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 tackar Mr Zhengyang Wang för omforma skript, skytte och redigering av video, och Mr Ziyuan Ye för att redigera videon. Denna studie fick stöd från CIT Endowment & National Science Foundation (till JCD), Boswell stipendium (till QL) och hög nivå University Fund (Nr. G02386301, G02386401), Guangdong Natural Science Foundations gemensamma fond (nr 2019A1515111038).

Utvecklingen och tillämpningen av protokollet godkändes av California Institute of Technology Institutional Review Board (IRB) och Southern University of Science and Technology IRB. Försökspersonen gav sitt informerade samtycke innan några förfaranden utförs.
1. Systemförberedelse och installation
<ol><li>Den rekommenderade grundläggande maskinvaran är en 2 GHz-processor med dubbla kärnor och 4 GB systemminne.</li>
	<li>Bygg spelplattformen under Unity-plattformen, medan du använ...

<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 detta dokument har vi presenterat en gratis, öppen källkod spelplattform, WheelCon, för att studera effekterna av försening, kvantisering, störningar och skiktade återkopplingar i mänskliga sensorimotor kontroll. Vi har visat hårdvara, mjukvara och GUI. Inställningarna för en enda sensorimotor kontrollslinga med fördröjning och kvantisering har genomförts, vilket gör att vi kan mäta effekterna av fördröjning, kvantisering och störningar i sensorimotorisk kontroll. De experimentella resultaten är väl...

Den mänskliga sensorimotor styrsystem är extremt robust1, även om avkänningen distribueras, variabel, gles, kvantifierade, bullriga och fördröjd2,3,4; datoranvändningen i det centrala nervsystemet är långsam5,6,7; och muskelaktiveringströtthet och mättar8. Många beräkningsteoretiska modeller har föreslagits för att förklara den komplicerade mänskliga sensorimotorisk kontrollprocess4,9,10,,11,12,13,14, som är en kompromiss process i mänsklig räckvidd och svar15,16. Till exempel förutspår feedback kontroll teori den optimala kontroll politik12, Bayesian teori modeller sensorimotor lärande17,18,19 och informationsteori sensorimotor stiftelse20,21. I motsats till överflödet av teoretiska modeller, experimentella plattformar som kan manipulera viktiga komponenter i flera återkopplingsslingor saknar utveckling. Detta beror delvis på det faktum att designa en plattform för att överbrygga och testa dessa aspekter av sensorimotorisk kontroll kräver ett brett spektrum av expertis, som sträcker sig från motorisk styrteori, signalbehandling och interaktion, hela vägen till datorgrafik och programmering. Forskare utvecklar ofta sina egna anpassade hårdvaru-/programvarusystem för att karakterisera mänskliga sensorimotoriska styrprestanda, vilket kan begränsa möjligheten att jämföra/kontrastera och integrera datamängder över forskargrupper. Utvecklingen av ett lättutnyttjat och validerat system skulle kunna bredda den kvantitativa karakteriseringen av sensorimotorisk kontroll.
I detta dokument presenterar vi WheelCon-plattformen, en ny, fri och öppen källkodsplattform för att designa videospel för en virtuell miljö som noninvasively simulerar en Fitts'Law nå spel och en mountainbike uppgift med downing en brant, vridande och ojämn spår. Fitts lag för att nå uppgiften kvantifierar avvägningen mellan hastighet och noggrannhet där den tid som krävs för att nå ett mål av bredd på avståndsskalor som22,23. Den "mountainbike uppgift" är en kombination av en strävan och kompensatorisk spårning uppgift, som är två klassiska komponenter i forskning om mänskliga sensorimotor prestanda, särskilt när det gäller att studera feedback loopar.
WheelCon innehåller de högt efterfrågade grundläggande komponenter som presenteras i varje teori: fördröjning, kvantisering, buller, störningar och flera återkopplingsslingor. Det är ett potentiellt verktyg för att studera följande olika frågor inom mänsklig sensorimotorisk kontroll:
• Hur det mänskliga sensorimotorsystemet hanterar fördröjning och kvantisering i neural signalering, som i grunden begränsas av de begränsade resurserna (såsom utrymme och metaboliska kostnader) i hjärnan24,25; • Hur neural korrelation i den mänskliga cortex med sensorimotor kontroll26; • Hur människor hanterar oförutsägbara, yttre störningar i sensorimotorstyrning27; • Hur de hierarkiska kontrollslingorna skiktade och integrerade i det mänskliga sensorimotorsystemet16,,28,29; • Följden av fördröjningen och kvantiseringen i mänsklig visuell återkoppling30 och reflexåterkoppling31 i sensorimotorisk kontroll; • Den optimala policyn och strategin för sensorimotorisk inlärning under fördröjning och kvantisering16,,17,,24,29.
WheelCon integreras med en ratt och kan simulera spelförhållanden som manipulerar variablerna i dessa frågor, till exempel signalfördröjning, kvantisering, brus och störningar, samtidigt som den dynamiska styrprincipen och systemfelen registrerars. Det gör det också möjligt för forskare att studera den skiktade arkitekturen i sensorimotorisk kontroll. I exemplet med att cykla är två kontrolllager involverade i denna uppgift: högskiktsplanen och reflexen i lågskiktet. För synliga störningar (dvs. leden), planerar vi innan störningen anländer. För störningar som är okända i förväg (dvs. små gupp) förlitar sig kontrollen på fördröjda reflexer. Feedback kontrollteori föreslår att effektiva skiktade arkitekturer kan integrera de högre skiktens mål, planer, beslut med de lägre skiktens avkänning, reflex och åtgärd24. WheelCon tillhandahåller experimentella verktyg för att framkalla särskiljande störningar i planen och reflexskikt separat för att testa en sådan skiktad arkitektur (figur 1).
Vi erbjuder en billig, lättanvänd och flexibel till programplattform, WheelCon som överbryggar klyftan mellan teoretiska och experimentella studier om neurovetenskap. För att vara specifik, det kan användas för att undersöka effekterna av försening, kvantisering, störningar, potentiellt hastighet-noggrannhet kompromisser. De variabler som kan manipuleras i kontrollslingor visas i tabell 1. Det kan också tillämpas för att studera beslutsfattande och multiplexering förmåga över olika kontrollskikt i mänskliga sensorimotor kontroll. Dessutom är WheelCon kompatibel med noninvasive neurala inspelningar, såsom elektroencefalografi (EEG), för att mäta neurala svar under sensorimotor kontroll32,33,34,35, och icke-invasiv hjärnstimulering tekniker, såsom Transkraniell elektrisk stimulering (tES) och Transkraniell magnetisk stimulering (TMS), att manipulera neural 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 kontrollteori har genomförts i stor utsträckning för att teoretiskt modellera mänskliga sensorimotoriska kontroll. Men experimentella plattformar som kan manipulera viktiga komponenter i flera återkopplingsslingor saknar utveckling. Detta dokument beskriver WheelCon, en öppen källkod plattform som syftar till att lösa sådana brister. Med bara en dator, en standarddisplay och billig spelratt utrustad med en kraftåterkopplingsmotor simulerar WheelCon säkert den kanoniska sensorimotoriska uppgiften att cykla en mountainbike nerför en brant, vridande, ojämn stig. Plattformen ger flexibilitet, vilket kommer att visas i de demos som tillhandahålls, så att forskare kan manipulera störningar, fördröjning och kvantisering (datahastighet) i de skiktade återkopplingsslingorna, inklusive ett avancerat planlager på hög nivå och ett fördröjt reflexlager på låg nivå. I det här dokumentet illustrerar vi WheelCons grafiska användargränssnitt (GUI), inmatning och utdata från befintliga demos och hur man utformar nya spel. Dessutom presenterar vi den grundläggande feedback-modellen och de experimentella resultaten från demospelen, som ligger väl i linje med modellens förutsägelse. WheelCon-plattformen kan laddas ner på https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon. Kort sagt, plattformen är skisserat för att vara billig, enkel att använda, och flexibel för att programmera för effektiv sensorimotor neurovetenskap forskning och kontroll ingenjörsutbildning.

Modellering Feedback Control
Vi visar en förenklad återkopplingskontrollmodell som visas i figur 1. Systemdynamiken ges av:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61092/61092equ01.jpg">
där x(t)är felet vid tidpunkten t, r(t) är leden störning w(t), är bump störning, och u(t)...

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 är en ny, fri och öppen källkod plattform för att utforma videospel som noninvasively simulerar mountainbike ner en brant, vridande, ojämn spår. Den innehåller komponenter som presenterar i mänskliga sensorimotorisk kontroll (fördröjning, kvantisering, buller, störningar och flera återkopplingsslingor) och gör det möjligt för forskare att studera den skiktade arkitekturen i sensorimotorisk kontroll.

WheelCon: En hjulkontrollbaserad spelplattform för att studera mänsklig sensorimotorisk kontroll

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

Human sensorisk motorstyrsystem är extremt robust, även om avkänningen är distribuerad, gles, kvantiserad, bullrig och fördröjd. Den computing i centrala nervsystemet är långsam, muskeln aktiveringen trötthet och mättar. För att studera dessa orsaksfaktorer och dess konsekvens på systemprestandan hos sensorisk motorstyrning är det viktigt att utveckla en lättanvänd experimentell plattform som manipulerar dessa faktorer och registrerar prestandan.Här presenterar vi en spelplattform som kallas WheelCon, som är en fri och öppen källkod plattform för att utforma videospel för vår virtuella miljö som simulerar ridning en mountainbike ner en brant, vriden, ojämn spår. WheelCon integrerar med en ratt eftersom den kan manipulera variablerna i det mänskliga sensoriska motorstyrsystemet, såsom signalfördröjning, kvantisering, buller och störningen medan du registrerar motorstyrningsbanan och aerodynamiken. Det gör det också möjligt för forskning att studera lagret arkitekterna i sensorisk motorisk kontroll, inklusive det högre lagrets mål, planer, beslut och det nedre lagrets avkänning, reflex och handling.På datorn som kör Windows 10 går du till Webbsidan för WheelCon, klickar på Klona eller laddar ned, sedan klickar du på Hämta ZIP i popup-dialogen. Extrahera alla filer till den lokala hårddisken. Gå till tillverkarens hemsida och ladda ner motsvarande drivrutin för din racing hjul modell.Montera racinghjulet säkert på sittande nivå framför en bildskärm. Anslut hjulets USB-kabel till PC:n och strömadaptern till ett uttag. För att testa programmet dubbelklickar du på hjulkon.exe i Excutable Output-filens mapp. Konfigurera inställningarna enligt bildskärmsinstallationen och klicka på Spela upp. Sitt motivet ner bekvämt bakom hjulen.Se till att motivet är tillåtet adekvat rörelseomfång vid hantering av hjulet. Klicka på Fitts laguppgift. Klicka på textrutan och skriv in ett namn på utdatafilen, inkludera ämne och uppgiftsinformation.Klicka på Välj fil och välj sedan Fitts lag. TXT som ingång. Klicka på Begin Game (Börja spel).Instruera motivet att spåra den grå zonen med den gröna linjen genom att vrida ratten. Detta spel tjänar till att bekanta ämnet med setup. Klicka på Mountain Bike Task( Aktivitet för mountainbike).Skriv utdatafilens namn och välj Vision_Delay.txt. Klicka på Börja game för att börja testa. I det här spelet ändras längden på fönstret för att se framåt för att ge avancerad varning, ingen varning eller en visuell fördröjning.Klicka på Mountain Bike Task, skriv utdatafilens namn och välj Action_Delay.txt. Klicka på Börja game för att börja testa. I det här spelet läggs en fördröjning till mellan motivets hjulsvarvning och den gröna linjens rörelse.Fördröjningen börjar vid noll sekunder och ökar med 0,15 sekunder tills den når 0,75 sekunder. Klicka på Mountain Bike Task, skriv utdatafilens namn och välj Vision Quantization.txt. Klicka på Börja game för att börja testa.I det här spelet är den visuella datahastigheten manipulerad. När visuella data är låga kan spåret bara visas på några få lösa grå platser. När den visuella datahastigheten ökar kan gråzonen visas på fler potentiella platser och dess rörelse blir mer kontinuerlig.Klicka på Mountain Bike Task, skriv utdatafilens namn och välj Åtgärdskvantisering.txt. Klicka på Börja game för att börja testa. I det här spelet är actiondatahastigheten manipulerad.När datahastigheten är som långsammast kan den grå linjen bara gå med en hastighet. När datahastigheten ökar blir styrningen av hjulhastigheten finare. Klicka på Mountain Bike Task, skriv utdatafilens namn och välj Bump Trail.txt.Klicka på Börja game för att börja testa. I det här spelet läggs störningar antingen som ett vridmoment på hjulet, simulerar en bula, en plötslig sväng på spåret eller de två typerna av störningar tillsammans. För att hämta testresultat gå till körbar utdatafilens mapp, och leta efter filen med tidigare angivna filnamn.Från vänster till höger anger varje rad i utdatafilen tid, försöksposition, buppstorlek, åtgärdsdatahastighet, åtgärdsfördröjning, visuell fördröjning, visuell datahastighet, spårningsfel och rattvinkel. För att utveckla en ny indatafil, öppna WheelCon Mntn Bike Trail Design Code. m i källkodsmappen med Matlab.Välja detta avsnitt av koden för de önskade spel parametrar, tryck Control plus T för att avkommenter, tryck sedan Kör. Indatafilen kommer att genereras på ett om i samma mapp. Som figuren antyder, i spel med antingen visuella eller åtgärder förseningar, ökade motivets fel med större förseningar.Att begränsa datahastigheter i antingen visuell indata eller åtgärdsutmatning resulterade i större fel. Denna figur visar aerodynamiken under försök med antingen bara stötar, bara varv eller de två kombinerade. När du tittar på den här videon bör du vara bekant med hur du applicerar WheelCon på en studie av en sensorisk motorstyrning för människor.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Mätning Circadian och akut Ljus svar på mus genom användning Wheel Löpning Aktivitet

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

Tredimensionell Vestibulära okulära reflexen tester med en sex frihetsgrader 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

Registrering och analys av dygnsrytmen i Running-wheel aktivitet hos gnagare

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

Metoder för att studera verkningsmekanismerna för antipsykotiska läkemedel i<em&gt; Caenorhabditis elegans</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

En förenklad metod för Ultra-Low Density, Long-Term primär 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

Tillverkning av hög Kontakt densitet Platt-Interface Nerv Elektroder för inspelning och Stimulation Applications

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

En in vitro-modell för att studera Tau aggregation använda Lentiviral medierad transduktion av mänskliga nerv celler

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

Ãƒâ€šÃ‚ÂµTongue: A Microfluidics-Based Functional Imaging Platform for the Tongue In Vivo

μTongue: En mikrofluidikbaserad funktionell bildplattform för tungan i 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 Trådlös optogenetisk kontroll av skickligt motoriskt beteende

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 flexibel plattform för övervakning av cerebellumberoende sensorisk associativt lärande

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