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9. Juni 2005

Heidelberger Forschungsgruppe gewinnt den doIT Software-Award

Visualisierung setzt Hirnforschung ins Bild – Professoren Gabriel Wittum und Bert Sakmann rekonstruieren Nervenzellen per Mausklick am Computer

Was passiert eigentlich in unserem Gehirn, wenn wir etwas Neues lernen? Noch wissen Hirnforscher nicht, wie die Informationsverarbeitung zwischen mehreren Nervenzellen im Gehirn funktioniert – etwa dann, wenn wir neue Erfahrungen machen und sich im Gehirn ein Lernprozess in Gang setzt. Dank der Heidelberger Forschungsgruppen um Prof. Gabriel Wittum am Institut für Informatik und Bert Sakmann am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung ist es jetzt möglich, Nervenzellen per Mausklick am Computer zu rekonstruieren. NeuRA heißt die neue Software, die den Gehirnforschern mehr Klarheit bringen soll.

Rohdaten einer Nervenzelle vor (links) ... und nach der Bearbeitung durch NeuRA (rechts).

Die Rekonstruktion von Nervenzellen und ihrer Vernetzung untereinander in einem Computermodell ist die Voraussetzung dafür, die Vorgänge in unserem Gehirn zu verstehen. "Keine leichte Aufgabe, wenn man bedenkt, dass eine einzige Nervenzelle im Gehirn mit Tausenden anderen Zellen über so genannte Synapsen verbunden ist", weiß Gabriel Wittum. Noch existiert kein Modell, mit dem sich ein Denkvorgang, also die Signalverarbeitung im Gehirn, simulieren lässt. Sicher ist jedoch, dass die komplexe Geometrie der Zelle einen großen Einfluss auf die Informationsverteilung und ihre Geschwindigkeit hat.

Dreidimensionale Darstellungen einer von NeuRA rekonstruierten Nervenzelle.
Dreidimensionale Darstellungen einer von NeuRA rekonstruierten Nervenzelle.

Dreidimensionale Darstellungen einer von NeuRA rekonstruierten Nervenzelle.

Die neu entwickelte Software NeuRA ist das erste Werkzeug zur automatischen Rekonstruktion von Nervenzellen. Im Gegensatz zu manuellen Verfahren ist das Computerprogramm bei der Nachbildung nicht nur wesentlich schneller, sondern verleiht auch höhere Objektivität: Die Resultate sind eindeutiger, und das Programm kann rasch große Mengen an Daten verarbeiten.

Als Grundlage dienen den Hirnforschern Zellen aus Gehirnen von Säugetieren, insbesondere von Ratten und Mäusen. Dabei werden mithilfe der Zwei-Photonen-Laser-Mikroskopie hoch auflösende Aufnahmen von Nervenzellen im lebenden Tier gemacht. Danach wird die Zelle schichtweise eingescannt. Das Problem der Mikroskopiertechnik: Die Bilder haben einen schlechten Signal-Rauschabstand. "Dies bedeutet, dass man nur sehr mühsam zwischen relevanten und nicht relevanten Daten unterscheiden kann", erklärt Wittum. Noch vor einem Jahr haben die Forscher nach bestem Wissen entschieden, welche Informationen für die Rekonstruktion der Zelle wichtig sind und welche nicht.

Die Software NeuRA bietet jetzt ein neues Verfahren zur Aufbereitung der Bildinformationen: Zunächst werden die Rohdaten mit einem speziellen Diffusionsfilter gesäubert. "Dieser Filter kann die Struktur der Zelle identifizieren, Lücken in der Struktur schließen und diese schärfen", erläutert Wittum. Bei der anschließenden Segmentierung wird jedes Bildteilchen nach vorher festgelegten Schwellenwerten entweder der Struktur zugeordnet oder als "Müll" bezeichnet. Im letzten Schritt wird die Geometrie der Zelle nachvollzogen.

Die so entstandene Struktur der Nervenzelle kann für anschließende 3D-Simulationen der elektrischen Signalverarbeitung in allen gängigen Datenformaten ausgegeben werden. "Die Neurowissenschaftler sind mit der neuen Software sehr zufrieden", weiß Wittum. "Denn Computersimulationen sind für die Gehirnforschung unabdingbar, da man an den Nervenzellen selbst nicht konkret messen kann." Die Visualisierung der Signalverarbeitung könnte in Zukunft bei der Therapie von Krankheiten wie Epilepsie oder Parkinson helfen – wenn man die Abläufe im Gehirn kennt und weiß, wo man gegebenenfalls eingreifen muss.

Zufrieden ist auch die Forschungsgruppe über ihren Erfolg: Mit ihrer neuen Entwicklung konnten sie nicht nur einen Meilenstein in der Hirnforschung setzen, sondern auch die Jury des doIT Software-Awards überzeugen. "Wir werden mit dem Preisgeld die Software weiter ausfeilen und wenn möglich unsere personellen Kapazitäten erweitern", freut sich Wittum.

Über den doIT Software-Award

Der doIT Software-Award prämiert herausragende wissenschaftliche Leistungen aus der Softwareforschung in Baden-Württemberg und wird jährlich im Frühjahr ausgeschrieben. Ziel des mit insgesamt 41 000 Euro dotierten Awards ist es, weitere Anreize für eine erfolgreiche Softwareforschung in Baden-Württemberg zu schaffen. Die Beiträge werden von einer hochkarätigen Fachjury aus Forschung und Wirtschaft unter anderem nach Kriterien wie wissenschaftliche Qualität, Innovationsgrad und Umsetzbarkeit geprüft und bewertet. Die Preisverleihung des Awards fand heute im Rahmen des doIT Software-Forschungstages in Karlsruhe statt, der den Preisträgern die Möglichkeit bietet, ihre Beiträge einer breiten Öffentlichkeit zu präsentieren und mit Fachleuten zu diskutieren. Willi Stächele, Minister des Staatsministeriums und für europäische Angelegenheiten, hielt in seiner Funktion als Schirmherr des Software-Awards die Laudatio und überreicht die Auszeichnungen.

Über die MFG und die MFG Stiftung

Die MFG mit Sitz in Stuttgart entwickelt und fördert den Standort Baden-Württemberg in den Bereichen Medien, IT und Film. In drei Geschäftsbereichen wird mit einem Team von über 50 Mitarbeitern ein Jahresumsatz von rund 15 Millionen Euro erzielt. Der Geschäftsbereich MFG Medienentwicklung ist das Kompetenzzentrum des Landes für IT und Medien mit einem breiten Spektrum an Dienstleistungsangeboten in den Geschäftsfeldern Beratung/Förderung, Projektmanagement, Veranstaltungen/Weiterbildung und Kommunikation/Marketing. Der Geschäftsbereich MFG Filmförderung fördert Filme für Kino und Fernsehen und versteht sich als Kompetenz- und Beratungszentrum für die Film- und Kinolandschaft des Landes. Der Geschäftsbereich MFG Stiftung realisiert gemeinnützige Projekte in den beschriebenen Aufgabenfeldern. Im Mittelpunkt stehen dabei Aus- und Weiterbildung, Kunst, Kreativität, Kultur sowie Forschung und Entwicklung. Gesellschafter der MFG Medien- und Filmgesellschaft Baden-Württemberg mbH sind das Land Baden-Württemberg (51 Prozent) und der SWR (49 Prozent).



Informationen:
MFG Stiftung Baden-Württemberg
Jennifer Bader
Tel.: 0711 90715 316
bader@mfg.de

Rückfragen von Journalisten auch an:
Dr. Michael Schwarz
Pressesprecher der Universität Heidelberg
Tel. 06221 542310, Fax 542317
michael.schwarz@rektorat.uni-heidelberg.de
www.uni-heidelberg.de/presse

Irene Thewalt
Tel. 06221 542311, Fax 542317
presse@rektorat.uni-heidelberg.de


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