Doppelter Erfolg für die Uni Kiel und ihren Forschungsschwerpunkt KiNSIS

SFB 1261
„Biomagnetische Sensorik"

Seit 2016 erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Materialwissenschaft, Elektrotechnik und Medizin im SFB 1261 magnetfeldbasierte, hochempfindliche Diagnosemethoden, um Erkrankungen des Herzens und des Gehirns besser detektieren zu können. Als Ergänzung oder Alternative zu den herkömmlichen elektrischen Messverfahren wie Elektrokardiographie (EKG) oder Elektroenzephalographie (EEG) könnten magnetische Messungen eine deutlich bessere räumliche Auflösung ermöglichen, Langzeituntersuchungen erleichtern und damit perspektivisch zum Beispiel in der Epilepsie zu autonom reagierenden Implantatsystemen führen. Denn im Herz wie auch im Gehirn werden durch die elektrischen Ströme auch magnetische Felder erzeugt. Da das menschliche Körpergewebe eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit hat, kann es die elektrischen Signale verzerren. Die magnetischen Felder hingegen werden davon nicht beeinflusst und können, anders als bei EKG oder EEG, ohne direkten Hautkontakt gemessen werden. Allerdings sind magnetische Felder extrem schwach und werden leicht durch äußere Signale gestört, was komplexe Anforderungen an die Magnetfeldsensoren und die Signalverarbeitung stellt.Dafür arbeiten im SFB 1261 Forschende aus Materialwissenschaft, Elektrotechnik und Medizin bereits bei der Sensorentwicklung eng zusammen.

International sichtbare Kompetenz in der Magnetfeldsensorik

„Die erneute Förderung der DFG ist ein toller Erfolg für die 22 Antragstellerinnen und Antragsteller. Sie zeigt, dass wir mit dem einzigartigen Forschungsansatz, den wir in Kiel schon seit mehreren Jahren verfolgen, auf einem erfolgsversprechenden Weg sind“, so SFB-Sprecher Professor Eckhard Quandt. „Mit den bisherigen, vielversprechenden Ergebnissen haben wir eine international sichtbare Kompetenz erlangt. Wenn es uns gelingt, die Konzepte dieser hochempfindlichen Magnetsensoren für einen breiten medizinischen Einsatz weiterzuentwickeln, ließen sich damit kardiologische oder neurologische Krankheiten detektieren, die mit elektrischen Messungen bisher nicht erkannt werden können“, blickt der Professor für Anorganische Funktionsmaterialien an der Technischen Fakultät der CAU voraus. Neben der Landesuniversität sind auch das Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie in Itzehoe (ISIT) und das Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik Kiel (IPN) an dem SFB beteiligt.

Zweite Förderphase zielt noch stärker auf Anwendung

Nachdem die SFB-Mitglieder in der ersten Förderphase entscheidende Erfolge im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Sensoren erzielen konnten, wollen sie die Ergebnisse jetzt noch stärker in die Anwendung bringen. Dazu werden weitere Medizinerinnen und Mediziner sowie das Unternehmen Boston Scientific, internationaler Marktführer im Bereich der tiefen Hirnstimulation, den interdisziplinären Verbund verstärken. Die Behandlungsmethode für Gehirnerkrankungen wie Parkinson oder essentiellen Tremor soll zusammen mit dem Medizintechnikhersteller in einem eigenen Transferprojekt verbessert werden. „Bei dem neurochirurgischen Eingriff wird eine Elektrode im Gehirn platziert, um ein bestimmtes Areal elektrisch zu stimulieren. Mithilfe von Magnetfeldsensoren soll diese noch präziser als bisher positioniert werden können“, erklärt der stellvertretende Sprecher des SFB, Professor Günther Deuschl von der Klinik für Neurologie am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), Campus Kiel.

Seit dem Start des SFB vor vier Jahren sind 141 Publikationen in hochrangigen internationalen Fachzeitschriften erschienen, acht Patente wurden angemeldet und 28 zusätzliche Stellen für den wissenschaftlichen Nachwuchs konnten geschaffen werden. Neben 21 wissenschaftlichen Teilprojekten umfasst der Forschungsverbund zahlreiche Angebote zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, wie internationale Forschungsaufenthalte für Promovierende, ein Austauschprogramm mit der Pennsylvania State University, USA, sowie Summerschools, Mentoringprogramme und Fortbildungskurse. Um das Forschungsthema einer breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen, sind in Zusammenarbeit mit dem IPN bereits vielseitige Vermittlungsangebote entstanden, wie Module für den Schulunterricht, digitale Ausstellungsformate oder Virtual-Reality-Anwendungen. Mit dem Deutschen Museum in München als zusätzlichem Partner in der zweiten Förderphase sollen weitere innovative Konzepte für die Öffentlichkeit entwickelt werden.

Link zur Website des SFB 1261

SFB 1461 „Neuroelektronik: Biologisch inspirierte Informationsverarbeitung“

Im SFB 1461 „Neuroelektronik: Biologisch inspirierte Informationsverarbeitung“ wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus neun beteiligten Partnerinstitutionen künftig neue Hardware für die Informationsverarbeitung entwickeln. Ziel ist, Erkenntnisse über die Informationswege in Nervensystemen auf die technische Informationsverarbeitung zu übertragen, um zum Beispiel die Muster- und Spracherkennung oder die Energieeffizienz bestehender Systeme zu verbessern. Neben der CAU als Sprecherhochschule sind als weitere tragende Säulen folgende Partnerinstitutionen im SFB beteiligt: Ruhr-Universität Bochum (RUB), Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU), Technische Universität Ilmenau (TUIL), Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik Frankfurt/Oder (IHP), Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik Kiel (IPN), Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE), Technische Hochschule Lübeck (THL) sowie das University College Cork (UCC), Irland, als internationaler Partner.

Das interdisziplinäre Forschungsfeld erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen den Bereichen Neurowissenschaften, Biologie, Psychologie, Physik, Elektrotechnik, Materialwissenschaften, Netzwerkwissenschaften und nichtlinearer Dynamik. Von der CAU sind neben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von KiNSIS auch Mitglieder des Forschungsschwerpunkts Kiel Life Science (KLS) involviert. Insgesamt 33 Forschende arbeiten künftig in 20 Teilprojekten zu den Bereichen biologische Informationsverarbeitung, technische Bauelemente und komplexe, dynamische Schaltungen zusammen. 30 Promotionsstellen werden geschaffen sowie Fortbildungsangebote, Infrastrukturen zum Datenmanagement und zur Öffentlichkeitsarbeit. 

„Bei der Entwicklung neuer, innovativer Hardware wollen wir evolutionsbiologische Mechanismen, wie zum Beispiel das Zellwachstum miteinbeziehen. Das ist ein anspruchsvoller Ansatz im Forschungsfeld der bioinspirierten Elektronik und wir erhoffen uns davon wesentliche Fortschritte für zukünftige informationsverarbeitende Systeme“, betont CAU-Professor Hermann Kohlstedt, Sprecher des SFB, die besondere Ausrichtung des Großprojektes. Der SFB soll Voraussetzungen schaffen für eine neue Generation von Computerarchitekturen und Technologien mit Anwendung in der Sensorik, der Robotik, dem autonomen Fahren, aber auch für die Entwicklung bionischer Prothesen. Grundlegende Vorarbeiten hierzu wurden bereits in der Forschungsgruppe 2093 „Memristive Bauelemente für neuronale Systeme“ geleistet, die seit 2014 von der DFG an der CAU gefördert wird.

Nervensysteme arbeiten effizienter als Computer

Auch wenn Computer immer leistungsfähiger werden, funktioniert das menschliche Gehirn im Vergleich weitaus effizienter, wenn es um kognitive Fähigkeiten wie zum Beispiel die Erkennung von Mustern geht. Es verarbeitet zahlreiche Informationen parallel, kann sich an wechselnde äußere Bedingungen anpassen und benötigt dafür gerade einmal 25 Watt. Die Mitglieder des SFB 1461 sind davon überzeugt, dass dies wertvolle biologische Vorbilder sind für eine neue Technologie der Informationsverarbeitung. Einen der Kernbausteine dieser Technologie bilden memristive Bauelemente. Diese elektronischen Speicherbauelemente sind in der Lage, sich durch eine Änderung ihres elektrischen Widerstandes an den Verlauf von elektrischen Signalen zu "erinnern".  „Ziel ist es, diese elektronischen Bauelemente in größeren Schaltungen umzusetzen, wobei die Struktur und die Dynamik von Nervensystemen die technische Systemgestaltung essentiell beeinflussen soll“, sagt Martin Ziegler, stellvertretender SFB-Sprecher und Professor für Mikro- und Nanoelektronik an der TU Ilmenau.

„Mit Blick auf die Anwendbarkeit für eine neue, hardware-basierte Elektronik wollen wir noch besser verstehen, nach welchen Gesetzmäßigkeiten die Neuronen im Gehirn Informationen weitergeben und wie diese lokalen Prozesse mit dem gesamten Nervensystem zusammenhängen“, so Kohlstedt, Professor für Nanoelektronik. Besonderen Fokus legt der SFB 1461 dabei auf die Ontogenese und Phylogenese der neurobiologischen Entwicklung von Nervensystemen, also wie sie sich einerseits im individuellen Organismus bilden und andererseits allgemein im Lauf der Evolution entwickelt haben. „Es ist bekannt, welch zentralen Einfluss das Wachstum des Nervensystems und seine plastische Formung unter externen Stimuli der Umgebung auf die optimale Ausprägung von kognitiven Fähigkeiten haben. Das damit einhergehende Wachsen und Zerfallen von Neuronen und Synapsen bildet die Grundlage für eine neue Art der Informationsverarbeitung in technischen Systemen“, sagt Claus Hilgetag, Professor für Computational Neuroscience, am UKE.

Für die Entwicklung hochleistungsfähiger und dynamischer technischer Netzwerke könnten Erkenntnisse über evolutionäre Grundprinzipien zentrale Impulse liefern: Wie hat sich das Nervensystem über Millionen von Jahren zu einem immer komplexeren Netzwerk von Nervenzellen und Synapsen entwickelt? Wie konnte es sich dabei permanent an wechselnde Umweltbedingungen anpassen? Aufschlüsse über diese evolutionären Mechanismen soll die Untersuchung von biologischen Modellorganismen mit unterschiedlich komplex entwickelten Nervensystemen geben, wie der Süßwasserpolyp Hydra, die Würfelqualle Tripedalia cystophora und die Echse Anolis carolinensis.

• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU, Sprecherhochschule)
• Ruhr-Universität Bochum (RUB)
• Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU)
• Technische Universität Ilmenau (TUIL)
• Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik Frankfurt/Oder (IHP)
• Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik Kiel (IPN)
• Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE)
• Technische Hochschule Lübeck (THL)
• University College Cork (UCC), Irland