Archiv für den Monat Januar 2011

Das Nervensystem als dreidimensionale Landkarte

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Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 26.01.2011

Freiburger Forscherteam erstellt erste vollständige Karte spezieller Verbindungen von Nervenzellen im Zebrafisch – Veröffentlichung in „Nature Communications“

Die Organisation einer Stadt wäre ohne die Kenntnis des Verlaufs aller Straßen schwer zu verstehen. Wissenschaftler stehen vor dem gleichen Problem, wenn sie die Funktion des Gehirns erfassen wollen. Für Wirbeltiere ist bisher nur bruchstückhaft bekannt, welche Nervenzellen ihre Verbindungen, so genannte Axone, in bestimmte Hirnregionen senden. Besonders zum Verständnis der Funktion von Nervengruppen im Gehirn, die in weit entfernte Regionen Axone aussenden und dort die Aktivität der Schaltkreise modulieren, ist es wichtig, die Verbindungen zu kennen. Dazu gehören Nervenzellen, die das kleine Molekül Dopamin als Botenstoff verwenden – diese Nervenzellen steuern viele Verhaltensweisen. In der Parkinson’schen Krankheit sterben eben diese Neurone ab, die in der Medizin eine wichtige Rolle spielen.
 
Neurobiologen der Universität Freiburg um Prof. Dr. Wolfgang Driever von der Biologie haben in Zusammenarbeit mit Dr. Olaf Ronneberger aus der Informatik und Dr. Roland Nitschke aus dem Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) der Universität nun zum ersten Mal für ein Wirbeltier eine vollständige Karte aller Axone, die Dopamin als Botenstoff verwenden, in dem Modell Zebrafisch erstellt. Die Daten zeigen für eine medizinisch wichtige Klasse von Botenstoffen im Nervensystem alle Projektionsmöglichkeiten, das “Projektom”, jeder Nervenzelle auf. Die Forschung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) und BIOSS, Centre for Biological Signalling Studies. Die Ergebnisse wurden am 25. Januar 2011 in der neu aufgelegten Fachzeitschrift „Nature Communications“ der renommierten Nature Publishing Group veröffentlicht.
 
Die Darstellung der dreidimensionalen Projektomkarte im Zusammenhang des intakten Gehirns des Zebrafisches wurde durch die Kombination der selektiven genetischen Markierung einzelner Nervenzellen mit hoch auflösender Mikroskopie am ZBSA ermöglicht. Die neue Karte zeigt wichtige Informationen zur möglichen Funktion des Gehirns. So zeigt sie, dass dopaminerge Neurone des Zwischenhirns in bisher ungeahnter Weise weit entfernte Hirnregionen verbinden, die verantwortlich sind für höhere Gehirnfunktionen im Telencephalon, Kontrolle der Physiologie im Hypothalamus, Bewegungssteuerung im Hinterhirn, und Bewegungsausführung im Rückenmark. Diese Neurone können an der Umschaltung von Grundverhalten nach Stress beteiligt sein: aktive Reaktionen wie Kampf und Flucht oder passive Reaktionen wie Erstarrung. In der gleichen Arbeit wird ein neues dopaminerges System in einem anderen Bereich des Zebrafisch-Gehirns, dem Striatum, beschrieben, das das von dem Verlust dopaminerger Verbindungen bei Parkinson-Patienten besonders betroffen ist. Dieses System kompensiert dort möglicherweise die in Fischen geringere Zahl einwachsender dopaminerger Neurone. In Verbindung mit weiteren neurobiologischen Untersuchungen eröffnet die “Projektom” Karte ein neues Verständnis von Schaltkreisen im Fischgehirn als einfachem Wirbeltier.
 
Titel der Originalveröffentlichung:
Tuan Leng Tay, Olaf Ronneberger, Soojin Ryu, Roland Nitschke, and Wolfgang Driever. (2011) Comprehensive catecholaminergic projectome analysis reveals single neuron integration of zebrafish ascending and descending dopaminergic systems. Nature Communications 25 January 2011 (doi: 10.1038/ncomms1171)

Externer Link: www.uni-freiburg.de

Magnetische Atome unter der atomaren Lupe

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Presseinformation der Universität Göttingen vom 24.01.2011

„Kondo-Effekt“: Göttinger Physiker untersuchen Wechselwirkung von Elektronen

(pug) Die physikalischen Eigenschaften aller Materialien, insbesondere der magnetischen, werden maßgeblich durch die komplexen Wechselwirkungen von Elektronen untereinander bestimmt. Das einfachste System, in dem sich solche Eigenschaften beobachten lassen, sind einzelne magnetische Atome in einem Metall. Hier kann unterhalb einer bestimmten Temperatur der sogenannte Kondo-Effekt auftreten, der das Verhalten der Elektronen zueinander verändert. Wissenschaftlern der Universität Göttingen ist nun mit einer neuen Methode ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis dieses Phänomens gelungen. Die Untersuchungen fanden am IV. Physikalischen Institut und am Institut für Theoretische Physik im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 602 „Komplexe Strukturen in kondensierter Materie“ statt. Die Ergebnisse sind in der Online-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics erschienen.

Die Göttinger Wissenschaftler verwendeten bei ihren Untersuchungen Kobalt- und Eisenatome, die sie mehrere atomare Lagen tief unter einer Kupferoberfläche vergruben. Prallen die Elektronen auf ein Fremdatom, werden sie von diesem gestreut. Dadurch entsteht ein sogenanntes stehendes Wellenmuster, das die Forscher mit Hilfe des in Göttingen entwickelten Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops sichtbar machen konnten. „Das Rastertunnelmikroskop wurde bislang nur zur Analyse von Oberflächen genutzt. Wir haben erstmals damit ein Kondosystem unterhalb einer Oberfläche untersucht“, erläutert Dr. Martin Wenderoth vom IV. Physikalischen Institut.

Die Göttinger Wissenschaftler analysierten in ihrer jetzigen Studie die Streuung durch einzelne Atome. Bei zukünftigen Versuchen wollen sie die Anzahl der Atome schrittweise erhöhen und mit dieser Methode deren Wechselwirkungen und die daraus entstehenden Wellenmuster untersuchen. „Wir erhoffen uns davon eine neue Möglichkeit zur Charakterisierung von Nanostrukturen“, so Dr. Wenderoth.

Originalveröffentlichung:
Henning Prüser et al. Long-range Kondo signature of a single magnetic impurity. Nature Physics. DOI: 10.1038/NPHYS1876 (2011).

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Digitales Verfallsdatum lässt Jugendsünden aus dem Internet verschwinden

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 24.01.2011

Für Jugendliche ist heute das Profil im sozialen Netzwerk selbstverständlich. Doch nur die wenigsten haben im Blick, dass ein Personalchef noch Jahre später auf peinliche Partyfotos stoßen kann, weil diese im Langzeitgedächtnis des Internets gespeichert sind. Saarbrücker Informatiker haben deshalb ein digitales Verfallsdatum entwickelt, das erstmals die Möglichkeit eröffnet, Jugendsünden aus dem Netz verschwinden zu lassen. Mit der neuen Software, die jetzt im Internet erhältlich ist, kann jeder seine Bilder vor dem Hochladen mit einem Verfallsdatum versehen. Bisher konnte man Privatfotos im Internet nicht löschen, weil sie von Suchmaschinen automatisch erfasst und doppelt und dreifach gesichert wurden.

Die sozialen Netzwerke wie Facebook und StudiVZ leben davon, dass Millionen Nutzer ihre privaten Neuigkeiten und Fotos untereinander austauschen. Wer aber seine persönlichen Bilder über diese Webseiten lädt, muss damit rechnen, dass sie auch noch viele Jahre später im Internet zu finden sein werden. „Wir haben daher nach Möglichkeiten gesucht, wie man die Vorzüge der sozialen Netzwerke nutzen kann und dennoch die Kontrolle über seine persönlichen Daten behält“, sagt Michael Backes, Professor für Informationssicherheit und Kryptographie der Universität des Saarlandes. Damit seine Forschungsergebnisse auch dem Endnutzer zugute kommen, hat der Wissenschaftler vor einigen Monaten eine Firma aus der Universität ausgegründet. Ein Team von jungen Informatikern hat dort eine Technik entwickelt, mit der man Informationen im Internet mit Verfallsdatum versehen kann. „Wir haben uns zuerst auf Fotos konzentriert, die man jetzt nach Ablauf des eingegebenen Verfallsdatums nicht mehr ansehen kann. Künftig wird man das Verfahren auch für Dokumente, etwa pdf-Dateien, oder ganze Webseiten einsetzen können“, nennt Backes sein Ziel.

Für soziale Netze wie Facebook, Flickr und Wer-kennt-wen wurde der Schutz bereits getestet und kann jetzt über ein Zusatzprogramm (Plug-in) im Firefox-Browser angewendet werden. „Die Fotos werden beim Hochladen ins Internet verschlüsselt und über ein einfaches Menü mit einem Verfallsdatum versehen. Den Schlüssel, den man zum Lesen der Daten benötigt, legen wir auf mehreren Servern ab“, erklärt Michael Backes. Diese Sicherheitsserver werden von Internet-Dienstleistern betrieben, die den Schlüsselcode nur preisgeben, wenn er zu den anderen Schlüsseln passt. „Diese Abfrage geschieht vollautomatisch im Hintergrund, ohne dass der Benutzer etwas merkt“, sagt Backes. Sobald das Verfallsdatum erreicht ist, löscht der Sicherheitsserver den Schlüssel. Das eingestellte Foto kann dann im Internet nicht mehr angesehen werden. „Für die sozialen Netzwerke mussten wir ein extra Verfahren entwickeln, da die Fotos dort beim Hochladen komprimiert werden. Dies hätte die Verschlüsselung in der Bilddatei zerstört“, erklärt der Informatikforscher.

Nach Meinung von Michael Backes liefern diese Sicherheitsvorkehrungen für fast alle Anwender eine ausreichende Kontrolle. Sie sollen vor allem für die großen Suchmaschinen wie Google oder Yahoo die Hürde hoch setzen, damit diese nicht alle Daten vollautomatisch speichern können. „Für Internetnutzer, die ganz auf Nummer sicher gehen möchten, haben wir eine weitere Sicherheitsstufe in das System eingebaut. Dafür werden so genannte Captchas verwendet, das sind diese schwierig zu erkennenden Buchstabenfolgen, die jeder vom Online-Banking kennt. Sie können nur manuell eingegeben werden, so dass sie von Suchmaschinen nur mit einem hohen kommerziellen Aufwand entziffert werden könnten“, meint der Informatik-Forscher.

Die aus einem Forschungsprojekt entstandene Technologie zum digitalen Verfallsdatum wird jetzt als Software namens „x-pire!“ vermarktet. In die gleichnamige Firma stieg vor kurzem die Saarbrücker Scheer Group GmbH als Teilhaber ein. Das Plugin, das man benötigt, um die mit einem Verfallsdatum versehenen Fotos anzuschauen, ist weiterhin kostenlos erhältlich. Wer die Software nutzen will, um seine Bilder mit einem digitalen Verfallsdatum zu versehen, zahlt pro Monat rund zwei Euro.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Wenn der Computer mit dem Menschen spricht …

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Medieninformation der TU Berlin vom 21.01.2011

… kommt es gelegentlich zum Kommunikationschaos.

Forscher präsentieren eine Methode, Sprachdialogsysteme automatisiert zu testen. Damit können kundenfreundlichere Telefonportale entwickelt werden.

Fast jeder kennt es: Man ruft bei seiner Versicherung, Bank oder Telefongesellschaft an und wird von der freundlichen Stimme eines Computers gebeten, sein Anliegen zu schildern. Dabei kann es vorkommen, dass man vom Computer nicht verstanden wird oder die Gespräche unnötig lange dauern, weil man nicht weiß, welche Antworten der Computer erwartet. Schlimmstenfalls landet man in einer Sackgasse, weil der Dialogverlauf im Vorfeld nicht ausreichend getestet wurde.

Forscher des Quality and Usability Lab (QU Lab) der TU Berlin/Deutsche Telekom Laboratories und des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) präsentieren nun im Rahmen des Projektes „SpeechEval” einen Ansatz, Sprachdialogsysteme automatisiert zu testen. In den letzten zweieinhalb Jahren haben die Forscher am Quality and Usability Lab und am DFKI das Verhalten realer Nutzer auf Basis der Daten von weit über 100 verschiedenen Systemen analysiert und automatische Lernverfahren damit trainiert. Ergebnis dieser Arbeiten ist die „SpeechEval“-Workbench. Mit ihr lassen sich beliebig viele realistische Dialoge erzeugen, um Systeme bereits in der Entwicklung nutzerfreundlicher zu gestalten.

Die automatisch generierten Dialoge können die Entwickler auf Unzulänglichkeiten im Dialogverlauf hinweisen, etwa auf zu lange Abfragen oder ein zu geringes Vokabular des Spracherkenners. Dabei ist die Technik, die hinter „SpeechEval“ steht, im Grunde selbst ein Dialogsystem: Die Nutzersimulation bekommt eine Aufgabe gestellt, die erfüllt werden soll, beispielsweise das Abfragen eines Kontostandes. Die Simulation erkennt die Aussagen des zu testenden Dialogsystems und generiert eine Antwort auf Basis des gelernten realen Nutzerverhaltens.

„Die Erkenntnisse, die wir in ‚SpeechEval‘ gesammelt haben, helfen nicht nur der Industrie, bei der Entwicklung von telefonischen Kundenportalen Geld zu sparen, sie helfen auch, auf die Bedürfnisse von Nutzern dieser Systeme besser einzugehen und in kundenfreundlichere Systeme umzusetzen”, kommentiert der Projektleiter Professor Sebastian Möller. „Ein nächster Schritt wird sein, diese Erkenntnisse beispielsweise für mobile Sprachsteuerung, wie wir sie immer mehr auf Smartphones sehen werden, zu übertragen.”

Das Projekt wird vom Europäischen Fond für regionale Entwicklung (EFRE) durch die Investitionsbank Berlin (IBB) gefördert. (sn)

Externer Link: www.tu-berlin.de

Radiometer spürt Brandherde auf

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Januar 2011

Waldbrände breiten sich meist rasend schnell und unkontrolliert aus. Feuer mit starker Rauchentwicklung fordern die Einsatzkräfte besonders heraus, denn die Brandherde lassen sich nur schwer ausfindig machen. Ein neuer radiometrischer Sensor lokalisiert die Ausbruchsstellen selbst bei eingeschränkter Sicht.

Die Anzahl und das Ausmaß von Waldbränden hat in den vergangenen Jahrzehnten drastisch zugenommen. Unvergessen sind Fernsehbilder von Flammeninfernos, die im Sommer in Russland, Australien und Kalifornien kilometerweit Flächen verwüsteten. Auch in Deutschland sind viele Regionen aufgrund des Klimawandels betroffen – Brandenburg etwa gehört zu den stark gefährdeten Gebieten in Europa.

Oftmals lassen sich die Feuer nur aus der Luft eindämmen. Um Brandherde gezielt bekämpfen zu können, müssen Löschflugzeuge präzise eingewiesen werden. Ein erprobtes Hilfsmittel hierfür sind Infrarot-Kameras (IR), da Feuer im Infrarotbereich am intensivsten strahlt. Die IR-Kameras messen die Wärmestrahlung und können so Brandherde lokalisieren. Zudem liefern sie hochaufgelöste Bilder. Allerdings können diese Bildaufnehmer Ausbruchsstellen nicht bei starker Rauchentwicklung finden, da Infrarotstrahlen durch Partikel von Staub und Rauch zu stark gedämpft werden.

Eine Lösung des Problems kennen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in Wachtberg. Sie haben ein Radiometer entwickelt, das Brände auch bei eingeschränkter Sicht überwachen kann: Der radiometrische Sensor arbeitet im Mikrowellenbereich zwischen 8 und 40 GHz. Bei diesen niedrigen Frequenzen fällt die Streuung der Strahlen an Staubpartikeln deutlich geringer aus als bei den hohen IR-Frequenzen. »Bei unseren Testmessungen bei 22 GHz war die Dämpfung zu vernachlässigen. Partikel aus Staub und Rauch sind im Mikrowellenbereich quasi transparent. Dennoch ist die Strahlungsleistung ausreichend hoch, um Brandnester zu erkennen. Aus einer Höhe von 100 Metern konnten wir bei eingeschränkten Sichtverhältnissen ein Feuer mit einer Fläche von fünf mal fünf Metern detektieren«, sagt Dipl.-Ing. Nora von Wahl, Wissenschaftlerin am FHR. Für die Testflüge montierten die Forscherin und ihr Team den Mikrowellensensor an der Unterseite eines unbemannten Luftschiffs der FernUniversität Hagen. »Bestandteil des Radiometers sind neben der Sensorik eine Kalibrierungseinheit, eine planare Gruppenantenne und Software, um Daten aufzuzeichnen und zu visualisieren«, sagt die Expertin. Die Auflösung des Systems wird durch den Öffnungswinkel der Antenne bestimmt und hängt somit von Antennengröße, Frequenz und Entfernung zum Boden ab. Bei einer Antennengröße von 20 Zentimeter Kantenlänge, einer Frequenz von 22 GHz und in einer Höhe von 30 Metern löste das Radiometer 2,6 Meter große quadratische Zellen auf. »Zwar erreichen wir mit dem Radiometer nicht die Detailgenauigkeit von Infrarot-Kameras. Wir vergrößern die Antenne und können dadurch die Auflösung erhöhen«, sagt die Forscherin. Mit dem radiometrischen Sensor sind die Wissenschaftler sogar in der Lage, Brandnester durch Blattwerk hindurch zu bestimmen. Und: »Nach einem Waldbrand entfachen sich oft neue Feuer unter der Erde. Um diese zu entdecken, haben Feuerwehrleute den Boden bisher mit Haken per Hand umgegraben. Unser Radiometer kann Ausbruchsstellen unter der obersten Erdschicht erkennen«, erklärt Nora von Wahl. Das System lasse sich hauptsächlich beim Brandschutz mit Löschflugzeugen einsetzen. Denkbar sei auch, mit dem Radiometer Industrieanlagen zu überwachen, etwa um Schwelbrände in Müllverbrennungsanlagen frühzeitig zu orten.

Das 105 mal 150 mal 73 Millimeter große Radiometer liegt als Prototyp vor. Ziel der Wissenschaftler ist es, das Gerät noch kleiner zu konstruieren. Auch die Antenne wollen die Ingenieure optimieren. Künftige Modelle sollen sich zudem durch ihre chipbasierte Bauweise auszeichnen.

Externer Link: www.fraunhofer.de