The IWR is an interdisciplinary research center for Scientific Computing which builds bridges across disciplines. It promotes mathematical and computational methods in science, engineering and the humanitites. Currently the IWR comprises more than 50 research teams from various faculties. Around 600 scientists work together in interdisciplinary cooperation projects. In addition to educating the next generation of excellent scientists the IWR also focuses on advacing international research networks.

31. August 2018

Parasiten in fossilen Fliegenpuppen nachgewiesen

Heidelberger Forscher liefern mathematische Algorithmen und Software für die digitale Rekonstruktion

Parasitisch lebende Wespen gab es schon vor vielen Millionen Jahren: Einer internationalen Forschergruppe mit Beteiligung von Heidelberger Wissenschaftlern ist es gelungen, wichtige Erkenntnisse zur Evolution des Parasitismus zu gewinnen. Dank ultraschneller Röntgenbildgebung konnten erstmals fossile parasitäre Wespen in ihren Wirten nachgewiesen werden. Vier der ausgestorbenen Wespenarten wurden neu entdeckt und erstmals beschrieben. Forscher der Universität Heidelberg lieferten die mathematischen Algorithmen und die Software für die digitale Rekonstruktion.

Grundlage der Untersuchungen bildeten mehr als 1.500 Fossilien, die zu Sammlungen des Naturhistorischen Museums Basel (Schweiz) und des Naturhistoriska Riksmuseet Stockholm (Schweden) gehören. Es handelt sich um mineralisierte Fliegenpuppen, die im späten 19. Jahrhundert in Phosphoritminen im südfranzösischen Quercy gefunden und bereits 1944 von dem Basler Entomologe Eduard Handschin ausgiebig beschrieben wurden. Er wies auf die besondere Bedeutung der äußerlich unscheinbaren, nur rund drei Millimeter langen Stücke hin. Handschin hatte zwar in einer schätzungsweise 34 bis 40 Millionen Jahre alten Fliegenpuppe den Umriss einer parasitischen Wespe erahnt, eindeutig nachweisen ließ sich diese mit den damaligen Methoden allerdings nicht.

Mit der Methode der Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie ist es heute möglich, das Innere von Millionen Jahre alten Objekten zerstörungsfrei zu untersuchen und die darin enthaltenen inneren Strukturen dreidimensional zu erfassen und darzustellen. Geröntgt wurden die Fliegenpuppen an der Hochgeschwindigkeits-Tomographie-Station UFO am Synchrotron des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), an dem das Projekt auch koordiniert wurde. Nachdem die parasitischen Wespen im Innern der Fliegenpuppen durchleuchtet worden waren, wurden sie aufwendig digital aufbereitet und hochauflösend rekonstruiert.

Für diese Rekonstruktion kam die „Biomedical Image Segmentation App“ (Biomedisa) zum Einsatz. Entwickelt wurde die Online-Anwendung am Engineering Mathematics and Computing Lab, das unter der Leitung von Prof. Dr. Vincent Heuveline am Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg arbeitet. „Biomedisa ist in der Lage, in sehr kurzer Zeit sehr große dreidimensionale Bilddaten, wie sie zum Beispiel durch die Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie erzeugt werden, zu analysieren“, so der Wissenschaftler, der zugleich eine Forschungsgruppe am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) leitet.

In den Daten werden dazu einzelne Objekte markiert, um diese anschließend dreidimensional darstellen und sie für weitere Analysen verwenden zu können. „Diese sogenannte Segmentierung wird aufgrund der Komplexität der Objekterkennung häufig noch manuell durchgeführt. Es dauert jedoch mehrere Wochen bis hin zu Monaten, um so das 3D-Modell eines sehr großen Datensatzes zu erstellen“, erläutert Doktorand Philipp Lösel, der maßgeblich an der Entwicklung der Online-Anwendung beteiligt war. Auf der Basis von hochleistungsfähigen, parallel arbeitenden Computertechnologien haben die Heidelberger Wissenschaftler mit Biomedisa ein Segmentierungsverfahren entwickelt, das die Arbeitszeit von einigen Wochen auf wenige Stunden reduziert.

Im Zusammenwirken verschiedener Disziplinen konnte das internationale Forscherteam 55 Parasitierungsereignisse und vier unbekannte, bislang nicht beschriebene, ausgestorbene Wespenarten belegen. Die vier verschiedenen Arten sind Schmarotzer, die sich im Innern ihres Wirts – in diesem Fall der Fliegenpuppe – entwickeln und im Zeitraum von vor rund 40 bis vor rund 23 Millionen Jahren lebten. Die Ergebnisse des Projekts liefern wichtige Erkenntnisse zur Evolution des Parasitismus, der weit verbreitet ist und Ökosysteme wesentlich prägt. Heute gelten rund 50 Prozent aller Tierarten als Schmarotzer. Der Zusammenhang zwischen Artenvielfalt und Parasitismus zeigt sich besonders deutlich bei der Insektenordnung der Hautflügler (Hymenoptera), zu denen die Wespen gehören.

Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.

[Pressemitteilung Universität Heidelberg]

August 13, 2018

Visit to Beijing University of Post and Telecommunications

Professor Artur Andrzejak, group head of the Parallel and Distributed Systems Group and Dr. Michael J. Winckler, administrative director of the Interdisciplinary Center for Scientific Computing (IWR) of Heidelberg University conducted a five-day visit from 23 July to 28 July 2018 to Beijing University of Post and Telecommunications (BUPT).

Following the invitation of Prof. Lin Zhang, dean of the School of Information and Communication Engineering (SICE) and Assistant Prof. Konglin Zhu, the concerned institutions discussed the possibility of formal cooperation with the SICE and IWR. Prof. Andrzejak and Dr. Winckler also delivered a series of talks that include topics on Numerical Mathematics, computer science, and image processing.

As a social part of the visit, a group from both universities conducted a visit to the Great Wall and held some informal discussion about the research topic of Ph.D. students. A formal research colloquium was organized where the student presented their current projects and received constructive feedback.

A session on the Post-Bachelors-Program was also conducted by to inform students about the possibility to engage in the exchange program between the two institutions. The Post-Bachelors-Program provides participants a remarkable opportunity to engage in first-hand research in the field of applied mathematics, computer science, theoretical chemistry, computational physics, systems biology, etc., and prepares students for entry into the postgraduate and Ph.D. programs.

Further discussions included the extension of the exchange program and short visits for students of BUPT and Heidelberg University. Both parties agreed on a Memorandum of Understanding (MoU) which will be signed during a return visit of a BUPT delegation in Heidelberg in October 2018.

24. Juli 2018

Das Universitätssiegel - Historie trifft auf Zukunft

Durch neuartige Methoden entsteht mithilfe des IWR aus dem Wachsabdruck des Universitätssiegels ein digitales 3D-Objekt

Gemeinsam mit dem Universitätsarchiv der Universität Heidelberg ist es Frau Dr. Susanne Krömker und Herrn Dr. Hubert Mara gelungen, das Siegel der Ruperto Carola als 3D-Objekt digital zu archivieren. 

Dank des vom IWR durchgeführten 3D-Scannverfahrens konnte das Siegelbild aus dem Jahre 1543 in der Feinmechanik-Werkstatt der Universität Heidelberg angefertigt werden. Der optische 3D-Scanner dient dazu, die Lesbarkeit von beschädigten Stellen zu verbessern beziehungsweise wiederherzustellen. Somit entsteht ein plastisches und detailgetreues Siegel, das die Verbindung zwischen Historie und neuen Methoden und Technologien widerspiegelt.

Das Siegel wird im Rahmen der Ruperto Carola Kampagne "Zukunft Stiften" genutzt.

[Website Dr. Susanne Krömker]
[Website Dr. Hubert Mara]
[Website Ruperto Carola Kampagne "Zukunft Stiften"]

3. Juli 2018

Der Mensch im Modell

Modellierungstag Rhein-Neckar findet am 5. Juli statt

„Die Vielfalt menschlicher Attribute, Verhaltensweisen und Reaktionen stellt Forscherinnen und Forscher aus unterschiedlichsten Fachrichtungen vor ähnliche Herausforderungen: Wie können Computer-Modelle trotz breiten Datenspektrums allgemeine Gültigkeit und Aussagekraft behalten, ohne zugleich unüberschaubar komplex zu werden?“, erklärt Dr. Michael J. Winckler, Geschäftsführer der HGS MathComp. „Um beispielsweise einen Prozess im sozialen oder ökonomischen Leben realitätsnah abzubilden, wird ein möglichst exaktes Modell des Menschen benötigt. Auf dem Modellierungstag wollen wir uns daher mit der Bildung ,menschlicher‘ Modelle beschäftigen und auf Schwierigkeiten ihrer Entwicklung, aber auch auf damit verbundene Chancen im wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Einsatz eingehen.“ so Dr. Winckler.

Der 15. Modellierungstag Rhein-Neckar wird in Zusammenarbeit mit der Stadt Heidelberg ausgerichtet. Unterstützt wird der Modellierungstag von der Industrie- und Handelskammer Rhein-Neckar.

[Pressemitteilung Universität Heidelberg]

11. Juni 2018

Akademientag 2018: Geisteswissenschaften 3.0 - Vergegenwärtigung des kulturellen Welterbes

IWR-Mitglied Dr. Susanne Krömker diskutiert im Rahmen des Akademientag der Union der Deutschen Akademien der Wissenschaften zum Thema „Zerstörtes Weltkulturerbe – Reale oder virtuelle Rekonstruktion?“

Beschreibung:

"...Das kulturelle Welterbe, also die Zeugnisse menschlicher Tätigkeit der Vergangenheit, sind ein wesentlicher Bestandteil unserer Geschichte, unserer Identität und damit auch unserer Zukunft. Die Stätten des materiellen kulturellen Welterbes sind derzeit weltweit durch Kriege, politischen und religiösen Fanatismus, Naturkatastrophen, Klimawandel, Urbanisierung oder Tourismus bedroht.

Wie können Kulturdenkmäler geschützt und bewahrt werden? Was können moderne digitale Methoden bei der Rekonstruktion zerstörter Kulturgüter leisten? Was ist zu beachten, wenn einmal zerstörte kulturelle Zeugnisse wieder rekonstruiert werden, was geht trotz oder gerade wegen der Rekonstruktion verloren? Und wer bestimmt überhaupt angesichts der Fülle des bedrohten Kulturgutes, was bewahrt werden soll?..."

Teilnehmerinnen & Teilnehmer:

• Prof. Dr. Horst Bredekamp, Professor für Kunstgeschichte an der Humboldt-Universität zu Berlin, Mitglied der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften
• Dr. Susanne Krömker, Leiterin der Arbeitsgruppe „Visualisierung und Numerische Geometrie“ am Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• Prof. Dr. Hans-Rudolf Meier, Professor für Denkmalpflege und Baugeschichte an der Bauhaus-Universität Weimar
• Prof. Dr. Verena Metze-Mangold, Präsidentin der Deutschen UNESCO-Kommission

Moderation: Prof. Dr. Friederike Fless, Präsidentin des Deutschen Archäologischen Instituts

Diskussion „Zerstörtes Weltkulturerbe – Reale oder virtuelle Rekonstruktion?“ als Podcast
[Podcast auf Voice Republic]

Interview im Deutschlandfunk (DLF) mit Dr. Susanne Krömker
[Audio-Archiv DLF]

Weiterführende Informationen zur Veranstaltung
[Website Akademientag 2018]

29. Januar 2018

Mathematische Modelle für die Nutzung geografischer Daten

14. Modellierungstag Rhein-Neckar findet am 1. Februar statt

Vertreter verschiedener Forschungseinrichtungen sowie Partner aus der Industrie kommen am 1. Februar 2018 an der Universität Heidelberg zum 14. Modellierungstag Rhein-Neckar zusammen. Die Veranstaltung zum Thema „Geobasierte Modelle“ beschäftigt sich mit der Frage, wie geografische Daten mit der Hilfe von mathematischen Modellen optimal für eine Anwendung aufbereitet werden können. In den Vorträgen und Diskussionsrunden werden die rund 70 Teilnehmer aus Wissenschaft und Praxis erörtern, welche Einsatzmöglichkeiten Geodaten in unterschiedlichen Fachrichtungen bieten. Veranstalter sind die Heidelberger Graduiertenschule der mathematischen und computergestützten Methoden für die Wissenschaften (HGS MathComp) der Universität Heidelberg, die InnovationLab GmbH und die BASF SE Ludwigshafen.

„Die meisten Menschen denken bei Geodaten zunächst nur an die Fahrroutenoptimierung in Navigationssystemen. Die Einsatzmöglichkeiten sind jedoch wesentlich vielfältiger“, erklärt Dr. Michael J. Winckler, Geschäftsführer der HGS MathComp. So können geografische Daten zum Beispiel dabei helfen, auf der Basis von regionalen Klima- und Wetterdaten die Ausbreitung von Infektionskrankheiten zu berechnen oder einen Hochwasserverlauf mithilfe detaillierter Geländekarten vorherzusagen. Um die dabei anfallenden großen Datenmengen effizient verarbeiten zu können, sind moderne mathematische Algorithmen erforderlich. Im Mittelpunkt des Modellierungstages steht die Frage, wie sich Geodaten in mathematische Modelle einbinden lassen. Zudem wird es um Schwierigkeiten bei der Modellerstellung, Risiken in der Datengenerierung und Chancen im wirtschaftlichen Einsatz gehen.

Unterstützt wird der Modellierungstag von der Industrie- und Handelskammer Rhein-Neckar, dem Komitee für Mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung (KoMSO) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung.

[Pressemitteilung Universität Heidelberg]

January 16, 2018

Improving Stroke Treatment Through Machine Learning

Heidelberg researchers develop computer vision technique to analyse rehabilitation process

Methods from optogenetics and machine learning should help improve treatment options for stroke patients. Researchers from Heidelberg University have developed a computer vision technique to analyse the changes in motor skills that result from targeted stimulation of healthy areas of the brain. Movements recorded with a video camera are automatically analysed to monitor the rehabilitation process and evaluate and adjust the optogenetic stimulation. Researchers from the Interdisciplinary Center for Scientific Computing (IWR) in Heidelberg worked with neurobiologists from Switzerland to develop the method.Along with speech and vision problems, motor paralyses are the most common symptoms post-stroke. According to lead author Dr Dr Anna-Sophia Wahl, a neuroscientist at the Swiss Federal Institute of Technology (ETH) in Zurich, neurorehabilitation is the only treatment option for the majority of stroke victims. "Many approaches in basic science and in the clinic aim to trigger regeneration processes post-stroke by stimulating healthy brain regions of indeterminate size. However, we use optogenetics to systematically stimulate certain unaffected areas of the brain so that they sprout connections into the damaged hemisphere in order to assume its functions." So-called corticospinal circuits from the cerebral cortex to the spinal cord are specifically activated.In optogenetics, light is used to control genetically modified cells. The cooperation partners in Switzerland – researchers from the ETH and the University of Zurich – used optogenetic stimulation in combination with intensive rehabilitation training to restore the paralysed paw function in rats. "Using our automatic evaluation of the movement processes, we were able to demonstrate a full recovery," explains Prof. Dr Björn Ommer, IWR researcher and head of the Heidelberg team. The new computer vision technique is able to quantify even the slightest changes in motor functions. "By recording and analysing the movements, we can objectively assess whether there was true restoration of the original function or merely compensation."

[Press release Heidelberg University]
[Pressemitteilung Universität Heidelberg]
[Science News - Improving stroke treatment through machine learning]