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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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).