Per 3-D-Atlas durch die Welt der Daten navigieren

19. Oktober 2010, 21:20
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Tiefe Einblicke ins Fliegenhirn oder neue Stadtansichten

Visual-Computing-Experten arbeiten gemeinsam mit Neurobiologen an einer interaktiven Technologie, die große Datenmengen anschaulich macht.

Ungebrochen wachsende Datenberge aufzuarbeiten und "digitale Klone" von realen Objekten zu erstellen – das ist heute eine zentrale Voraussetzung für Fortschritte in den verschiedensten Wissenschafts- und Wirtschaftsbereichen geworden. "Visual Computing" heißt diese Schlüsseltechnologie, mit deren Hilfe Daten visuell dargestellt und gezielt aufbereitet werden. Damit kann von Motoren über Hirnströme bis zu ganzen Stadtteilen so ziemlich alles höchst anschaulich dargestellt werden, wofür es die entsprechenden Daten gibt.

Das Ziel der wissenschaftlichen Visualisierung ist es, effizient mit enormen Datenmengen umzugehen und gleichzeitig eine Interaktion mit diesen visualisierten Informationen zu ermöglichen. Denn erst durch die Interaktion zwischen Nutzer und Daten können mittels verschiedener Darstellungen bisher unbekannte Merkmale von biologischen oder physikalischen Vorgängen aufgespürt werden.

So ermöglichte zum Beispiel die Zusammenarbeit von Neurobiologen des Wiener Forschungsinstituts für Molekulare Pathologie (IMP) mit Visualisierungsexperten vom Zentrum für Virtual Reality und Visualisierung (VRVis) erstmals die Darstellung der am Balzverhalten von Fruchtfliegen beteiligten Gehirnzellen in Form eines komplexen Schaltplans (der Standard berichtete). Ein international viel beachteter Meilenstein in der Erforschung grundlegender Informationsverarbeitungsmechanismen in neuronalen Netzen und ihrer Auswirkung auf das Verhalten.

Einer der Pfeiler, von denen dieser wissenschaftliche Durchbruch getragen wird, ist die optimale Visualisierung der gesammelten Daten. "Am IMP werden laufend 3-D-Mikroskopiebilder von Fliegengehirnen erstellt – bis Ende des Jahres werden es über 10.000 sein", erläutert Katja Bühler von VRVis.

Die Bilderflut verstehen

"Unsere Aufgabe ist es, aus diesen 3-D-Bildern und den darin sichtbaren Strukturen eine aussagekräftige 3-D-Visualisierung zu machen. Die Herausforderung dabei ist die geschickte Auswahl und Fusion der Information aus vielen verschiedenen Bildern, die ja einzeln jeweils nur ein kleines Detail abbilden, aber gemeinsam die ganze Komplexität des Gehirns beschreiben." Die Visualisierung ist interaktiv, d. h. dass die Neurobiologen die Bilder jederzeit anpassen und dadurch fließend durch die 3-D-Visualisierung navigieren können, was erst ein tieferes Verständnis für größere Zusammenhänge ermöglicht.

Um aus einer Datenbank mit 10.000 Bildern und tausenden segmentierten Strukturen bestimmte Informationen herausfiltern zu können, muss üblicherweise eine Suchanfrage gestellt werden. Bei räumlichen Daten, wie sie bei der Darstellung von Fliegenhirnen anfallen, ist es allerdings schwierig, den Bereich, in dem man nach Informationen sucht, rein sprachlich zu definieren. "Wir entwickeln deshalb gemeinsam mit der TU Wien verschiedene räumliche Suchmöglichkeiten", erklärt Katja Bühler.

Die Neurobiologen brauchen nur noch einen bestimmten Punkt bzw. eine Region im Gehirn oder auf einem der 3-D-Bilder zu markieren, um entsprechende Informationen aus der Datenbank zu erhalten. "Auf diese Weise kann man viel intuitiver und effektiver mit der ständig wachsenden Datenmenge umgehen", sagt Bühler. Da der schon vorhandene Datenbestand wöchentlich um etwa 100 Bilder anwächst, ist das eine sehr effiziente Methode, um die richtigen Bilder für die jeweilige Fragestellung herauszufinden.

Neuronale Info-Verarbeitung

"Die Zusammenarbeit mit den IMP-Forschern ist sehr dynamisch", zeigt sich die Visualisierungsexpertin begeistert. "Indem wir den Neurobiologen eine Technologie für die aussagekräftige Darstellung ihrer Daten zur Verfügung stellen, entstehen für sie immer wieder neue Erkenntnismöglichkeiten und damit auch neue Wünsche an uns. Damit treiben wir uns ständig gegenseitig an."

Optimale Bedingungen also, um im internationalen Wettlauf um die Poleposition die Nase vorn zu behalten. Immerhin gibt es weltweit nur sehr wenige Forschergruppen, die sich mit ähnlichen Fragestellungen der Informationsverarbeitung in neuronalen Netzen beschäftigen – und wer hier auf das bessere System zur Visualisierung und fürs Data-Mining zurückgreifen kann, wird gewinnen. Mit ihrer gemeinsamen Arbeit am 3-D-Atlas zum Gehirn der Fruchtfliege sind die beiden Wiener Forschungseinrichtungen diesem Ziel bereits recht nahe gekommen. "Ohne diese Technologie wären wir mit unserer Forschung heute sicher noch nicht so weit", ist IMP-Direktor Barry Dickson überzeugt.

Die Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten für "Visual Computing" ist naturgemäß beachtlich: So wurde beispielsweise neben zahlreichen Projekten für medizinische und industrielle Anwendungen mit dem Forschungszentrum Telekommunikation Wien (FTW) ein interaktives 3-D-Stadtmodell als Informationsraum entwickelt, das durch Fotos, Videoschnipsel und Tondateien von Handy- und Digitalkamerabesitzern ständig erweitert werden kann.

"WikiVienna" lehnt sich an benutzergenerierte Informationsplattformen wie Wikipedia an, fügt aber zur Organisation dieser Daten eine räumliche Ebene hinzu. Dabei werden mobile Endgeräte als Schnittstelle zur Umgebung verwendet. Die Aufgabe der VRVis-Experten dabei war es, die notwendigen Rekonstruktionsmethoden zu entwickeln, um aus beliebig vielen Fotos unterschiedlichster Qualität ein hochgenaues und funktionales Modell des ersten Wiener Bezirks zu erschaffen. (Doris Griesser/DER STANDARD, Printausgabe, 20.10.2010)

  • Aus zigtausend Mikroskopiebildern kann das Gehirn der Fruchtfliege visualisiert werden.
    foto: vrvis

    Aus zigtausend Mikroskopiebildern kann das Gehirn der Fruchtfliege visualisiert werden.

  • "WikiVienna" rekonstruiert ein präzises Modell der Wiener Innenstadt.
    foto: vrvis

    "WikiVienna" rekonstruiert ein präzises Modell der Wiener Innenstadt.

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