VR in Neurowissenschaft und Neurologie - Michael Gaebler
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MI C H A EL G A EBL ER: VR und das Gehirn: VR in Neurowissenschaft und Neurologie MI C H A EL G A EBL ER: VR and the Brain: Virtual Reality in Neuroscience and Neurology
VR und das Gehirn: VR and the Brain:
VR in Neurowissenschaft und Neurologie Virtual Reality in Neuroscience
Michael Gaebler and Neurology
Michael Gaebler
Warum man die Technologie der thoden kombiniert wurde, bevor ich Why one should use virtual reality
Virtuellen Realität (VR) in der neuro abschließend auf den Nutzen von VR (VR) technology in neuroscience at
wissenschaftlichen Forschung über- in der Medizin eingehen möchte. | all is a pivotal question that has been
haupt nutzen wollen würde, ist eine discussed from a variety of angles.
grundlegende Frage, die aus unter One initial answer, according to
schiedlichen Richtungen diskutiert 1 / Der Status Quo der Neuro- Stephan de la Rosa, would be that the 1 / The Status Quo in
wird. Eine erste Antwort von Stephan wissenschaft use of VR enables experimenters Neuroscience
de la Rosa lautet, dass die Nutzung David Hubel und Torsten Wiesel erhielten 198 1 den and interaction partners to remain In 198 1 David Hubel and Torsten Wiesel were award-
von VR es ermöglicht die Versuchs Nobelpreis für ihre Entdeckungen zur Informationsver- constant in experiments on social ed the Nobel Prize for their discoveries about information
arbeitung im Sehwahrnehmungssystem. Dazu setzten processing in the visual system. ↦ 1 For a study in 1959,
leiter*innen und somit die Inter sie in einer Studie aus dem Jahr 1959 Katzen Elektroden
interaction, i.e. by digitally genera they inserted electrodes into to several cats’ brains and
aktionspartner*innen in einem Expe- ins Gehirn ein und zeigten ihnen visuelle Reize. ↦ 1 So ting and controlling them. For neuro showed them visual stimuli. They thus discovered, for
riment zur sozialen Interaktion fanden sie beispielsweise heraus, dass manche Nerven- scientific research that doesn’t example, that certain nerve cells were active when they
zellen zwar aktiv sind, wenn der Katze ein zu einem ge- showed the cats a bar tilted to a certain angle. Howev-
konstant zu halten, indem man sie wissen Grad geneigter schwarzer Balken gezeigt wird.
involve social interaction, VR offers er, when the bar was straight or angled differently, these
computergeneriert und -kontrolliert. Ist der Balken allerdings gerade (oder anders gewinkelt), the ability to digitally design and nerve cells remained “quiet.” These experiments were
Für neurowissenschaftliche For so bleiben die Nervenzellen ‚still‘. Darauf folgten zahl- control the entire testing environment. followed by numerous others investigating the neurosci-
reiche Experimente in der Neurowissenschaft des Seh- ence of visual perception using so-called Gabor patch-
schung, die keine sozialen Interak- sinns mit sogenannten Gabor Patches. ↦ 2 Diese be-
In the following, I’d like to present es. ↦ 2 Much like Hubel and Wiesel’s bars, the patches
tionen beinhaltet, bietet VR den nutzen, ähnlich wie die Balken, eine gewisse Winkelung, some studies of my own and by oth use different angles to investigate the mental processes
Vorteil, die gesamte Testumgebung um Gehirnprozesse bei der Verarbeitung visueller Reize ers in which VR has been combined involved in processing visual stimuli.
zu erforschen. In addition to perception, emotional phenomena
computergeneriert gestalten und Neben Wahrnehmungsprozessen bestimmen auch
with neuro-physiological measure determine our lives and thus offer another important
kontrollieren zu können. Im Folgen emotionale Phänomene unser Leben — und bieten ein ment methods. After which, I’ll finish a venue for neuroscientific research. In order to find out
den werde ich fremde und eigene neurowissenschaftliches Forschungsthema. Um heraus- off by discussing the usefulness of how the brain processes emotions, researchers have
Studien vorstellen, in denen VR mit zufinden, wie das Gehirn Emotionen verarbeitet, wurden
u. a. Strichgesichter als Reize gezeigt, während die Hirn-
VR in medical applications. | shown test subjects smileys, among other things, while
measuring their brain activity. These smileys can have
neurophysiologischen Messme- aktivität gemessen wurde. Diese konnten positiv, neutral positive, neutral, or negative “moods,” as indicated by
↦ 1 Versuchsaufbau klassischer Experimente der
Neurowissenschaft des Sehsinns / experimental
setup of classical experiments in visual neuroscience
↦ 2 Gabor Patch als visueller Reiz / Gabor Patch as
visual stimulus
↦ 3 Emotionale „Ekman“ Gesichter / emotional
“Ekman” faces
↦ 1 ↦ 2 ↦ 3
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oder negativ ‚gestimmt‘ sein, was anhand der Münder Im Vergleich der Hirnaktivität während den Bedingungen their mouths and eyebrows. In addition to these, there regions that became more or less active while experi-
und Augenbrauen angedeutet war. Daneben gibt es auch „Schlange“ und „Teddybär“ konnten Hirnregionen identi- are also the Ekman faces: black-and-white photographs encing fear or courage.
die „Ekman Faces“, Schwarzweißfotografien, die in den fiziert werden, die beim Erleben von Angst oder Mut stär- which were taken during the 1950s and 60s. ↦ 3 In order This is one way of bringing real life into the lab. But
1950er und 1960er Jahren aufgenommen wurden. ↦ 3 ker oder schwächer aktiv waren. to expand the spectrum of experimental stimuli, emotion there are also examples for the opposite approach of
Um das Spektrum experimenteller Reize zu erweitern, So kann das echte Leben ins Labor geholt werden. research began using the, somewhat polemically for- integrating the laboratory into the real world: in anoth-
fing die Emotionsforschung in den 1980er und 1990er Aber auch für die Gegenrichtung, also die Integration des mulated, “new technology” of color photography in the er study likewise conducted in 2010, 2 participants were
Jahren an, die, etwas polemisch gesagt, ‚neue Technik‘ Labors in die Welt, gibt es Beispiele: Für eine ebenfalls 1980s and 90s. The most commonly used stimulus set, first shown the classical emotional faces in a laboratory
der Farbfotografie zu nutzen. Das am häufigsten ver- 2010 durchgeführte Studie 2 wurden den Proband*innen the International Affective Pictures System (IAPS), where their heart activity was measured. The experiment
wendete Stimulusset, das International Affective Pic zuerst im Labor die klassischen emotionalen Gesichter contains for example the faces of angry, scowling men was then continued a few days later when participants
tures System (IAPS), beinhaltet beispielsweise verärgert gezeigt, während ihre Herzaktivität gemessen wurde. Das who supposedly transferred their mood to the test sub- got on a plane which they then did tandem parachute
dreinblickende Männer, deren Stimmung sich auf die Experiment wurde ein paar Tage später fortgeführt, indem jects. What remains problematic with all these stimuli, jumps from. Their heart activity here was likewise mea-
Proband*innen übertragen soll. Problematisch ist an all die Proband*innen in ein Flugzeug stiegen, von welchem however, is that they are insufficient to reproduce the re- sured. At least to some extent, a correlation in heart ac-
diesen Reizen, dass sie die Realität unseres Alltags nur aus sie anschließend einen Tandem-Fallschirmsprung ality of our everyday lives. These are influenced by dy- tivity was shown between the emotion induction cases
ungenügend wiedergeben. Diese ist z. B. von Dynamik, absolvierten. Auch dabei wurde ihre Herzaktivität ge- namics, multi-sensory stimuli, movements, and noises, in the lab and those in the real world. Another example
multisensorischen Reizen, Bewegungen und Geräuschen messen. Zumindest für manche Maße der Herzaktivität among other things. A gap thus emerges between labo- comes from a study by Konvalinka et al., 3 in which they
geprägt. So klafft eine Lücke zwischen der Forschung im konnte eine Korrelation zwischen der Emotionsinduktion ratory research and “real” life. And VR offers the possibil- visited an annual village festival in Spain, where men car-
Labor und dem ‚echten‘ Leben. VR bietet die Möglichkeit, im Labor und in der echten Welt gezeigt werden. Ein an- ity of bridging this gap. ry other men on their backs as they walk barefoot over
diese Lücke zu schließen. deres Beispiel ist die Studie von Konvalinka et al. 3 , die ein burning coals. 12 “fire walkers” and 26 viewers were
jährlich stattfindendes Dorffest in Spanien besuchten, equipped with heart rate monitors, while 9 of the view-
bei dem Männer andere Männer auf dem Rücken tra- ers were friends or relatives of the “fire walkers.” The re-
/ Die Lücke zwischen Labor
2 gen, während sie barfuß über brennende Kohlen liefen. / The Gap between Lab and
2 searchers found that the heart rates of the “fire walkers”
und Leben Es wurden 12 „Feuerläufer“ und 26 Zuschauer*innen mit Life synchronized with those of their friends or relatives, but
Herzfrequenzmessern ausgestattet, darunter 9 Freunde not with those of viewers with no personal connection.
Dazu ein kleiner (stark vereinfachender) Exkurs in oder Verwandte der „Feuerläufer“. Die Forscher*innen Before we continue, I’d like to make a brief (and Even with experiment designs that one can repeat
die Wissenschaftstheorie: Zwei wichtige Gütekriterien fanden, dass sich die Herzfrequenz der Feuerläufer mit heavily simplified) excursus into the philosophy of sci- more often than once a year, the collection of com-
von Forschungsergebnissen sind ihre interne und ex- der ihrer Verwandten oder Freund*innen synchronisierte, ence: two main criteria for the quality of research results plex physiological measurements is difficult in the real
terne Validität. Ein Forschungsergebnis ist intern valide, nicht aber mit der Herzfrequenz von Zuschauer*innen are their internal and external validity. A research result world—especially when one thinks of MRI measurements
wenn es durch ein vergleichbares Experiment, das z. B. in ohne persönlichen Bezug. is internally valid when it can be confirmed by con- that currently need a device weighing several tons in or-
einem anderen Labor durchgeführt wird, bestätigt werden Auch bei Versuchsdesigns, die man öfter als einmal ducting a similar experiment in a different laboratory, der to induce magnetic fields 30,000 times stronger
kann. Extern (bzw. „ökologisch“) valide sind Laborergeb- im Jahr wiederholen kann, ist die Erhebung komplexerer for example. Lab results are externally (or “ecological- than that of the earth.
nisse, die auch im echten Leben eine Relevanz haben physiologischer Maße in der echten Welt schwierig — wenn ly”) valid when they have relevance in real life and can
bzw. bestätigt werden können. Um die Lücke zwischen man beispielsweise an MRT-Messungen denkt, die (zu- be confirmed within it. There are more or less two ap-
Labor und Leben zu schließen, gibt es u. a. zwei Ansätze: mindest momentan) einen tonnenschweren Apparat be- proaches to bridging this gap between the lab and real
Entweder holt man das Leben ins Labor oder man inte- nötigen, um ein Magnetfeld zu erstellen, das 30.000 Mal life: either you try to bring life into the laboratory or you
griert das Labor ins Leben. Vorab: Die Magnetresonanz- stärker als das Erdmagnetfeld ist. integrate the laboratory into life. Magnetic resonance
tomographie (MRT ) ermöglicht es, dem lebenden Ge- imaging (MRI), for example, lets us observe the living
hirn bei der Arbeit zuzusehen. Üblicherweise werden brain at work. Usually, test subjects are shown images
Studienteilnehmer*innen Bilder gezeigt (z. B. emotionale / VR als Brücke zwischen
3 (e.g., emotional faces as above) while they are calmly / VR as a Bridge between
3
Gesichter, s.o.), während sie ruhig in der MRT-‚Röhre‘ Labor und Leben lying in an MRI “tube” that records their brain activity. Lab and Life
liegen, wo ihre Hirnaktivität aufgezeichnet wird. Einige Some research groups have developed more creative
Forscher*innengruppen waren nun etwas kreativer, um Eine mögliche Lösung bietet die VR, mit der es möglich methods to trigger emotions in a more “realistic” way. VR offers one possible solution by enabling us to
Emotionen alltagsnäher auszulösen. So wurden für eine ist, eine komplexe, naturalistische Umgebung computer- In a 2010 study,1 researchers invited test subjects with bring complex, naturalistic, computer-generated envi-
Studie aus dem Jahr 2010 1 Proband*innen ins MRT generiert ins Labor zu holen. Die zentralen Bauteile der a fear of snakes into an MRI. Using a slider, they could ronments into the laboratory. The central components
eingeladen, die Angst vor Schlangen hatten. Mit einem VR-Technologie sind in fast jedem Smartphone verbaut (ein move a live snake that was likewise sitting in the MRI of VR technology are integrated into almost every smart
Schieberegler konnten sie eine lebende Schlange, die hochauflösendes Display und Beschleunigungssensoren), “tube” nearer to or further from their heads. In the con- phone—a high resolution display and an accelerometer—
ebenfalls in der MRT-‚Röhre‘ saß, zu ihrem Kopf hin oder so dass VR-Brillen eigentlich nichts anderes sind als hori- trol group, the snake was replaced with a teddy bear. so you could say that VR glasses are pretty much just
von ihrem Kopf weg bewegen. In einer Kontrollbedingung zontal vor den Kopf geschnallte Smartphones. VR ist also By comparing brain activity in relation to the variables smartphones mounted horizontally onto the head. VR is
wurde die Schlange durch einen Spielzeugbären ersetzt. die Anzeige von 360°-Inhalten, die an die Kopfbewegungen “snake” and “teddy bear,” they were able to identify brain the 360 ° display of content synchronized with the move-
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angepasst wird. Diese kann mit Messmethoden der Hirn- waren, Blutspritzer und Spinnen auftauchten oder zeit- ment of the head. This can be combined with methods in flames. One can easily imagine that these situations
aktivierung kombiniert werden, die mobiler sind als die weise sogar der Boden weg- und Feuer ausbrach. Man for measuring brain activity that are more mobile than were much more emotionally arousing than looking at
MRT-Röhre. Zwei davon sind die Nahinfrarotspektroskopie kann sich vorstellen, dass diese Situation sehr viel auf- the MRI-tube. Two of these methods are near-infrared smileys. It should be mentioned here that—as usual—
(fNIRS) und die Elektroenzephalografie (EEG). Bei der ers- regender war als die Betrachtung eines Strichgesichts. spectroscopy (NIRS) and electroencephalography (EEG). participants were allowed to stop the experiment at any
ten wird der Blutfluss im Gehirn gemessen, während bei (Es muss erwähnt werden, dass die Proband*innen — wie The first measures the flow of blood in the brain, while time. The relationships revealed between sweat on the
der zweiten die elektrische Signalweiterleitung des Ge- üblich — zu jeder Zeit das Experiment abbrechen konn- the second infers the transmission of electric signals in hands and the levels of emotional excitement reported
hirns an der Schädeldecke abgeleitet wird. Bei beiden ten.) Der gefundene Zusammenhang zwischen dem the brain from the surface of the skull. In both methods— later on—i.e. between biological and subjective indica-
Methoden — die auch kombiniert werden können — werden Schwitzen der Hände und der (später) berichteten emo- which can also be combined—the sensors are attached tors of excitement—allowed the researchers to infer that
die Sensoren mit einer Art Schwimmhaube am Kopf fixiert, tionalen Erregung — also zwischen biologischen und to the head using a sort of swimming cap so that head physiological signals are also stored at the moment of
so dass Kopfbewegungen möglich werden, d.h. das Hirn- subjektiven Erregungsmaßen — ließ die Forscher*innen movements are possible, i.e. without introducing too memory formation.
signal nicht allzu sehr verrauschen. ↦ 4 schlussfolgern, dass physiologische Signale im Moment much noise into the brain signals. ↦ 4 In a recent study from 2017 and 2018, Simon
Ein klassisches Emotionsexperiment verläuft typi der Gedächtnisbildung mit gespeichert werden. A classic emotion experiment would typically be Hofmann, Felix Klotzsche, Alberto Mariola, and myself
scherweise so: Den Proband*innen werden für je 20 Se- In einer aktuellen Studie aus den Jahren 20 1 7 und conducted as follows: participants are shown different conducted a similar experiment, 6 which focused not on
kunden verschiedene emotionale Gesichter gezeigt 20 1 8 haben wir, zusammen mit Simon Hofmann, Felix emotional faces for 20 seconds each, and for each sweaty hands but on the brain. Here, participants went
und sie sollen für jedes Bild auf einer Skala von 1 („gar Klotzsche und Alberto Mariola ein ähnliches Experi- image they should report their emotional response on through two virtual roller coasters while their brain activ-
nicht“) bis 9 („sehr stark“) angeben, wie stark sie die Be- ment durchgeführt 6 , bei dem der Fokus nicht auf den a scale from 1 (“none at all”) to 9 (“very strong”). Ear- ity was recorded via EEG. Much like the experiment by
trachtung emotional erregt hat. Zunächst handelt es sich schwitzenden Händen, sondern auf dem Gehirn lag. ly on smiley faces were used, and then eventually the McCall et al., they then watched a video recording of their
um Strichmännchen-Gesichter, später werden die oben Dabei durchliefen die Proband*innen zwei virtuelle IAPS images mentioned previously. Here, however, ex- experiences and continuously evaluated how emotional-
erwähnten IAP S -Bilder gezeigt. Erfahrungsgemäß wer- Achterbahnen, während ihre Gehirnaktivität mittels perience has shown that the participants only experi- ly excited they were at each point in time. The goal of this
den die Proband*innen sehr schnell sehr wenig emotio- EE G aufgezeichnet wurde. Wie bei McCall et al. sahen ence a quick succession of relatively weak emotional study was to produce intra-individual variability in emo-
nale Erregung verspüren. Es ist dadurch auch wenig aus- sie sich später ein Video ihrer Erfahrung an und be- responses. Thus conducting neurophysiological mea- tional experience. As expected, we found an (inverse)
sagekräftig, zeitgleich neurophysiologische Messungen werteten dabei kontinuierlich, wie emotional erregt sie surements during this kind of experiment would hardly correlation between emotional arousal and oscillations
vorzunehmen. VR bietet nun hingegen die Möglichkeit, zu jedem Zeitpunkt gewesen waren. Ziel der Unter- produce anything significant. VR, by contrast, offers the in brain activity in the alpha frequency band (between
komplex und lebensnah Emotionen zu erzeugen und suchung war es, intraindividuelle Varianz im Emotions- possibility of creating complex and true-to-life emo- eight and twelve hertz). This is one of the longest doc-
dabei die Testumgebung dennoch komplett zu kontrol- erleben zu erzeugen. Wie erwartet, fanden wir einen tions while simultaneously exerting complete control umented brain rhythms and is generally associated with
lieren. In einer Untersuchung am Max-Planck-Institut für (inversen) Zusammenhang zwischen der emotiona- over the test environment. In a study by the Max Planck relaxation—i.e. the opposite of emotional arousal. Using
Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig 4 wurden len Erregung und Oszillationen der Gehirnaktivierung Institute for Human Cognitive and Brain Sciences in complex mathematical methods, it was possible to in-
beispielsweise bei Proband*innen Emotionen ausgelöst, im Alpha-Frequenzband (zwischen acht und zwölf Leipzig, 4 for example, emotions were induced in partic- fer the self-reported degree of emotional arousal based
indem diese 5 Minuten im „Room 101“ 5 verbrachten: Die Hertz). Dies ist einer der ältesten beschriebenen Hirn- ipants by having them spend 5 minutes in “Room 101.” 5 only on the brain signals: thus more or less exciting mo-
Versuchsteilnehmer*innen bewegten sich in einem ech- rhythmen und wurde generell mit Entspannung — also The participants moved around a real basement while ments could be correctly identified based on the intensi-
ten Kellerraum, während sie einen gleich großen virtuel- dem Gegenteil von emotionaler Erregung — in Ver- being shown a virtual basement of the same size via ty of signals in the alpha frequency band, and these eval-
len Kellerraum über die VR-Brille präsentiert bekamen, bindung gebracht. Mit komplexeren mathematischen VR glasses, in which they had to collect virtual bottles. uations could be predicted with a more than coincidental
in dem sie virtuelle Fläschchen einsammeln mussten. Methoden gelang es, allein aus dem Hirnsignal den During this activity, the participants’ skin perspiration degree of accuracy using artificial neural networks.
Dabei wurde die Schweißabsonderung der Haut durch selbstberichteten emotionalen Erregungsgrad zu er- was measured by electrodes on their hands. After they To sum up, one can say that VR technology offers
eine Elektrode an der Handfläche gemessen. Nachdem schließen: So konnten aus der Stärke des Signals im collected all the bottles, they then watched a record- many benefits for empirical (neuro)science, or at least is
sie alle Fläschchen eingesammelt hatten, bewerteten Alpha-Frequenzband mehr und weniger aufregende ing of the process on a computer monitor and reported very promising in the following ways:
sie an einem Computerbildschirm, der eine Aufnahme Momente richtig zugeordnet und mit einem künstlichen how emotionally excited they were at each point in time.
des davor Erlebten zeigte, wie emotional erregt sie zu neuronalen Netz auch die genauen Bewertungen über- What was special here was that in the (initially boring) 1 The technology is relatively simple and
jedem Zeitpunkt gewesen waren. Das Besondere war zufällig vorhergesagt werden. basement, occasional shots and alarm sirens were cheaply available.
nun, dass in dem (anfänglich langweiligen) Kellerraum Zusammenfassend kann man sagen, dass die heard, splashes of blood and spiders popped up, and 2 It enables more naturalistic simulations
zwischendurch Schüsse und Alarmsirenen zu hören VR-Technologie für die empirischen (Neuro-)Wissen- on occasion the ground even collapsed and broke out under complete experimental control.
↦ 4 Mobile Methoden zur Messung der
Hirnaktivierung / Mobile methods to measure
brain activation
↦ 4
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aktionen) konfrontiert. VR bietet eine ideale sichere Um- who suffer from post-traumatic stress disorder are con-
schaften mehrere Vorteile bietet oder zumindest Ver- 3 It subsequently offers the possibility for
gebung, in der naturalistische Reize präsentiert werden fronted with situations designed to trigger flashbacks in
sprechungen macht: increasing the external or ecological validity
können. Im „Bravemind“-Projekt an der Universität von a “virtual Iraq”—with the safety net of simply being able to
(in other words, everyday relevance) for
Southern California in Los Angeles werden bspw. aus take off the VR glasses. Another example that became
1 Sie ist technisch unaufwändig und relativ research results. And
dem Irak-Krieg zurückgekehrte Soldaten, die unter post- very popular last year comes from exposure therapy de-
günstig verfügbar, 4 it enables simultaneous measurements of
traumatischer Belastungsstörung leiden, in einem „virtu- signed to treat social anxiety disorder, 9 i.e. the patholog-
2 sie erlaubt eine naturalistischere Stimulation neurophysiological signals when combined
ellen Irak“ mit Flashbacks auslösenden Situationen kon- ical fear of interacting with other humans. In the study,
bei voller experimenteller Kontrolle, with wearable imaging technologies like
frontiert — mit dem sicheren „Fallnetz“, die Brille einfach there were three test groups: one group that received
3 sie erhöht dadurch möglicherweise die ex- EEG and NIRS.
abnehmen zu können. Ein Beispiel, das letztes Jahr sehr no therapy, one group that was confronted with social
terne / ökologische Validität (auch: Alltags-
bekannt wurde 9 , war die Expositionstherapie bei sozialer interactions in the real world, and one group that was
relevanz) der Forschungsergebnisse und
Angststörung, also bei der pathologischen Furcht davor, confronted with social interactions in the virtual world.
4 sie ermöglicht eine gleichzeitige Messung
mit anderen Menschen zu interagieren. In der Studie gab The VR-based therapy was not only significantly better
neurophysiologischer Signale durch die Kom-
es drei Versuchsgruppen: eine Gruppe, die keine Thera- at reducing the symptoms of social anxiety, but was also
bination mit tragbaren Bildgebungsverfahren
pie bekam, eine Gruppe, die mit sozialen Interaktionen much more practical for therapists.
wie EEG und NIRS .
in der echten Welt konfrontiert wurde, und eine Gruppe, VR proves to be helpful not only in the field of psychi-
die mit sozialen Interaktionen in der virtuellen Welt kon- atry, but also neurology, for example in the case of phan-
4 / VR in der Klinik frontiert wurde. Die VR-basierte Expositionstherapie war 4 / VR in the Clinic tom pain, the phenomenon whereby people who have
nicht nur signifikant besser darin, die Symptome der so- had their arms amputated, for example, still feel plain in
Ähnliche Vorteile und Versprechungen wie für die The benefits and promises of VR in neuroscience
zialen Angst zu verringern, sondern auch viel praktischer the arm that is no longer there. One possible treatment
Nutzung von VR in den Neurowissenschaften gelten im also apply to the clinical field. The previously mentioned
für die Therapeut*innen. is mirror therapy. ↦ 5 Here, an upright mirror is placed
klinischen Bereich. Das bereits angesprochene Prin- principle of external validity is closely related to the prin-
Nicht nur in der Psychiatrie, sondern auch in der in front of the middle of the body, perpendicular to it, so
zip der externen Validität ist eng verwandt mit dem als ciple known as “translation” in clinical research, i.e. the
Neurologie kann VR hilfreich sein, z. B. bei Phantom- that the patient can see their limb that is actually missing
„Translation“ bezeichneten Prinzip der klinischen For- maxim of “translating” research results “from bench to
schmerzen, also dem Phänomen, dass eine Person in the mirror again. By repeatedly training movements
schung, also der Maxime, Forschungsergebnisse ‚von bedside.” In other words, it is about using what clinical
beispielsweise mit amputiertem Arm darunter leidet, in this way, phantom pain can be reduced. In a recent
der Laborbank zum Krankenbett‘ zu ‚übersetzen‘. In an- researchers discover in the lab to actually help patients
Schmerzen in dem Teil des Arms zu spüren, der nicht study,10 the missing arm was virtually animated using
deren Worten, dass das, was klinische Forscher*innen recover from or altogether avoid illnesses. The classical
mehr vorhanden ist. Eine Therapiemöglichkeit ist die “augmented reality,” whereby muscle singles at the arm
im Labor herausfinden, den Patient*innen tatsächlich bei approaches in this area can be expanded through the use
Spiegeltherapie. ↦ 5 Bei dieser wird ein Spiegel im stump were measured and used to move the virtual arm.
der Genesung oder Krankheitsvermeidung hilft. Die klas- of VR technology: alongside the petri dish model (“in vi-
rechten Winkel vor die Mitte des Körpers gestellt, so- With this simulated artificial arm that was controlled by
sischen Ansätze dazu können mittels VR erweitert wer- tro”) and the living model (“in vivo”), the era of digitalization
dass der/die Patient*in durch das Spiegelbild sein/ the brain, phantom pain could be sustainably reduced.
den: Neben dem Petrischalenmodell — „in vitro“ — und also gives us the computer simulated model (“in silico”)
ihr eigentlich fehlendes Körperteil wieder sieht. Durch Similar setups have also been used to treat limbs that
dem lebenden Modell — „in vivo“ — gibt es im Zeitalter and the virtual model (“in virtuo”).7 To put it briefly, these
wiederholtes Trainieren der Bewegungen kann man have been paralyzed by strokes or other acquired brain
der Digitalisierung das computersimulierte Modell — „in new technologies promise improved ways of researching,
so den Phantomschmerz verringern. In einer aktuellen illnesses.
silico“ — und das virtuelle (Realitäts-)Modell — „in virtuo“ 7. diagnosing, and treating illnesses through the use of VR.
Studie 10 wurde der fehlende Arm mithilfe von „Aug- Motor impairments are comparatively easy to di-
Kurz gesagt, verspricht die neue Technologie, Krank- A classic example of how VR can be used in clinical
mented Reality“ virtuell animiert, indem Muskelsignale agnose—e.g., through observation. It is more difficult,
heiten mittels VR (besser) erforschen, diagnostizieren environments comes from exposure therapy in psychi-
am Armstumpf gemessen und zur Bewegung des vir- however, to diagnose cognitive impairments which make
und therapieren zu können. atric or psychological behavior therapy. 8 Here, patients
tuellen Arms genutzt wurden. Mit diesem simulierten, it difficult to function in everyday life (although the mo-
Ein klassisches Beispiel, wie VR in klinischen Um- with anxiety disorders are incrementally exposed to vari-
künstlichen Arm, der vom Gehirn angesteuert wurde, tor abilities often may have been recovered). In various
gebungen genutzt werden kann, ist die Expositions- ous fear inducing stimuli (e.g., heights, spiders, social in-
konnten Phantomschmerzen nachhaltig verringert wer- forms of dementia, such as Alzheimer’s disease, the
therapie in der psychiatrischen oder psychologischen teractions) in a safe environment. VR offers an ideal safe
den. Mit einem ähnlichen Aufbau werden auch Glied- main symptoms primarily consist of cognitive impair-
Verhaltenstherapie. 8 Dabei werden z. B. Patient*innen mit environment for presenting naturalistic stimuli. In the
maßen behandelt, die nach Schlaganfall oder anderen ments, for example memory disorders.
Angststörungen in einer sicheren Umgebung stufen- “Bravemind” project at the University of Southern Cali-
erworbenen Hirnerkrankungen gelähmt sind.
weise mit Angstreizen (z. B. Höhen, Spinnen, soziale Inter- fornia in Los Angeles, soldiers returning from the Iraq war
↦ 5 Aufbau zur Spiegeltherapie / Setup for mirror
therapy
↦ 5
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Motorische Einschränkungen sind vergleichsweise hat gerade erst (2018) begonnen und wird in den folgen- following two years it will develop VR-based tasks as well
einfach zu diagnostizieren — z. B. durch Beobachtung. den zwei Jahren VR-basierte Aufgaben entwickeln und as test their applicability on both healthy subjects and
Komplizierter ist das bei kognitiven Einschränkungen, die an Gesunden sowie an Patient*innen deren Anwend- patients. It thus aims to use VR technology to improve
zu Schwierigkeiten führen, im Alltag zurechtzukommen barkeit überprüfen. Damit sollen die Messung und das both the measurement and training of cognitive abilities
(obwohl die motorischen Fähigkeiten oft wieder genesen Training kognitiver Fähigkeiten bei Gesunden sowie die for healthy subjects as well as the diagnosis and treat-
sind). Auch bei verschiedenen Demenzerkrankungen, wie Diagnose und Therapie kognitiver Einschränkungen bei ment of cognitive impairments for patients.
der Alzheimer-Krankheit, bestehen die Hauptsymptome Patient*innen mithilfe der VR-Technologie verbessert
vornehmlich aus kognitiven Einschränkungen wie z. B. Ge- werden. I would thus like to summarize what the benefits and
dächtnisstörungen. Ich möchte zusammenfassend darstellen, was die promises of VR technology are for neuroscience and
Vorteile und Versprechungen der VR-Technologie für die medicine:
Neurowissenschaft und Medizin sind:
5 / Das „VReha“-Projekt 5 / The “VReha” Project ↦ The external validity (i.e. everyday relevance)
Im Projekt „VReha“ entwickeln wir am Max-Planck-
11
↦ Durch eine höhere externe Validität (d.h. All- In the “VReha” project,11 our team at the Max Planck of both cognitive-psychological and neuro
Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leip- tagsrelevanz) können mittels VR die kognitiv- Institute for Human Cognitive and Brain Sciences in scientific research can be increased through
zig — zusammen mit klinischen und technischen Part- psychologische und die neurowissenschaft- Leipzig is collaborating with various clinical and techno- the use of VR. It enables more naturalistic
nern — VR-basierte Tests, die eine feinere Diagnostik und liche Forschung verbessert werden. VR logical partners to develop VR-based tests that enable simulations in which brain activity can be
— durch wiederholtes Trainieren — eine Verbesserung kog- erlaubt eine naturalistischere Stimulation, bei more detailed diagnoses and—through repeated train ing— measured through the use of wearable imag-
nitiver Einschränkungen ermöglichen sollen. Letzteres ist der durch die Kombination von VR mit trag- improvements in cognitive impairments. The latter is very ing technologies.
vielversprechend, wenn man sich eine aktuelle Metaana- baren Bildgebungsverfahren auch die Hirn- promising if one considers a recent meta-analysis 12 that ↦ VR can improve psychiatric and neurological
lyse 12 ansieht, bei der erforscht wurde, ob computerisier- aktivität gemessen werden kann. investigated whether computerized cognitive training diagnoses and therapies. Examples of this
tes Kognitionstraining bei Demenzerkrankungen helfen ↦ VR kann die psychiatrische und neurologische can help in treating dementia. The statistical evaluation can be found in exposure therapy, mirror thera-
kann. In dieser statistischen Auswertung der Effekte von Diagnose und Therapie verbessern. Beispiele of the effects of eleven different studies each working py, and cognitive training for people with
elf mit unterschiedlichen Methoden arbeitenden Studien hierfür sind die Expositionstherapie, die Spie- with different methods identified significant therapeutic dementia.
fand sich ein signifikanter Therapieerfolg kognitiver Ein- geltherapie und das kognitive Training bei success in treating cognitive impairments in patients
schränkungen bei Patient*innen mit Demenz. Dabei waren Demenzerkrankungen. with dementia. Among these, the two studies that used
die beiden Studien, die VR verwendeten, am effektivs- VR technology were the most effective—even though they
ten — auch wenn es sich um bildschirmbasierte VR handel- were using screen-based VR. We suspect that cognitive
te. Wir vermuten, dass kognitive Tests und Trainings unter testing and training using the most recent generation of
Nutzung der neuen Generation der VR-Technologie (d.h. VR technology (i.e. VR glasses) will be at least equally as
VR-Brillen) mindestens ebenso effektiv sind. Das Projekt effective. The project has just begun (2018), and in the
1 URI NIL I / H AG A R GO L D BERG / A BR A H A M 4 CA D E M C CA L L / L E A K . HIL D EBR A NDT / 7 JAC Q UES T I S S E AU: In vivo, in vitro, in silico, 10 M A X O R T IZ- CATA L A N / R A NN V EI G A .
WEIZM A N / YA D IN D UDA I: Fear Thou Not: B O RI S B O RNEM A NN / TA NI A S IN GER: in virtuo. Beitrag auf dem 1. Workshop von / con GUÐMUNDSDÓT TIR / MORTEN B. KRISTOFFER-
Activity of Frontal and Temporal Circuits in Moments Physiophenomenology in retrospect: Memory tribution to the 1st Workshop on “ S M A in Biology at S EN / A L E JA ND R A ZEPEDA-EC H AVA RRI A /
of Real-Life Courage. In: Neuron 6 6, 2 ( 20 10), reliably reflects physiological arousal during a prior meso or macroscopic scales “ (Juli / July 2008, K ER S T IN CA INE-WIN T ERBERGER / K ATA R Z Y-
S. / pp. 9 4 9 — 9 62. Ein Video dieser Untersuchung threatening experience. In: Consciousness and Paris). www.indico.in2p3.fr/event/9 12 /contributions/ N A K UL BAC K A- O R T IZ / CAT HRINE WID EH A M-
findet sich hier/ One can find a video of this Cognition 3 8 (20 15 ), S. / pp. 60 —70. 4 8 5 3 9/attachments/3 9 128/4 8 3 47/invirtuo.pdf M A R / K A RIN ERIKS S O N / A NI TA S TO C KS EL IU S
experiment here: www.cell.com/cms/10.10 16/ 5 Benannt nach der Folterkammer in GEO RGE (Zugriff am / accessed on: 26.0 9.20 18). / C HRI S T IN A R AGN Ö / ZD ENK A PIHL A R /
j.neuron.20 10.06.00 9/attachment/7 BB 9A720 - O RWEL L S Roman 198 4 /named after the torture 8 YO U S S EF S HIBA N setzt sich in seinem HEL EN A BURGER / L I S ELOT T E HERM A N S S O N:
1978- 4E4D -A 98 6-3 B 4 06 50E 2 A 2E /mmc2.mp4 chamber in GEO RGE O RWEL L’ S novel 198 4. Beitrag mit dem Einsatz virtueller Expositionsthera- Phantom motor execution facilitated by machine
(Zugriff am / accessed on: 14.0 9. 20 18). 6 Z. B. /see for example F EL IX K LOT ZS C HE /
pien zur Behandlung von Angststörungen ausein- learning and augmented reality as treatment
2 GÜLC E N . D IK EC L I GIL / L IL I A NNE R . A L BER TO M A RI O L A / S IM O N H O F M A NN / ander / In his contribution, Youssef Shiban discusses for Phantom Limb Pain. In: The Lancet 3 8 8,10062
MU JI CA-PA RO D I: Ambulatory and challenge-asso- VA D IM V. NIK UL IN / A RN O V IL L RIN GER / the uses of virtual exposure therapy in treating (20 16): S. / pp. 28 8 5 —28 9 4.
ciated heart rate variability measures predict cardiac MI C H A EL G A EBL ER: Using EEG to decode anxiety disorders. 11 Vgl. / see www.vreha-project.com
responses to real-world acute emotional stress. subjective levels of emotional arousal during an 9 S T ÉPH A NE B O U C H A RD / S T ÉPH A NIE (Zugriff am / accessed on 26.0 9.20 18).
In: B I O LO GI CA L P SYC HI AT RY 6 7,12 ( 20 10), immersive VR roller coaster ride. Beitrag auf D UM O UL IN / GENE V IÈ V E RO B IL L A RD / TA N YA 12 NICOLE T.M. HILL / LOREN MOWSZOWS KI /
S. / pp. 118 5 —1190. der 25. IEEE Konferenz für Virtuelle Realität und GUI TA RD / É V ELY NE K L IN GER / HÉL ÈNE S HARON L . NAIS MITH / VERIT Y L . CHADWICK /
3 IVA N A KO N VA L INK A / D IMI T RI S 3 D Nutzerschnittstellen ( IEEE V R ) (März 20 18, F O RGE T / C L AUD IE LO R A N GER / F R A N Ç O I S MICHAEL VALENZUEL A / AMIT L AMPIT:
X YG A L ATA S / JO S EPH BUL BUL I A / UF F E Reutlingen) / contribution to the 25 th IEEE Confe- X AV IER RO U CAU T: Virtual reality compared with in Computerized cognitive training in older adults with
S C HJ Ø DT / EL S E-M A RIE JEGIND Ø / rence on Virtual Reality and 3D User Interfaces vivo exposure in the treatment of social anxiety mild cognitive impairment or dementia: A system atic
S EBA S T I A N WA L LOT / GU Y VA N O RD EN / (IEEE VR) (March 2018, Reutlingen) disorder: a three-arm randomised controlled trial. review and meta-analysis. In: American Journal of
A ND RE A S RO EP S TO RF F: Synchronized arousal www.ieeevr.org/20 18/program/posters.html In: The British Journal of Psychiatry 2 10 (20 16), Psychiatry 174,4 ( 20 17 ), S. / pp. 32 9 —3 4 0.
between performers and related spectators in a (Zugriff am / accessed on: 26.0 9.20 18). S. / pp. 2 76 —28 3.
fire-walking ritual. In: Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of
America 108, 20 ( 20 11), S. / pp. 8 514 —8 519.
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