WheelCon: Een wheel control-based gaming platform voor het bestuderen van menselijke sensorimotor controle

Het menselijke sensorimotorische controlesysteem is uiterst robuust¹, hoewel de detectie wordt verdeeld, variabel, schaars, gekwantificeerd, lawaaierig en vertraagd^2,3,4; het berekenen in het centrale zenuwstelsel is traag^5,6,7; en de spieractuatie vermoeien en verzadigt⁸. Er zijn veel computationele theoretische modellen voorgesteld om het ingewikkelde menselijke sensorimotorische controleproces^4,9^,10,11, 12^9,13,13,14te verklaren , wat een afwegingsproces is in menselijk bereik en respons^15,16. Feedback control theorie voorspelt bijvoorbeeld het optimale controlebeleid¹², Bayesiaanse theoriemodellen sensorimotor leren^17,18,19 en informatietheorie sensorimotor foundation^20,21. In tegenstelling tot de overvloed aan theoretische modellen, experimentele platforms in staat om belangrijke componenten van meerdere feedback lussen te manipuleren gebrek aan ontwikkeling. Dit is deels te wijten aan het feit dat het ontwerpen van een platform om deze aspecten van sensorimotorische controle te overbruggen en te testen een breed scala aan expertise vereist, die zich uitstrekt van motorische controletheorie, signaalverwerking en interactie, helemaal tot computergraphics en programmering. Onderzoekers ontwikkelen vaak hun eigen aangepaste hardware/softwaresystemen om menselijke sensorimotorische besturingsprestaties te karakteriseren, die de mogelijkheid om te vergelijken/contrasteren en datasets in verschillende onderzoeksgroepen kunnen integreren, kunnen beperken. De ontwikkeling van een gebruiksvriendelijk en gevalideerd systeem zou de kwantitatieve karakterisering van sensorimotorische besturing kunnen verbreden.

In deze paper presenteren we het WheelCon-platform, een nieuw, gratis en open-source platform om videogames te ontwerpen voor een virtuele omgeving die niet-invasief een Fitts’ Law-bereikende game en een mountainbike-taak simuleert met het neerhalen van een steil, bochtig en hobbelig parcours. De wet van de Fitts voor het bereiken van de taak kwantificeert de afweging tussen snelheid en nauwkeurigheid, waarbij de tijd die nodig is voor het bereiken van een doelstelling van breedte op afstandschalen als^22,23. De ‘mountainbike taak’ is een combinatie van een achtervolging en compenserende tracking taak, die twee klassieke componenten van het onderzoek naar menselijke sensorimotor prestaties, met name in termen van het bestuderen van feedback lussen.

WheelCon bevat de zeer gevraagde basiscomponenten die in elke theorie worden gepresenteerd: vertraging, kwantisering, ruis, verstoring en meerdere feedbacklussen. Het is een potentieel instrument voor het bestuderen van de volgende uiteenlopende vragen in de menselijke sensorimotorische controle:

• Hoe het menselijke sensorimotorische systeem omgaat met de vertraging en kwantisering in neurale signalering, die fundamenteel wordt beperkt door de beperkte middelen (zoals de ruimte en metabole kosten) in de hersenen^24,25;
• Hoe neurale correlatie in de menselijke cortex met sensorimotorische controle²⁶;
• Hoe mensen omgaan met de onvoorspelbare, externe storingen in sensorimotorische besturing²⁷;
• Hoe de hiërarchische besturingslussen gelaagd en geïntegreerd zijn in het menselijke sensorimotorische systeem^16,28,29;
• Het gevolg van de vertraging en kwantificering in menselijke visuele feedback³⁰ en reflexfeedback³¹ in sensorimotorische controle;
• Het optimale beleid en de strategie voor sensorimotorisch leren onder vertraging en kwantisering^16,17,24,29.

WheelCon integreert met een stuurwiel en kan spelomstandigheden simuleren die de variabelen in deze vragen manipuleren, zoals signaleringsvertraging, kwantificering, ruis en verstoring, terwijl het dynamische controlebeleid en systeemfouten worden opgenomen. Het stelt onderzoekers ook in staat om de gelaagde architectuur in sensorimotorische controle te bestuderen. In het voorbeeld van het rijden op een mountainbike zijn twee controlelagen betrokken bij deze taak: het hooglaagse plan en de lagelaagreflex. Voor zichtbare storingen (d.w.z. het spoor) plannen we voordat de storing aankomt. Voor storingen die van tevoren onbekend zijn (d.w.z. kleine hobbels), is de controle afhankelijk van vertraagde reflexen. Feedback controle theorie stelt voor dat effectieve gelaagde architecturen kunnen integreren van de hogere lagen doelen, plannen, beslissingen met de onderste lagen ‘sensing, reflex, en actie²⁴. WheelCon biedt experimentele hulpmiddelen om onderscheidende verstoringen in het plan en reflexlagen afzonderlijk te veroorzaken voor het testen van een dergelijke gelaagde architectuur (figuur 1).

Wij bieden een goedkoop, gebruiksvriendelijk en flexibel te programmeren platform, WheelCon dat de kloof tussen theoretische en experimentele studies over neurowetenschappen overbrugt. Om specifiek te zijn, kan het worden gebruikt voor het onderzoeken van de effecten van vertraging, kwantificering, verstoring, potentieel snelheid-nauwkeurigheid afwegingen. De variabelen die kunnen worden gemanipuleerd in controlelussen worden weergegeven in tabel 1. Het kan ook worden toegepast voor het bestuderen van besluitvorming en multiplexing vermogen over verschillende controlelagen in menselijke sensorimotor controle. Bovendien is WheelCon compatibel met niet-invasieve neurale opnamen, zoals elektro-encefalografie (EEG), om de neurale respons te meten tijdens sensorimotorische besturing^32,33,34,35, en de niet-invasieve hersenstimulatietechnieken, zoals Transcranial Electrical Stimulation (tES) en Transcranial Magnetic Stimulation (TMS), om de neurale activiteit^36,37te manipuleren .