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Information und Gehirn

Die komplexen Vorgänge des Gehirns zu verstehen ist die Voraussetzung dafür, Hirnerkrankungen besser diagnostizieren und therapieren zu können. Gleichzeitig sind die Prozesse der Informationsverarbeitung beim Menschen interessant für neue Ansätze der Informationstechnologie.

Petaflop-Rechner am Forschungszentrum Jülich

Supercomputer

Supercomputer sind aus der Forschung nicht mehr wegzudenken. Mit ihnen lassen sich Erkenntnisse erzielen, die mit Experimenten nicht zu gewinnen sind. Auf Superrechnern wird simuliert, wie sich Proteine im Körper entfalten, wie Halbleiter funktionieren, wie Wasserdampf in die Stratosphäre aufsteigt oder wie sich Galaxien formen. In Jülich stehen Wissenschaftlern aus aller Welt jedoch nicht nur die Rechner zur Verfügung, sondern auch Experten zur Seite, die Algorithmen der Fachwissenschaften optimieren und Software-Werkzeuge für die Analyse großer Datenmengen erarbeiten.

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menschliches Gehirn

Human Brain Modelling

Das menschliche Gehirn ist eine gigantische Schaltzentrale. Wie tauschen rund 100 Milliarden Nervenzellen im Gehirn Informationen aus? Wo liegen die Ursachen für neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson oder Demenz? Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln ein 3-D-Modell des menschlichen Gehirns. Mathematische Modelle helfen, die hochkomplexen Informationswege in und zwischen den Nervenzellen mittels Höchstleistungsrechnern nachzubilden.

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Baum, der Blätter verliert (c): freshidea - Fotolia

Wirkstoffforschung für Alzheimer-Therapie

Über 1,2 Millionen Menschen in Deutschland leiden heute an der Alzheimerschen Demenz, weltweit sind es Schätzungen zufolge mehr als 24 Millionen. Im Krankheitsverlauf kommt es zu einem massiven Neuronensterben im Gehirn. Infolge dessen leiden Patienten unter dem immer stärker werdenden Verlust ihres Gedächtnisses und anderer kognitiver Fähigkeiten. Jülicher Wissenschaftler erforschen mögliche Wirkstoffe gegen diese Erkrankung. Einer der Wirkstoffkandidaten wird derzeit in Jülich getestet.

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Pfeifen im Ohr

Neurostimulator:
Mit individuellen Tonfrequenzen Tinnitus "verlernen"

Es brummt, rasselt, pfeift oder klingelt: Tinnitus (lateinisch: Geklingel) nennen die Ärzte den Krach im Ohr, der geschätzt rund drei Millionen Deutschen zu schaffen macht. Ergebnisse aus dem Forschungszentrum Jülich bilden die Grundlage für eine neue Therapie, die Neurostimulation: Gezielte akustische Reize individuell an den jeweiligen Tinnitus angepasst - können die Beschwerden lindern, wie erste Ergebnisse einer klinischen Studie zeigen.

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Röntgenbild

Hirnschrittmacher: Gezielte Hilfe für Parkinson-Patienten

Ungebremst gleichzeitig, statt gezielt und nacheinander: So feuern die Nervenzellen von Parkinson-Kranken und verursachen dadurch das typische Zittern und die Muskelstarre der Patienten. Ein neuer Hirnschrittmacher kann die Zellen aus ihrem krankhaften Gleichtakt bringen: Mit gezielten, schwachen Störimpulsen unterbrechen Elektroden im Gehirn das Dauerfeuer, wenn die Nervenzellen krankhaft synchron feuern.

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3-D-Rekonstruktion eines Dendritenabschnitts (blau) mit zwei kontaktbildenden Synapsen (oliv), die synaptische Vesikel (hellgrün) beinhalten.

Signalübertragung im Gehirn

Wie werden Informationen im Gehirn weitergeleitet? Wie beeinflussen die Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, diese Prozesse? Und welche Rolle spielen chemische Botenstoffe? Jülicher Forscher untersuchen Bau und Funktion beteiligter Schlüsselstrukturen, die Rolle einzelner Moleküle und die Vernetzung der komplexen Schaltkreise.

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Schlaganfalldiagnose

Schlaganfall und ADHS

Gemeinsam mit Medizinern und Wissenschaftlern der Unikliniken Köln und Aachen arbeiten Jülicher Forscher daran, Schlaganfall-Patienten oder jungen Menschen mit einem Aufmerksamkeitsdefizit­Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) zu helfen. Hierzu untersuchen sie mit Hilfe moderner Bildgebender Verfahren die Ursachen der Störungen und entwickeln neuartige Therapieverfahren.

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3TMRPET 4UK col 6

Tumordiagnose

In Jülich arbeiten Pharmakologen, Chemiker, Physiker und Mediziner eng zusammen, um die Diagnose und Therapie von Hirntumoren und anderen neurologischen Erkrankungen zu verbessern. Hierzu entwickeln sie zum Beispiel radioaktive Pharmaka, die sich gezielt im Tumorgewebe anreichern und dann mit Hilfe eines Positronenemissionstomografen (PET) millimetergenau orten lassen. Darüber hinaus arbeiten sie am Einsatz neuer Kombinations-Geräte, die eine noch präzisere Diagnostik ermöglichen.

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3T

Werkzeuge in der Hirnforschung

Der Jülicher Blick ins Gehirn ist vielfältig: Bildgebende Verfahren wie die Kernspin-Tomografie (MRT) zeigen feinste Zellstrukturen und aktive Gehirnregionen, das molekulare Imaging bildet den Stoffwechsel im Gehirn ab und die Verteilung verschiedener Moleküle. Aus histologischen Hirnschnitten lassen sich mit modernen Computerverfahren dreidimensionale virtuellen Hirnregionen rekonstruieren.

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Nervenzelle

Bioelektronik

Künstliche Netzhäute und Prothesen, die sich direkt durch das Nervensystem des Patienten steuern lassen; Biochips, die schnell und zuverlässig Spurenstoffe in Luft und Wasser detektieren: Daran arbeiten Wissenschaftler im Bereich der Bioelektronik. Ihr Ziel ist es, die Intelligenz lebender Zellen mit elektronische Datensystemen zu verbinden.

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Verspanntes Silizium

Neuartige Chipstrukturen

Kaum ist ein Computer gekauft, kommt ein neuerer, schnellerer und kleinerer Rechner auf den Markt. Doch die Miniaturisierung vorhandener Rechnerstrukturen stößt bald an ihre physikalischen Grenzen. Alternativen könnten dreidimensionale Transistorstrukturen sein, bei denen sich die winzigen Bauteile nicht aufgrund ihrer Nähe gegenseitig ablenken - denn sie liegen nicht mehr nebeneinander, sondern bilden vielmehr Säulen auf einer Siliziumoberfläche, welche besondere Charaktereigenschaften aufweist.

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Speicher

Resistive Speicher

Das Hochfahren des Computers zählt für die meisten Büroangestellten zum morgendlichen Ritual. Je nach Rechner braucht es mehrere Minuten bis die Daten von der Festplatte in den Arbeitsspeicher gelesen sind. Notwendig ist dies, weil der Arbeitsspeicher zwar die Daten für die laufende Bearbeitung schnell innerhalb von Millisekunden zur Verfügung stellen kann, aber dafür eine permanente Stromzufuhr im Betrieb benötigt. Auf der Festplatte sind die Daten auch bei Stromausfall sicher vor Verlust gespeichert, aber dafür sind die Schreib- und Lesezeiten relativ lang. Ideal wäre eine Speicherart, die die Vorteile beider Typen vereint. In Jülich wird daran gearbeitet.

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Das 'Schweizer Taschenmesser' der Nanoelektronik

Spintronik: Mit dem richtigen Dreh

Computer und Elektronik sind die Grundlagen der modernen Informationsverarbeitung, vom Mobiltelefon bis hin zur Kreditkartenabrechnung. Bits und Bytes laufen dabei als Elektronen-Ladung zwischen Transistoren, Speicher und Festplatten hin und her. Dagegen bisher kaum genutzt wird die zweite wichtige Eigenschaft des Elektrons: sein Spin oder Eigendrehimpuls, auf dem die magnetischen Eigenschaften der Materie aufbauen.

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Festplatte mit Lesekopf

GMR-Effekt: Die Revolutionierung der Festplatte

Dass Festplatten immer kleiner werden und dennoch immer mehr Daten fassen können, geht auf eine Entdeckung zurück, die am Forschungszentrum Jülich gemacht wurde. Ende der 1980er Jahre entdeckte der Physiker Peter Grünberg, dass sich der elektrische Widerstand von dünnen magnetischen Schichten stark durch äußere Magnetfelder ändert. Der so genannte GMR- oder Riesenmagnetowiderstands-Effekt, der heute millionenfach in Festplatten genutzt wird, beruht auf der quanten- mechanischen Kopplung der Elektronen-Spins in den Materialschichten. Für die Entdeckung wurde Prof. Grünberg 2007 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.

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Einblick in das Innere von Molekülen mit der erweiterten Rastertunnelmikroskopie

Rastertunnelmikroskopie mit Wasserstoff

Ein Wasserstoffmolekül, das sich an der Spitze der Messnadel eines Rastertunnelmikroskops anheftet und dort - im Kontakt mit der jeweiligen Probe - wie ein hochempfindlicher Fühler wirkt: Das ist, vereinfacht gesagt, die Funktionsweise der von Jülicher Forschern entwickelten "Scanning Tunnelling Hydrogen Microscopy" (STHM). Sie verhilft Wissenschaftlern zu noch detaillierteren Bildern im Nanometerbereich und ermöglicht den Blick in das Innere von organischen Molekülen.

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