Wie virtuelle Realität auf das Gehirn wirkt: Mechanismen, Vorteile und Vorsichtsmaßnahmen

Das Eintauchen in die virtuelle Realität löst drei unterschiedliche neurologische Prozesse aus: eine messbare Veränderung der Hirnwellen, die Aktivierung bestimmter Hirnregionen und die Entstehung eines räumlichen Präsenzgefühls.

Die Veränderung der Hirnwellen in einer virtuellen Umgebung

Das Gehirn bleibt bei der Nutzung eines VR-Headsets nicht passiv. Im Jahr 2019 nutzten Forschende der Universität Tilburg Elektroenzephalogramme, um die Hirnaktivität von Teilnehmenden beim Eintauchen in eine virtuelle Umgebung zu messen[1]. Das Ergebnis: eine deutliche Abnahme der Alphawellen in den frontalen, zentralen und parietalen Regionen. Diese Alphawellen werden mit einem Zustand der Entspannung und geringer Konzentration in Verbindung gebracht. Ihre Abnahme deutet somit auf erhöhte Konzentration und eine hohe kognitive Beteiligung hin. Die Beobachtung der Forschenden ist bemerkenswert: Die Hirnaktivität in VR ähnelte derjenigen, die in real erlebten Situationen aufgezeichnet wurde.

Die während des VR-Erlebnisses aktivierten Hirnregionen

Drei Regionen stehen besonders im Fokus der Neurowissenschaft. Die frontale Region ist am Präsenzgefühl, an der Bewegungssteuerung und an der Planung beteiligt. Die zentralen und parietalen Regionen steuern die Beteiligung, die räumliche Wahrnehmung und die Bewegungen im Raum. Bei einer Klettersimulation in VR beispielsweise geht die frontale Region in einen Zustand höchster Konzentration über, um jede Bewegung zu planen, während die parietale Region aktiv wird, um räumliche Informationen zu verarbeiten. Je stärker die Immersion, desto mehr blendet das Gehirn Ablenkungen aus, um sich auf die virtuelle Umgebung zu konzentrieren.

Das Präsenzgefühl und Embodiment

Embodiment bezeichnet die körperliche Einbindung in eine virtuelle Umgebung: das Gefühl, dass der eigene Körper zu diesem digitalen Raum gehört. Eine Studie von Tjon et al. (2019) zeigte, dass dieses räumliche Präsenzgefühl, also die Illusion, sich körperlich an einem virtuellen Ort zu befinden, direkt mit einer signifikanten Abnahme der Alphawellen in der frontalen Region korreliert. Bei ausreichender Immersion tritt das Bewusstsein für die reale Welt in den Hintergrund. Das Gehirn unterscheidet nicht mehr zwischen Simulation und erlebter Realität.

Drei kognitive Vorteile sind inzwischen dokumentiert: eine beschleunigte Informationsaufnahme, die Anregung der Kreativität und ein verbessertes Einprägen von Informationen.

Eine bis zu viermal schnellere Informationsaufnahme

Die Zahlen sind eindeutig. Eine Studie von PricewaterhouseCoopers (2024) ergab, dass Lernende, die virtuelle Realität nutzen, Informationen bis zu viermal schneller aufnehmen als diejenigen, die auf herkömmliche Methoden zurückgreifen. Die Erklärung liegt im Wesen der Immersion selbst: Mit VR lassen sich realistische Situationen nachbilden, in denen Lernende risikofrei üben können, insbesondere komplexe oder belastende berufliche Handgriffe. Medizinische Ausbildung, Pilotentraining, technische Abläufe in der Industrie: Das Gehirn ist stärker eingebunden, Informationen prägen sich besser ein. Das Gehirn verarbeitet eine erlebte Erfahrung, keine passiven Inhalte.

Die Anregung von Kreativität und Innovation

In einem Experiment mit 21 Teilnehmenden wurden kreative Übungen in VR mit Übungen an einem einfachen 2D-Bildschirm verglichen. Die in VR eingetauchten Teilnehmenden zeigten ein höheres Maß an Immersion, Zufriedenheit und Kreativität. Ihre Hirnaktivität zeigte eine verstärkte Aktivierung der Alpha-, Beta- und Gammawellen: Betawellen spiegeln einen Zustand aktiver Wachheit wider, Gammawellen sind an komplexer kognitiver Verarbeitung beteiligt. Gemeinsam begünstigen sie einen Zustand, der die Entwicklung innovativer Ideen fördert.

Gut zu wissen: Das Gehirn unterscheidet nicht immer zwischen VR und Realität. Die während der virtuellen Immersion gemessene Hirnaktivität ähnelt derjenigen, die in tatsächlich erlebten Situationen beobachtet wird: ein Pariser Café zum Französischlernen, eine Madrider Bar zum Spanischüben. Diese neuronale Verwechslung erklärt unmittelbar die Wirksamkeit virtueller Realität beim Lernen.

Vier Kategorien unerwünschter Wirkungen sind dokumentiert: Cybersickness, Sehstörungen, Schlafstörungen und das Risiko epileptischer Anfälle.

Cybersickness: Übelkeit und Schwindel in virtuellen Umgebungen

Cybersickness ist eine virtuelle Form der Reisekrankheit. Sie betrifft 30 bis 50 % der Nutzenden und äußert sich durch Übelkeit, Schwindel, Schwitzen, Blässe und Gleichgewichtsverlust. Der Mechanismus ist klar: Das Gehirn erhält widersprüchliche Signale darüber, was die Augen wahrnehmen (eine virtuelle Bewegung) und was der Körper spürt (tatsächliche Bewegungslosigkeit). Diese sensorische Diskrepanz verursacht die Symptome. Bei empfindlichen Personen können sie bereits in den ersten Minuten der Nutzung auftreten. Die 2021 veröffentlichten Empfehlungen der Anses[2] sind eindeutig: Die Nutzung ist beim Auftreten jeglicher Symptome sofort abzubrechen.

Sehstörungen bei längerer Nutzung

VR-Bildschirme erzeugen die Illusion von Entfernung, obwohl sich der Bildschirm nur wenige Zentimeter vor den Augen befindet. Dieser Widerspruch zwischen wahrgenommener und tatsächlicher Entfernung beansprucht die Augenmuskeln auf ungewohnte Weise. Eine längere Nutzung kann zu Augenbelastung und vorübergehenden Sehstörungen führen. Die LED-Bildschirme der Headsets weisen zudem einen hohen Blaulichtanteil auf. Laut einer 2019 durchgeführten Umfrage der Anses dauert eine Sitzung im Durchschnitt länger als eine Stunde. Damit liegt die Mehrheit der Nutzenden in einem Bereich längerer Nutzung, der beobachtet werden sollte. Ein genauer Schwellenwert wurde bislang nicht festgelegt.

Störungen des zirkadianen Rhythmus und des Schlafs

Das von den LED-Bildschirmen der VR-Headsets ausgestrahlte blaue Licht stört den biologischen Rhythmus, wenn die Exposition am Abend oder in der Nacht erfolgt. Dokumentierte Folgen sind verzögertes Einschlafen und eine Beeinträchtigung der Schlafqualität. Die Anses empfiehlt, zwei Stunden vor dem Schlafengehen jegliche Bildschirmexposition zu vermeiden, insbesondere bei Kindern und Jugendlichen, die empfindlicher auf blaues Licht reagieren. Diese Empfehlung ist umso relevanter, als die Sitzungen im Durchschnitt länger als eine Stunde dauern.

Das Risiko photosensitiver epileptischer Anfälle

Die LED-Bildschirme der VR-Headsets erzeugen eine zeitliche Modulation des Lichts, ein mit bloßem Auge mitunter nicht wahrnehmbares Flackern. Dieses Phänomen kann bei entsprechend veranlagten Personen epileptische Anfälle auslösen. Die Prävalenz liegt bei 1 von 4 000 Personen, die auf Lichtblitze mit einem Anfall reagiert. Die Anses empfiehlt Menschen mit Epilepsie, auf VR zu verzichten. Dies gilt auch für andere als empfindlich eingestufte Bevölkerungsgruppen: Schwangere, Personen mit Reisekrankheit, Gleichgewichtsstörungen oder einer Neigung zu Migräne.

Gut zu wissen: Die Anses empfiehlt, nach einer VR-Sitzung eine Ruhezeit von 1 bis 2 Stunden einzuhalten, bevor Tätigkeiten ausgeübt werden, die hohe Konzentration erfordern, etwa Autofahren. Der Körper muss sich erheblich anstrengen, um sich an die virtuelle Welt anzupassen. Dadurch entsteht tatsächliche Ermüdung. Diese Vorsichtsmaßnahme wird von Nutzenden häufig vernachlässigt.

In drei medizinischen Bereichen wurde die Wirksamkeit der virtuellen Realität und insbesondere der virtuellen Therapie nachgewiesen: bei der motorischen Rehabilitation nach einem Schlaganfall, der Schmerzbehandlung und der Behandlung von Angststörungen und Phobien.

Motorische Rehabilitation nach einem Schlaganfall

Die Zahlen verdeutlichen das Ausmaß der Herausforderung. In Frankreich erleiden jährlich rund 140 000 Menschen einen Schlaganfall, 150 000 ein Schädel-Hirn-Trauma, 25 000 neue Fälle der Parkinson-Krankheit werden diagnostiziert und 1 500 Fälle von Zerebralparese erfasst. Virtuelle Realität unterstützt die Wiederherstellung motorischer Funktionen, indem sie die Hirnplastizität stimuliert, also die Fähigkeit des Gehirns, sich nach einer Schädigung neu zu organisieren.

Die 2022 veröffentlichten Empfehlungen der Haute Autorité de Santé[3] befürworten VR als Ergänzung zur konventionellen Therapie, um die motorische Funktion nach einem Schlaganfall zu verbessern, bei moderater Evidenzlage. Der Vorteil ist konkret: Die Übungen sind spielerisch und motivierend, während die klassische Rehabilitation mit der Zeit eintönig und entmutigend werden kann. Die Sitzungen ermöglichen es, alltägliche Bewegungen wiederzuerlangen (einen Gegenstand greifen, eine Tür öffnen), Gleichgewicht und Gehen zu verbessern oder reale Situationen wie das Überqueren einer Straße oder Treppensteigen zu simulieren.

C2Care entwickelt VR-Lösungen für die motorische Rehabilitation, die in 350 Gesundheitseinrichtungen in Frankreich eingesetzt werden, und begleitet dabei die medizinischen Teams.

Schmerzbehandlung bei Schwerbrandverletzten und chronischen Schmerzen

Die Ergebnisse bei Schwerbrandverletzten gehören zu den am besten dokumentierten. Während der oft sehr schmerzhaften Versorgung kann das Eintauchen in die virtuelle Realität die wahrgenommenen Schmerzen deutlich reduzieren, laut einigen Studien um bis zu 60 %. Der Mechanismus beruht auf Aufmerksamkeit: Die virtuelle Immersion beansprucht einen großen Teil der kognitiven Ressourcen des Gehirns. Die betroffene Person richtet weniger Aufmerksamkeit auf Schmerzsignale. Messungen der Hirnaktivität bestätigen diese Verringerung in den mit der Schmerzwahrnehmung verbundenen Bereichen.

Der Ansatz wird auch bei chronischen Rückenschmerzen, Nackenschmerzen und postoperativen Schmerzen eingesetzt. Sein Hauptvorteil: Er kommt ohne Medikamente aus, wodurch Nebenwirkungen und das Risiko einer Abhängigkeit begrenzt werden.

Die Behandlung von Angststörungen und Phobien

Die Virtual-Reality-Expositionstherapie (VRET) beruht auf einem einfachen Prinzip: Die behandelte Person wird in einer sicheren und kontrollierten Umgebung schrittweise einem Stressauslöser ausgesetzt. Dieser Gewöhnungsprozess ermöglicht es dem Gehirn, seine Reaktion auf angstauslösende Reize zu verändern. Flugangst (von der Sicherheitskontrolle bis zu Turbulenzen), Agoraphobie, spezifische Phobien wie Angst vor Spinnen, Höhen oder Spritzen: Jede Situation kann nachgebildet und präzise dosiert werden.

Bei bestimmten Indikationen ist die VRET wirksamer als die klassische kognitive Verhaltenstherapie (KVT). Der Psychiater Éric Malbos behandelte Menschen mit Tabakabhängigkeit mittels VRET: 72 % hatten nach der Behandlung keinen Rückfall erlitten, gegenüber 50 % bei der KVT. Einrichtungen wie die Pitié-Salpêtrière in Paris, das hôpital de la Conception in Marseille und das CHU de La Réunion nutzen diesen Ansatz.

C2Care bietet eine umfassende Suite von therapeutischer VR-Software für Phobien und Angststörungen mit mehr als 250 verfügbaren Expositionssituationen, die von der behandelnden Fachperson über eine zentrale Plattform gesteuert wird. Mehr als 700 Behandelnde wurden in diesem Ansatz geschult.

Ein Gerät allein durch Gedanken steuern, ohne jede körperliche Bewegung. Das ist das Prinzip der Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI). Diese Systeme erfassen die elektrischen Signale des Gehirns mittels EEG und übersetzen sie in Befehle.

Die Einbindung virtueller Realität in BCI-Trainingsumgebungen verbessert die Erkennung von Hirnsignalen deutlich und macht die Interaktion zwischen Gehirn und Maschine flüssiger. Neuere Forschungsarbeiten (Gougeh et al., 2023) zeigen, dass Menschen mit Amputationen Prothesen dank motorischer Vorstellung in VR präziser steuern können: Das Gehirn trainiert in einer immersiven Umgebung, die richtigen Signale zu erzeugen, bevor es sie an die reale Prothese übermittelt.

Neurofeedback in virtueller Realität führt dieses Prinzip weiter. Es handelt sich um ein System mit geschlossenem Regelkreis, bei dem die Hirnaktivität der nutzenden Person unmittelbar beeinflusst, was sie in der virtuellen Umgebung sieht und erlebt. Erreicht das Gehirn einen gewünschten Konzentrationszustand, wird die Umgebung heller oder verändert sich positiv. Forschungsarbeiten zu Neurofeedback in virtueller Realität[4] zeigen vielversprechende Anwendungen für den Umgang mit Angst, ADHS und die Optimierung der kognitiven Leistungsfähigkeit. Evidenz in großem Maßstab wird noch gesammelt, doch die ersten Ergebnisse sind ermutigend.

Die Empfehlungen der Anses und die Erfahrungen aus Krankenhäusern führen zu denselben Vorsichtsmaßnahmen. Folgende Regeln sollten beachtet werden, um unerwünschte Wirkungen zu begrenzen:

• Sofort abbrechen, sobald Symptome auftreten: Übelkeit, Schwindel, Schwitzen, Blässe. Nicht warten, bis sich die Symptome verschlimmern.
• Nach jeder Sitzung 1 bis 2 Stunden ruhen, bevor eine Tätigkeit ausgeübt wird, die hohe Konzentration erfordert, insbesondere Autofahren. Der Körper leistet eine tatsächliche Anstrengung, um sich an die virtuelle Welt anzupassen.
• In den 2 Stunden vor dem Schlafengehen Bildschirme meiden, insbesondere bei Kindern und Jugendlichen, die empfindlicher auf das blaue Licht von LED-Bildschirmen reagieren.
• VR nicht nutzen, wenn Sie an Epilepsie leiden oder einer als empfindlich eingestuften Gruppe angehören: Schwangere, Personen mit Reisekrankheit, Gleichgewichtsstörungen oder einer Neigung zu Migräne.
• Nutzende über mögliche Wirkungen informieren, mithilfe eigens dafür vorgesehener Materialien, sowohl im beruflichen Umfeld als auch bei Angeboten für die breite Öffentlichkeit.

Die Anses-Umfrage von 2019 zeigt, dass eine Sitzung im Durchschnitt länger als eine Stunde dauert. Diese Angabe unterstreicht die Bedeutung dieser Vorsichtsmaßnahmen. Die langfristigen Auswirkungen der virtuellen Realität auf das Gehirn, ob neurologischer oder entwicklungsbezogener Art, sind bislang unzureichend dokumentiert und erfordern weitere Forschung.

Das Wichtigste zur Wirkung der virtuellen Realität auf das Gehirn

Die Wirkung der virtuellen Realität auf das Gehirn ist dokumentiert, messbar und mehrdimensional.

Mechanismen im Gehirn: VR reduziert Alphawellen in den frontalen, zentralen und parietalen Bereichen, aktiviert die für Planung und räumliche Wahrnehmung zuständigen Areale und erzeugt ein mittels EEG messbares Präsenzgefühl. Das Gehirn reagiert wie auf eine reale Situation.

Kognitive Vorteile: bis zu 4-mal schnelleres Lernen, Förderung der Kreativität, validierte therapeutische Anwendungen für die motorische Rehabilitation und die Behandlung von Angststörungen.

Bekannte Risiken: Cybersickness bei 30 bis 50 % der Nutzenden, Sehstörungen, Schlafstörungen durch blaues Licht, Risiko epileptischer Anfälle bei 1 von 4 000 Personen.

Wesentliche Vorsichtsmaßnahmen: Ruhe nach der Sitzung, Bildschirme vor dem Schlafengehen meiden, Risikogruppen identifizieren. Die langfristigen Auswirkungen müssen noch dokumentiert werden.