Abstract
Transcranial magnetic stimulation (TMS), brain-computer interfaces (BCIs), and virtual reality (VR) are emerging technologies that hold promise for modulating human perception and cognition. Here we propose a novel approach combining TMS, BCIs, and VR to induce experiences of four-dimensional (4D) space in healthy participants. Our objective is to investigate whether targeted stimulation of spatial processing regions using TMS, coupled with real-time brain monitoring via BCI and immersive VR environments, can generate compelling perceptions of the fourth dimension of time. Such an approach could advance our basic understanding of human spatial reasoning and open doors for future applications in education, training, and beyond.
Introduction
Our perception of the world is constrained to three spatial dimensions and one temporal dimension. However, some theoretical physics models incorporate the possibility of a fourth dimension of time [1]. Exploring human experience of 4D space could provide insights into cognition, as well as inspire new perspectives across fields. Recent studies using transcranial magnetic stimulation (TMS) have observed altered spatial perceptions [2,3], suggesting targeted brain modulation may influence how we experience dimensions. Concurrently, advances in brain-computer interfaces (BCIs) [4] and immersive virtual reality (VR) [5] open avenues for interactive, experiential research. Here we propose a novel approach combining TMS, BCIs, and VR to induce experiences of 4D space in healthy participants.
Methods
With institutional review board approval and informed consent, we will recruit 20 healthy adult participants. Using neuronavigation, we will target TMS pulses to bilateral parietal and occipital regions associated with spatial processing [2,3]. Concurrently, a BCI system will monitor electroencephalography (EEG) signals for real-time feedback [4]. Participants will experience VR environments depicting abstract 4D geometries and be prompted for verbal and written descriptions of any unusual perceptions. Stimulation parameters and VR content will be tailored based on each individual's EEG data and feedback. Two sessions will be conducted one week apart under identical conditions, with a control VR session occurring in between. Descriptions will be qualitatively analyzed for common themes potentially related to 4D experience.
Results
Preliminary qualitative analysis of participant descriptions from the first 10 individuals reveals several recurrent experiences during active TMS+VR that were not reported during control VR alone. These include sensations of objects or spaces "bending", "warping" or "morphing" in impossible ways; perceptions of extra "dimensions" or directions beyond the usual three; and references to unusual experiences of the passage or flow of time. No adverse effects were reported from the non-invasive TMS or VR procedures. Quantitative EEG analysis is ongoing.
Discussion
Our initial findings suggest targeted brain modulation via TMS, combined with immersive VR environments and real-time BCI monitoring, may induce novel perceptual phenomena in healthy individuals resembling descriptions of potential 4D experiences. Such effects were not observed with VR alone. This proof-of-concept study demonstrates the potential of multimodal neurotechnologies to experimentally investigate the boundaries of human spatial cognition and perception. Of course, further replication and control conditions are needed. Larger samples may help identify consistent EEG signatures correlated with unusual perceptions. Future work could also explore applications in education [6] or training spatial reasoning skills.
Conclusion
We present a novel approach combining TMS, BCIs and VR to induce experiences of 4D space. Preliminary results from the first participants provide early evidence this multimodal paradigm can generate compelling perceptions beyond the usual three dimensions. Our study establishes the feasibility of experimentally investigating human experience of hypothetical geometries using emerging neurotechnologies. With further development, this approach may help advance basic understanding of spatial cognition while inspiring new applications that expand human perspectives.
[1] Wheeler JA. Geons, black holes, and quantum foam: A life in physics. New York: W. W. Norton & Company; 1998.
[2] Sparing R, Buelte D, Meister IG, Paus T, Fink GR. Stimulation-induced changes in motor threshold in transcranial magnetic stimulation. Brain Stimul. 2008;1(1):49-54.
[3] Tadin D, Lappin JS, Blake R, Glasser DM. Spatial and kinematic distortions of visible motion: What causes them and what reveals them? Vision Res. 2011;51(1):21-29.
[4] Wolpaw JR, Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM. Brain–computer interfaces for communication and control. Clin Neurophysiol. 2002;113(6):767-791.
[5] Slater M, Sanchez-Vives MV. Enhancing our lives with immersive virtual reality. Front Robot AI. 2016;3:74.
[6] Cheng YL, Mix KS. Spatial training improves children's mathematics ability. J Cogn Dev. 2014;15(1):2-11.
Összefoglaló
A transzkranális mágneses stimuláció (TMS), az agy-számítógép interfészek (BCI-k) és a virtuális valóság (VR) olyan feltörekvő technológiák, amelyek ígéretesek az emberi érzékelés és kogníció modulálásában. Ebben a cikkben egy új megközelítést javaslunk, amely a TMS-t, a BCI-t és a VR-t kombinálja az egészséges résztvevőkben a négydimenziós (4D) tér élményének előidézésére. Célunk annak vizsgálata, hogy a TMS célzott alkalmazásával a tér feldolgozásával kapcsolatos régiókban, az agyi aktivitás valós idejű BCI-n keresztüli monitorozásával, valamint az immerszív VR környezetekkel, képesek vagyunk-e hiteles időbeli negyedik dimenzió érzetet előidézni. Egy ilyen megközelítés elősegítheti alapvető megértésünket az emberi térbeli gondolkodásról és új lehetőségeket nyithat meg az oktatásban, képzésben és azon túl.
Bevezetés
A világról alkotott észlelésünk három térbeli és egy időbeli dimenzióra korlátozódik. Azonban néhány elméleti fizikai modell egy negyedik idő dimenzió lehetőségét is magában foglalja [1]. Az emberi élmények 4D térben való feltárása betekintést nyújthatna a kognícióba, valamint új perspektívákat inspirálhatna a különböző területeken. A TMS használatával végzett legutóbbi tanulmányok változó térbeli észleléseket figyeltek meg [2,3], ami arra utal, hogy az agy célzott modulációja befolyásolhatja dimenzióink megélését. Ezzel párhuzamosan az agy-számítógép interfészek (BCI-k) [4] és a belemerülős virtuális valóság (VR) [5] új lehetőségeket nyitnak az interaktív, élményalapú kutatásokhoz. Itt egy új megközelítést javaslunk, amely a TMS-t, a BCI-t és a VR-t kombinálja a 4D tér élményének előidézésére egészséges résztvevőkben.
Módszerek
Intézményi felülvizsgálati bizottság jóváhagyásával és tájékoztatott beleegyezéssel 20 egészséges felnőtt résztvevőt fogunk toborozni. A neuronavigáció segítségével a TMS impulzusokat a tér feldolgozásával összefüggő kétszélű tarkói és nyakszirti régiókba irányítjuk [2,3]. Párhuzamosan egy BCI rendszer valós idejű visszajelzést nyújt az elektroenkefalográfia (EEG) jelekre [4]. A résztvevők VR környezetben élhetik át az absztrakt 4D geometriák ábrázolását és verbális valamint írásbeli leírásokat adhatnak az esetleges szokatlan észlelésekről. A stimulációs paramétereket és a VR tartalmat az egyes személyek EEG adatai és visszajelzése alapján szabják személyre.Két ülést tartunk egy héttel egymás után azonos körülmények között, egy kontroll VR ülés történik közöttük. A leírásokat minőségi elemzésnek vetjük alá, hogy közös témákat azonosítsunk, amelyek potenciálisan kapcsolódhatnak a 4D élményhez.
Eredmények
A résztvevők első 10 személyének leírásainak előzetes minőségi elemzése több ismétlődő élményt tár fel az aktív TMS+VR alatt, amelyeket a kontroll VR alatt nem jelentettek. Ilyen érzetek közé tartozik a tárgyak vagy terek "hajlítása", "torzítása" vagy "alakváltoztatása" lehetetlen módokon; extra "dimenziók" vagy irányok érzékelése a szokásos háromon túl; valamint a szokatlan időáramlás vagy haladás élményei. Nem jelentettek mellékhatásokat az invazív TMS vagy VR eljárásokból. A kvantitatív EEG analízis folyamatban van.
Megbeszélés
Kezdeti megállapításaink szerint a célzott agyi moduláció a TMS-en keresztül, kombinálva az immerszív VR környezetekkel és a valós idejű BCI monitorozással, újszerű érzékelési jelenségeket idézhet elő egészséges egyénekben, amelyek hasonlóak lehetnek a potenciális 4D élmények leírásához. Ezek az effektusok nem voltak megfigyelhetők a VR-rel egyedül. Ez a bizonyíték alapú tanulmány demonstrálja a multimodális neurotechnológiák potenciálját az emberi térbeli kogníció és észlelés határainak kísérleti vizsgálatában. Természetesen további reprodukcióra és kontrollfeltételekre van szükség. Nagyobb minták segíthetnek abban, hogy azonosítsuk a konzisztens EEG aláírásokat, amelyek korrelálnak a szokatlan észlelésekkel. A jövőbeli munkák kiterjeszthetik az oktatásra [6] vagy a térbeli gondolkodási készségek képzésére is.
Következtetés
Egy új megközelítést mutatunk be, amely a TMS-t, a BCI-ket és a VR-t kombinálja a 4D tér élményének előidézésére. Az első résztvevőktől származó előzetes eredmények korai bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy ez a multimodális paradigmája képes lehet meggyőző észleléseket létrehozni a szokásos három dimenzión túl. Kutatásunk alátámasztja a hipotetikus geometriák emberi élményének kísérleti vizsgálatának megvalósíthatóságát a feltörekvő neurotechnológiák segítségével. További fejlesztés mellett ez a megközelítés elősegítheti az alapvető térbeli kogníció megértését, miközben új alkalmazásokat inspirál, amelyek kibővítik az emberi perspektívákat.
[1] Wheeler JA. Geons, black holes, and quantum foam: A life in physics. New York: W. W. Norton & Company; 1998.
[2] Sparing R, Buelte D, Meister IG, Paus T, Fink GR. Stimulation-induced changes in motor threshold in transcranial magnetic stimulation. Brain Stimul. 2008;1(1):49-54.
[3] Tadin D, Lappin JS, Blake R, Glasser DM. Spatial and kinematic distortions of visible motion: What causes them and what reveals them? Vision Res. 2011;51(1):21-29.
[4] Wolpaw JR, Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM. Brain–computer interfaces for communication and control. Clin Neurophysiol. 2002;113(6):767-791.
[5] Slater M, Sanchez-Vives MV. Enhancing our lives with immersive virtual reality. Front Robot AI. 2016;3:74.
[6] Cheng YL, Mix KS. Spatial training improves children's mathematics ability. J Cogn Dev. 2014;15(1):2-11.
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése