Neural correlates of the altered states of consciousness induced by acoustic rhythmic stimulation

Abstract

[eng] Throughout history and across diverse cultures, sound has been a profound and persistent influence, shaping both individual experiences and collective bonds. Its role is evident in the way it has been harnessed in cultural and religious practices to achieve psychological states beyond the ordinary. To explore this in the past was one of the objectives of the ERC Artsoundscapes project in which this PhD can be framed. The project sought to investigate whether the acoustic properties of ritual sites facilitate the non-ordinary states desired in the spiritual practices performed there. Some psychological states reached by exposure to sound can be characterized as altered states of consciousness (ASCs). In particular, sound has been structured in various ways to facilitate non-ordinary experiences. One notable example is slow (i.e., around 2 Hz) and highly rhythmic patterns, which are employed across cultures to induce dissociative mental states. This includes drumming in shamanic rituals and the four-on-the-floor beats in electronic music events. The cross-cultural and cross-temporal use of sound to alter consciousness suggests that acoustic stimulation structured in specific ways can have a distinct effect on the central nervous system, explaining sound-induced ASCs. However, the precise cognitive and neural mechanisms of this phenomenon remain elusive. These types of non-ordinary experiences have not been adequately addressed in the scientific literature compared to other ASCs, such as some forms of meditative states and drug-induced ASCs. Previously, some progress has been made in understanding ASCs induced by highly metric sounds from a neuroscientific perspective. One physiological mechanism that has gained considerable attention in this field is neural entrainment, which refers to the phase synchronization of brainwaves with periodic external stimuli. However, systematic studies examining the direct relationship between neural entrainment and ASCs remain scarce. The primary goal of this doctoral thesis was to deepen our understanding of the neural mechanisms underlying ASCs induced by sound. Also, it aimed at advancing methodologies for studying states of altered phenomenology. A key focus of this research was on neural entrainment as a potential mechanism to explain how highly metric sounds contribute to proxies of these non-ordinary states. This exploration sought to expand our understanding of rituals in which sound is key, both historical and contemporary, by focusing on how sounds that are structured in specific ways may affect listeners. Additionally, it intended to provide a clearer insight into ASCs by examining non-ordinary experiences not influenced by pharmacological interventions. These interventions can bias our understanding of these experiences. ASCs are intricate and inherently subjective, posing challenges for their measurement. Traditionally, ASCs have been assessed through phenomenological experiences reported via retrospective questionnaires or cognitive tasks that provide insights into cognitive function at specific moments. In Study I, we reviewed research methodologies and identified gaps in the field of ASCs induced by sound. We also summarized the phenomenological, cognitive, and neural patterns associated with sound-induced ASCs into potential neurobiological mechanisms that might connect sound to non-ordinary experiences. Study I established the conceptual and methodological foundation for Studies II and III, which specifically examined rhythm-induced ASCs. In Studies II and III, we explored the relationship between proxies of ASCs induced by highly metric sounds and neural entrainment to these sounds. In particular, the sounds used were extracts of naturalistic electronic music in Study II and drumming in Study III. We manipulated rhythmic components of these auditory stimuli to create conditions of high and low strength of neural entrainment, which allowed us to subsequently explore whether the strength of entrainment was related to the intensity of phenomenological and cognitive characteristics related to ASCs. In Study II, we manipulated the strength of entrainment by varying the tempo of electronic music based on findings that entrainment to auditory stimuli reaches a maximum at rates around 2 Hz. In Study III, we manipulated entrainment by modulating the rhythmicity of drumming. To gain a comprehensive understanding of ASCs, non-ordinary states were measured by a combination of phenomenological and cognitive measures. Although neural entrainment typically refers to the synchronization in phase of neural activity with repetitive external stimuli, previous research has employed a frequency-tagging approach with electroencephalography to measure entrainment in a broad manner. Therefore, in Study II and Study III, we used a combination of frequency-tagging and electroencephalography to explore neural entrainment. Overall, this doctoral thesis reveals that highly metric and continuous auditory stimuli can induce characteristics of ASCs, including absorption, relaxation, pseudo-hallucinations, and vivid imagery. These states align with neurophysiological mechanisms involving the thalamus, thalamocortical interactions, and the default mode network, like those in psychotic and psychedelic experiences. When focusing on highly metric sounds, the rhythmic elements of these sounds enhance the subjective experience of dissolving psychological boundaries, consistent with 8 anthropological evidence that sound alone can induce ASCs in rituals. Additionally, personality traits, particularly absorption, significantly influence the phenomenological aspects of these states. High-absorption individuals reported greater disembodiment, while those with lower absorption experienced enhanced spiritual effects. Our findings also suggest that neural entrainment to highly metric sounds modulates cognitive functions related to ASCs, such as executive function and auditory sensitivity. This highlights the intricate role of both neural entrainment and personality traits in shaping sound-induced ASCs. In summary, this doctoral thesis advances our understanding of how sound induces ASCs. It highlights the role of neural entrainment, personality traits, and specific rhythmic elements in shaping ASCs induced by highly metric sounds. By integrating phenomenological, cognitive, and neural insights, this research offers a comprehensive view of the complex interplay between sound and ASCs, contributing valuable knowledge to both scientific and cultural perspectives on altered mental states.

[cat] Al llarg de la història i a través de diverses cultures, el so ha estat una influència profunda i persistent, modelant tant les experiències individuals com els vincles col·lectius. El seu paper és evident en la manera com s'ha utilitzat en pràctiques culturals i religioses per aconseguir estats psicològics més enllà de l'ordinari. Explorar això en el passat va ser un dels objectius del projecte ERC Artsoundscapes, en el qual es pot emmarcar aquesta tesi doctoral. El projecte va investigar si les propietats acústiques dels llocs rituals faciliten els estats no ordinaris desitjats en les pràctiques espirituals que s'hi duen a terme. Alguns estats psicològics assolits per l'exposició al so poden caracteritzar-se com a estats alterats de consciència (EAC). En particular, el so s'ha estructurat de diverses maneres per facilitar experiències no ordinàries. Un exemple notable són els patrons lents (és a dir, al voltant de 2 Hz) i altament rítmics, que s'utilitzen en diverses cultures per induir estats mentals dissociatius. Això inclou la percussió en rituals xamànics i els ritmes de quatre per quatre en esdeveniments de música electrònica. L'ús transcultural i transtemporal del so per alterar la consciència suggereix que l'estimulació acústica estructurada de maneres específiques pot tenir un efecte distintiu sobre el sistema nerviós central, explicant els EACs induïts pel so. No obstant això, els mecanismes cognitius i neurals precisos d'aquest fenomen continuen essent elusius. Aquests tipus d'experiències no ordinàries no han estat adequadament tractades en la literatura científica en comparació amb altres EACs, com algunes formes d'estats meditatius i EACs induïts per drogues. Anteriorment, s'ha avançat en la comprensió dels EACs induïts per sons altament mètrics des d'una perspectiva neurocientífica. Un mecanisme fisiològic que ha guanyat una atenció considerable en aquest camp és l'arrossegament neural, que es refereix a la sincronització en fase de les ones cerebrals amb estímuls externs periòdics. No obstant això, els estudis sistemàtics que examinen la relació directa entre l'arrossegament neural i els EACs són escassos. L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral era aprofundir en la nostra comprensió dels mecanismes neurals subjacents als EACs induïts pel so. També pretenia avançar en les metodologies per estudiar els estats d'alteració de la fenomenologia. Un dels focus clau d'aquesta investigació era l'arrossegament neural com a mecanisme potencial per explicar com els sons altament mètrics contribueixen a correlats d'aquests estats no ordinaris. Aquesta exploració busca expandir la nostra comprensió dels rituals en els quals el so és clau, tant històrics com contemporanis, centrant-se en com els sons estructurats de manera específica poden afectar els oients. A més, es proposa proporcionar una visió més clara dels EAC mitjançant l'estudi d'experiències no ordinàries que no estan influenciades per intervencions farmacològiques, les quals poden esbiaixar la nostra comprensió d'aquestes experiències. Els EAC són complexos i inherentment subjectius, la qual cosa representa un repte per a la seva mesura. Tradicionalment, els EAC s'han avaluat a través d'experiències fenomenològiques reportades mitjançant qüestionaris retrospectius o tasques cognitives que proporcionen informació sobre la funció cognitiva en moments específics. En l'Estudi I, vam revisar les metodologies de recerca i vam identificar buits en el camp dels EAC induïts pel so. També vam resumir els patrons fenomenològics, cognitius i neurals associats als EAC induïts pel so en mecanismes neurobiològics potencials que podrien connectar el so amb experiències no ordinàries. L'Estudi I va establir la base conceptual i metodològica per als Estudis II i III, que van examinar específicament els EAC induïts pel ritme. En els Estudis II i III, vam explorar la relació entre correlats d'EAC induïts per sons altament mètrics i l'arrossegament neural a aquests sons. En particular, els sons utilitzats eren extractes de música electrònica naturalista en l'Estudi II i el tambor en l'Estudi III. Vam manipular els components rítmics dels estímuls auditius per crear condicions de alta i baixa força d'arrossegament neural, cosa que ens va permetre explorar posteriorment si la força de l'arrossegament estava relacionada amb la intensitat de les característiques fenomenològiques i cognitives relacionades amb els EAC. En l'Estudi II, vam manipular la força de l'entrenament variant el tempo de la música electrònica basant-nos en el descobriment que l' arrossegament a estímuls auditius arriba a un màxim a ritmes al voltant de 2 Hz. En l'Estudi III, vam manipular l' arrossegament modulant la ritmicitat del tambor. Per obtenir una comprensió integral dels EAC, els estats no ordinaris es van mesurar mitjançant una combinació de mesures fenomenològiques i cognitives. Encara que l' arrossegament neural es refereix típicament a la sincronització en fase de l'activitat neural amb estímuls externs repetitius, les investigacions prèvies han utilitzat un enfocament d’etiquetatge de freqüència amb electroencefalografia per mesurar l'arrossegament de manera àmplia. Per tant, en els Estudis II i III, vam utilitzar una combinació de etiquetatge de freqüència i electroencefalografia per explorar l'arrossegament neural. En conjunt, aquesta tesi doctoral revela que els estímuls auditius altament mètrics i continus poden induir característiques d'EAC, incloent absorció, relaxació, pseudo-al·lucinacions i imatges vívides. Aquests estats s'alineen amb mecanismes neurofisiològics que impliquen el tàlem, les interaccions tàlem-còrtex i la xarxa en mode de defecte, similars als observats en experiències psicòtiques i psicodèliques. En centrar-se en els sons altament mètrics, els elements rítmics d'aquests sons incrementen l'experiència subjectiva de la dissolució de les fronteres psicològiques, consistent amb l'evidència antropològica que el so sol pot induir EAC en rituals. A més, els trets de personalitat, particularment l'absorció, influeixen significativament en els aspectes fenomenològics d'aquests estats. Els individus amb alta absorció van informar una major sensació de descorporització, mentre que aquells amb menor absorció van viure més experiències espirituals. Els nostres resultats també suggereixen que l'arrossegament neural als sons altament mètrics modula les funcions cognitives relacionades amb els EAC, com la funció executiva i la sensibilitat auditiva. Això ressalta el paper intricat tant de l'entrenament neural com dels trets de personalitat en la configuració dels EAC induïts pel so. En resum, aquesta tesi doctoral avança en la nostra comprensió de com el so indueix EACs. Destaca el paper de l'arrossegament neural, els trets de personalitat i els elements rítmics específics en la configuració dels EAC induïts per sons altament mètrics. En integrar coneixements fenomenològics, cognitius i neurals, aquesta recerca ofereix una visió completa de la complexa interacció entre el so i els EAC, contribuint amb coneixements valuosos tant per a la perspectiva científica com cultural dels estats mentals alterats.