Archiv des Monats: Januar 2010

Göttinger Wissenschaftler entwickeln autonomen Laufroboter

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Pressemitteilung der Universität Göttingen vom 18.01.2010

Winziges Netzwerk ermöglicht flexiblen Wechsel von Gangarten

(pug) Insekten können mit ihren sechs Beinen ganz unterschiedliche Bewegungsmuster ausführen. Je nachdem, ob sie langsam oder schnell krabbeln oder ein Hindernis überwinden müssen, nutzen sie verschiedene Gangarten. Wissenschaftler aus Göttingen haben nun einen Roboter entwickelt, der ebenfalls je nach Umgebung flexibel zwischen mehreren Gangarten hin- und herschalten kann. Das Neue daran: Diese unterschiedlichen Bewegungen werden von einem einzigen Verschaltungsnetzwerk mit nur wenigen Verknüpfungen erzeugt. Ziel der Forscher ist es, einen selbstständigen Roboter zu bauen, der unabhängig von direkter menschlicher Kontrolle funktioniert. Entwickelt wurde der Laufroboter von Wissenschaftlern der Universität Göttingen, des Bernstein Zentrums für Computational Neuroscience und des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation. Vorgestellt wird die neue Technik am 17. Januar 2010 in der Online-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“.

Bei Mensch und Tier werden immer wiederkehrende Bewegungen wie Laufen oder Atmen von kleinen neuronalen Einheiten gesteuert, so genannten CPGs (central pattern generators). Dieses Prinzip haben sich die Wissenschaftler auch bei der Entwicklung von Laufrobotern zu Nutze gemacht. Doch bisher war für jede Gangart eines Roboters – zum Beispiel langsames Schreiten, Laufen oder Treppen steigen – ein eigener CPG, also ein eigener Kontrollmechanismus notwendig. Der Roboter erhielt über verschiedene Sensoren Informationen über seine Umwelt und wählte dann den CPG aus, der für die entsprechende Gangart zuständig war.

Das Besondere an dem Roboter der Göttinger Wissenschaftler ist, dass er mit nur einem einzigen CPG auskommt. Dadurch kann der Roboter einfacher und schneller Dinge selbst erlernen, da er nur eine Schaltstelle hat, an der Informationen koordiniert werden. Beispiel: Der Roboter soll mit möglichst geringem Energieaufwand eine Steigung überwinden. Sobald er mit dem Klettern beginnt, zeigt sein Stromsensor einen zu hohen Verbrauch an. Daraufhin variiert der Roboter die Verschaltung zwischen dem Stromsensor und dem CPG so lange, bis er eine Gangart gefunden hat, bei der er weniger Energie verbraucht. Der Roboter hat also den Zusammenhang zwischen Steigung und Bewegungsmuster erlernt und kann in Zukunft sofort die passende Gangart wählen.

Das alles funktioniert dank des neuartigen CPGs. Das Geheimnis seiner Funktionsweise liegt in der so genannten „Chaos-Kontrolle“. Ohne Kontrolle produziert der CPG ein chaotisches Aktivitätsmuster. Dieses lässt sich jedoch in ein immer wiederkehrendes Muster umwandeln, das den Gang des Roboters bestimmt. Je nach sensorischem Eingangssignal können dabei unterschiedliche Muster – und damit unterschiedliche Gangarten erzeugt werden – quasi aus „einer Hand“.

Künftig wollen die Göttinger Wissenschaftler den Laufroboter zusätzlich mit einem Speicherchip ausstatten. Dann könnte er eine Bewegung auch dann zu Ende ausführen, wenn er keinen sensorischen Input mehr bekommt. Soll der Roboter beispielsweise über ein Hindernis steigen, müsste er mit allen sechs Beinen nacheinander einen großen Schritt machen. „Damit ist er derzeit noch überfordert. Kaum ist das Hindernis aus seinem Blickfeld verschwunden, hat er vergessen, welches Gangmuster er gerade anwenden soll“, so Prof. Dr. Marc Timme vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. „Wenn der Roboter mit einem motorischen Gedächtnis ausgestattet ist, wird er seine Bewegungen vorausschauend planen können.“

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Erblicher Risikofaktor für Parkinson identifiziert

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Presseinformation der LMU München vom 11.01.2010

Genvariante wirkt sich auf Vitamin B6-Stoffwechsel aus

Ein internationales Team von Ärzten und Humangenetikern hat einen neuen genetischen Risikofaktor für Morbus Parkinson identifiziert. Beteiligt waren die Neurologische Klinik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, das Institut für Humangenetik des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München und die Mitochondrial Research Group der University of Newcastle upon Tyne, England. „Unsere Studie zeigt das Zusammenspiel von erblichen Faktoren und Umwelteinflüssen wie etwa Nahrungsgewohnheiten bei der Entstehung des Morbus Parkinson,“ erklärt der Erstautor der Studie, Dr. Matthias Elstner von der Neurologischen Klinik der LMU und dem Helmholtz Zentrum. Die genomweite Expressions- und Assoziationsstudie bestätigt zudem, dass Vitamin B6-Status und -Stoffwechsel einen weitreichenden Einfluss sowohl auf das Krankheitsrisiko wie auch die Therapie der Erkrankung haben. (Annals of Neurology, Dezember 2009)

Wissenschaftler der beiden Münchner Universitäten und des Helmholtz Zentrums München haben Nervenzellen im Gehirn daraufhin untersucht, welche Gene sich bei einer Parkinson-Erkrankung in ihrer Aktivität verändern. Die Gruppe fand unter anderem eine erhöhte Aktivität des Pyridoxalkinase-Gens. Anschließend verglichen die Forscher in einer internationalen Kooperation dieses Gen bei über 1.200 Parkinson-Patienten mit der Erbinformation von mehr als 2.800 gesunden Probanden. So konnte eine genetische Variante entdeckt werden, die das Risiko erhöht, an Parkinson zu erkranken. Möglicherweise führt sie zu einer veränderten Menge oder Aktivität des Enzyms Pyridoxalkinase (PDXK) im Gehirn. Dabei ist die verwendete Methode der Expressionsanalyse aus Einzelneuronen richtungweisend und eröffnet in Kombination mit der genetischen Assoziationsanalyse neue Möglichkeiten zur Analyse genetischer Risikofaktoren.

PDXK wandelt Vitamin B6 aus der Nahrung in die im Körper aktive Form um, welche die Voraussetzung zur Produktion des Signalstoffs Dopamin ist. Für die Erkrankung wird das beschleunigte Altern und Absterben von Nervenzellen verantwortlich gemacht, die den Botenstoff Dopamin herstellen. Die verminderte Synthese des Botenstoffs erklärt die meisten Symptome des Morbus Parkinson: Die langsam fortschreitende neurologische Erkrankung geht  mit Muskelstarre (Rigor), Muskelzittern (Tremor) und einer Verlangsamung der Bewegungen (Bradykinese) einher. Neben den Einschränkungen des täglichen Lebens durch diese Symptome kann eine verminderte Stabilität beim Aufrechthalten des Körpers (posturale Instabilität) zu gefährlichen Stürzen führen. Überdies können im Verlauf der Erkrankung Missempfindungen, sogenannte vegetative Störungen (z.B. Blasenstörung) sowie Depressionen und andere psychische Veränderungen auftreten.

„Unsere Studie zeigt das Zusammenspiel von erblichen Faktoren und Umwelteinflüssen wie zum Beispiel Nahrungsgewohnheiten bei der Entstehung des Morbus Parkinson,“ erklärt Elstner. „Obwohl diese Variante nur einen kleinen Beitrag zum Gesamtrisiko einer Parkinson-Erkrankung leistet, könnten unsere Ergebnisse die Entwicklung maßgeschneiderter Therapien unterstützen“ berichtet Dr. Holger Prokisch, Leiter der Arbeitsgruppe für Mitochondriale Erkrankungen am Helmholtz Zentrum München (HHZM) und der TU München.

Publikation:
„Single cell expression profiling of dopaminergic neurons combined with association analysis identifies pyridoxal kinase as Parkinson’s disease gene“
Elstner et.al.
Annals of Neurology, Dezember 2009
DOI: 10.1002/ana.21780

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Weltrekord auf dem Gebiet der Primfaktorzerlegung

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Pressemitteilung der Universität Bonn vom 07.01.2010

Internationales Forscherteam knackt 232-stellige Zahl

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Beteiligung der Universität Bonn hat eine 232-stellige Zahl in ihre Primfaktoren zerlegt. Für ihre Berechnung nutzten sie vernetzte Computer – ein einzelner handelsüblicher Rechner wäre knapp 2.000 Jahre beschäftigt gewesen. Viele Verfahren zur Verschlüsselung sensibler Daten beruhen auf der Schwierigkeit, große Zahlen zu zerlegen. Die Forscher gehen davon aus, dass viele heute noch gebräuchliche Schlüssel schon in einigen Jahren „knackbar“ sein dürften.

Die US-Forscher Ron Rivest, Adi Shamir und Leonard Adleman hatten 1977 das so genannte RSA-Verfahren zur Verschlüsselung von Daten entwickelt und später die Firma RSA Security gegründet. Ihre Technik steckt inzwischen in jedem Internet-Browser: Ein kleines Programm verschlüsselt dort beispielsweise Kreditkarten-Nummern so, dass ein böswilliger Lauscher mit ihnen nichts anfangen kann.

Der Code beruht auf der Schwierigkeit, Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen. Denn was bei „21 = 7 mal 3“ noch jeder Drittklässler problemlos schafft, wird bei genügend großen Zahlen fast unmöglich. Sichere Schlüssel sollten heute mindestens 1024 Bit groß sein. Anders gesagt: Als Binärzahl aus Nullen und Einsen geschrieben, hätten sie eine Länge von 1024 Ziffern.
 
Die jetzt geknackte Zahl trägt die nüchterne Bezeichnung RSA-768, das heißt, sie hat 768 Bit. In Dezimalschreibweise entspricht das 232 Stellen – das wären in dieser Pressemitteilung mehr als drei Zeilen. Damit handelt es sich um das größte Zahlenungetüm von allgemeiner Form, das bislang in seine Primfaktoren zerlegt wurde.

An dem Weltrekord waren neben der Uni Bonn das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnologie, das Centrum Wiskunde & Informatica in den Niederlanden, die schweizerische École polytechnique fédérale de Lausanne, das französische Institut national de recherche en informatique et en automatique sowie das japanische Nippon Telegraph and Telephone beteiligt. Die Berechnung lief verteilt auf zahlreichen Rechnern und beanspruchte insgesamt knapp 2000 Prozessor-Jahre. Die für den Rekord benutzte Software wurde zu erheblichen Teilen am Institut für Mathematik der Universität Bonn entwickelt. Das Bonner Institut für numerische Simulation stellte Hardware für diese Entwicklungsarbeiten sowie einen Teil der Rechenzeit für den aktuellen Rekord zur Verfügung.

„Die Zerlegung eines 1024-Bit-Schlüssels wäre um drei Größenordnungen schwieriger als das jetzt abgeschlossene Projekt und würde teilweise nichttriviale Modifikationen der vorhandenen Software erfordern“, erklärt Professor Dr. Jens Franke vom Institut für Mathematik der Uni Bonn. Dennoch werde der erste 1024-Bit-Schlüssel vermutlich noch vor Ende des Jahrzehnts geknackt. Gestützt wird diese Einschätzung durch die bisherigen Rekorde: 1999 fiel RSA-512, 2005 RSA-663 und nun RSA-768. Gängige Standards empfehlen übrigens, zur Gewährleistung eines langfristigen Sicherheitsniveaus nach Ende dieses Jahres keine 1024-Bit-Schlüssel mehr zu verwenden, sondern zu 2048-Bit-Schlüsseln überzugehen. (Frank Luerweg)

Externer Link: www.uni-bonn.de

Wo die Knochen verletzter Nervenzellen heilen

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 08.01.2010

Wichtig für die Regeneration: Die Stützstrukturen von Nervenzellen können direkt an einer Verletzungsstelle entstehen

Mikrotubuli sind kleine Proteinröhrchen, die Zellen ihre Struktur geben und ihr Wachstum sowie ihre Teilung ermöglichen. Bisher wurde angenommen, dass Mikrotubuli von dem Zentrosom, einem Zellorganell in der Nähe des Zellkerns, gebildet werden. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried und für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden konnten nun zeigen, dass ausgereifte Nervenzellen des Zentralen Nervensystems kein aktives Zentrosom mehr besitzen, und dass sich Mikrotubuli in diesen Zellen unabhängig vom Zentrosom neu bilden können. Die Ergebnisse widerlegen die Lehrmeinung zum Ursprung von Mikrotubuli. Zudem zeigen sie, dass ein essentieller Prozess zur Regeneration auch in ausgereiften Nervenzellen des Gehirns und Rückenmarks zur Verfügung steht. (Science, 8. Januar 2010)

Zellen sind die Bausteine aller Lebewesen. Angepasst an ihre sehr unterschiedlichen Aufgaben, gibt es eine Vielzahl verschiedener Zelltypen und Zellformen. Diese reichen von nahezu runden Hefezellen bis hin zu tausendfach verzweigten Nervenzellen. Ermöglicht werden diese verschiedenen Zellformen durch das Zellskelett, das den Zellen Stabilität und Struktur verleiht. Das Zellskelett besteht aus kleinen Proteinröhrchen, den Mikrotubuli, die je nach Bedarf verlängert oder verkürzt werden können. So kann eine Zelle wachsen oder zum Beispiel einen Fortsatz bilden und wieder zurückziehen. Doch auch die Zellteilung wäre durch die stabilisierenden und richtungsweisenden Mikrotubuli nicht möglich.

Nach der bisherigen Lehrbuchmeinung entstehen Mikrotubuli am Zentrosom, einer Struktur in der Nähe des Zellkerns, die auch als „Mikrotubuli Organisierendes Zentrum“ bezeichnet wird. Seine Rolle bei der Zellteilung und der Mikrotubuli-Entstehung macht das Zentrosom auch für Neurobiologen sehr interessant. Denn ausgereifte Nervenzellen können sich generell nicht mehr teilen und wachsen im Gehirn und Rückenmark nach einer Verletzung nicht mehr aus. Könnte dies daran liegen, dass das Zentrosom seine Funktion in diesen Nervenzellen verliert?

Dieser Frage gingen Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried zusammen mit ihren Kollegen vom Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und des Erasmus Medical Centers in Rotterdam auf den Grund. Wie die Forscher nun im Fachmagazin Science berichten, ist das Zentrosom in ausgereiften Nervenzellen tatsächlich inaktiv. Ohne aktives Zentrosom sollte die Teilung dieser Nervenzellen sehr schwer werden.

Nach diesem Fund lag die nächste Frage auf der Hand: Ist das inaktive Zentrosom auch ein Grund dafür, dass Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark nach einer Verletzung nicht mehr auswachsen? Erst vor Kurzem konnten die Martinsrieder Neurobiologen zeigen, dass die Mikrotubuli am Ende solch einer verletzte Nervenzelle völlig durcheinandergeraten. Neue Mikrotubuli müssten nach der gängigen Meinung vom Zentrosom „nachgeschoben“ werden, was natürlich bei einem inaktiven Zentrosom nicht möglich ist.

Um diese Frage zu klären, untersuchten die Max-Planck-Wissenschaftler aus Martinsried und Dresden anhand von Zellkulturen, wo Mikrotubuli in Nervenzellen entstehen. Dazu zerlegten sie die Proteinröhrchen zunächst in ihre Einzelteile und beobachteten dann ihren erneuten Aufbau in den Zellen. Wie erwartet entstanden die Mikrotubuli in jungen Nervenzellen vor allem am Zentrosom. Jedoch nicht ausschließlich: Einzelne Mikrotubuli bildeten sich auch an ganz anderen Stellen des Zellkörpers. „Die wirkliche Sensation zeigte sich aber erst, als wir ausgereifte Nervenzellen untersuchten“, berichtet Michael Stiess von seiner Arbeit. Denn auch in diesen Zellen entstanden neue Mikrotubuli – und zwar überall in der Zelle, nur nicht am Zentrosom.

Die Ergebnisse widerlegen die Lehrmeinung, dass Mikrotubuli vom Zentrosom aus gebildet werden. Das hat auch Konsequenzen für die Regeneration von Nervenzellen, denn anscheinend können Mikrotubuli direkt an einem verletzten Ausläufer einer Nervenzelle gebildet werden und müssen nicht erst aufwendig vom Zellkörper dorthin transportiert werden. Wichtig ist hier auch eine weitere Entdeckung der Wissenschaftler: Die vor Ort gebildeten Mikrotubuli reichen aus, um eine Nervenzelle auswachsen zu lassen. So wuchsen selbst junge Nervenzellen weiter, obwohl die Wissenschaftler ihre Zentrosome mit einem speziellen Laser entfernt hatten. „Somit sollte eine der Grundvoraussetzungen für die Regeneration von Nervenzellen auch im Gehirn und Rückenmark zur Verfügung zu stehen“, freut sich Frank Bradke, der Leiter der Studie. Nun gilt es herauszufinden, wie dieser Aufbau von Mikrotubuli und somit das Auswachsen verletzter Nervenzellen im lebenden Organismus angeregt werden kann. [SM]

Originalveröffentlichung:
Michael Stiess, Nicola Maghelli, Lukas C. Kapitein, Susana Gomis-Rüth, Michaela Wilsch-Bräuninger, Casper C. Hoogenraad, Iva M. Tolić-Nørrelykke, Frank Bradke
Axon Extension Occurs Independently of Centrosomal Microtubule Nucleation
Science, 8. Januar 2010

Externer Link: www.mpg.de

Drucksensoren, die nicht schwitzen

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Januar 2010

Mikroelektronische Chips, die Drücke messen, sind sehr empfindlich. Eine neue Technologie macht Drucksensoren jetzt robuster: Sie funktionieren auch noch bei Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius – damit eignen sie sich zum Beispiel auch für die Förderung von Erdöl.

Langsam fräst sich der Bohrkopf tief unter die Erde und arbeitet sich durch das Gestein. Dutzende von Sensoren messen dabei unter anderem den Druck und überprüfen die Porosität. Die Bedingungen dabei sind extrem: Neben Schlägen und Vibrationen müssen die Sensoren hohen Drücken und Temperaturen standhalten. Die Sensoren senden die Daten an die Oberfläche – für Geologen, die beispielsweise Erdölvorkommen suchen, eine große Hilfe.

Ein Problem: Die Drucksensoren halten im Schnitt nur Temperaturen von 80 bis 125 Grad Celsius aus – doch in großen Tiefen ist es oft wesentlich heißer. Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg schafft Abhilfe: Die Forscher haben ein Drucksensorsystem entwickelt, das auch bei 250 Grad Celsius noch voll funktionsfähig ist. »Die Drucksensoren bestehen aus zwei Komponenten, die sich auf einem mikroelektronischen Chip oder Wafer befinden«, erklärt Dr. Hoc Khiem Trieu, Abteilungsleiter am IMS. »Die erste Komponente ist der Sensor selbst, die zweite das EEPROM.« Dieser Baustein speichert alle gemessenen Werte sowie Daten für die Kalibrierung. Damit der Drucksensor auch unter extrem hohen Temperaturen funktioniert, haben die Entwickler den Wafer modifiziert. Normalerweise sind Wafer Scheiben aus monokristallinem Silizium. Doch in diesem Fall setzten die Wissenschaftler auf Siliziumoxid. »Die zusätzliche Oxidschicht sorgt für eine bessere Isolation«, sagt Trieu. »Sie verhindert Leckströme, die bei besonders hohen Temperaturen auftreten und dafür sorgen, dass herkömmliche Sensoren ab einer gewissen Temperatur versagen.« Durch die Oxidschicht konnten die Forscher die Isolation der Speicher um drei bis vier Größenordnungen verbessern. Theoretisch könnten die Drucksensoren auf diese Weise bis zu 350 Grad Celsius ertragen – praktisch nachgewiesen haben die Experten eine Stabilität bis zu 250 Grad, weitere Untersuchungen bei höheren Temperaturen sollen nun folgen. Zudem analysieren die Forscher die Prototypen der Drucksensoren in Langzeittests.

Das Anwendungsspektrum ist breit: Die Ingenieure wollen die Hoch-temperatur-Drucksensoren nicht nur in der Petrochemie, sondern auch in Automotoren einsetzen oder für die Geothermie nutzen.

Externer Link: www.fraunhofer.de