Max-Planck Institut für Hirnforschung, Frankfurt

Connectomics: Karten des Denkens
Was wir heute unter Künstlicher Intelligenz (KI) verstehen ist künstlich, aber noch nicht wirklich intelligent. Trotz wichtiger Fortschritte ist die heutige KI noch äußerst ineffizient: Sie verschwendet Energie und benötigt Unmengen sogenannter „Labels“. Beides ist teuer und nicht nachhaltig. Vor 50 Jahren wurden die heutigen Methoden der KI von der Neurowissenschaft inspiriert – und die Frage ist naheliegend, ob es aus der Hirnforschung erneut Inspirationen für eine nächste Generation der KI geben kann. Unsere Gehirne sind schließlich unübertroffen in ihrer Energieeffizienz und Lernfähigkeit. Mithilfe neuester Methoden der Netzwerkanalyse im Gehirn („Connectomics“) sollen die Besonderheiten des biologischen Computers in unseren Köpfen bestimmt, Lernregeln verstanden und mögliche Veränderungen im Kontext von Erkrankungen beschrieben werden.

Zur Person
Geboren 1978 in Berlin. Studium der Medizin und der Physik an der Ruprecht-Karls-Universität in Heidelberg, Abschluss mit Approbation (2007) und Diplom (2006). Promotion bei Bert Sakmann am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg, anschließend Post-Doc im Labor von Winfried Denk (2006-2011). 2011-2014 Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in München. Für seine Arbeiten wurde Moritz Helmstaedter unter anderem mit der Otto-Hahn-Medaille und der Bernard Katz Lecture geehrt. Seit August 2014 Direktor und Wissenschaftliches Mitglied am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt. Seit 2016 Professor (Extraordinarius) für Neuronale Netzwerke an der Radboud Universität, Nijmegen, Niederlande. Er ist Gottfried Wilhelm Leibniz-Preisträger 2024.

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge (USA)

KI und Optimierung in der Logistik: Wenn der Postmann nicht mehr klingelt

Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen machen auch vor der Logistik nicht halt und verändern schon heute, wie Unternehmen ihre Lieferketten, Warenlager, Transportwege und Zustellprozesse gestalten, planen und optimieren. Seien es Roboter, die Prozesse in hoch automatisierten Lagern und Zustellzentren unterstützen, oder Optimierungsalgorithmen, die jedem einzelnen Zusteller sagen, wann und wo welches Paket abgeliefert werden soll – den Möglichkeiten datengetriebener und zunehmend autonom agierender Modelle und Algorithmen scheinen keine Grenzen gesetzt. Doch was so einfach klingt, erfordert jahrelange Forschung und Entwicklung, und die Logistikindustrie steht erst weit am Anfang dieser digitalen Transformation. In diesem Vortrag geht es darum, aufzuzeigen, was heute schon möglich ist und was die Zukunft für uns alle, auch als Konsumenten von Logistikdienstleistungen, bereithalten könnte.

Zur Person
Dr. Matthias Winkenbach ist Principal Research Scientist am MIT und der Director of Research des MIT Center for Transportation & Logistics. Zudem leitet er am MIT mehrere Forschungsgruppen im Bereich Supply Chain Management und Logistik, darunter das neu gegründete Intelligent Logistics Systems Lab. Dr. Winkenbach ist promovierter Wirtschaftswissenschaftler und hat an der WHU – Otto Beisheim School of Management in Vallendar sowohl studiert als auch promoviert. Zudem verschlug es ihn schon während des Studiums und der Promotion ins Ausland. So verbrachte er mehrere Auslandssemester an der HEC Montréal, der New York University, sowie am MIT. Nach einem kurzen Umweg über die Industrie kehrte er 2015 ans MIT zurück und beschäftigt sich seither mit seinem Team aus Studenten, Studentinnen, Forschern und Forscherinnen verschiedener Fachbereiche mit quantitativen Methoden zur Analyse, Steuerung und Optimierung komplexer Systeme im Bereich Logistik, Warentransport und Mobilität. Die Arbeit seines Teams wird von zahlreichen Forschungspartnern unterstützt, darunter Unternehmen wie UPS, Amazon, IBM oder Adidas sowie Organisationen wie Weltbank oder US-Verkehrsministerium. Geboren und aufgewachsen ist Dr. Matthias Winkenbach in der Nähe von Montabaur im schönen Westerwald. Heute lebt er mit seiner Frau in Cambridge, Massachusetts, sowie in Köln.

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Magnetfeldgesteuerte Neurotechnologie durch fortschrittliche magnetische Nanomaterialien
Der Vortrag wird auf Englisch gehalten

Die Materialwissenschaft spielt eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung magnetischer Felder in verschiedene neuronale Manipulationsmechanismen mithilfe von Nanomaterialien. Magnetische Materialien sind im Bereich der Neuromodulation besonders interessant, denn sie ermöglichen eine drahtlose Interaktion mit externen Magnetfeldern ohne räumliche Einschränkungen, da Magnetfelder für biologisches Gewebe transparent sind. Eine Anwendung magnetischer Nanopartikel ist die hysteresegesteuerte Erwärmung in hochfrequenten alternierenden Magnetfeldern (MFs), wodurch eine präzise Modulation der neuronalen Aktivität im tiefen Gehirn durch Aktivierung chemosensorischer Ionenkanäle möglich ist. Neuartige anisotrope Magnetit-Nanomaterialien, z.B. Magnetit-Nanodiscs, haben die Fähigkeit, Drehmomente im Piconewtonbereich zu erzeugen, wodurch die selektive Aktivierung von Mechanorezeptoren in Nervengeweben erleichtert wird. Und schließlich ermöglicht die Integration von anisotropem Magnetit als ferromagnetische Kerne in 1D- und 3D-Einbettungen eine effiziente Umwandlung von Magnetfeldern in elektrische Potentiale und eröffnet somit Möglichkeiten für eine drahtlose elektrische Neuromodulation. Eine sorgfältige Oberflächentechnik lässt darüber hinaus gezielte Interaktionen mit neurobiologischen Systemen zu. In Kombination mit innovativem Materialdesign führt dies zu Fortschritten, die vielversprechend für die Revolutionierung neuronaler Schnittstellen und Neurostimulationsinstrumente sind und somit weniger invasive und präzisere Eingriffe ermöglichen.

Zur Person
Nach ihrem MSc-Abschluss in angewandter Chemie an der Universität Zagreb (Kroatien) begann Danijela Gregurec 2011 ihre Promotion am Biomaterialien-Forschungszentrum biomaGUNE (Spanien) bei Dr. Moya. Ihr Hauptaugenmerk lag auf der Gestaltung biokompatibler und bioresponsiver anorganischer Grenzflächen, die der extrazellulären Matrix ähneln. Sie verwendete diese Materialien, um zu untersuchen, wie chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften der Materialien die Interaktionen mit Zellen beeinflussen. Einige ihrer Ansätze beinhalteten die kontrollierte Freisetzung bioaktiver Ionen von polymeren Oberflächen und die Nutzung bioinspirierter Substratbeschichtungen. Diese Systeme ermöglichten mechanistische Studien von Zell-Oberflächen-Interaktionen und die Bestimmung von Komponenten, die die Zell-Substrat-Interaktionen fördern.

Im Jahr 2014 besuchte sie als Marie-Curie-Stipendiatin das Labor von Prof. Azzaroni am INIFTA (Argentinien), um elektrochemische Charakterisierungsmethoden in Studien von Biopolymerbeschichtungen zu verwenden, die in der Gewebetechnik eingesetzt werden. Später im selben Jahr wurde sie an das ZIK HIKE (Deutschland) eingeladen, um mit Prof. Delcea die nanomechanischen Eigenschaften von titanhaltigen Implantatoberflächen mittels Rasterkraftspektroskopie zu untersuchen.

2016 trat sie der Bioelectronics Group von Prof. Anikeeva am MIT (USA) bei, um ihrer Faszination für Neurobiologie nachzugehen. Ihre Arbeit konzentrierte sich darauf, biomaterialtechnische Methoden anzuwenden, um die Interaktionen mit dem Nervensystem zu untersuchen und zu modulieren. Ihr Lieblingsprojekt war die Entwicklung einer magnetomechanischen Neuromodulationstechnologie, die eine nicht-genetische Kontrolle der neuronalen Signalübertragung im peripheren Nervensystem ermöglicht. Diese Technologie erlaubt die drahtlose Aktivierung mechanosensibler Zellen durch Nutzung der von magnetischen Nanodischen (MND) ausgeübten Kraft (Drehmoment), die gezielt auf die mechanosensitiven Ionenkanäle ausgerichtet sind.

Seit 2020 ist Danijela Gregurec Assistenzprofessorin für Sensorik (Tenure Track) an der Fakultät für Naturwissenschaften, Fachbereich Chemie und Pharmazie, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), wo sie das Biointerfaces-Labor leitet.

Zentrum für Telematik, Würzburg

Abenteuer Weltraum mit Kleinstsatelliten erleben

Die schrecklichen Umstände in der Ukraine und im Iran haben uns gegenwärtig sehr bewusst gemacht, wie wichtig Satellitennetze für einen ungestörten Informationsfluss sind. Die erst in den letzten Jahren aufgebauten Kleinsatellitennetze in niedrigen Erdumlaufbahnen spielen hier eine wichtige Rolle für innovative Anwendungen in Erdbeobachtung und Telekommunikation, die in Zukunft auch unseren Alltag – ähnlich wie heute schon das Navi – prägen werden.
In der Wissenschaft liefern Sensornetze aus Kleinst-Satelliten auch für die Verbesserung von Klimavorhersagen Schlüsselinformation durch verteilte Beobachtungsprinzipien. Bei der gerade am ZfT in Würzburg realisierten „CloudCT“-Mission charakterisieren beispielsweise 10 kooperierende Kleinst-Satelliten durch Computertomographie-Methoden das Innere der Wolken und ermöglichen so verbesserte Klima-Prognosen. Es wird in weiteren Beispielen von gerade in Würzburg realisierten Satelliten das enorm breite Anwendungsspektrum von Kleinsatellitennetzen illustriert, das von der Quantenschlüsselverteilung für abhörsichere Kommunikation bis zur Verfolgung von Aschewolken nach Vulkanausbrüchen reicht.

Zur Person
Klaus Schilling war schon als Schüler an Wissenschaft interessiert und kam bei „Jugend forscht“ dreimal im Landeswettbewerb Bayern auf den 2. Platz, bevor er dann 1976 Bundessieger wurde. Nach dem Studium von Mathematik, Physik und Biologie war er in der Raumfahrtindustrie verantwortlich an der Realisierung interplanetarer Raumsonden (wie HUYGENS zum Saturn-Mond Titan, ROSETTA zur Erforschung der Kometen, Mars Rover MIDD) beteiligt. 2003 wurde er zum Ordinarius für Robotik und Telematik an der Universität Würzburg berufen. Parallel ist er Vorstand des unabhängigen Forschungsinstituts „Zentrum für Telematik“. Aktuelle Forschungsschwerpunkte betreffen Kleinst-Satelliten, sowie fortgeschrittene Automatisierungstechnik und Robotik. Sein Team baute 2005 den ersten deutschen Pico-Satelliten UWE-1 (im Deutschen Museum München ausgestellt). Seine Raumfahrtschwerpunkte liegen bei Formationen von Kleinst-Satelliten zur Erdbeobachtung und bei der Telekommunikation im „Internet of Space“.

Er war als Consulting Professor 2002-2006 an der Stanford University tätig, ist Mitglied in der International Academy of Astronautics (IAA) und erhielt zahlreiche internationale Preise, darunter 2012 den ERC Advanced Grant „NetSat“ , 2018 der ERC Synergy Grant „CloudCT“, 2021 die Eugen-Sänger-Medaille der DGLR, 2023 die Frank-J.-Malina Medal der IAF verliehen. 2022 wurde er mit dem Bayerischen Verfassungsorden ausgezeichnet.

¹ Universität des Saarlandes
² Universität des Saarlandes

Epigenetik im Kontext von Gesundheit und Erkrankungen

Alle Lebensprozesse sind im Genom und damit dem Code des Lebens festgeschrieben. Die genaue Steuerung des Genoms und der vielen darin kodierten Gene wird jedoch im Verlauf der Entwicklung reguliert. Die Erforschung dieser komplexen Regulation, d.h. wie in Milliarden von Zellen Gene bedarfsgerecht und zellgenau gesteuert – d.h. an- oder ausgeschaltet – werden, ist Gegenstand der epigenetischen Forschung. Der/die EpigenetikerIn entschlüsselt dabei, wie die Verpackungsstruktur der DNA in Chromosomen in einzelnen Zellen angepasst wird. Er/sie liest mit Hilfe neuer hochauflösender Sequenzier-Methoden diesen epigenetischen Code „überhalb“ der DNA aus und kann so Einblicke in die molekulare Steuerung der Gene in allen Zellen des Körpers erhalten. Diese Analysen zeigen nicht nur, wie korrekte Muster in Zellen aussehen, sondern auch, wie, wo und wann diese epigenetischen Muster verändert sind. Viele Forschungsergebnisse deuten an, dass Erkrankungen wie Krebs, aber auch andere komplexe Erkrankungen sowie Prozesse des Alterns durch epigenetische Musterveränderungen beeinflusst werden und diese teilweise ursächlich zur Erkrankung beitragen können.

Epigenetische Forschung ist daher in den vergangenen Jahren in das Zentrum der medizinischen Forschung gerückt, u.a. um ein besseres molekulares Verständnis und eine bessere Diagnose von Erkrankungen zu ermöglichen. Da epigenetische Muster auch wieder korrigierbar sind, bietet die Forschung zudem neue Möglichkeiten therapeutische Ansätze zu entwickeln.

In unserem zweigeteilten Vortrag werden wir kurz die Grundlagen der Epigenetik streifen und Einblicke in die Vermessung und Interpretation epigenetischer Muster bieten. Darüber hinaus werden wir die Bedeutung der medizinischen Epigenetik beleuchten und auf die Nutzung der Epigenetik für die Erforschung und für die Verbesserung von Früherkennung und Therapie neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson eingehen.

Zur den Personen
Julia Schulze-Hentrich studierte Biologie sowie Biologie/Chemie für das Lehramt an Gymnasien an den Universitäten Göttingen und Jena und verbrachte ein Forschungsjahr an der University of California, Berkeley. 2010 promovierte sie im Genetics Graduate Program der University of British Columbia, Vancouver. Seit 2011 war Frau Schulze-Hentrich zunächst PostDoc und leitete dann die Arbeitsgruppe „Epigenetik neurodegenerativer Erkrankungen” am Institut für Medizinische Genetik am Universitätsklinikum Tübingen. Seit 2023 ist sie Professorin am Lehrstuhl für Genetik/Epigenetik an der Universität des Saarlandes.

Jörn Erik Walter studierte Biologie in Darmstadt und Berlin, wo er 1987 an der Freien Universität sein Diplom erhielt und 1990 promovierte. Er war Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin, habilitierte 1999 an der Humboldt-Universität und war seit 2000 Uni-Prof. an der Universität des Saarlandes. Seit 2024 ist er hier Senior-Professor für Genetik/Epigenetik. Jörn Walter ist Co-Sprecher des Internationalen Humanen Epigenom Programs (IHEC), Mitglied der Academia Europaea, Mitgründer der Epigenomics AG, Berlin und stellv. Sprecher der AG Gentechnologiebericht am BIH, Berlin.

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge (USA)

Das Universum im Computer

Die Bildung kosmischer Strukturen ist ein zentrales Phänomen in der Kosmologie, das die Entstehung und Entwicklung des Universums prägt. Dieser Prozess beschreibt, wie Galaxien und andere Strukturen im Universum entstehen, hauptsächlich durch die Schwerkraftwirkung auf anfänglich gleichmäßig verteilte Materie nach dem Urknall. Dichte Regionen ziehen Materie an, Gaswolken kollabieren und bilden Galaxien, während größere Strukturen wie Galaxienhaufen und Superhaufen durch die Verschmelzung von Galaxien entstehen. Kosmologische Simulationen modellieren diese Prozesse, verbessern unser Verständnis der Galaxienentwicklung und liefern wichtige Einblicke in die Kosmologie.

Der Vortrag bietet einen Einblick in die Welt der kosmologischen Simulationen, die es ermöglichen, komplexe Phänomene im Universum zu verstehen. Beginnend mit den Grundlagen der Kosmologie werden numerische Methoden diskutiert, die die Entwicklung von Galaxien, Dunkler Materie und großen Strukturen modellieren. Es werden auch die Herausforderungen und Grenzen dieser Simulationen beleuchtet und wie Fortschritte in Rechenleistung und Simulationstechnik die Beantwortung fundamentaler Fragen der Kosmologie voranbringen.

Zur Person
Professor Vogelsberger wuchs in Deutschland auf und erhielt sein Physik-Diplom von der Universität Mainz sowie seinen Doktortitel von der Universität München und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik im Jahr 2010. 2009 wurde er mit dem Rudolf-Kippenhahn-Preis für seine Doktorarbeit ausgezeichnet. Von 2009 bis 2012 war er Postdoktorand am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und von 2012 bis 2013 Hubble-Stipendiat. 2013 trat Dr. Vogelsberger der Physik-Fakultät des MIT bei. 2016 erhielt er ein Alfred-P.-Sloan-Stipendium in Physik und 2020 den Buchalter Kosmologie-Preis. Ende 2023 wurde ihm eine LOEWE-Spitzen-Professur an der Philipps-Universität Marburg zuerkannt.