbing fiber inputs to Purkinje cells provide instructive signals critical for cerebellum-dependent associative learning. Studying these signals in ...

Kombinierte periphere Nervenstimulation und steuerbarer Pulsparameter TMS

Combined Peripheral Nerve Stimulation and Controllable Pulse Parameter Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Sensorimotor Control and Learning

Autor im Rampenlicht: Kombinierte periphere Nervenstimulation und kontrollierbare Pulsparameter Transkranielle Magnetstimulation zur Sondierung der sensomotorischen Kontrolle und des Lernens  

Kombinierte periphere Nervenstimulation und transkranielle Magnetstimulation mit kontrollierbaren Pulsparametern zur Untersuchung der sensomotorischen Kontrolle und des Lernens

Skilled motor ability depends on efficiently integrating sensory afference into the appropriate motor commands. Afferent inhibition provides a valuable ...