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20 Jahre FIAS: Einladung zum Tag der offenen Tür

2. Juli 2024

Das Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) wird20! Daher lädt das Forschungsinstitut am 6. Juli ab 11 Uhr zum »Tag der offenen Tür« ein. Damit beginnt das FIAS seinen Veranstaltungsreigen im Jubiläumsjahr.

Am kommenden Samstag öffnet das FIAS anlässlich seines 20. Gründungsjubiläums seine Türen für Interessierte: Wer gerne vor dem Fernseher den Fußball mit den Gedanken steuern würde – FIAS-Forschung macht es möglich! Weitere Experimente zum Mitmachen, verständliche Kurzvorträge, ein Kinderprogramm sowie Kaffee und Kuchen locken in das markante rote Gebäude am Riedberg mit Blick auf Skyline und Mittelgebirge.

Solange Menschen handelnd in die Geschicke der Welt eingreifen, sind sie verpflichtet, das Wissbare zu ergründen”, schrieb Neurobiologe Wolf Singer 2004, der zusammen mit dem Physiker Walter Greiner das FIAS gründete. Diesem Antrieb menschlicher Neugier zum Weltverständnis können am kommenden Samstag junge ebenso wie erfahrene Interessierte folgen: Was ist ein Algorithmus? Wie lassen sich Medikamente mit Licht steuern? Und was passierte nach dem Urknall?

Das FIAS wurde gegründet, um das Verbindende in der Vielfalt zu erschließen.
(Wolf Singer, Gründungsdirektor 2004)

Solchen und vielen anderen Fragen widmen sich die Forschenden am FIAS in ihrer täglichen Arbeit. Als theoretisches Institut stehen dabei vor allem Simulationen und Berechnungen im Vordergrund. Die unglaublich großen Datenmengen, die heutzutage weltweit in Experimenten gewonnen oder vorhergesagt werden können, müssen gefiltert, sortiert und ausgewertet werden. Das gilt für winzige Moleküle in der Zelle ebenso wie für die fernen Ereignisse in Sternen und Galaxien.

Das FIAS [will] Prinzipien identifizieren, die der Organisation komplexer Systeme zugrunde liegen. (aus dem Leitbild 2006)

Von Anfang an symbolisierte das FIAS-Logo diese Verknüpfungen sowie das Verbindende unserer Welt. Heute forschen über 130 Mitarbeitende aus 23 Ländern interdisziplinär in den Bereichen Biologie und Neurowissenschaften, Computer und Künstliche Intelligenz sowie Physik und Theoretische Naturwissenschaften. Mit ihren Simulationen und Theorien tragen sie zur Bewältigung der Herausforderungen unserer Zeit bei: Sie erforschen, wie wir lernen und denken, entwickeln Vorhersagemodelle für Erdbeben, Vulkanausbrüche und Gewitter, untersuchen die Natur von Schwarzen Löchern und optimieren Computer, damit sie nachhaltiger werden.

Als Stiftungsinstitut gewährleistet das FIAS größtmögliche Unabhängigkeit und Flexibilität.
(Wolf Singer, Gründungsdirektor 2004)

Als Stiftungsinstitut lebt das FIAS von seinen Unterstützern: allen voran die Goethe-Universität Frankfurt sowie viele großzügige private Spender sowie fördernde Firmen, die im Laufe der zwei Jahrzehnte Forschung am FIAS ermöglichten.

Ein Schwerpunkt liegt auf der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses: Von Anfang an betreute die FIAS International Graduate School for Science (FIGSS) Promovierende interdisziplinär. Sie fördert die Forschung in den Schnittbereichen zwischen den klassischen Wissenschaften. Möge die Faszination des Wissbaren am Tag der offenen Tür auch kommende Generation für die Wissenschaften am FIAS gewinnen: Alle sind herzlich willkommen!

Weitere ausführliche Informationen unter https://fias.institute, in unseren Jahresberichten https://fias.institute/de/das-fias/informationsmaterial sowie zur Geschichte https://fias.institute/de/das-fias/uebersicht. Gesprächspartner von der Gründung bis zur heutigen Forschung sowie Bildmaterial vermitteln wir Ihnen gerne.

Kontakt
Patricia Vogel
Organisation Tag der offenen Tür am FIAS
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)

Tel.: +49 69 798 47688
eMail: pvogel@fias.uni-frankfurt.de

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies)
ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und KI-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung bürgerlichen Rechts. https://fias.institute/

Bei uns kicken die Roboter!

18. Juni 2024

von Andreas Woitun

Die „Bembelbots" beim Fußballturnier, zu sehen bei der Night of Science der Goethe-Universität.

Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)

Im Rahmen der Night of Science an der Goethe-Universität am Freitag, den 21. Juni treten Roboter gegeneinander an – eines von vielen Events von FIAS und der Goethe-Universität.

Wenn die deutsche Nationalmannschaft sich am kommenden Freitag auf das letzte Vorrundenspiel vorbereitet, kicken am FIAS die Roboter. Während der Night of Science am Campus Riedberg können Interessierte die „Bembelbots“ beim Roboterfußballturnier anfeuern. Vom Dachgarten gibt es zudem den schönsten Blick über Frankfurt und eine Mitmach-Ausstellung zur FIAS-Forschung.

Die „Bembelbots“, das Roboterfußballteam der Goethe-Universität, bereitet sich am FIAS auf die Weltmeisterschaft vor. Im Juli treten sie in Eindhoven beim »RoboCup« an, bei dem 50 Mannschaften mit selbst programmierten humanoiden Robotern um den Titel kämpfen. Während der Night of Science kann das Publikum das Vorbereitungstraining beobachten. In 10-minütigen Spielen beweisen die Roboter ihr Fußballtalent. „Software zu schreiben, die den Roboter Fußball spielen lässt, ist nicht einfach – schon grundlegende Bewegungen wie das Aufstehen sind kompliziert zu programmieren!“, erklären die Frankfurter Informatik-Studierenden. Die Roboter müssen dabei die FIFA-Regeln befolgen, die von menschlichen Schiedsrichtern kontrolliert und durchgesetzt werden.

Wer sich von den kickenden Robotern im FIAS-Erdgeschoss lösen kann, genießt im vierten Obergeschoss mit Dachgarten den schönsten Blick über Frankfurt. Dort können in einer Mitmach-Ausstellung junge wie erfahrene Interessierte jede Menge über die Forschung am FIAS erfahren und selbst ausprobieren. An dem interdisziplinären Institut forschen über 130 Menschen aus 23 Ländern an komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen. Mit „Künstlicher Intelligenz“ und „lernenden Systemen“ simulieren und berechnen sie unsere Welt – von kleinsten Proteinen in der Zelle bis hin zu den Sternen im Weltall. Ihre Simulationen und Theorien legen die Grundlage zur Bewältigung der Herausforderungen unserer Zeit.

Auch bei den Vorträgen sind FIAS-Forschende zu hören. Sie schildern ihre Faszination für die Wissenschaft: Luciano Rezzolla berichtet über „Die unwiderstehliche Anziehung der Schwerkraft“ (Hörsaal 2, 18:30 Uhr), Ivan Kisel erklärt „KI-Techniken für die Analyse von Schwerionen-Kollisionen” (H4, 00:45 Uhr) und Sebastian Thallmair stellt „Lichtschalter in Medikamenten” vor (Biologicum 2, 22:15 Uhr).

Die Night of Science mit einem vielseitigen Programm aus spannenden Vorträgen, Führungen und Mitmachaktionen findet seit 2006 an der Goethe-Universität statt. Ausführliche Informationen, das vollständige Programm und einen Lageplan gibt es auf der Website https://nightofscience.de/. Für die Verpflegung sorgen Grill-, Waffel- und Kuchenstände sowie Getränketheken und Foodtrucks.

Kontakt
Patricia Vogel
Organisation Night of Science am FIAS Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Tel.: +49 69 798 47688
eMail: pvogel@fias.uni-frankfurt.de

Wie Wellen im Sand: Die junge Hirnrinde bildet spontane Muster

1. Juni 2024

von Andreas Woitun

Internationales Forscherteam belegt Fähigkeit zur Selbstorganisation in der Gehirnentwicklung.

Die Hirnrinde (Kortex) erlaubt uns Menschen zu denken, unsere Umgebung wahrzunehmen und zielgerichtet zu handeln. Bestimmte Muster der Hirnaktivität ermöglichen dies. Sie entstehen früh in der Hirnentwicklung durch dynamische Prozesse der Selbstorganisation.

Das zeigen Forschende der University of Minnesota (UoM) und des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) in einer in Nature Communications veröffentlichten Studie.

Sie fanden heraus, dass die Netzwerke der jungen Hirnrinde unstrukturierten Input in hochorganisierte Aktivitätsmuster umwandeln. Die Organisation dieser Muster ist demnach nicht von außen (etwa durch Sinneseindrücke) bestimmt, sondern entsteht durch Interaktion zwischen den Nervenzellen und folgt dynamischen Gesetzen. In der Hirnentwicklung bilden sich regelmäßige Muster, wie man sie von Sand oder Fischen kennt.

Das internationale Forscherteam bestätigt mit seinen Erkenntnissen eine jahrzehntealte theoretische Hypothese der Gehirnentwicklung. “Unsere Ergebnisse legen nahe, dass sich Hirnaktivität in der frühen Hirnrinde selbst organisiert“, erklärt FIAS-Senior-Fellow Matthias Kaschube. Benachbarte Nervenzellen aktivieren sich gegenseitig, während weiter entfernte Gruppen von ihnen unterdrückt werden. Dies führt spontan zur Bildung regelmäßiger Muster der Hirnaktivität, und solche Muster verwendet das Gehirn später in der Entwicklung, um Sinneseindrücke zu verarbeiten.

„Diese Umwandlung von unstrukturiertem Input in hochorganisierte Aktivitätsmuster findet anscheinend vollständig im Kortex selbst statt”, ergänzt Gordon Smith (UoM Medical School). Die Hirnrinde kann offensichtlich ihre eigene Funktion während der Entwicklung organisieren.

In einem selbstorganisierenden System erzeugen bereits einfache Wechselwirkungen eine komplexe Organisation. Beispiele sind Muster wie Wellen auf Sanddünen, Punkte auf manchen Fischen, Spiralnebel der Milchstraße oder Vogel-Schwärme.

Durch die enge Verknüpfung von Theorie und Experiment konnte das Forscherteam zeigen, dass ähnliche mathematische Regeln, wie sie für die Muster in einer Vielzahl von lebenden und nicht lebenden Systemen gelten, auch die Entwicklung des Gehirns steuern.

Das Forschungsteam nutzte an der UoM entwickelte optische Instrumente, die direkt sichtbar machen, wie die groß angelegte Struktur der sich entwickelnden Hirnaktivität aus den Netzwerken selbst entsteht. Kaschube analysierte diese Daten am FIAS und verglich sie mit den Vorhersagen mathematischer Modelle der Selbstorganisation von Hirnaktivität.

Derzeit untersuchen die Forschenden, wie sich Veränderungen in diesen selbstorganisierten neuronalen Aktivitätsmustern zu Beginn der Entwicklung auf die spätere Sinneswahrnehmung auswirken.

Publikation: Haleigh N. Mulholland, Matthias Kaschube* und Gordon B. Smith* (*zu gleichen Teilen), Self-organization of modular activity in immature cortical networks. Nat Commun 15, 4145 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024- 48341-x

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies) ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und KI-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren. https://fias.institute/

Was darf Künstliche Intelligenz? – Ethische Fragen im FIAS Forum

12. Mai 2024

von Andreas Woitun

Über die Vereinbarkeit von Informationstechnologie und unseren moralischen Werten spricht die erste deutsche Professorin für Ethik der Informationstechnologie Judith Simon, im Rahmen der öffentlichen Vortragsreihe des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS).

Am 23. Mai um 18:00 Uhr ist die Öffentlichkeit herzlich eingeladen zu einem Vortrag in der Reihe FIAS Forum. Im Anschluss können die Zuhörer mit Prof. Judith Simon bei Brezeln und Wein über Fragen zu Ethik und Künstlicher Intelligenz (KI) diskutieren.

Welche Verantwortung tragen wir bei der Nutzung moderner Informationstechnologie? Diese Frage zur zunehmenden Digitalisierung und Nutzung von KI beschäftigt die Ethikprofessorin der Universität Hamburg.

„Wann immer wir Entscheidungen oder Tätigkeiten an Maschinen delegieren, muss das auf eine Art und Weise geschehen, die die Handlungsfähigkeit von Menschen erweitert und nicht vermindert,“ sagte Frau Simon kürzlich in einem Interview des NDR. Dabei betont sie, dass KI eigentlich konservativ sei: Sie lerne aus alten Daten und schreibe diese Muster in den generierten Prognosen fort. „Entscheidungen für die Zukunft basieren dann auf diesen alten Daten“, gibt sie zu bedenken.

Frau Simon beschäftigt sich mit der Verschränkung ethischer, erkenntnistheoretischer und politischer Fragen im Kontext von Big Data, Künstlicher Intelligenz und Digitalisierung. Als Mitglied des Deutschen Ethikrates sowie weiterer Gremien für wissenschaftliche Politikberatung prägt sie die Debatte über moralische und ethische Fragen mit, die den Umgang und die Steuerung moderner Informationstechnologie betreffen.

Benötigen wir also eine neue Ethik? Frau Simon betont, dass das Digitale bestimmte Fragen – nach Gleichheit, Freiheit, Gerechtigkeit – nur verstärkt, allerdings unter veränderten Vorzeichen. KI sei nur bedingt handlungsfähig oder intelligent. Aber neue Akteure verlangten eine Ethik, die auch Handeln jenseits von Individuen in den Blick nimmt. Es gelte immer: „Wo endet die Freiheit des einen, wann verletzt sie andere? Wer bestimmt, wie Dinge funktionieren? Wer ist Leidtragender?“

Im Rahmen des FIAS Forum am 23. Mai stellt Frau Simon ihre Sicht auf die ethischen Chancen und Risiken des maschinellen Lernens dar und diskutiert mit Laien und Wissenschaftlern, wo und wie Steuerung und Eingriffe nötig und möglich sind. Die Expertin beleuchtet ethische, erkenntnistheoretische und politische Fragen im Kontext von Big Data, KI und Digitalisierung. Interessierte sind herzlich willkommen!

Anmeldung: Die Teilnahme an der Veranstaltung ist kostenfrei. Aufgrund begrenzter Kapazitäten für den anschließenden Empfang bitten wir um vorherige Anmeldung an forum@fias.uni-frankfurt.de.

Das FIAS Forum stellt viermal im Jahr aktuelle Themen aus den Naturwissenschaften und gesellschaftlichen Debatten wissenschaftlich und verständlich dar. Dies ermöglicht spannende Diskussionen über die akuten Herausforderungen in der naturwissenschaftlichen Forschung und deren Einfluss auf unsere Gesellschaft. Nach dem Vortrag besteht jeweils die Möglichkeit, sich bei einem kleinen Empfang mit der Sprecherin und weiteren Wissenschaftlern des FIAS auszutauschen.

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies) ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und KI-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren. https://fias.institute/

Inselvulkane und ihre Gefahren besser verstehen

23. August 2023

von Andreas Woitun

Studie am FIAS hilft Vulkanausbrüche einzuschätzen

Eine detaillierte Analyse des Ausbruchsverhaltens der Inselvulkane Stromboli, Ätna (Italien), Yasur (Vanuatu) und Whakaari (Neuseeland) veröffentlichte Darius Fenner aus Nishtha Srivastavas Team zusammen mit Patrick Laumann und Georg Rümpker am Frankfurt Institute of Advanced Studies (FIAS). Solche Analysen vergangener größerer und kleinerer Ereignisse können helfen, die Ausbrüche von Vulkanen einschließlich der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Prozesse zu verstehen.

Verschiedene Arten vulkanischer Ereignisse erfasst eine Forschungsgruppe des FIAS mit einem kürzlich von ihr entwickelten Ansatz. Sie katalogisiert alle kleinen und großen seismisch-vulkanischen Ereignisse einschließlich großer Eruptionen kontinuierlich an Stationen in der Nähe von Vulkanen. Um die Bedeutung solcher Ereignisse schneller einordnen und erkennen zu können, hilft das automatisierte und äußerst leistungsfähige Verfahren „Adaptive-Window Volcanic Event Selection Analysis Module“ (AWESAM), das die FIAS-Arbeitsgruppe Seismology & Artificial Intelligence (SAI) vergangenes Jahr vorgestellt hatte. (https://fias.news/aktuelles/vulkanische-aktivitaet-messen/)

In ihrer aktuellen Forschungsarbeit analysierte die Gruppe die vorliegenden Daten aus bis zu 15 Jahren im Detail, beispielsweise die Zeitabstände zwischen den Ereignissen, die Amplituden und das Verhältnis von Amplitude und Häufigkeit. So konnten sie Unterschiede und gemeinsame Muster bei den vulkanischen Ereignissen feststellen.

Sie beobachteten beispielsweise, dass es auf Stromboli häufiger große Ausbrüche gibt als man auf Grundlage bekannter Zusammenhänge erwarten würde. Aufbauend auf ihren früheren Ergebnissen bewertet und erweitert die Studie das Verständnis dieses Phänomens auf der Grundlage von Daten aus einem Jahrzehnt. So fand sich ein bestimmtes Muster vor und nach den beiden heftigen Stromboli-Ausbrüchen 2019. Der erweiterte Datensatz bestätigt die statistische Signifikanz der Ergebnisse. Bisher wurde dieses Muster aber nur für Stromboli beobachtet, was Fragen über die Einzigartigkeit dieses Musters aufwirft.

Darüber hinaus klassifiziert die Studie die Ereignisarten für Stromboli mithilfe eines selbständigen maschinellen Lernansatzes. Sie zeigt bestimmte Muster vor und nach Ausbrüchen, die die Gruppe erstmals detaillierter unterteilen konnte. Basierend auf einem Clusteralgorithmus ordnete sie beispielsweise die Frequenzen der Ereignisse genauer ein. Diese Muster können für die Vorhersage großer Eruptionen von Bedeutung sein.

Mit einem identischen Ansatz für alle 4 Vulkane fand die Gruppe ein ähnliches Verhalten trotz unterschiedlicher Typen und Aktivitäten. Whakaari zeigt ebenfalls ein typisches Muster in der Wiederholung großer Ereignisse. Da diese Beobachtung auf Daten einer einzelnen Station beruht, sind weitere eingehende Untersuchungen erforderlich, sobald mehr Daten zur Verfügung stehen. „In einem nächsten Schritt wollen wir untersuchen, ob es frühzeitige Anzeichen für größere Eruptionen gibt“, so Erstautor Darius Fenner. „Unsere Methode bietet eine vielversprechende Grundlage zur genaueren Vulkanüberwachung und für ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse“.

Weitere Informationen

Publikation: Darius Fenner, Georg Rümpker, Patrick Laumann und Nishtha Srivastava, Amplitude and inter-event time statistics for the island volcanoes Stromboli, Mount Etna, Yasur, and Whakaari. Front. Earth Sci. 11:1228103.
doi: 10.3389/feart.2023.1228103, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2023.1228103/full

Kontakt
Dr. Nishtha Srivastava
Theoretische Naturwissenschaften
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Tel.: +49 69 798 47618
eMail: srivastava@fias.uni-frankfurt.de
Web: https://www.fias.science/de/theoretische-naturwissenschaften/gruppen/nishtha-srivastava

Gehen oder Bleiben? Die Forschung zählt!

29. Juli 2023

von Andreas Woitun

Das FIAS als vorübergehende Heimat für ukrainische Forschende

Sieben ukrainische Wissenschaftler hatte das »Frankfurt Institute for Advanced Studies« (FIAS) nach dem Angriff auf ihr Land vergangenes Jahr aufgenommen. Wie geht es ihnen heute?

Dr. Roman Poberezhnyuk

lobt „die großartige Arbeitsumgebung“ am FIAS. Er hatte schon vor dem Krieg mehrere Monate als Gastwissenschaftler am FIAS verbracht. So konnte er seine wissenschaftlichen Kontakte nutzen und hier umgehend Unterstützung und Unterkunft finden. Herr Poberezhnyuk arbeitet schon seit Jahren mit Forschenden der Gruppe von Prof. Horst Stöcker am FIAS zusammen, um die thermodynamischen Eigenschaften dichter elementarer Materie zu verstehen.

Die Wohnungssuche sei nicht einfach gewesen, und auch die Aufenthaltsgenehmigung verzögerte sich. Aber davon abgesehen sind Herr Poberezhnyuk und seine ebenfalls hier lebende Freundin rundum zufrieden. Er verfasste während seines Aufenthalts 4 Veröffentlichungen, 2 weitere sind in Arbeit. Seine Karriere will der Physiker ab nächstem Jahr in den USA fortsetzen, wo er im Institut eines Kollegen eine Stelle als Postdoktorand angeboten bekam.

Eine Rückkehr in die Ukraine hänge von den Forschungsmöglichkeiten nach dem Krieg ab. Vor dem russischen Angriff habe es eine positive Entwicklung bei den Fördergeldern gegeben, die ermöglichten, von der Forschung zu leben. Wie sich das künftig entwickeln wird, ist völlig offen.

Oleksandr Stashko & Oleh Savchuk

Dr. Poberezhnyuk Kollegen sind bereits als Doktoranden in die USA weitergezogen. Sie hatten beide zeitweise Aufnahme am FIAS gefunden und waren „sehr dankbar für die prompte Rundum-Unterstützung des Forschungsaufenthalts“ in Frankfurt.

Prof. Mark Gorenstein

hingegen ist im April nach Kyjiw zurückgekehrt. Der Forschungsleiter am dortigen Bogolyubov-Institut für Theoretische Physik an der Nationalen Akademie für Wissenschaften der Ukraine war ein Jahr zuvor angesichts der Bombardements in Kyjiw samt Familie nach Deutschland geflohen.

„Auch heute schlafen wir schlecht, jede Nacht gibt es Bombenangriffe“, beschreibt Prof. Gorenstein die bedrückende Atmosphäre in Kyjiw. Glücklicherweise werde wenig zerstört – dank der Flugabwehr. Warum er dennoch zurückgekehrt ist? „Die Unterstützung, für die ich dem FIAS und der Alexander von Humboldt-Stiftung sehr dankbar bin, endete. Ich hätte als Flüchtling in Deutschland bleiben können, wollte aber meine Arbeit in Kyjiw fortsetzen“.

Diesen Schritt habe er nicht bereut. Das Institut in Kyjiw und die Wissenschaftler vor Ort arbeiteten, auch wenn die meisten Seminar online stattfänden. 2001 erhielt Prof. Gorenstein den Alexander von Humboldt-Preis für seine Forschung zu Phasenübergängen und deren Signaturen in Kooperation mit dem FIAS und der GSI in Darmstadt.

Er hatte 2022 ein Stipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung erhalten und lebte mit Frau, Tochter und Enkeltochter in Frankfurt. Prof. Gorenstein lobt die fruchtbare Zusammenarbeit mit den FIAS-Kollegen, die Unterstützung und die Hilfsbereitschaft aller Mitarbeitenden. „Während meines Aufenthalts in Frankfurt entstanden 7 Veröffentlichungen“.

Prof. Dmytro Anchyshkin

Prof. Gorensteins Kollege, selbst Professor vom Bogolyubov-Institut, hat sich hingegen entschieden, erstmal als Flüchtling in Deutschland zu bleiben. Er hatte 4 Monate lang als Gastprofessor am FIAS gearbeitet. Jetzt nehmen er und seine Frau die staatliche Unterstützung, um weiter am FIAS zu arbeiten. Hier wird ihm ein Arbeitsplatz zu Verfügung gestellt.

Er überlegt, nach Kyjiw zurückzukehren, um mit jungen Wissenschaftlern zu arbeiten. Doch ein Besuch des Ehepaars in der Ukraine um Weihnachten herum war erschreckend: „Wegen der Bombardierung gab es stundenlang weder Strom, noch Internet, Heizung oder Wasser“. Prof. Anchyshkin ist sehr dankbar für die herzliche Gastfreundschaft und Unterstützung durch die FIAS-Verwaltung und die FIAS-Forschenden, allen voran Herrn Prof. Stöcker.

Zhanna Khuranova

hatte 2020 ihren Master in Physik abgeschlossen. Sie wollte sich ohnehin für eine Doktorandenstelle in Deutschland bewerben – der Krieg konkretisierte diesen Wunsch. Oleh Savchuk vermittelte ihr Kontakte am FIAS. Vergangenen August lernte sie so PD Dr. Benjamin Dönigus kennen. Bei ihm promoviert sie nun seit Anfang des Jahres am Fachbereich Physik der Goethe-Universität zur Vorhersage und Messung von Hadronen, subatomaren Teilchen, die von einer starken Wechselwirkung zusammengehalten werden.

„Ich bin froh, dass sich Prof. Stöcker vom FIAS für mich eingesetzt hat und bin sehr glücklich mit meinem aktuellen Forschungsthema, meinem Betreuer und der Unterstützung durch den Bund“, so Khuranova. Dass sie jemals in die Ukraine zurückkehren wird, bezweifelt sie: „Meine Familie lebt in den USA“. Und ein Aufenthalt am CERN in Genf lockt sie als wissenschaftliche Herausforderung.

Maria Khelashvili

hatte am Bogolyubov-Institut ihre Promotion über ultraleichte dunkle Materie begonnen. Sie war sehr froh, am FIAS ihre Forschung vorläufig fortsetzen zu können, dank eines Stipendiums der Stiftung Polytechnische Gesellschaft.

Ihre Arbeit über ultraleichte und axionartige Kandidaten für dunkle Materie verfolgt sie nun als Gastdoktorandin an der Princeton University (USA). „All das wäre ohne die anfängliche und sehr prompte Unterstützung durch das FIAS nicht möglich“, betont sie voller Dankbarkeit.

Danylo Batulin

hat vor wenigen Wochen am FIAS promoviert. Er kam bereits 2016 aus der besetzten Region Luhansk nach Deutschland. Er erzählt, dass einige seiner Freunde und Familienmitglieder seit dem Einmarsch verwundet oder getötet wurden. Die Immobilien seiner Familie sind zerstört.

Anfangs sei ihm die Normalität des Lebens hier schwergefallen – angesichts von Festivals, Musik und Feiern. „Mir hat es geholfen damit umzugehen, indem ich Freiwilligenprojekten der Ukraine von hier aus unterstützt habe“.

Er lobt: „Großartig, wie schnell und effektiv die FIAS-Verwaltung auf die Invasion reagierte. Die symbolische große ukrainische Flagge über dem FIAS hat mich sehr bewegt“. Begeistert ist er von seinem Doktorvater Jochen Triesch, in dessen Arbeitsgruppe er 2 Veröffentlichungen verfasste.

Hilfe durch das FIAS

„Das FIAS unterstützt weiterhin wo immer möglich Wissenschaftler, die in der Heimat bedroht sind und ihre Forschung nicht fortsetzen können“, betont FIAS-Direktor Eckhard Elsen. Die Zusammenarbeit mit Geldgebern wie der Alexander von Humboldt-Stiftung, der Stiftung Polytechnischer Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft erlaube es dann, Forschenden aus aller Welt – zumindest zeitweise – eine Heimat zu geben.

Vorrangiges Ziel bleibe aber, ihnen zuhause langfristig ein erstrebenswertes Arbeitsumfeld zu ermöglichen und das durch Zusammenarbeit zu stärken. So erwägt das FIAS beispielsweise landes- und fachübergreifende Konferenzen.

FIAS: Einblicke in das Recycling unserer Zellen

7. Juli 2023

von Andreas Woitun

Computersimulation des Proteinkomplexes ATG3

Forschenden am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) ist ein bedeutender Durchbruch im Verständnis der Autophagie gelungen, einem lebenswichtigen zellulären Mechanismus für Abbau und Recycling beschädigter Zellbestandteile.

Zellen besitzen eine ausgeklügelte “Recyclingsystem”, die Autophagie. Dieser griechische Begriff bedeutet “Selbstverzehr” und ist ein komplexer Prozess. Alle Zellkomponenten – wie kleine Moleküle, Zucker, einzelne Proteine, Lipide – sind in einer enorm komplexen Choreografie organisiert, die für das korrekte Funktionieren der Zelle und letztlich für die Gesundheit und das Überleben des gesamten Organismus notwendig ist.

Manchmal werden Teile dieser Choreographie beschädigt – etwa ein Proteinkomplex oder eine Membran – und die Zelle muss sie beseitigen, bevor sie ihre normale Funktion beeinträchtigen. Oder eine Zelle leidet unter Nährstoffmangel, sodass sie vorhandene Moleküle nutzen und recyclen muss, um sich auf wesentliche Aktivitäten zu konzentrieren. In diesen Situationen wird die Autophagie aktiviert.

Autophagie beruht auf dem Zusammenwirken zahlreicher regulatorischer Proteine, die die Bildung dieser zellulären „Müllabfuhr“ steuern. Sie sammeln den zum Recycling bestimmten Zellinhalt – beispielsweise defekte Proteine – in Bläschen, den Autophagosomen. Eine entscheidende Rolle bei der Bildung dieser Autophagosomen, den Strukturen, die das abzubauende Material einkapseln, spielt das Protein ATG3.

Das Forscherteam um FIAS-Fellow Roberto Covino fand heraus, dass eine bestimmte Seitenkette des ATG3-Protein über einzigartige biophysikalische Eigenschaften verfügt: Diese Eigenschaften ermöglichen es ihr, streng kontrolliert mit Membranen zu interagieren. Und sie sind für die Funktion des Proteins bei der Autophagie wesentlich.

Dieses tiefere Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Autophagie zugrunde liegen, könnte erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung von Behandlungen für Krankheiten haben, die mit einer gestörten Autophagie einhergehen, wie etwa neurodegenerative Erkrankungen und Krebs.

Abbildung: Computersimulation des Proteinkomplexes ATG3 (orange) auf einer Lipidmembran (grau/transparent). Die Forschenden identifizierten den auf der Membran liegenden Teil (eine amphipathische Helix) als entscheidend für den Prozess der Autophagie. Dieser grundlegende Recycling-Prozess in unseren Zellen ist bei bestimmten Krankheiten gestört.

Publikation:
Taki Nishimura, Gianmarco Lazzeri, Noburu Mizushima, Roberto Covino, Sharon A. Tooze, Unique amphipathic α helix drives membrane insertion and enzymatic activity of ATG3, Science Advances 9:25, 2023, DOI: 10.1126/sciadv.adh1281

FIAS: Algorithmen erhellen Blitzstrukturen

25. März 2023

von Andreas Woitun

Blitze sind ein Naturphänomen, das Menschen seit Jahrhunderten fasziniert. Das wissenschaftliche Verständnis der komplexen Strukturen von Blitzen ist jedoch aufgrund der riesigen Datenmengen eine Herausforderung. Forscher des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und der Universität Groningen haben nun eine neuartige Methode entwickelt, um die Strukturen von Blitzen mit Hilfe von maschinellem Lernen zu verstehen. Mit diesem Wissen ließen sich eines Tages die von Gewittern ausgehenden Gefahren verringern.

Die Analyse von Blitzdaten kann sehr zeitaufwändig sein und beruht bisher auf Fotos, anhand derer Forschende die Struktur von Blitzen untersuchen. Ein einziger Blitz besteht aus Hunderten feiner und komplexer Strukturen und unzähligen unterschiedlichen Phänomenen.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelten Lingxiao Wang und seine Kollegen Brian Hare, Horst Stöcker und Kai Zhou eine neuartige Methode, um mit Hilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens und Korrelationsanalysen Strukturen in Blitzdaten zu erkennen.

Sie nutzten dafür Daten aus dem niederländisch-deutschen Radioteleskop LOFAR (Low Frequency Array), einem Netzwerk aus etlichen Einzel-Antennen. „Die Erforschung der Blitzstruktur ist der erste Schritt zum Verständnis des Auftretens und der Entwicklung von Blitzen“, erklärt Wang. „Wenn wir künftig diese extremen Phänomene besser verstehen, können wir Gefahren durch Blitzschläge besser einschätzen und vermeiden“.

Die Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Chaos, Solitons and Fractals, erhellt das Verständnis von Blitzstrukturen und gibt Einblicke in die komplizierten Korrelationsfunktionen für verschiedene Blitzphänomene. Der Einsatz von Algorithmen des maschinellen Lernens kann dazu beitragen, Strukturen anhand zahlreicher räumlich-zeitlicher Punkte in einem hochdimensionalen Raum zu identifizieren, was mit bloßem Auge sehr zeitaufwändig wäre. Diese neuartige Methode ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um riesige multidimensionale Datensätze nach einzigartigen Strukturen zu durchsuchen.

Die Ergebnisse dieser Studie haben potenzielle Anwendungen über den Bereich der Physik hinaus. Die Kombination aus den in dieser Studie verwendeten Algorithmen kann zur Suche nach einzigartigen Strukturen in großen multidimensionalen Datensätzen in Bereichen auch außerhalb der Physik eingesetzt werden – „beispielsweise für Daten aus Biologie und Medizin, von Erdbeben oder zur menschlichen Mobilität“, so Wang.

Diese Forschung unterstreicht das Engagement des FIAS, wissenschaftliche Erkenntnisse durch innovative Forschungsmethoden voranzutreiben. Durch die Entwicklung neuer Werkzeuge und Techniken zur Analyse komplexer Datensätze leisten unsere Forscher einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von Naturphänomenen.

Abbildung: Elektrische Ladung in der Atmosphäre erzeugt eine Spur geladener Luft von der Gewitterwolke zum Boden, den “Leiter” (leader). Ein neu entdecktes Phänomen sind kleine Bahnen aus geladener Luft, die “Nadeln” (needles). Aus Blitzdaten von Radioteleskopen kann mit Hilfe Künstlicher Intelligenz deren Feinstruktur berechnet werden.

Kontakt:

Dr. Lingxiao Wang
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Tel.:+49 69 798 47619
eMail: lwang@fias.uni-frankfurt.de

Dr. Anja Störiko
FIAS-Pressestelle
Tel.: +49 (0)69 798 47507
eMail: stoeriko@fias.uni-frankfurt.de

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies)
ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und Kl-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren. https://fias.institute/

Publikationen:

Lingxiao Wang, Brian M. Hare, Kai Zhou, Horst Stöcker und Olav Scholten, Identifying Lightning Structures via Machine Learning, Chaos, Solitons & Fractals 170,113346 (2023).
Brian M Hare, Olaf Scholten, Joseph Dwyer et al. Needle-Iike structures discovered on positively charged lightning branches, Nature, 2019, 568(7752): 360-363.

Verlauf von Grippe-Infektionen vorhersagen

3. Dezember 2022

von Andreas Woitun

Grippe Infektion und Künstliche Intelligenz

Wenige Tropfen Blut könnten ausreichen, um den Verlauf einer Grippeerkrankung vorherzusagen. Das legt eine Studie des Teams um Esteban Hernandez-Vargas am Frankfurt Institute for Advanced Sciences (FIAS) nahe, gemeinsam mit Infektiologen des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig und dem Universitätsklinikum Magdeburg.

An echter Grippe (Influenza) erkranken jedes Jahr weltweit bis zu 5 Millionen Menschen. Viele von ihnen sterben. Daher ist es wichtig, die Viruslast in der Lunge und die Immunreaktionen der Patienten auf das Virus im Auge zu behalten.

Herkömmliche Methoden nutzen beispielsweise die Bestimmung viraler Antigene¹ oder von Entzündungsmarkern aus Abstrichen der Atemwege. Sie sind nicht sehr empfindlich, dafür aber recht aufwendig.

Die größte Hürde ist die Probenahme in der Lunge, die für akut infizierte Patienten riskant ist. Eine nicht-invasive Methode² zur Vorhersage des Verlaufs einer Grippe wäre daher eine Erleichterung. Ein Ansatzpunkt ist die veränderte Zusammensetzung von Blutzellen im Verlauf der Grippeerkrankung. Solche Blutwerte sind einfach und schnell zu gewinnen und bereits Routine in der Diagnose und Patientenversorgung.

Die Gruppe von Hernandez-Vargas setzte nun verschiedene Machine-Learning-Modelle³ ein, um diagnostische Daten aus Blut- und Lungen-Proben zu bewerten, die im Verlauf einer Grippeinfektion in Mäusen gewonnen wurden. Sie nutzten Machine-Learning-Algorithmen, die mehrere Schichten an Informationen verarbeiten können.

So können sie die Viruslast und die Immunreaktion in der Lunge (Zytokine⁴ und Leukozyten⁵) aus Blutwerten vorhersagen. Umfangreiche Daten für das Training und die anschließende praktische Überprüfung der Modelle stammen aus Infektionsexperimenten in Mäusen am HZI.

„Wir konnten zudem zeigen, dass bestimmte weiße Blutkörperchen (neutrophile Granulozyten) sowie Blutplättchen (Thrombozyten) eine entscheidende Rolle bei der Vorhersage des Infektionsverlaufs in der Lunge spielen und stark an der Immunantwort gegen Grippeviren beteiligt sind“, erklärt Herr Dr. Esteban Hernandez-Vargas.

Die Methode ebnet den Weg zur besseren klinischen Überwachung von Grippe-Infektionen und möglicherweise auch anderen Atemwegsinfektionen auf der Grundlage von Blutwerten. „Eines Tages sind diese Vorhersagen hoffentlich präzise genug für eine wertvolle Hilfestellung zur weiteren Behandlung von Patienten“, so FIAS-Doktorand Suneet Jhutty, einer der beiden Erstautoren der Studie.

Künftig könnte möglicherweise jedes Routine-Blutbild auch eine Einschätzung zum Zustand in der Lunge und damit Hinweise auf den Verlauf von Infektionskrankheiten liefern.

Die Studie lässt sich noch nicht vollständig auf den Menschen übertragen, etwa weil anders als im zugrunde liegenden Tierversuch Menschen sich mehr als einmal mit Grippe infizieren können, was den Verlauf der Infektion und die Immunantwort auf das Grippevirus erheblich beeinflusst. Weitere Studien sollen klären, wie im Modell die genetische Vielfalt der Patienten nachgeahmt werden kann.

Jüngste Untersuchungen des Teams weisen darauf hin, dass auch die Diagnose von COVID-19 aus dem Blut möglich sein könnte.

¹ Das Virus wird anhand bestimmter Eiweiße (sog. Antigene) nachgewiesen. Die Funktionsweise eines Antigen-Tests ist ähnlich wie bei einem Schwangerschaftstest.

² Mit „nicht invasiv“ sind Untersuchungen und Behandlungen gemeint, bei denen kein Gewebe verletzt wird und die nötigen Instrumente nicht in den Körper eingeführt werden.

³ Machine Learning (Maschinelles Lernen) ist eine Anwendung der künstlichen Intelligenz (KI). IT-Systeme lernen automatisch Muster und Zusammenhänge aus Daten und verbessern sich, ohne explizit programmiert zu sein. Ein Machine Learning-Modell ist eine Datei, die darauf trainiert wurde, bestimmte Arten von Mustern zu erkennen. Sie trainieren ein Modell anhand von Daten, indem Sie einen Algorithmus bereitstellen, mit dem diese Daten analysiert und zum Lernen verwendet werden können.

⁴ Zytokine, sind körpereigene Eiweiße, die sich für einen wesentlichen Teil der Zellsteuerung verantwortlich zeigen. Die Tragweite ihres Potenzials steht bis heute nicht fest.

⁵ Leukozyten sind Blutzellen, die im Gegensatz zu roten Blutkörperchen (Erythrozyten) keinen roten Blutfarbstoff enthalten. Sie erscheinen deshalb „weiß“ beziehungsweise farbarm. Man nennt sie daher auch weiße Blutkörperchen. Die Hauptaufgabe der Leukozyten ist die Abwehr von Krankheitserregern.

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies)
ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und KI-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mithilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren. https://fias.institute/

Hannah Elfner zum Senior Fellow ernannt

5. November 2022

von Andreas Woitun

FIAS beruft theoretische Physikerin als erste Frau und jüngstes Mitglied.

Pünktlich zum 40. Geburtstag „Senior“ zu werden, klingt erst mal nicht so schmeichelhaft. Und dennoch ist die Ernennung von Prof. Dr. Hannah Elfner zum Senior Fellow am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) eine Auszeichnung.

Sie ist damit die erste Frau, die es im theoretischen Forschungsinstitut in diese höchste Kategorie geschafft hat – vergleichbar einer W3-Professur an der Universität. Die Senior Fellows, aktuell 12 an der Zahl, bilden die FIAS Faculty, beraten das unabhängige Forschungsinstitut, leiten die Forschungsgruppen und ernennen die Fellows.

Schon der vorige runde Geburtstag bescherte Frau Elfner eine verdiente Beförderung: Mit 30 Jahren wurde sie zu einer der jüngsten Physik-Professorinnen Deutschlands ernannt – zumindest in der theoretischen Physik noch eine Ausnahme. “Mich fasziniert, wie die kleinsten Bausteine unserer Welt funktionieren – das will ich verstehen,” so Frau Elfner.

Sie beschäftigt sich mit einem Materiezustand, wie er im frühen Universum nur Mikrosekunden nach dem Urknall existierte. „Danach verwandelten sich die kleinsten und freien Bestandteile der Materie, das Quark-Gluon-Plasma, in die heutigen Bausteine der Materie, die Protonen und Neutronen“.

In energieintensiven Teilchenbeschleunigern lässt sich dies nachahmen, indem Atomkerne aus Blei oder Gold auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, sodass bei ihrer Kollision miteinander Temperaturen und Dichten entstehen, wie sie kurz nach dem Urknall existiert haben.

Frau Elfner beschreibt diese Vorgänge in mathematischen Modellen: Sie berechnet die zeitliche Entwicklung der mikroskopischen Schwerionenkollisionen und gleicht verschiedene Annahmen für die Eigenschaften der Materie mit experimentellen Daten ab.

Aktuell 16 Wissenschaftler ihrer Gruppe forschen in 7 nationalen und internationalen Kooperationen. So versuchen sie im Cluster-Projekt ELEMENTS mit Kollegen aus Darmstadt zu verstehen, wie die Eigenschaften von Materie bei hohen Dichten aus Schwerionenkollisionen bestimmt werden können, um die astrophysikalischen Prozesse beim Verschmelzen von Neutronensternen aufzuklären.

Frau Elfner engagiert sich sehr für den wissenschaftlichen Nachwuchs. So hat sie bereits fast 40 Nachwuchswissenschaftler erfolgreich zum wissenschaftlichen Abschluss begleitet. Neben der Ausbildung von Studierenden und Promovierenden gewährt sie regelmäßig der Öffentlichkeit Einblick in ihre Forschung in Vorträgen und bei Veranstaltungen – dabei zeigt sie ganz nebenbei, wie erfolgreich Frauen in der Physik sein können.

Für ihre wissenschaftliche Leistung wurde Frau Elfner mehrfach mit renommierten Preisen ausgezeichnet, darunter kürzlich als „Scientist of the Year“ der Alfons und Gertrud Kassel-Stiftung sowie 2016 mit dem Heinz-Maier-Leibnitz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Ihre außergewöhnliche Leistung und ihr hohes Engagement hat nun das FIAS mit der Ernennung zum Senior Fellow unterstrichen.

Der Stiftungsrat berief sie einstimmig in die Reihen der FIAS Faculty. „Ich freue mich über die Ernennung“, so die gebürtige Frankfurterin – „und dass ich weiterhin am FIAS und seiner Gestaltung mitwirken kann“. FIAS-Direktor Elsen ergänzt: „Mit dieser Berufung wird die theoretische Beschreibung der Wechselwirkung von Kernbausteinen auch zukünftig kompetent und prominent am FIAS vertreten sein“.

Die Erforschung der Welt im Kleinen wird Hannah Elfner auch in Zukunft nicht loslassen: „Ein besseres Verständnis des Übergangs von Protonen/Neutronen zum Quark-Gluon-Plasma bei hohen Dichten wäre großartig“. Im Fokus steht künftig zudem ein kleiner Mensch: In diesen Tagen beginnt Frau Elfners Mutterschutz und damit zeitnah zur Senior-Auszeichnung auch ein Junior-Leben.

Kontakt
Prof. Dr. Hannah Elfner
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Ruth-Moufang-Straße 1
60438 Frankfurt am Main

Tel.: +49 69 798 47652

eMail: elfner@fias.uni-frankfurt.de
Web: https://www.fias.science/de/theoretische-naturwissenschaften/gruppen/hannah-elfner-petersen/