WheelCon: Eine radgesteuerte Gaming-Plattform zum Studium der menschlichen sensorimotorischen Steuerung
15. August 2020
WheelCon ist eine neuartige, kostenlose und Open-Source-Plattform, um Videospiele zu entwerfen, die das Mountainbiken auf einem steilen, kurvenreichen, holprigen Trail nicht invasiv simulieren. Es enthält Komponenten, die in der menschlichen sensorimotorischen Steuerung (Verzögerung, Quantisierung, Rauschen, Störungen und mehrere Rückkopplungsschleifen) präsentiert werden, und ermöglicht es Forschern, die geschichtete Architektur in der sensorimotorischen Steuerung zu untersuchen.
Die menschliche sensorische Motorsteuerung ist extrem robust, obwohl die Erfassung verteilt, spärlich, quantisiert, laut und verzögert ist. Die Rechenleistung im zentralen Nervensystem ist langsam, die Muskelbetätigung ermüdet und sättigt. Um diese ursächlichen Faktoren und ihre Auswirkungen auf die Systemleistung der sensorischen Motorsteuerung zu untersuchen, ist es wichtig, eine einfach zu bedienende experimentelle Plattform zu entwickeln, die diese Faktoren manipuliert und die Leistung aufzeichnet.
Hier präsentieren wir eine Gaming-Plattform namens WheelCon, eine kostenlose und Open-Source-Plattform, um Videospiele für unsere virtuelle Umgebung zu entwerfen, die das Fahren mit dem Mountainbike auf einem steilen, verdrehten, holprigen Trail simuliert. WheelCon lässt sich mit einem Lenkrad integrieren, da es die Variablen in der menschlichen sensorischen Motorsteuerung wie Signalverzögerung, Quantisierung, Rauschen und Störungen während der Aufzeichnung der Motorsteuerungsbahn und Aerodynamik manipulieren kann. Es ermöglicht der Forschung auch, die Schicht der Architekten in der sensorischen Motorsteuerung zu untersuchen, einschließlich der Ziele, Pläne, Entscheidungen und der Erfassung, des Reflexes und der Aktion der unteren Schicht.
Wechseln Sie auf dem Computer mit Windows 10 zur WheelCon-Webseite, klicken Sie auf Klonen oder herunterladen, und klicken Sie dann im Popup-Dialog auf ZIP herunterladen. Extrahieren Sie alle Dateien auf die lokale Festplatte. Gehen Sie auf die Website des Herstellers und laden Sie den entsprechenden Fahrer für Ihr Rennradmodell herunter.
Montieren Sie das Rennrad sicher auf Sitzenvordervordern vor einem Monitor. Schließen Sie das USB-Kabel des Rades an den PC und das Netzteil an eine Steckdose an. Um das Programm zu testen, doppelklicken Sie auf wheelcon.
exe im Ordner der Excutable Output-Datei. Konfigurieren Sie die Einstellungen entsprechend der Monitoreinrichtung und klicken Sie auf Wiedergabe. Setzen Sie das Motiv bequem hinter die Räder.
Stellen Sie sicher, dass dem Motiv ein ausreichender Bewegungsumfang bei der Handhabung des Rades eingeräumt wird. Klicken Sie auf Fitts Rechtsaufgabe. Klicken Sie auf das Textfeld und geben Sie einen Namen für die Ausgabedatei ein, geben Sie Betreff- und Aufgabeninformationen ein.
Klicken Sie auf Datei auswählen, und wählen Sie dann Fitts Gesetz aus. txt als Eingabe. Klicken Sie auf Spiel beginnen.
Weisen Sie das Subjekt an, die Grauzone mit der grünen Linie zu verfolgen, indem Sie das Lenkrad drehen. Dieses Spiel dient dazu, das Thema mit dem Setup vertraut zu machen. Klicken Sie auf Mountain Bike Task.
Geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein, und wählen Sie Vision_Delay.txt aus. Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen. In diesem Spiel ändert sich die Länge des Look-Ahead-Fensters, um eine erweiterte Warnung, keine Warnung oder eine visuelle Verzögerung bereitzustellen.
Klicken Sie auf Mountain Bike Task, geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein, und wählen Sie Action_Delay.txt aus. Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen. In diesem Spiel wird eine Verzögerung zwischen dem Raddrehen des Subjekts und der Bewegung der grünen Linie hinzugefügt.
Die Verzögerung beginnt bei null Sekunden und erhöht sich um 0,15 Sekunden, bis sie 0,75 Sekunden erreicht. Klicken Sie auf Mountain Bike Task, geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein und wählen Sie Vision Quantization.txt. Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen.
In diesem Spiel wird die visuelle Datenrate manipuliert. Wenn die visuellen Daten niedrig sind, kann der Trail nur in wenigen losen grauen Positionen angezeigt werden. Wenn die visuelle Datenrate zunimmt, kann die Grauzone an potenziellen Positionen angezeigt werden, und ihre Bewegung wird kontinuierlicher.
Klicken Sie auf Mountain Bike Task, geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein, und wählen Sie Aktionsquantisierung.txt. Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen. In diesem Spiel wird die Aktionsdatenrate manipuliert.
Wenn die Datenrate am langsamsten ist, kann die graue Linie nur mit einer Geschwindigkeit verlaufen. Mit steigender Datenrate wird die Steuerung der Radgeschwindigkeit feiner. Klicken Sie auf Mountain Bike Task, geben Sie den Namen der Ausgabedatei ein und wählen Sie Bump Trail.txt.
Klicken Sie auf Spiel beginnen, um mit dem Testen zu beginnen. In diesem Spiel werden Störungen entweder als Drehmoment am Rad hinzugefügt, das eine Beule, eine plötzliche Drehung auf dem Trail oder die beiden Arten von Störungen kombiniert simuliert. Um Testergebnisse abzurufen, wechseln Sie zum Ordner der ausführbaren Ausgabedatei, und suchen Sie nach der Datei mit zuvor angegebenen Dateinamen.
Von links nach rechts gibt jede Zeile in der Ausgabedatei Zeit, Testposition, Bump-Größe, Aktionsdatenrate, Aktionsverzögerung, visuelle Verzögerung, visuelle Datenrate, Tracking-Fehler und Lenkradwinkel an. Um eine neue Eingabedatei zu entwickeln, öffnen Sie den WheelCon Mntn Bike Trail Design Code. m im Quellcodeordner mit Matlab.
Wenn Sie diesen Abschnitt des Codes für die gewünschten Spielparameter auswählen, drücken Sie Control plus T, um die Kommentierung zu deaktivieren, und drücken Sie dann Ausführen. Die Eingabedatei wird im selben Ordner neu generiert. Wie die Abbildung andeutet, hat sich der Fehler des Themas in Spielen mit visuellen oder Aktionsverzögerungen mit größeren Verzögerungen erhöht.
Das Beschränken der Datenraten in der visuellen Eingabe oder der Aktionsausgabe führte zu größeren Fehlern. Diese Abbildung zeigt die Aerodynamik bei Versuchen mit entweder nur Beulen, nur Kurven oder zwei kombinierten. Wenn Sie sich dieses Video ansehen, sollten Sie mit der Anwendung von WheelCon auf eine menschliche sensorische Motorsteuerungsstudie vertraut sein.
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Übersicht
WheelCon ist eine kostenlose und quelloffene Spieleplattform, die entwickelt wurde, um nichtinvasiv das Mountainbiken auf einem anspruchsvollen Trail zu simulieren. Diese Plattform ermöglicht es Forschenden, die menschliche sensorische Motorik zu untersuchen, indem sie Variablen wie Verzögerung, Quantisierung und Rauschen manipulieren, und liefert so Einblicke in die schichtenartige Architektur der motorischen Kontrolle.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Sensorimotorische Kontrolle
- Mensch-Computer-Interaktion
Hintergrund
- Das menschliche sensorische und motorische Kontrollsystem ist komplex und robust, trotz seiner verteilten und verrauschten Natur.
- Das Verständnis der Auswirkungen verschiedener kausaler Faktoren auf die Systemleistung ist entscheidend, um die Forschung voranzutreiben.
- Bestehende experimentelle Plattformen weisen häufig Mängel hinsichtlich der Benutzerfreundlichkeit bei der Manipulation dieser Faktoren auf.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer experimentellen Plattform, die die Manipulation von Parametern ermöglicht, die die sensorimotorische Kontrolle beeinflussen.
- Ermöglichung der Aufzeichnung von Leistungsergebnissen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen.
- Erleichterung der Untersuchung verschiedener Ebenen der sensorimotorischen Kontrolle, die sowohl übergeordnete Ziele als auch untergeordnete Aktionen umfassen.
Verwendete Methoden
- Die verwendete Hauptplattform ist WheelCon, eine Computerspiel-ähnliche Umgebung, die unter Windows 10 läuft.
- Die Teilnehmer interagieren über ein Lenkrad-Interface, um verschiedene Bedingungen wie visuelle und Aktionseinbußen zu untersuchen.
- Mehrere Versuchsdurchläufe werden durchgeführt, um den Einfluss von Verzögerungen und Quantisierung auf die Nachführleistung zu bewerten.
- Konfigurationen können verändert werden, um unterschiedliche Arten von Störungen und deren Auswirkungen auf die motorische Steuerung zu beobachten.
Hauptergebnisse
- Größere Verzögerungen führten bei den Probanden zu höheren Verfolgungsfehlern.
- Niedrigere Datenraten sowohl für visuelle Eingaben als auch für motorische Ausgaben waren mit größeren Fehlern bei der Aufgabenausführung verbunden.
- Die Ergebnisse unterstreichen die Empfindlichkeit des motorischen Kontrollsystems gegenüber variierenden Parametern und liefern Hinweise für die Gestaltung zukünftiger Studien.
Schlussfolgerungen
- WheelCon demonstriert ein vielseitiges Werkzeug, um die menschliche sensorische Motoriksteuerung in einer sicheren, kontrollierten Umgebung zu untersuchen.
- Es ermöglicht Forschenden, komplexe Wechselwirkungen zwischen mehreren Variablen, die die motorische Leistung beeinflussen, zu erforschen.
- Die Fähigkeit der Plattform, verschiedene Faktoren zu manipulieren und aufzuzeichnen, verbessert das Verständnis von Mechanismen der Motoriksteuerung sowie potenzielle Anwendungen in der Rehabilitation.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
WheelCon bietet eine kostengünstige, flexible Plattform zur Untersuchung der menschlichen sensorimotorischen Kontrolle, indem Parameter der Rückkopplungsschleife wie Verzögerung, Quantisierung und Störungen manipuliert werden. Dies ermöglicht eine mechanistische Risikominderung bei der Zielvalidierung, indem kausale Variablen in sensorimotorischen Wegen isoliert werden. Das System unterstützt eine vorhersagende Zuverlässigkeit in der präklinischen Modellierung durch quantifizierbare Verhaltensausgaben, die mit rechnerischen Modellen übereinstimmen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch die Isolierung von Komponenten des sensorischen und motorischen Feedbacks.
- Operationaler Wert: Unterstützt die biologische Risikominimierung durch gezielte Manipulation neuronaler Signalverzögerungen und Rauschen.
- Prädiktiver Wert: Erleichtert die Priorisierung von Projekten, indem Parameterstörungen mit messbaren Leistungseinbußen verknüpft werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Bereitet validierte Verhaltensassays für die nachgeschaltete Verbindungsscreening auf motorische Funktion vor.
- Operationaler Wert: Gewährleistet die Standardisierung von Assays durch reproduzierbare Eingabedatenerstellung und gesteuerte, quantisierte Datenraten.
- Skalierbarkeit: Ermöglicht die Wiederverwendung der Plattform in verschiedenen Laboren durch Open-Source-Verfügbarkeit und einfache Hardwareanforderungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationale Kontinuität: Verbindet sensorimotorische Erkenntnisse aus der Entdeckungsphase mit der präklinischen Validierung von Neuromodulatoren.
- Mechanistische Entlastung von Risiken: Klärt, wie Störungen in Rückkopplungsschleifen die motorische Ausgabe beeinflussen, und unterstützt dadurch Strategien zur Zielinteraktion.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen, indem Leistungsschwellen unter gestörten Bedingungen quantifiziert werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
WheelCon ist in den Entdeckungsprozess von der Testung von Zielhypothesen bis hin zur Optimierung von Wirkstoffkandidaten in der neuromotorischen Therapie eingebettet und ermöglicht eine iterative Verbesserung basierend auf sensorischen und motorischen Messgrößen.
- Entdeckungsbereich Biologie: Untersucht, wie Störungen in Rückkopplungsschleifen die motorische Kontrolle beeinflussen, und unterstützt so die Aufklärung von Signalwegen.
- Screening: Liefert quantitative Ergebnisse wie Nachführfehler und Lenkwinkel zur vergleichenden Bewertung von Substanzeffekten.
- Analysen: Erzeugt Zeitreihendaten zu Verzögerungen zwischen Aktion und visueller Wahrnehmung sowie zur Datenrate, um die motorische Leistung statistisch zu modellieren.
- Translationale Forschung: Unterstützt die Entwicklung von Biomarkern, indem sie manipulierte Variablen mit funktionellen Ergebnissen verknüpft.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Funktioniert aufgrund des Open-Source-Designs als modulare Komponente, die in Teams der Neurowissenschaften und Rehabilitation eingesetzt werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit, indem die Zuordnung von sensorimotorischen Mechanismen eindeutiger wird.
- Operationaler Wert: Verbessert die Reproduzierbarkeit durch standardisierte Spielszenarien und dateibasierte Ein- und Ausgabe.
- Strategischer Wert: Steigert die Kapitaleffizienz, indem die Hürden für die Implementierung sensorimotorischer Tests verringert werden.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Substanzen basierend auf Dosis-Wirkungs-Beziehungen unter gestörten Rückkopplungsbedingungen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Vertrautheit mit MATLAB zur Erstellung der Eingabedateien und Anpassung der Spieleparameter.
- Benötigt ein kompatibles Force-Feedback-Lenkrad und ein Windows-10-System für volle Funktionalität.
- Setzt eine standardisierte, übergreifende Abstimmung zwischen Teams bei der Versuchsanordnung und Aufgabeninstruktion für reproduzierbare Ergebnisse voraus.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen, wenn die Anwendung über die Mountainbike-Aufgabe hinaus auf andere sensorimotorische Paradigmen ausgeweitet wird.
- Ist durch den physikalischen Bewegungsbereich und die ergonomische Einrichtung der Lenkradschnittstelle begrenzt.
