Brain-Computer Interfaces, Virtual Reality, and Videogames

Major challenges must be tackled for brain-computer interfaces to mature into an established communications medium for VR applications, which will range from basic neuroscience studies to developing optimal peripherals and mental gamepads and more efficient brain-signal processing techniques.

Brain Computer Interface for Virtual Reality Control

A brain-computer interface (BCI) is a new communication channel between the human brain and a computer. Applications of BCI systems comprise the restoration of movements, communication and environmental control. In this study experiments were made that used the BCI system to control or to navigate in virtual environments (VE) just by thoughts. BCI experiments for navigation in VR were conducted so far with synchronous BCI and asynchronous BCI systems. The synchronous BCI analyzes the EEG patterns in a predefined time window and has 2 to 3 degrees of freedom.

Cue-elicited anxiety and craving for food using virtual reality scenarios

Cue exposure therapy has been reported to be an effective intervention for reducing binge eating behavior in patients with eating disorders and obesity. However, in vivo food exposure conducted in the therapist's office presents logistical problems and lacks ecological validity. This study proposes the use of virtual reality technology as an alternative to in vivo exposure, and assesses the ability of different virtual environments to elicit anxiety and craving for food in a non-clinical sample. The results show that exposure to virtual environments provokes changes in reported craving for food. High-calorie food cues are the ones that elicit the highest increases in craving.

Differential effects of two virtual reality interventions: distraction versus pain control

There is evidence that virtual reality (VR) pain distraction is effective at improving pain-related outcomes. However, more research is needed to investigate VR environments with other pain-related goals. The main aim of this study was to compare the differential effects of two VR environments on a set of pain-related and cognitive variables during a cold pressor experiment. One of these environments aimed to distract attention away from pain (VRD), whereas the other was designed to enhance pain control (VRC). Participants were 77 psychology students, who were randomly assigned to one of the following three conditions during the cold pressor experiment: (a) VRD, (b) VRC, or (c) Non-VR (control condition). Data were collected regarding both pain-related variables (intensity, tolerance, threshold, time perception, and pain sensitivity range) and cognitive variables (self-efficacy and catastrophizing). Results showed that in comparison with the control condition, the VRC intervention significantly increased pain tolerance, the pain sensitivity range, and the degree of time underestimation. It also increased self-efficacy in tolerating pain and led to a reduction in reported helplessness. The VRD intervention significantly increased the pain threshold and pain tolerance in comparison with the control condition, but it did not affect any of the cognitive variables. Overall, the intervention designed to enhance control seems to have a greater effect on the cognitive variables assessed. Although these results need to be replicated in further studies, the findings suggest that the VRC intervention has considerable potential in terms of increasing self-efficacy and modifying the negative thoughts that commonly accompany pain problems.

A brain-computer interface for navigation in virtual reality

L'interface cerveau-ordinateur (ICO) décode les signaux électriques du cerveau requise par l’électroencéphalographie et transforme ces signaux en commande pour contrôler un appareil ou un logiciel. Un nombre limité de tâches mentales ont été détectés et classifier par différents groupes de recherche. D’autres types de contrôle, par exemple l’exécution d'un mouvement du pied, réel ou imaginaire, peut modifier les ondes cérébrales du cortex moteur. Nous avons utilisé un ICO pour déterminer si nous pouvions faire une classification entre la navigation de type marche avant et arrière, en temps réel et en temps différé, en utilisant différentes méthodes. Dix personnes en bonne santé ont participé à l’expérience sur les ICO dans un tunnel virtuel. L’expérience fut a était divisé en deux séances (48 min chaque). Chaque séance comprenait 320 essais. On a demandé au sujets d’imaginer un déplacement avant ou arrière dans le tunnel virtuel de façon aléatoire d’après une commande écrite sur l'écran. Les essais ont été menés avec feedback. Trois électrodes ont été montées sur le scalp, vis-à-vis du cortex moteur. Durant la 1re séance, la classification des deux taches (navigation avant et arrière) a été réalisée par les méthodes de puissance de bande, de représentation temporel-fréquence, des modèles autorégressifs et des rapports d’asymétrie du rythme β avec classificateurs d’analyse discriminante linéaire et SVM. Les seuils ont été calculés en temps différé pour former des signaux de contrôle qui ont été utilisés en temps réel durant la 2e séance afin d’initier, par les ondes cérébrales de l'utilisateur, le déplacement du tunnel virtuel dans le sens demandé. Après 96 min d'entrainement, la méthode « online biofeedback » de la puissance de bande a atteint une précision de classification moyenne de 76 %, et la classification en temps différé avec les rapports d’asymétrie et puissance de bande, a atteint une précision de classification d’environ 80 %.

A virtual reality approach to the study of visually driven postural control in developing and aging humans

L'être humain utilise trois systèmes sensoriels distincts pour réguler le maintien de la station debout: la somesthésie, le système vestibulaire, et le système visuel. Le rôle de la vision dans la régulation posturale demeure peu connu, notamment sa variabilité en fonction de l'âge, du type développemental, et des atteintes neurologiques. Dans notre travail, la régulation posturale induite visuellement a été évaluée chez des participants au développement et vieillissement normaux âgés de 5-85 ans, chez des individus autistes (développement atypique) âgés de 12-33 ans, ainsi que chez des enfants entre 9-18 ans ayant subi un TCC léger. À cet effet, la réactivité posturale des participants en réponse à un tunnel virtuel entièrement immersif, se mouvant à trois niveaux de vélocité, a été mesurée; des conditions contrôles, où le tunnel était statique ou absent, ont été incluses. Les résultats montrent que la réactivité (i.e. instabilité) posturale induite visuellement est plus élevée chez les jeunes enfants; ensuite, elle s'atténue pour rejoindre des valeurs adultes vers 16-19 ans et augmente de façon linéaire en fonction de l'âge après 45 ans jusqu'à redevenir élevée vers 60 ans. De plus, à la plus haute vélocité du tunnel, les plus jeunes participants autistes ont manifesté significativement moins de réactivité posturale comparativement à leurs contrôles; cette différence n'était pas présente chez des participants plus âgés (16-33 ans). Enfin, les enfants ayant subi un TCC léger, et qui étaient initialement modérément symptomatiques, ont montré un niveau plus élevé d'instabilité posturale induite visuellement que les contrôles, et ce jusqu'à 12 semaines post-trauma malgré le fait que la majorité d'entre eux (89%) n'étaient plus symptomatiques à ce stade. En somme, cela suggère la présence d'une importante période de transition dans la maturation des systèmes sous-tendant l'intégration sensorimotrice impliquée dans le contrôle postural vers l'âge de 16 ans, et d'autres changements sensorimoteurs vers l'âge de 60 ans; cette sur-dépendance visuelle pour la régulation posturale chez les enfants et les aînés pourrait guider l'aménagement d'espaces et l'élaboration d'activités ajustés à l'âge des individus. De plus, le fait que l'hypo-réactivité posturale aux informations visuelles chez les autistes dépende des caractéristiques de l'environnement visuel et de l'âge chronologique, affine notre compréhension des anomalies sensorielles propres à l'autisme. Par ailleurs, le fait que les enfants ayant subi un TCC léger montrent des anomalies posturales jusqu'à 3 mois post-trauma, malgré une diminution significative des symptômes rapportés, pourrait être relié à une altération du traitement de l'information visuelle dynamique et pourrait avoir des implications quant à la gestion clinique des patients aux prises avec un TCC léger, puisque la résolution des symptômes est actuellement le principal critère utilisé pour la prise de décision quant au retour aux activités. Enfin, les résultats obtenus chez une population à développement atypique (autisme) et une population avec atteinte neurologique dite transitoire (TCC léger), contribuent non seulement à une meilleure compréhension des mécanismes d'intégration sensorimotrice sous-tendant le contrôle postural mais pourraient aussi servir comme marqueurs sensibles et spécifiques de dysfonction chez ces populations. Mots-clés : posture, équilibre, vision, développement/vieillissement sensorimoteur, autisme, TCC léger symptomatique, réalité virtuelle.

How soccer players head the ball: a test of optic acceleration cancellation theory with virtual reality

We measured the movements of soccer players heading a football in a fully immersive virtual reality environment. In mid-flight the ball’s trajectory was altered from its normal quasi-parabolic path to a linear one, producing a jump in the rate of change of the angle of elevation of gaze (α) from player to ball. One reaction time later the players adjusted their speed so that the rate of change of α increased when it had been reduced and reduced it when it had been increased. Since the result of the player’s movement was to regain a value of the rate of change close to that before the disturbance, the data suggest that the players have an expectation of, and memory for, the pattern that the rate of change of α will follow during the flight. The results support the general claim that players intercepting balls use servo control strategies and are consistent with the particular claim of Optic Acceleration Cancellation theory that the servo strategy is to allow α to increase at a steadily decreasing rate.

Systematic distortions of perceptual stability investigated using immersive virtual reality

Using an immersive virtual reality system, we measured the ability of observers to detect the rotation of an object when its movement was yoked to the observer's own translation. Most subjects had a large bias such that a static object appeared to rotate away from them as they moved. Thresholds for detecting target rotation were similar to those for an equivalent speed discrimination task carried out by static observers, suggesting that visual discrimination is the predominant limiting factor in detecting target rotation. Adding a stable visual reference frame almost eliminated the bias. Varying the viewing distance of the target had little effect, consistent with observers underestimating distance walked. However, accuracy of walking to a briefly presented visual target was high and not consistent with an underestimation of distance walked. We discuss implications for theories of a task-independent representation of visual space. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Students' assessment of immersive virtual reality as a pedagogic medium

Over the past few years a number of research studies, mainly involving desktop-based or head-mounted Virtual Reality (VR) systems, have been undertaken to determine what VR can contribute to the education process. In our study we have used the findings from a number of these studies to help in formulating a new study into the perceived merits and limitations of using VR in general, and immersive CAVE-like systems in particular, as an education tool. We conducted our study with a group of final year undergraduate students who were registered on a module that described VR in terms of the scientific issues, application areas, and strengths and weaknesses of the technology.

Virtual reality Post Traumatic Stress Disorder (PTSD) exposure therapy results with active duty Iraq war combatants

Post Traumatic Stress Disorder (PTSD) is reported to be caused by traumatic events that are outside the range of usual human experience including (but not limited to) military combat, violent personal assault, being kidnapped or taken hostage and terrorist attacks. Initial data suggests that at least 1 out of 6 Iraq War veterans are exhibiting symptoms of depression, anxiety and PTSD. Virtual Reality (VR) delivered exposure therapy for PTSD has been used with reports of positive outcomes. The aim of the current paper is to present the rationale and brief description of a Virtual Iraq PTSD VR therapy application and present initial findings from its use with PTSD patients. Thus far, Virtual Iraq consists of a series of customizable virtual scenarios designed to represent relevant Middle Eastern VR contexts for exposure therapy, including a city and desert road convoy environment. User-centered design feedback needed to iteratively evolve the system was gathered from returning Iraq War veterans in the USA and from a system deployed in Iraq and tested by an Army Combat Stress Control Team. Results from an open clinical trial at San Diego Naval Medical Center of the first 18 treatment completers indicate that 14 no longer meet PTSD diagnostic criteria at post-treatment, with only one not maintaining treatment gains at 3 month follow-up. Clinical tests are also currently underway at Ft. Lewis, Emory University, Weill Cornell Medical College, Walter Reed Army Medical Center and 10 other sites. Other sites are preparing to use the application for a variety of PTSD and VR research purposes.

Proceedings of the 6th international conference on disability, virtual reality and associated technologies (ICDVRAT 2006)

The proceedings of the conference