Fünf ERC Starting Grants für FAU-Wissenschaftler/-innen

Nachwuchsforscher/-innen mit EU-Förderung in Millionenhöhe ausgezeichnet

Förderungen des European Research Council (ERC; Europäischer Forschungsrat) sind hart umkämpft. Sie zu erhalten, gibt der Forschung der ausgezeichneten Wissenschaftler/-innen durch die hohen Fördersummen von bis zu 1,5 Millionen Euro über fünf Jahre nicht nur neuen Schwung – sie zeichnet die Geförderten ebenso also Spitzenforscher/-innen auf ihren Gebieten aus. Nun ist es gleich fünf Wissenschaftler/-innen der FAU gelungen, einen ERC Starting Grant einzuwerben: Silvia Budday, Alessandro Del Vecchio, Danijela Gregurec, Ferdinand Knieling und Anna Nelles, die gleichzeitig am DESY als Wissenschaftlerin arbeitet.

Silvia Budday: Die Gehirn-Ingenieurin

Eine Ingenieurin, die das Gehirn erforscht? Was zunächst abwegig klingt, erschließt sich bei genauerem Hinsehen. Prof. Dr. Silvia Budday erforscht das Verhalten extrem weicher Materialien unter mechanischen Einflüssen. Dazu gehöre Hydrogele, aber eben auch menschliches Gehirngewebe. Denn die Mechanik beeinflusst die Funktionsweise von Zellen und hat somit Auswirkungen auf unsere Gesundheit.

Ziel des durch den ERC Starting Grant geförderten MAGERY-Projekts ist es, Schädigungen von Gehirnzellen durch mechanische Belastung, zum Beispiel bei einer Gehirn-OP, zu verhindern.

Durch einen neuartigen Testaufbau und die Kombination von mechanischen Messungen, Multiphotonenmikroskopie sowie mathematischer Modellierung und Simulation untersuchen Budday und ihr Team, wie hoch mechanische Belastungen sein dürfen, bevor unsere Gehirnzellen Schaden nehmen oder sterben.

Durch die Integration dieser Erkenntnisse in Virtual beziehungsweise Augmented Reality-Lösungen für die Gehirnchirurgie könnten Belastungen und mögliche Schädigungen, die während eines chirurgischen Eingriffs auftreten, zuverlässig vorhergesagt und direkt angezeigt werden, um reagieren und damit effektiv Gewebe- und Zellschäden vermeiden zu können.

Alessandro Del Vecchio: Vom Gedanken zur Bewegung

Viele Menschen leiden unter teilweisen oder vollständigen Muskellähmungen, für die es keine Heilung gibt. Neuronale Schnittstellen haben zwar das Potenzial, die motorische Funktion mit Hilfe von Assistenzsystemen wiederherzustellen. Aber selbst bei den modernsten invasiven neuronalen Implantaten, können Patient/-innen die Bewegungen der gelähmten Gliedmaßen nur sehr eingeschränkt kontrollieren – dafür ist die Übersetzung vom Gehirnbefehl an die Assistenzsysteme zu ungenau.

Mit dem ERC Starting Grant möchte Alessandro Del Vecchio, Professor für Neuromuscular Physiology and Neural Interfacing an der FAU, Schnittstellen entwickeln, die die gewünschte Bewegung besser an die Prothese übertragen.

Dafür setzt er bei den spinalen Motoneuronen an: Das sind die letzten Zellen des Nervensystems, die motorische Befehle in Bewegung umsetzen.

Bei den meisten Nervenverletzungen, wie Rückenmarksverletzungen und Schlaganfällen, gibt es noch funktionell aktive spinale Motoneuronen,die mit minimalinvasiven Methoden zugänglich gemacht werden können.

Del Vecchio und sein Team wollen sogenannte bidirektionale Schnittstellen entwickeln, die die Aktivität von spinalen Motoneuronen in Echtzeit erkennen und weitergeben. Dafür nutzen die Forscher/-innen neue Deep-Learning-Methoden und Hunderte Sensoren, die die elektrische Aktivität der Muskeln messen, um die Aktionspotenziale einzelner motorischer Einheiten für die Muskeln, die die Hand steuern, aufzuzeichnen, zu aktivieren und zu erweitern und so die Funktionsweise von Assistenzsystemen verbessern.

Danijela Gregurec: Bimodale Neuromodulation ermöglicht Lesen und Schreiben im Gehirn

Neurodegenerative Krankheiten und neurologische Dysfunktionen wie Depression, Parkinson oder Demenz betreffen immer größere Teile unserer Gesellschaft. Für ihre erfolgreiche Behandlung bedarf es innovativer Ansätze im Bereich der Neurowissenschaften. Bisher basiert Neuromodulation in der Regel auf chronisch implantierter makroskopischer Hardware, die zahlreiche Sicherheitsbedenken aufwirft, häufig unter mangelnder Präzision leidet und keinen Zugang zu tieferliegenden Hirnregionen ermöglicht.

Hier setzt das ERC Starting Grant-Projekt BRAINMASTER von Prof. Dr. Danijela Gregurec an: Ihr Ziel ist, eine innovative bimodale, drahtlose, minimal-invasive Technologie zur neuronalen Modulation zu entwickeln, mit der neurologische Erkrankungen räumlich und zeitlich präzise behandelt werden können.

Kernstück des Projekts sind funktionelle magnetische Nanopartikel, die mithilfe fokussierten Ultraschalls und externer Magnetfelder zielgerichtet im Gehirn platziert und angesteuert werden können. Durch bildgebende Magnetresonanztomographie wird die neuronale Reaktion in Echtzeit analysiert. Die bimodale Funktionsweise ermöglicht zellspezifische Stimulation und gleichzeitige Analyse neuronaler Aktivität.

Damit wird BRAINMASTER eine kabellose Neuromodulation ohne implantierte Hardware ermöglichen, die neuronale Inaktivität auf zellulärer Ebene detektieren und innerhalb von Millisekunden die passende therapeutische Stimulation betroffener Hirnareale bewirken kann. Gregurec und ihr Team entwickeln damit die erste intuitive Schnittstelle zwischen dem Tiefenhirn und einem technischen System, um mögliches kognitives Training und Therapien für Entwicklungs-, neurodegenerative und mentale Störungen zu erleichtern.

Ferdinand Knieling: Der mit dem Durchblick

Durchfall, Bauchschmerzen, Fieber: Entzündliche Prozesse im Magen-Darm-Trakt verstecken sich oft hinter diffusen Symptomen und erschweren damit eine frühe Diagnose, was im schlimmsten Fall zu einer Entzündung des Bauchfells, Abszessen oder Darmdurchbrüchen führen kann. Oftmals können sie erst mittels einer Magen- beziehungsweise Darmspiegelung sicher erkannt und im Körper genau lokalisiert werden – eine unangenehme, invasive Methode mit Einschränkungen.

Durch die für den Patienten unangenehme aber notwendige Vorbereitung ist diese für die Früherkennung nur begrenzt einsetzbar, genauso wie für wiederholte oder risikoreiche Anwendungen, etwa bei Kindern.

Eine nicht-invasive Alternative ist die multispektrale opto-akustische Tomographie (MSOT), ein molekular-sensitiver Ultraschall. Diese optische Bildgebungsmethode nutzt Laserlicht, um im Körper Schwingungen zu erzeugen, die dann wiederum mit hochsensitiven Detektoren wahrgenommen und zu einem Bild zusammengesetzt werden können.

PD Dr. Dr. Ferdinand Knieling erforscht in seinem ERC-geförderten Projekt, wie MSOT weiterentwickelt und für die frühzeitige Lokalisierung von Entzündungsprozessen im Darm eingesetzt werden kann. Zusammen mit seinem Team hat er entdeckt, dass Farbstoffe, die auf oralem Wege verabreicht werden, die dynamische Visualisierung des gesamten Darmtrakts ermöglichen. Dieser molekularsensitive Ansatz hat den Vorteil, dass solche Kontrastmittel nicht systemisch absorbiert werden und weitgehend unverändert ausgeschieden werden.

Das Projekt soll nun ermöglichen, neue Kontrastmittel zu entwickeln, um entzündete Bereiche im Darm zu markieren und über einen Ultraschall aufzuspüren.

Anna Nelles: Auf der Suche nach kosmischen Neutrinos

Prof. Dr. Anna Nelles, die an der FAU als Professorin für Experimentelle Astroteilchenphysik forscht und gleichzeitig als Wissenschaftlerin am Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY in Zeuthen (Host Institution für den ERC Grant) tätig ist, baut auf Grönland ein Netzwerk von Radioantennen auf, um damit extrem energiereiche Neutrinos aus dem Weltall zu belauschen.

Neutrinos sind flüchtige Elementarteilchen, die sich von nahezu nichts aufhalten lassen. Sie durchqueren ungehindert Wände, Planeten und ganze Galaxien und erreichen uns daher aus den fernsten Winkeln des Kosmos und aus dem Zentrum extremer Prozesse wie etwa Supernova-Explosionen von Sternen oder aus den Staubscheiben um Schwarze Löcher.

Manche dieser Teilchen haben so viel Energie wie ein scharf geschmetterter Tischtennisball. Versuche haben gezeigt, dass die schnellen Neutrinos auf ihrem Weg durch die Atmosphäre sowie den grönländischen Eisschild Radiowellen hinterlassen, die sich mit Spezialantennen auffangen lassen.

„Die Entdeckung von Neutrinos mit extremen Energien verspricht neue Erkenntnisse sowohl in der Astrophysik als auch in der Teilchenphysik bei Energien weit jenseits solcher, die sich mit irdischen Teilchenbeschleunigern erreichen lassen“, erläutert Nelles. „Wir hoffen, mit solchen Beobachtungen neue Quellen extrem energiereicher kosmischer Strahlung zu enthüllen und die Ausbreitung dieser Teilchen im All besser zu verstehen.“

Das „Radio Neutrino Observatory – Greenland“ RNO-G wird die erste große Anlage ihrer Art und soll bis 2026 auf 35 Stationen ausgebaut werden. Aufbau und Betrieb werden von Nelles und Kollegen aus den USA und Belgien geleitet.

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