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

대본을 재구성하고, 영상을 촬영하고 편집해주신 왕양씨와 영상 편집에 감사드립니다. 이 연구는 CIT 인다우먼트 및 국립 과학 재단 (JCD), 보스웰 펠로우십 (QL) 및 고급 대학 기금 (No.)의 지원을 받았습니다. G02386301, G02386401), 광동자연과학재단 공동기금(2019A151111038호)

프로토콜의 개발 및 응용 프로그램은 캘리포니아 공과 대학 기관 검토 위원회 (IRB)와 과학 기술 IRB의 남부 대학에 의해 승인되었다. 주체는 수행되는 절차에 앞서 정보에 입각한 동의를 제공했습니다.
1. 시스템 준비 및 설정
<ol><li>권장되는 기본 하드웨어는 2GHz 듀얼 코어 프로세서와 4GB의 시스템 메모리입니다.</li>
	<li>C# 프로그래밍 언어를 사용하는 동안 Unity 플랫폼 아래 ?...

<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. 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+principles+of+sensorimotor+control+that+minimize+uncertainty+and+variability.">Computational principles of sensorimotor control that minimize uncertainty and variability.</a> The Journal of Physiology. 578 (2), 387-396 (2007).</li><li>Desmurget, M., Grafton, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forward+modeling+allows+feedback+control+for+fast+reaching+movements.">Forward modeling allows feedback control for fast reaching movements.</a> Trends in Cognitive Sciences. 4 (11), 423-431 (2000).</li><li>Sanger, T. D., Merzenich, M. 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+Model+of+the+Role+of+Sensory+Disorganization+in+Focal+Task-Specific+Dystonia.">Computational Model of the Role of Sensory Disorganization in Focal Task-Specific Dystonia.</a> Journal of Neurophysiology. 84 (5), 2458-2464 (2000).</li><li>Mohler, H., Okada, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Benzodiazepine+receptor:+demonstration+in+the+central+nervous+system.">Benzodiazepine receptor: demonstration in the central nervous system.</a> Science. 198 (4319), 849-851 (1977).</li><li>Muller, L., Chavane, F., Reynolds, J., Sejnowski, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+travelling+waves:+mechanisms+and+computational+principles.">Cortical travelling waves: mechanisms and computational principles.</a> Nature Reviews Neuroscience. 19 (5), 255-268 (2018).</li><li>Zhang, H., Watrous, A. J., Patel, A., Jacobs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theta+and+Alpha+Oscillations+Are+Traveling+Waves+in+the+Human+Neocortex.">Theta and Alpha Oscillations Are Traveling Waves in the Human Neocortex.</a> Neuron. 98 (6), 1269-1281 (2018).</li><li>Blinks, J. R., R&#252;del, R., Taylor, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calcium+transients+in+isolated+amphibian+skeletal+muscle+fibres:+detection+with+aequorin.">Calcium transients in isolated amphibian skeletal muscle fibres: detection with aequorin.</a> The Journal of Physiology. 277 (1), 291-323 (1978).</li><li>Gallivan, J. P., Chapman, C. S., Wolpert, D. M., Flanagan, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Decision-making+in+sensorimotor+control.">Decision-making in sensorimotor control.</a> Nature Reviews Neuroscience. 19 (9), 519-534 (2018).</li><li>Sanger, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Basic+and+Translational+Neuroscience+of+Childhood-Onset+Dystonia:+A+Control-Theory+Perspective.">Basic and Translational Neuroscience of Childhood-Onset Dystonia: A Control-Theory Perspective.</a> Annual Review of Neuroscience. 41 (1), 41-59 (2018).</li><li>Todorov, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimality+principles+in+sensorimotor+control.">Optimality principles in sensorimotor control.</a> Nature Neuroscience. 7 (9), 907-915 (2004).</li><li>Todorov, E., Jordan, M. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+feedback+control+as+a+theory+of+motor+coordination.">Optimal feedback control as a theory of motor coordination.</a> Nature Neuroscience. 5 (11), 1226-1235 (2002).</li><li>Wolpert, D. M., Flanagan, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computations+underlying+sensorimotor+learning.">Computations underlying sensorimotor learning.</a> Current Opinion in Neurobiology. 37, 7-11 (2016).</li><li>Kiper, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+models+and+motor+learning+paradigms:+Could+they+provide+insights+for+neuroplasticity+after+stroke?+An+overview.">Computational models and motor learning paradigms: Could they provide insights for neuroplasticity after stroke? An overview.</a> Journal of the Neurological Sciences. 369, 141-148 (2016).</li><li>Cluff, T., Crevecoeur, F., Scott, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tradeoffs+in+optimal+control+capture+patterns+of+human+sensorimotor+control+and+adaptation.">Tradeoffs in optimal control capture patterns of human sensorimotor control and adaptation.</a> bioRxiv. , 730713 (2019).</li><li>Nakahira, Y., Liu, Q., Bernat, N., Sejnowski, T., Doyle, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+foundations+for+layered+architectures+and+speed-accuracy+tradeoffs+in+sensorimotor+control.">Theoretical foundations for layered architectures and speed-accuracy tradeoffs in sensorimotor control.</a> 2019 American Control Conference (ACC). , 809-814 (2019).</li><li>K&#246;rding, K. P., 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=Bayesian+integration+in+sensorimotor+learning.">Bayesian integration in sensorimotor learning.</a> Nature. 427 (6971), 244-247 (2004).</li><li>Chambers, C., Sokhey, T., Gaebler-Spira, D., Kording, K. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+development+of+Bayesian+integration+in+sensorimotor+estimation.">The development of Bayesian integration in sensorimotor estimation.</a> Journal of Vision. 18 (12), 8 (2018).</li><li>Karmali, F., Whitman, G. T., Lewis, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bayesian+optimal+adaptation+explains+age-related+human+sensorimotor+changes.">Bayesian optimal adaptation explains age-related human sensorimotor changes.</a> Journal of Neurophysiology. 119 (2), 509-520 (2017).</li><li>Gori, J., Rioul, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Information-Theoretic+Analysis+of+the+Speed-Accuracy+Tradeoff+with+Feedback.">Information-Theoretic Analysis of the Speed-Accuracy Tradeoff with Feedback.</a> 2018 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). , 3452-3457 (2018).</li><li>Trendafilov, D., Polani, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Information-theoretic+Sensorimotor+Foundations+of+Fitts'+Law.">Information-theoretic Sensorimotor Foundations of Fitts' Law.</a> Extended Abstracts of the 2019 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. , 1-6 (2019).</li><li>Fitts, P. M., Peterson, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Information+capacity+of+discrete+motor+responses.">Information capacity of discrete motor responses.</a> Journal of Experimental Psychology. 67 (2), 103-112 (1964).</li><li>Fitts, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+information+capacity+of+the+human+motor+system+in+controlling+the+amplitude+of+movement.">The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement.</a> Journal of Experimental Psychology. 47 (6), 381-391 (1954).</li><li>Nakahira, Y., Matni, N., Doyle, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hard+limits+on+robust+control+over+delayed+and+quantized+communication+channels+with+applications+to+sensorimotor+control.">Hard limits on robust control over delayed and quantized communication channels with applications to sensorimotor control.</a> 2015 54th IEEE Conference on Decision and Control (CDC). , 7522-7529 (2015).</li><li>. Neural Correlates of Sensorimotor Control in Human Cortex: State Estimates and Reference Frames Available from: <a target="_blank" href="https://resolver.caltech.edu/CaltechTHESIS:05302019-163325527">https://resolver.caltech.edu/CaltechTHESIS:05302019-163325527</a> (2019)</li><li>Miall, R. C., 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=Forward+Models+for+Physiological+Motor+Control.">Forward Models for Physiological Motor Control.</a> Neural Networks. 9 (8), 1265-1279 (1996).</li><li>Battaglia-Mayer, A., Caminiti, R., Lacquaniti, F., Zago, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+Levels+of+Representation+of+Reaching+in+the+Parieto-frontal+Network.">Multiple Levels of Representation of Reaching in the Parieto-frontal Network.</a> Cerebral Cortex. 13 (10), 1009-1022 (2003).</li><li>Scott, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+feedback+control+and+the+neural+basis+of+volitional+motor+control.">Optimal feedback control and the neural basis of volitional motor control.</a> Nature Reviews Neuroscience. 5 (7), 532-545 (2004).</li><li>Saunders, J. A., Knill, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Humans+use+continuous+visual+feedback+from+the+hand+to+control+fast+reaching+movements.">Humans use continuous visual feedback from the hand to control fast reaching movements.</a> Experimental Brain Research. 152 (3), 341-352 (2003).</li><li>Insperger, T., Milton, J., St&#233;p&#225;n, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acceleration+feedback+improves+balancing+against+reflex+delay.">Acceleration feedback improves balancing against reflex delay.</a> Journal of The Royal Society Interface. 10 (79), 20120763 (2013).</li><li>Birbaumer, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breaking+the+silence:+Brain-computer+interfaces+(BCI)+for+communication+and+motor+control.">Breaking the silence: Brain-computer interfaces (BCI) for communication and motor control.</a> Psychophysiology. 43 (6), 517-532 (2006).</li><li>Liu, Q., Farahibozorg, S., Porcaro, C., Wenderoth, N., Mantini, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+large-scale+networks+in+the+human+brain+using+high-density+electroencephalography.">Detecting large-scale networks in the human brain using high-density electroencephalography.</a> Human Brain Mapping. 38 (9), 4631-4643 (2017).</li><li>Nicolelis, M. A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain-machine+interfaces+to+restore+motor+function+and+probe+neural+circuits.">Brain-machine interfaces to restore motor function and probe neural circuits.</a> Nature Reviews Neuroscience. 4 (5), 417-422 (2003).</li><li>Nordin, A. D., Hairston, W. D., Ferris, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Faster+Gait+Speeds+Reduce+Alpha+and+Beta+EEG+Spectral+Power+From+Human+Sensorimotor+Cortex.">Faster Gait Speeds Reduce Alpha and Beta EEG Spectral Power From Human Sensorimotor Cortex.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 67 (3), 842-853 (2020).</li><li>Hallett, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation+and+the+human+brain.">Transcranial magnetic stimulation and the human brain.</a> Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).</li><li>Madhavan, S., Weber, K. A., Stinear, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-invasive+brain+stimulation+enhances+fine+motor+control+of+the+hemiparetic+ankle:+implications+for+rehabilitation.">Non-invasive brain stimulation enhances fine motor control of the hemiparetic ankle: implications for rehabilitation.</a> Experimental Brain Research. 209 (1), 9-17 (2011).</li><li>Denoyelle, N., Pouget, F., Vi&#233;ville, T., Alexandre, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> VirtualEnaction: A Platform for Systemic Neuroscience Simulation. , (2014).</li><li>Butti, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+Reality+Social+Prediction+Improvement+and+Rehabilitation+Intensive+Training+(VR-SPIRIT)+for+paediatric+patients+with+congenital+cerebellar+diseases:+study+protocol+of+a+randomised+controlled+trial.">Virtual Reality Social Prediction Improvement and Rehabilitation Intensive Training (VR-SPIRIT) for paediatric patients with congenital cerebellar diseases: study protocol of a randomised controlled trial.</a> Trials. 21 (1), 82 (2020).</li><li>McCall, J. V., Ludovice, M. C., Blaylock, J. A., Kamper, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Platform+for+Rehabilitation+of+Finger+Individuation+in+Children+with+Hemiplegic+Cerebral+Palsy.">A Platform for Rehabilitation of Finger Individuation in Children with Hemiplegic Cerebral Palsy.</a> 2019 IEEE 16th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 343-348 (2019).</li><li>Demers, M., Levin, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinematic+Validity+of+Reaching+in+a+2D+Virtual+Environment+for+Arm+Rehabilitation+After+Stroke.">Kinematic Validity of Reaching in a 2D Virtual Environment for Arm Rehabilitation After Stroke.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 28 (3), 679-686 (2020).</li><li>Zbytniewska, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+Characterization+of+a+Robotic+Device+for+the+Assessment+of+Hand+Proprioceptive,+Motor,+and+Sensorimotor+Impairments.">Design and Characterization of a Robotic Device for the Assessment of Hand Proprioceptive, Motor, and Sensorimotor Impairments.</a> 2019 IEEE 16th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 441-446 (2019).</li><li>Delp, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=OpenSim:+Open-Source+Software+to+Create+and+Analyze+Dynamic+Simulations+of+Movement.">OpenSim: Open-Source Software to Create and Analyze Dynamic Simulations of Movement.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 54 (11), 1940-1950 (2007).</li><li>Gray, W. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plateaus+and+Asymptotes:+Spurious+and+Real+Limits+in+Human+Performance.">Plateaus and Asymptotes: Spurious and Real Limits in Human Performance.</a> Current Directions in Psychological Science. 26 (1), 59-67 (2017).</li></ol>

이 논문에서는 인간 감각 모터 제어에서 지연, 양자화, 교란 및 계층화된 피드백 루프의 효과를 연구하기 위한 무료 오픈 소스 게임 플랫폼인 WheelCon을 선보였습니다. 우리는 하드웨어, 소프트웨어 및 GUI를 보여 주었다. 지연 및 양자화를 갖춘 단일 감각 조절 루프의 설정이 구현되어 감각 모터 제어의 지연, 정량화 및 방해의 영향을 측정할 수 있습니다. 실험 결과는 피드백 제어 이론의 예측과 잘 ...

인간 감각 운동 제어 시스템은 매우 견고한1,감지가 분포되어 있지만, 변수, 희소, 정량화, 시끄러운 및 지연2,,3,,4; 중추 신경계의 컴퓨팅은55,6,,7이느립니다. 및 근육 작동 피로 와 포화8. 많은 전산 이론적 모델은 인간의 범위 및응답(15,16)에서절충 과정인 복잡한 인간 감각조절 공정4,9,1610,,11, 12,,,12,13,,14를설명하기 위해 제안되었다., 예를 들어, 피드백 제어 이론은 최적의 제어정책(12),베이지안 이론 모델 감각운동 학습17,,18,19 및정보이론 감각운동 기초20,,21을예측한다. 이론적 모델의 풍부와는 달리 여러 피드백 루프의 중요한 구성 요소를 조작할 수 있는 실험 플랫폼은 개발이 부족합니다. 이는 감각 모터 제어의 이러한 측면을 교개하고 테스트할 플랫폼을 설계하려면 모터 제어 이론, 신호 처리 및 상호 작용에서 컴퓨터 그래픽 및 프로그래밍까지 다양한 전문 지식이 필요하기 때문입니다. 연구원은 종종 자신의 사용자 정의 하드웨어 / 소프트웨어 시스템을 개발하여 인간의 감각 모터 제어 성능을 특성화하여 연구 그룹 간에 데이터 세트를 비교 / 대조하고 통합하는 능력을 제한 할 수 있습니다. 사용하기 쉽고 검증된 시스템을 개발하면 감각 조절의 정량적 특성이 확대될 수 있습니다.
이 논문에서는 휠콘 플랫폼, 소설, 무료 및 오픈 소스 플랫폼을 제시하여 Fitts 법칙에 도달하는 Fitts의 법칙과 가파르고 뒤틀리고 울퉁불퉁한 트레일을 내리는 산악 자전거 작업을 비침습적으로 시뮬레이션하는 가상 환경을 위한 비디오 게임을 설계합니다. 작업에 도달하는 Fitts의 법칙은 거리 저울에서 폭의 목표에 도달하는 데 필요한 시간이22,,23로필요한 속도와 정확도 사이의 절충을 정량화합니다. '산악 자전거 작업'은 특히 피드백 루프를 연구하는 측면에서 인간의 감각 운동 성능에 대한 연구의 두 가지 고전적인 구성 요소인 추적 및 보상 추적 작업의 조합입니다.
휠콘에는 지연, 양자화, 노이즈, 교란 및 여러 피드백 루프와 같은 각 이론에 제시된 고도로 요구되는 기본 구성 요소가 포함되어 있습니다. 그것은 인간의 감각 운동 제어에서 다음과 같은 다양한 질문을 연구하기위한 잠재적 인 도구입니다 :
• 인간 감각 운동 시스템이 뇌 의 제한된 자원 (예 : 공간 및 대사 비용)에 의해 근본적으로 제약되는 신경 신호의 지연 및 양자화를 다루는 방법(24,,25; • 감각 운동 제어(26)와인간의 피질에서 신경 상관 관계 방법; • 인간이 감각 운동 제어27에서예측할 수없는 외부 장애를 처리하는 방법; • 계층 적 제어 루프가 인간 감각 모터 시스템16,,28,,29내에서 계층화되고 통합되는 방법; • 인간 시각피드백(30)과 반사피드백(31)의 지연 및 양자화의 결과; • 지연 및 양자화 에서 감각 운동 학습을위한 최적의 정책 및 전략16,,17,,24,,29.
WheelCon은 스티어링 휠과 통합되어 동적 제어 정책 및 시스템 오류를 기록하면서 신호 지연, 양자화, 노이즈 및 교란과 같은 이러한 질문의 변수를 조작하는 게임 조건을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 연구자들은 감각 운동 제어에서 계층화된 아키텍처를 연구할 수 있습니다. 산악 자전거를 타는 예에서 이 작업에는 하이레이어 플랜과 저층 반사의 두 가지 제어 레이어가 참여합니다. 눈에 보이는 교란(예: 트레일)의 경우, 우리는 교란이 도착하기 전에 계획합니다. 사전에 알려지지 않은 장애(즉, 작은 범프)의 경우 제어는 지연된 반사 신경에 의존합니다. 피드백 제어 이론은 효과적인 계층구조 아키텍처가 더 높은 계층의 목표, 계획, 결정을 하층의 감지, 반사 및액션(24)과통합할 수 있음을 제안합니다. 휠콘은 이러한 계층화된아키텍처(도 1)를테스트하기 위해 계획 및 반사 층에서 고유한 교란을 유도하는 실험 도구를 제공합니다.
우리는 저렴하고 사용하기 쉽고 프로그래밍 플랫폼인 WheelCon을 제공하여 이론과 신경 과학에 대한 실험 연구 사이의 격차를 해소합니다. 구체적으로, 그것은 지연의 효과 검사에 사용할 수 있습니다., 정량화, 방해, 잠재적으로 속도 정확도 절충. 제어 루프에서 조작할 수 있는 변수는 표 1에표시됩니다. 또한 인간의 감각 운동 제어에서 다른 제어 층에 걸쳐 의사 결정 및 멀티플렉스 능력을 연구하기 위해 적용 될 수있다. 더욱이, 휠콘은 뇌파(EEG)와 같은 비침습적 신경 기록과 호환되며, 감각 운동 제어 시 신경 반응을 측정하기 위해32,,33,,34,,35,및 비침습적 뇌 자극 기술( 예: 경두개 전기 자극(tES) 및 경두개 자기 자극(TMS), 신경활동,36.36

<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

피드백 제어 이론은 이론적으로 인간 감각 조절을 모델링하기 위해 광범위하게 구현되었습니다. 그러나 여러 피드백 루프의 중요한 구성 요소를 조작할 수 있는 실험 플랫폼은 개발이 부족합니다. 이 백서에서는 이러한 불충분을 해결하기 위한 오픈 소스 플랫폼인 휠콘(WheelCon)에 대해 설명합니다. 휠콘은 컴퓨터, 표준 디스플레이, 힘 피드백 모터가 장착된 저렴한 게이밍 스티어링 휠만을 사용하여 산악 자전거를 가파르고 뒤틀리고 울퉁불퉁한 트레일아래로 라이딩하는 정경적인 감각 모터 작업을 안전하게 시뮬레이션합니다. 이 플랫폼은 제공된 데모에서 입증되는 것처럼 유연성을 제공하므로 연구원들은 고급 계획 계층및 낮은 수준의 지연 반사 층을 포함하여 계층화된 피드백 루프의 장애, 지연 및 양자화(데이터 속도)를 조작할 수 있습니다. 이 문서에서는 WheelCon의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 기존 데모의 입력 및 출력, 새로운 게임을 설계하는 방법을 설명합니다. 또한 모델의 예측과 잘 어울리는 데모 게임의 기본 피드백 모델과 실험 결과를 제시합니다. 휠콘 플랫폼은 https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon 다운로드할 수 있습니다. 요컨대, 이 플랫폼은 효과적인 감각 운동 신경 과학 연구 및 제어 엔지니어링 교육을 위한 프로그래밍에 저렴하고 사용하기 간단하며 유연하게 제공됩니다.

모델링 피드백 제어
도 1에표시된 단순화된 피드백 제어 모델을 보여 드립니다. 시스템 역학은 다음을 통해 제공됩니다.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61092/61092equ01.jpg">
여기서x(t)는시간에 x오차가 t, rr(t)은 트레일 교란tw(t)이며,t범프 교?...

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

휠콘은 가파르고 뒤틀리고 울퉁불퉁한 트레일을 따라 산악 자전거를 비침습적으로 시뮬레이션하는 비디오 게임을 디자인하는 새로운 무료 및 오픈 소스 플랫폼입니다. 그것은 인간의 감각 운동 제어 (지연, 양자화, 소음, 교란 및 다중 피드백 루프)에 제시 하는 구성 요소를 포함 하 고 연구원 감각 모터 제어에서 계층 아키텍처를 공부 할 수 있습니다.

휠콘: 인간 감각 모터 제어를 연구하기 위한 휠 제어 기반 게임 플랫폼

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

인간의 감각 모터 제어 시스템은 매우 견고하지만 감지가 분산, 스파스, 정량화, 시끄러운 및 지연됩니다. 중추 신경계의 컴퓨팅은 느리고 근육 작동 피로와 포화. 이 인과 요인과 감각 모터 제어의 시스템 성능에 대한 결과를 연구하려면 이러한 요소를 조작하고 성능을 기록하는 사용하기 쉬운 실험 플랫폼을 개발하는 것이 중요합니다.여기에서 우리는 가파른, 트위스트, 울퉁불퉁 한 흔적을 타고 시뮬레이션 우리의 가상 환경에 대한 비디오 게임을 설계하는 무료 오픈 소스 플랫폼인 WheelCon라는 게임 플랫폼을 제공합니다. 휠콘은 신호 지연, 정량화, 노이즈 및 교란과 같은 인간의 감각 모터 제어 시스템의 변수를 조작할 수 있으므로 스티어링 휠과 통합되어 모터 제어 궤적 및 공기역학을 기록합니다. 또한 연구는 더 높은 층의 목표, 계획, 결정 및 하층의 감지, 반사 및 행동을 포함하여 감각 모터 제어에서 건축가층을 연구할 수 있습니다.Windows 10을 실행하는 컴퓨터에서 WheelCon 웹 페이지로 이동하여 복제본을 클릭하거나 다운로드한 다음 팝업 대화 상자에서 ZIP 다운로드를 클릭합니다. 모든 파일을 로컬 하드 드라이브로 추출합니다. 제조업체의 웹 사이트로 이동하여 레이싱 휠 모델에 해당 드라이버를 다운로드하십시오.모니터 앞의 좌석 높이에서 레이싱 휠을 안전하게 장착합니다. 휠의 USB 케이블을 PC와 전원 어댑터를 콘센트에 연결합니다. 프로그램을 테스트하려면 휠콘을 두 번 클릭합니다.익스베이트 출력 파일의 폴더에서 실행합니다. 설정에 따라 설정을 구성하고 재생을 클릭합니다. 피사체를 바퀴 뒤에 편안하게 앉습니다.휠을 처리할 때 피사체가 적절한 동작 범위를 허용해야 합니다. Fitt의 법칙 작업을 클릭합니다. 텍스트 상자를 클릭하고 출력 파일에 대한 이름을 입력하고 제목 및 작업 정보를 포함합니다.파일 선택(Fitt's Law)을 클릭한 다음 Fitt의 법칙을 선택합니다. 입력으로 txt. 게임 시작을 클릭합니다.피사체에 스티어링 휠을 돌려 녹색 선으로 회색 영역을 추적하도록 지시합니다. 이 게임은 설정과 주제를 숙지하는 역할을합니다. 마운틴 바이크 작업을 클릭합니다.출력 파일 이름을 입력하고 Vision_Delay.txt 선택합니다. 게임을 시작하려면 테스트를 시작합니다. 이 게임에서는 앞의 창 길이가 변경되어 고급 경고, 경고 또는 시각적 지연이 없습니다.마운틴 바이크 태스크를 클릭하고 출력 파일 이름을 입력하고 Action_Delay.txt 선택합니다. 게임을 시작하려면 테스트를 시작합니다. 이 게임에서는 피사체의 휠 회전과 녹색 선의 움직임 사이에 지연이 추가됩니다.지연은 0초에서 시작하여 0.75초에 도달할 때까지 0.15초 증가합니다. 마운틴 바이크 태스크를 클릭하고 출력 파일 이름을 입력하고 비전 양자화를 선택합니다.txt. 게임을 시작하려면 테스트를 시작합니다.이 게임에서는 시각적 데이터 속도가 조작됩니다. 시각적 데이터가 낮으면 트레일은 몇 개의 느슨한 회색 위치에만 나타날 수 있습니다. 시각적 데이터 속도가 증가함에 따라 회색 영역이 더 많은 잠재적 위치에 나타날 수 있으며 이동이 더 연속됩니다.마운틴 바이크 태스크를 클릭하고 출력 파일 이름을 입력하고 작업 양자화를 선택합니다.txt. 게임을 시작하려면 테스트를 시작합니다. 이 게임에서는 액션 데이터 속도가 조작됩니다.데이터 속도가 가장 느린 경우 회색 선은 한 속도로만 이동가능합니다. 데이터 속도가 증가함에 따라 휠 속도 제어가 더 세밀해집니다. 마운틴 바이크 태스크를 클릭하고 출력 파일 이름을 입력하고 범프 트레일을 선택합니다.txt.게임을 시작하려면 테스트를 시작합니다. 이 게임에서는 바퀴의 토크로 교란이 추가되어 범프를 시뮬레이션하거나 트레일을 갑자기 돌리거나 두 가지 유형의 장애가 결합됩니다. 테스트 결과를 검색하려면 실행 가능한 출력 파일의 폴더로 이동하여 이전에 지정된 파일 이름이 있는 파일을 찾습니다.왼쪽에서 오른쪽으로 출력 파일의 각 행은 시간, 시험 위치, 범프 크기, 작업 데이터 속도, 작업 지연, 시각적 지연, 시각적 데이터 속도, 추적 오류 및 스티어링 휠 각도를 지정합니다. 새로운 입력 파일을 개발하려면 휠콘 Mntn 자전거 트레일 설계 코드를 엽니다. M 은 Matlab이있는 소스 코드 폴더에 있습니다.원하는 게임 매개 변수에 대한 코드의이 섹션을 선택, 컨트롤플러스 T를 눌러 주석을 해제한 다음 실행을 누릅니다. 입력 파일은 동일한 폴더에서 재생됩니다. 그림에서 알 수 있듯이 시각적 또는 액션 지연이 있는 게임에서는 피사체의 오류가 더 큰 지연으로 증가했습니다.시각적 입력 이나 작업 출력에서 데이터 속도를 제한 하면 더 큰 오류가 발생 했습니다. 이 그림은 시험 중 공기역학을 표시하며, 범프만, 회전 또는 두 개의 결합된 것으로 나타났습니다. 이 비디오를 보면서 휠콘을 인간 감각 모터 제어 연구에 적용하는 방법에 대해 잘 알고 있어야 합니다.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

휠 실행 활동을 사용하여 마우스의 Circadian 및 급성 라이트 응답 측정

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

연구

신경과학

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

자유 모션 플랫폼의 여섯도를 사용하여 세 가지 차원 전정 안구 반사 테스트

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

쥐에 활동 륜 실행에 녹음 및 Circadian 리듬 분석

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, ...

Methods for Studying the Mechanisms of Action of Antipsychotic Drugs in Caenorhabditis elegans

Methods for Studying the Mechanisms of Action of Antipsychotic Drugs in Caenorhabditis elegans

에서 항 정신병 약물의 작용 메커니즘을 공부하는 방법<em&gt; 예쁜 꼬마 선충</em

Caenorhabditis elegans is a simple genetic organism amenable to  large-scale forward and reverse genetic screens and chemical genetic screens. The C.  ...

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

매우 낮은 밀도에 대한 단순화 된 방법, 장기 차 해마 신경 세포 문화

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

녹화 및 자극 애플리케이션을위한 높은 접촉 밀도의 제작, 평면 인터페이스 신경 전극

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

An In Vitro Model for Studying Tau Aggregation Using Lentiviral-mediated Transduction of Human Neurons

인간 뉴런의 렌 티 바이러스 매개 된 형질 도입을 이용한 타우 응집 연구를 위한 시험관 내 모델

Aberrant aggregation of the protein tau is pathogenically involved in a number of neurodegenerative diseases, including Alzheimer&#8217;s disease (AD). ...

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

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μTongue: Vivo의 혀를 위한 미세 유체 기반 기능 이미징 플랫폼

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

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생체 내 숙련 된 운동 행동의 무선 광유전학 제어

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

소뇌 의존적 감각 연관 학습을 모니터링하기 위한 유연한 플랫폼

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