WheelCon: una piattaforma di gioco basata sul controllo delle ruote per studiare il controllo del senso umano

Il sistema di controllo sensomotorio umano è estremamente robusto¹, anche se il rilevamento è distribuito, variabile, rade, quantizzato, rumoroso e ritardato^2,3,4; l’informatica nel sistema nervoso centrale è lenta^5,6,7; e l’agitazione muscolare e satura⁸. Molti modelli teorici computazionali sono stati proposti per spiegare il complicato processo di controllo sensomotorio umano^{4,9,10,11,12,13,14}, che è un processo di compromesso nella portata e nella risposta umana^15,16. Ad esempio, la teoria del controllo del feedback prevede la politica di controllo ottimale¹², modelli teorici bayesiano sensoriale apprendimento^17,18,19 e teoria dell’informazione fondazione sensomotoria^20,21. A differenza dell’abbondanza di modelli teorici, le piattaforme sperimentali in grado di manipolare componenti importanti di più cicli di feedback mancano di sviluppo. Ciò è in parte dovuto al fatto che la progettazione di una piattaforma per collegare e testare questi aspetti del controllo sensomotorio richiede una vasta gamma di competenze, che si estendono dalla teoria del controllo motorio, elaborazione del segnale, e l’interazione, fino alla computer grafica e programmazione. I ricercatori spesso sviluppano i propri sistemi hardware/software personalizzati per caratterizzare le prestazioni di controllo del sensomotorio umano, che possono limitare la capacità di confrontare/confrontare e integrare i set di dati tra i gruppi di ricerca. Lo sviluppo di un sistema facile da usare e convalidato potrebbe ampliare la caratterizzazione quantitativa del controllo sensomotorio.

In questo articolo presentiamo la piattaforma WheelCon, una nuova piattaforma, libera e open-source per progettare videogiochi per un ambiente virtuale che simula in modo non invasivo una legge Fitts che raggiunge il gioco e un compito di mountain bike con il downing di un sentiero ripido, tortuoso e accidentato. La legge di Fitts per raggiungere il compito quantifica il compromesso tra velocità e precisione in cui il tempo necessario per raggiungere un obiettivo di larghezza a distanza scala come^22,23. Il “task”mountain-bike’ è una combinazione di un compito di ricerca e tracciamento compensativo, che sono due componenti classiche della ricerca sulle prestazioni sensomotorie umane, soprattutto in termini di studio dei cicli di feedback.

WheelCon contiene i componenti di base molto richiesti presentati in ogni teoria: ritardo, quantizzazione, rumore, disturbo e cicli di feedback multipli. È un potenziale strumento per studiare le seguenti diverse domande nel controllo del sensomotorio umano:

Come il sistema sensomotorio umano si occupa del ritardo e della quantizzazione della segnalazione neurale, che è fondamentalmente vincolata dalle risorse limitate (come lo spazio e i costi metabolici) nel cervello^24,25;
Come correlazione neurale nella corteccia umana con controllo sensomotorio²⁶;
Come gli esseri umani gestiscono i disturbi esterni imprevedibili nel controllo sensomotorio²⁷;
Come i loop di controllo gerarchico stratificati e integrati all’interno del sistema sensomotorio umano^16,28,29;
La conseguenza del ritardo e della quantizzazione nel feedback visivo umano³⁰ e del feedback riflesso³¹ nel controllo sensoriale;
La politica e la strategia ottimali per l’apprendimento sensoriale sotto ritardo e quantizzazione^16,17,24,29.

WheelCon si integra con un volante e può simulare condizioni di gioco che manipolano le variabili in queste domande, come ritardo di segnalazione, quantizzazione, rumore e disturbo, durante la registrazione della politica di controllo dinamico e degli errori di sistema. Permette inoltre ai ricercatori di studiare l’architettura a più livelli nel controllo sensomotorio. Nell’esempio di guida di una mountain bike, due strati di controllo sono coinvolti in questo compito: il piano ad alto strato e il riflesso a basso strato. Per i disturbi visibili (cioè il sentiero), pianifichiamo prima dell’arrivo del disturbo. Per disturbi sconosciuti in anticipo (cioè piccoli urti), il controllo si basa su riflessi ritardati. La teoria del controllo del feedback propone che architetture efficaci a più livelli possano integrare gli obiettivi, i piani, le decisioni con il rilevamento, il riflesso e l’azione degli strati inferiori²⁴. WheelCon fornisce strumenti sperimentali per indurre disturbi distintivi negli strati planimetrici e reflex separatamente per testare tale architettura a più livelli (Figura 1).

Forniamo una piattaforma economica, facile da usare e flessibile da programmare, WheelCon che colma il divario tra studi teorici e sperimentali sulle neuroscienze. Per essere precisi, può essere utilizzato per esaminare gli effetti di ritardo, quantizzazione, disturbo, potenzialmente compromessi di precisione della velocità. Le variabili che possono essere manipolate nei cicli di controllo sono illustrate nella Tabella 1. Può anche essere applicato per studiare il processo decisionale e la capacità di multiplexing attraverso diversi strati di controllo nel controllo sensomotorio umano. Inoltre, WheelCon è compatibile con registrazioni neurali non invasive, come l’elettroencefalografia (EEG), per misurare la risposta neurale durante il controllo sensomotorio^32,33,^34,35, e le tecniche di stimolazione cerebrale non invasiva, come la stimolazione elettrica transcranica (tES) e la stimolazione magnetica transcranica (TMS), per manipolare l’attività neurale^36,37.^,