BildgebungSchneckenkampf in 3D und ein virtuelles Herz

Das Magazin "Science" hat die besten Visualisierungen 2012 geehrt, darunter eine Herz-Simulation per Supercomputer sowie Nahaufnahmen von Kristallen und Weichtieren. von 

Dieses Herz schlägt in Barcelona, angetrieben von rund 10.000 Prozessoren eines Supercomputers. Herzmuskelfasern, Herzklappen, Gefäße – all das ist genau zu erkennen. Es ist die bisher umfassendste Computer-Simulation eines Herzens weltweit. 

Mediziner werden an dem virtuellen Organ künftig neue Medikamente testen, Operationen vorbereiten, Infarkte oder Herz-Rhythmus-Störungen simulieren. Für den Film über das virtuelle Herz gewinnen die Wissenschaftler und Programmierer vom Barcelona Supercomputing Center die Science and Engineering Visualization Challenge. Mit dem Wettbewerb ehrt das Magazin Science zusammen mit der US-Einrichtung für Forschungsförderung (NSF) Projekte, die komplexe Wissenschaft sichtbar machen.

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Die Simulation des Organs, das den Blutkreislauf im Körper in Gang hält und so alle Organe und Körperteile mit Sauerstoff versorgt, wurde erst dank anderer moderner Bildgebungsverfahren möglich. So verarbeitet der Supercomputer für das virtuelle Herz Aufnahmen von Magnetresonanztomografen (MRT), die heute in ihrer Auflösung bis auf 36 Mikrometer genau sind.

Wie mit einem Schrittmacher lassen sich zudem gezielt elektronische Impulse an das Kunstherz am Bildschirm anlegen. So können Forscher verstehen, wie das Herz arbeitet, wie Erkrankungen sich auswirken und wo Medikamente wirken. Ein besonderer Vorteil: In dem Modell lässt sich genau darstellen, wie Herzmuskelfasern im natürlichen Herzen verlaufen. Bisher waren Kardiologen dazu auf Gewebe-Schnitte von Tierherzen angewiesen. Die Muskelstruktur lässt sich daran nur ansatzweise verstehen. Sie genau zu kennen, ist deshalb so wichtig, weil elektrische Ströme im Herzen in Faserrichtung schneller verlaufen als quer zu den Muskeln.

So schön kann Kalk sein

Kristall Kalk Calciumcarbonat

Eine Elektronen-Mikroskop-Aufnahme von Kalk-Kristallen. Solche Formen von Calciumcarbonat werden von Seesternen gebildet.  |  © University of Wisconsin-Madison/Science

Eine beeindruckende Aufnahme von Mineralien, wie sie Seesterne der Art Arbacia punctulata für ihre Zähne produzieren, gelang Physikern und Chemikern der University of Wisconsin-Madison. Statt mit scharfen Ecken und Kanten erscheint das Calciumcarbonat unter dem Elektronenmikroskop weich und fließend. Jede der Farben zeigt ein durchgehendes Kristall. Die Aufnahme gewinnt den Publikumspreis als schönstes Wissenschaftsfoto – abgestimmt wurde unter anderem über Facebook und Twitter.

In der Kategorie Illustration zeichnete das Wissenschaftsmagazins eine Aufnahme aus, die zeigt, wie Nervenbahnen im Gehirn von Makaken-Affen verbunden sind. Die farbenprächtigen Neuronen-Bahnen zieren das Cover der aktuellen Ausgabe von Science. Nach dem Vorbild solcher Strukturen entwickeln Forscher sogenannte Neurochips, also Computerchips, die in hirnähnliche Netzwerke eingebaut werden.

Schnecken- und Muschel-Architektur

Muschel gegen Schnecke

Kai-hung Fung und Pamela Youde aus Hongkong machten in einem Computertomografen diese Aufnahme einer Muschel und einer Schnecke.  |  © Nethersole Eastern Hospital/Science

Wie die Schutzhüllen von Muscheln und Schnecken aufgebaut sind, hielt ein Forscher aus Hong Kong in einer 3-D-Computertomografie fest. Die Aufnahme zeigt eine Muschel mit zwei Schalenklappen. Das Tier kann sein Haus bei einem Angriff durch Feinde blitzschnell zuklappen.

Eine andere Strategie verfolgt die kleinere Wellhorn-Schnecke. Ihr Gehäuse ist wie ein Gewinde verschnörkelt. Hat sie sich einmal darin verkrochen, kann kaum ein Angreifer sie aus dem verdrehten Tunnel herausbekommen. Im Kampf zwischen Muschel und Schnecke ist in diesem Fall die Wellhornschnecke im Vorteil: Sie kann ein Loch ins Gehäuse ihres Gegners bohren, nachdem sie es mit einem kalkauflösenden Sekret weich gemacht hat. So kann die kleinere Schnecke die große Muschel am Ende fressen.

Neben Fotos und Videos kürte Science auch Spiele und Apps. Andy Hall von TestTubeGames wird für sein Game Velocity Raptor geehrt. Es überzeugt zwar nicht in Darstellung und Design, simuliert dafür aber anschaulich die Effekte der Lichtgeschwindigkeit und soll so dazu beitragen, Einsteins Relativitätstheorie zu verstehen.

Seit zehn Jahren schreibt das Magazin die Science and Engineering Visualization Challenge aus. 

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