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

Vi takker Mr. Zhengyang Wang for å omforme manusene, skyte og redigere videoen, og Mr. Ziyuan Ye for redigering av videoen. Denne studien fikk støtte fra CIT Endowment & National Science Foundation (til JCD), Boswell fellowship (til QL) og High-level University Fund (Nr. G02386301, G02386401), Guangdong Natural Science Foundation Joint Fund (nr. 2019A1515111038).

Utviklingen og anvendelsen av protokollen ble godkjent av California Institute of Technology Institutional Review Board (IRB) og Southern University of Science and Technology IRB. Emnet ga informert samtykke før eventuelle prosedyrer som utføres.
1. Systemklargjøring og oppsett
<ol><li>Den anbefalte grunnleggende maskinvaren er en 2 GHz tokjerners prosessor og 4 GB systemminne.</li>
	<li>Bygg spillplattformen under Unity-plattformen, mens du bruker C#-programspråk. Logitech-spillhjulsdri...

<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>

I denne artikkelen har vi presentert en gratis spillplattform med åpen kildekode, WheelCon, for å studere effekten av forsinkelse, kvantisering, forstyrrelser og lagdelte tilbakemeldingssløyfer i menneskelig sensorisk kontroll. Vi har vist maskinvaren, programvaren og GUI. Innstillingene for en enkelt sensorisk kontrollsløyfe med forsinkelse og kvantisering er implementert, noe som gjør at vi kan måle effekten av forsinkelse, kvantisering og forstyrrelser i sensorisk kontroll. De eksperimentelle resultatene er godt...

Det menneskelige sensoriske kontrollsystemet er ekstremt robust1, selv om sensingen er fordelt, variabel, sparsom, kvantisert, støyende og forsinket2,,3,4; databehandlingen i sentralnervesystemet er treg5,6,7; og muskelaktivering tretthet og metter8. Mange beregningsmessige teoretiske modeller har blitt foreslått for å forklare den kompliserte menneskelige sensorimotoriske kontrollprosessen4,9,10,11,12,13,14, som er en avveiningsprosess i menneskelig rekkevidde og respons15,16. For eksempel forutsier tilbakemeldingskontrollteorien den optimale kontrollpolicyen12, Bayesiansk teorimodeller sensorisk læring17,,18,,19 og informasjonsteori sensorisk fundament20,21. I motsetning til overflod av teoretiske modeller, eksperimentelle plattformer i stand til å manipulere viktige komponenter i flere tilbakemeldinger looper mangler utvikling. Dette skyldes delvis at det å utforme en plattform for å bygge bro og teste disse aspektene ved sensorisk kontroll krever et variert spekter av ekspertise, som strekker seg fra motorkontrollteori, signalbehandling og samhandling, helt til datagrafikk og programmering. Forskere utvikler ofte sine egne tilpassede maskinvare-/programvaresystemer for å karakterisere menneskelig sensorisk kontrollytelse, noe som kan begrense evnen til å sammenligne/kontrastere og integrere datasett på tvers av forskningsgrupper. Utviklingen av et brukervennlig og validert system kan utvide den kvantitative karakteriseringen av sensorisk kontroll.
I denne artikkelen presenterer vi WheelCon-plattformen, en roman, en gratis og åpen kildekode-plattform for å designe videospill for et virtuelt miljø som ikke invasivt simulerer en Fitts'Law som når spillet og en terrengsykkeloppgave med å senke en bratt, kronglete og humpete sti. Fitts's lov for å nå oppgave kvantifiserer avveiningen mellom hastighet og nøyaktighet der tiden som kreves for å nå et mål om bredde på avstandsskalaer som22,23. "Terrengsykkeloppgaven" er en kombinasjon av en jakt- og kompenserende sporingsoppgave, som er to klassiske komponenter i forskning på menneskelig sensorisk ytelse, spesielt når det gjelder å studere tilbakemeldingssløyfer.
WheelCon inneholder de svært etterspurte grunnleggende komponentene som presenteres i hver teori: forsinkelse, kvantisering, støy, forstyrrelser og flere tilbakemeldingssløyfer. Det er et potensielt verktøy for å studere følgende ulike spørsmål i menneskelig sensorisk kontroll:
• Hvordan det menneskelige sensoriske systemet håndterer forsinkelsen og kvantiseringen i nevrale signalering, som er fundamentalt begrenset av de begrensede ressursene (som plass og metabolske kostnader) i hjernen24,25; • Hvordan nevral korrelasjon i den menneskelige cortex med sensorisk kontroll26; • Hvordan mennesker håndterer de uforutsigbare, eksterne forstyrrelsene i sensorisk kontroll27; • Hvordan de hierarkiske kontrollløkkene lagdelt og integrert i humant sensorimotorsystem16,,28,,29; • Konsekvensen av forsinkelsen og kvantiseringen i menneskelig visuell tilbakemelding30 og reflekstilbakemelding31 i sensorisk kontroll; • Den optimale politikken og strategien for sensorisk læring under forsinkelse og kvantisering16,,17,,24,,29.
WheelCon integreres med et ratt og kan simulere spillforhold som manipulerer variablene i disse spørsmålene, for eksempel signalforsinkelse, kvantisering, støy og forstyrrelser, mens du registrerer den dynamiske kontrollpolicyen og systemfeilene. Det gjør det også mulig for forskere å studere den lagdelte arkitekturen i sensorisk kontroll. I eksemplet på å sykle på en terrengsykkel, er to kontrolllag involvert i denne oppgaven: høylagsplanen og lavlagsrefleksen. For synlige forstyrrelser (dvs. stien), planlegger vi før forstyrrelsen kommer. For forstyrrelser som er ukjente på forhånd (dvs. små støt), er kontrollen avhengig av forsinkede reflekser. Tilbakemeldingskontrollteorien foreslår at effektive lagdelte arkitekturer kan integrere de høyere lagenes mål, planer, beslutninger med de nedre lagenes sensing, refleks og handling24. WheelCon gir eksperimentelle verktøy for å indusere karakteristiske forstyrrelser i planen og reflekslagene separat for testing av en slik lagdelt arkitektur (Figur 1).
Vi tilbyr en billig, enkel å bruke og fleksibel til programplattform, WheelCon som bygger bro mellom teoretiske og eksperimentelle studier på nevrovitenskap. For å være spesifikk, kan den brukes til å undersøke virkningene av forsinkelse, kvantisering, forstyrrelser, potensielt hastighetsnøyaktighet avveininger. Variablene som kan manipuleres i kontrollløkker, vises i tabell 1. Det kan også brukes til å studere beslutningstaking og multipleksing evne på tvers av ulike kontrolllag i menneskelig sensorisk kontroll. Videre er WheelCon kompatibel med ikke-invasive nevrale opptak, for eksempel elektroencefalografi (EEG), for å måle nevrale respons under sensorisk kontroll32,,33,,34,,35, og de ikke-invasive hjernestimuleringsteknikkene, for eksempel Transcranial Electrical Stimulation (tES) og Transcranial Magnetic Stimulation (TMS), for å manipulere nevrale aktivitet36,37.

<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

Feedback kontroll teori har blitt grundig implementert for å teoretisk modellere menneskelig sensorisk kontroll. Eksperimentelle plattformer som er i stand til å manipulere viktige komponenter i flere tilbakemeldingssløyfer, mangler imidlertid utvikling. Dette papiret beskriver WheelCon, en åpen kildekode-plattform som tar sikte på å løse slike insufficiencies. Ved hjelp av bare en datamaskin, en standard skjerm og billig spill ratt utstyrt med en kraft tilbakemelding motor, WheelCon trygt simulerer kanonisk sensorimotor oppgave å ri en terrengsykkel ned en bratt, kronglete, humpete sti. Plattformen gir fleksibilitet, som vil bli demonstrert i demoene som tilbys, slik at forskere kan manipulere forstyrrelsene, forsinkelsen og kvantiseringen (datahastigheten) i de lagdelte tilbakemeldingssløyfene, inkludert et høyt nivå avansert planlag og et lavt nivå forsinket reflekslag. I dette papiret illustrerer vi WheelCons grafiske brukergrensesnitt (GUI), inndata og utdata fra eksisterende demoer og hvordan du designer nye spill. I tillegg presenterer vi den grunnleggende tilbakemeldingsmodellen og de eksperimentelle resultatene fra demospillene, som passer godt til modellens prediksjon. WheelCon-plattformen kan lastes ned på https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon. Kort sagt, plattformen er omtalt for å være billig, enkel å bruke, og fleksibel til å programmere for effektiv sensorisk nevrovitenskap forskning og kontroll engineering utdanning.

Modellering av tilbakemeldingskontroll
Vi viser en forenklet tilbakemeldingskontrollmodell vist i figur 1. Systemdynamikken er gitt av:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61092/61092equ01.jpg">
der x(t) er feilen på tiden t, r(t) er sporforstyrrelsen w(t), er bump forstyrrelse, og u(...

Watch this Scientific Journal Video about WheelCon: A Wheel Control-Based Gaming Platform for Studying Human Sensorimotor Control at JoVE.com

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

WheelCon er en roman, gratis og åpen kildekode plattform for å designe videospill som diskret simulerer terrengsykling ned en bratt, kronglete, humpete sti. Den inneholder komponenter som presenterer i menneskelig sensorisk kontroll (forsinkelse, kvantisering, støy, forstyrrelser og flere tilbakemeldingssløyfer) og lar forskere studere den lagdelte arkitekturen i sensorisk kontroll.

WheelCon: En hjulkontrollbasert spillplattform for å studere menneskelig sensorisk kontroll

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

Human sensorisk motorkontrollsystem er ekstremt robust, selv om sensingen er fordelt, sparsom, kvantisert, støyende og forsinket. Databehandlingen i sentralnervesystemet er treg, muskelaktiveringstretthetene og metter. For å studere disse årsaksfaktorene og dens konsekvens på systemytelsen til sensorisk motorkontroll, er det viktig å utvikle en brukervennlig eksperimentell plattform som manipulerer disse faktorene og registrerer ytelsen.Her presenterer vi en spillplattform kalt WheelCon, som er en gratis og åpen kildekode-plattform for å designe videospill for vårt virtuelle miljø som simulerer å sykle en terrengsykkel ned en bratt, vridd, humpete sti. WheelCon integreres med et ratt som det kan manipulere variablene i det menneskelige sensoriske motorkontrollsystemet, for eksempel signalforsinkelse, kvantisering, støy og forstyrrelsen mens du registrerer motorkontrollbanen og aerodynamikken. Det gjør det også mulig for forskning å studere laget arkitektene i sensorisk motorkontroll, inkludert det høyere lagets mål, planer, beslutninger og det nedre lagets sensing, refleks og handling.Gå til WheelCon-nettsiden på datamaskinen som kjører Windows 10, klikk Klone eller last ned, og klikk deretter Last ned ZIP i popup-dialogboksen. Pakk ut alle filene til den lokale harddisken. Gå til produsentens nettsted og last ned den tilsvarende driveren for racinghjulmodellen din.Monter racinghjulet godt på sittenivå foran en skjerm. Koble hjulets USB-kabel til PC-en og strømadapteren til en stikkontakt. Dobbeltklikk på wheelcon for å teste programmet.exe i mappen Excutable Output-filen. Konfigurer innstillingene i henhold til skjermoppsettet, og klikk på Spill av. Set motivet komfortabelt bak hjulene.Pass på at motivet er tillatt tilstrekkelig bevegelsesområde ved håndtering av hjulet. Klikk På Fitts lovoppgave. Klikk på tekstboksen og skriv inn et navn på utdatafilen, inkluder emne- og oppgaveinformasjon.Klikk Velg fil, og velg deretter Fitts lov. txt som inndata. Klikk på Start spillet.Be motivet om å spore gråsonen med den grønne linjen ved å dreie rattet. Dette spillet tjener til å gjøre emnet kjent med oppsettet. Klikk på Terrengsykkeloppgave.Skriv inn navnet på utdatafilen, og velg Vision_Delay.txt. Klikk Start spillet for å starte testingen. I dette spillet endres lengden på look-ahead-vinduet for å gi avansert advarsel, ingen advarsel eller en visuell forsinkelse.Klikk Terrengsykkeloppgave, skriv inn navnet på utdatafilen og velg Action_Delay.txt. Klikk Start spillet for å starte testingen. I dette spillet legges det til en forsinkelse mellom motivets hjuls dreining og den grønne linjens bevegelse.Forsinkelsen starter på null sekunder og øker med 0,15 sekunder til den når 0,75 sekunder. Klikk Terrengsykkeloppgave, skriv inn navnet på utdatafilen og velg .txt. Klikk Start spillet for å starte testingen.I dette spillet manipuleres den visuelle datahastigheten. Når visuelle data er lave, kan stien bare vises på noen få løse grå steder. Etter hvert som den visuelle datahastigheten øker, kan gråsonen vises på flere potensielle steder, og bevegelsen blir mer kontinuerlig.Klikk Terrengsykkeloppgave, skriv inn navnet på utdatafilen og velg Handlingskvantisering.txt. Klikk Start spillet for å starte testingen. I dette spillet manipuleres handlingsdatahastigheten.Når datahastigheten er på sitt tregeste, kan den grå linjen bare gå med én hastighet. Etter hvert som datahastigheten øker, blir styring av hjulhastigheten finere. Klikk Terrengsykkeloppgave, skriv inn navnet på utdatafilen og velg Bump Trail.txt.Klikk Start spillet for å starte testingen. I dette spillet legges forstyrrelser enten som et dreiemoment på hjulet, simulerer en bump, en plutselig sving på stien eller de to typer forstyrrelser kombinert. Hvis du vil hente testresultater, går du til mappen Kjørbar utdatafil, og ser etter filen med tidligere angitte filnavn.Fra venstre til høyre angir hver rad i utdatafilen tid, prøveposisjon, bump størrelse, handlingsdatahastighet, handlingsforsinkelse, visuell forsinkelse, visuell datahastighet, sporingsfeil og rattvinkel. Hvis du vil utvikle en ny inndatafil, åpner du WheelCon Mntn Bike Trail Design Code. m i kildekodemappen med Matlab.Hvis du velger denne delen av koden for de ønskede spillparameterne, trykker du på Ctrl pluss T for å komme deg fra, og trykk deretter Kjør. Inndatafilen genereres på nytt i samme mappe. Som figuren antyder, i spill med enten visuelle eller handlingsforsinkelser, økte motivets feil med større forsinkelser.Begrensning av datahastigheter i enten visuell inndata eller handlingsutdata resulterte i større feil. Denne figuren viser aerodynamikken under forsøk med enten bare humper, bare svinger eller de to kombinerte. Når du ser på denne videoen, bør du være kjent med hvordan du bruker WheelCon på en menneskelig sensorisk motorkontrollstudie.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

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

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

Tredimensjonal Vestibular Ocular Reflex Testing hjelp av en Six Degrees of Freedom Motion 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

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

En forenklet metode for Ultra-Low Density, Long-Term Primær hippocampus Neuron 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

Fabrikasjon av High Kontakt-Density, Flatskjerm-Interface Nerve Elektroder for innspilling og stimulering Applications

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

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

μTongue: En mikrofluidikkbasert funksjonell bildeplattform for tungen 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

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

In Vivo Trådløs optogenetisk kontroll av dyktig motorisk oppførsel

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

En fleksibel plattform for overvåking av cerebellumavhengig sensorisk assosiativ læring

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

Kombinert perifer nervestimulering og kontrollerbar pulsparameter TMS

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

Forfatter Spotlight: Kombinert perifer nervestimulering og kontrollerbar pulsparameter transkraniell magnetisk stimulering for å undersøke sensorimotorisk kontroll og læring  

Kombinert perifer nervestimulering og kontrollerbar pulsparameter Transkraniell magnetisk stimulering for å undersøke sensorimotorisk kontroll og læring

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