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Die Broschüre des
John von Neumann-Instituts für Computing gibt es auf Deutsch und
auf Englisch. Sie kann bestellt werden
beim NIC-Sekretariat (nic@fz-juelich.de).
deutsche Broschüre (pdf) | English brochure (pdf)
 Sonstige Anwendungsgebiete
Die folgenden Beispiele vermitteln einen zusätzlichen Eindruck von der Vielfalt der am NIC
erforschten Fragestellungen. Insbesondere stieg in den letzten Jahren die Anzahl der
Anwendungen aus dem lebenswissenschaftlichen Bereich stark an.
Epilepsie manifestiert sich nicht nur in Anfällen, sondern auch in
charakteristischen Mustern im
Elektroenzephalogramm (EEG), und ist deshalb ein wichtiges Anwendungsgebiet moderner
Methoden der nichtlinearen Zeitreihenanalyse. In Zusammenarbeit mit der Epileptologischen
Klinik der Universität Bonn benutzen wir diese Methoden vor allem, um zwei Ziele zu verfolgen.
Das erste ist die Lokalisierung des epileptischen Fokus bei Patienten,
bei denen eine Operation
erwogen wird.
Die Abbildung zeigt Ergebnisse einer retrospektiven Untersuchung, bei
der Gebiete mit erhöhter
(grün) und sehr hoher (rot) Wahrscheinlichkeit für den Fokus vorhergesagt wurden, zusammen
mit dem Gebiet, das auf Grund anderer Diagnosen tatsächlich operativ
entfernt wurde (schwarz).
Im vorliegenden Fall war der Fokus richtig erkannt und ganz
entfernt worden, und der Patient ist
jetzt anfallsfrei. Ein Vorteil unserer Methode ist, dass Daten aus anfallsfreien Perioden zur
Lokalisierung ausreichen und dass ihre Aussagen sich nicht immer mit denen anderer Methoden
decken. In seltenen Fällen, wo der Patient jetzt nicht ganz
anfallsfrei ist, legt unsere Methode
nahe, dass ein sekundärer Fokus existierte oder dass der
primäre Fokus nicht ganz entfernt wurde.
Ein zweites - und wesentlich ehrgeizigeres - Ziel ist die Vorhersage von Anfällen. Schließlich
dient die Untersuchung epileptischer EEGs auch dazu, neue Methoden zu entwickeln, die dann
interdisziplinär auch auf andere Probleme angewandt werden.
(Ralph Gregor Andrzejak, Thomas Kreuz, Alexander Kraskov,
Peter Grassberger, NIC-Forschungsgruppe "Komplexe Systeme", Jülich;
Florian Mormann, Klaus Lehnertz, Christian E.
Elger, Klinik für Epileptologie, Universität Bonn;
Peter David, Institut für Physik, Universität Bonn)
Die Abbildung zeigt ein Ergebnis der Synchronisations-Tomographie: Mittels der
Magnetenzephalographie werden die vom Gehirn produzierten Magnetfelder gemessen. Die
zugrunde liegenden Ströme im Gehirn werden zu jedem Zeitpunkt und in jedem Volumenelement
des Gehirns bestimmt. Dann werden Synchronisations-Vorgänge zwischen verschiedenen
Hirngebieten oder zwischen rhythmischer Muskelaktivität einerseits und den Hirnströmen im
gesamten Gehirn andererseits bestimmt. Die Abbildung zeigt die Stärke, mit der die
Gehirnströme im gezeigten Hirnschnitt mit dem Streckmuskel des rechten Zeigefingers während
einer langsamen Wechselbewegung synchronisiert sind. Mittels der Synchronisations-
Tomographie konnte gezeigt werden, dass sich Synchronisations-Vorgänge im Gehirn während
Veränderungen der Bewegungskontrolle drastisch ändern können, wobei die Stärke der
Aktivierung in den beteiligten Hirngebieten unverändert bleiben kann.
(Peter Tass, Institut für Medizin, Forschungszentrum Jülich)
Ionenkanäle sind verantwortlich für den Fluss von Ionen durch Zellmembranen und somit u.a.
unentbehrlich für die Weiterleitung von Signalen entlang von Nervenzellen. Die Dynamik von
zwei unterschiedlichen, miteinander wechselwirkenden Ionenkanalpopulationen bildet ein erstes
Beispiel für eine neue Klasse von nichtlinearen Strukturbildungsprozessen. Die
Ionenkanalproteine sind eingebettet in eine flache Biomembran, z. B. in der Nähe eines
synaptischen Spaltes, und zusätzlich einem Gradienten in der Ionendichte ausgesetzt.
Die Abbildung zeigt eine Momentaufnahme der räumlichen Abweichung der Dichte einer der
beiden Ionenkanalpopulationen vom konstanten Mittelwert. Hauptmerkmal des Systems, welches
es von vielen anderen strukturbildenden Systemen unterscheidet, ist die räumlich oszillierende
Dynamik in Verbindung mit einer globalen Teilchenzahlerhaltung. Letztere beruht darauf, dass
Ionenkanäle während des gesamten Strukturbildungsprozesses weder erzeugt noch vernichtet
werden. Neben intermittentem raumzeitlichem Chaos zeigt das System ebenfalls ein bisher noch
unbekanntes und überraschendes Vergröberungsverhalten.
(Markus Hilt, Walter Zimmermann, Theoretische Physik, Universität des Saarlands)
Energetische Ionenstrahlen werden für viele wichtige Anwendungen benötigt, etwa in der
Herstellung von Isotopen und für Hadronentherapie in bestimmten Bereichen der
Krebsbehandlung. Dank ihrer hohen Masse können Ionen viel tiefer in Materie eindringen als
z.B. Elektronen, wobei ihre Energie gezielt deponiert werden kann. Neueste Fortschritte in der
Kurzpulslasertechnologie ermöglichen es, sehr kompakte Ionenquellen zu entwickeln. Hierbei
werden durch Bestrahlung von Festkörperoberflächen extrem hohe elektrische Felder
(~GVcm-1)
erzeugt, die wiederum Ionen auf mehrere MeV beschleunigen. Trotz dieser experimentellen
Erfolge sind die fundamentalen physikalischen Vorgänge dieses Phänomens nur grob verstanden
- sogar kontrovers. Im ZAM wurde ein neues gitterfreies Simulationsverfahren entwickelt,
um die
Coulombkräfte für mehr als 107 Teilchen mittels eines parallelen
"tree code" zu berechnen. Das
Beispiel hier zeigt eine Wechselwirkung zwischen einem 50 Terawatt-Laser (von links) mit
einem 1 µm-Durchmesser Draht. Nach ca. 500 fs, wird der ganze Mittelbereich des Drahts
hinausgepresst und dabei auf 3 MeV beschleunigt. Mit Hilfe solcher Simulationsreihen mit
verschiedenen Laser- und Targetparametern können wichtige Skalierungsgesetze abgeleitet
werden, um diese neuartigen Ionenquellen zu optimieren und zu verbessern.
(Paul Gibbon, NIC-ZAM, Jülich)
Das Erkennen und Quantifizieren von Gemeinsamkeiten ist von grundlegender Bedeutung in
allen Wissenschaften. Ein wichtiges Maß dafür ist die so genannte wechselseitige Information.
Ihre numerische Bestimmung ist oft schwierig, aber in unserer Gruppe wurden verbesserte
Methoden dafür entwickelt sowie darauf basierende Methoden zur Clusterung von Objekten nach
abnehmenden Gemeinsamkeiten. Anwendungen dafür sind zahlreich: Sie reichen von
Stammbäumen (hier für 32 Säugetierarten, basierend auf ihrer mitochondrialen DNA) bis zur
Zerlegung von Signalen in möglichst unabhängige Komponenten. In der unteren
Abbildung wurde dies auf das Elektrokardiogramm (EKG) einer Schwangeren angewandt.
Nach der Zerlegung
wurden die Komponenten, die der Mutter beziehungsweise dem Fötus entsprechen, wieder
zusammengefasst, um so praktisch rauschfreie separate mütterliche und fetale EKGs zu erhalten.
(Harald Stögbauer, Alexander Kraskov, Ralph Gregor Andrzejak,
Peter Grassberger, NIC-Forschungsgruppe "Komplexe Systeme", Jülich)
Die Regulierung und die Übermittlung von Signalen zwischen Zellen und ihrer Umgebung
werden in vielen Fällen mittels Kanälen und Poren, die in den Zellmembranen eingelagert sind,
durchgeführt. Sie sind eine wichtige Klasse von biomolekularen Maschinen. Ihre Funktion beruht
auf der Selektivität für spezifische Ionen und der hohen Leitfähigkeit durch den
Selektivitätsfilter. Das Bild zeigt den Kaliumkanal KcsA, eingebettet in einer
Lipidmembran, die
beidseitig von Wassermolekülen umgeben ist. Gesteuerte Molekulardynamiksimulationen
wurden an diesem System, das aus etwa 30.000 Atomen besteht, durchgeführt. Die Simulationen
erlauben es, die kollektive Bewegung von Ionen und Wassermolekülen durch den
Selektivitätsfilter zu beobachten. Dabei stellt man fest, dass die hohe Leitfähigkeit auf der
kooperativen Diffusion von Ionen und Wasser beruht, die wiederum durch die flexiblen
Carbonylgruppen des Filters verursacht wird. Die schematische Darstellung rechts zeigt vier
aufeinander folgende Konstellationen von Ionen und Wasser im Selektivitätsfilter.
(Jean-Fang Gwan, Artur Baumgärtner, Institut für Festkörperforschung,
Forschungszentrum Jülich)
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