2+1 ERC Grants für ISTA

Angenehm flackerndes Licht gegen psychische Probleme einsetzen, das Training von Machine-Learning-Modellen vereinfachen, und Keimzellen von in Züchtung genutzten Pflanzen untersuchen – das sind die drei Forschungsprojekte, für die Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zwei Proof of Concept Grants und einen Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhalten haben.

Proof of Concept Grants richten sich an Forschende, die bereits eine ERC-Förderung erhalten haben und in den nächsten 1,5 Jahren das kommerzielle oder gesellschaftliche Potenzial ihrer Arbeit erschließen möchten. Genau das tun ISTA-Professor:innen Sandra Siegert und Dan Alistarh jetzt mit ihren Grants im Wert von jeweils 150.000 Euro.

Dan Alistarh – Schnelleres Machine Learning

Maschinelles Lernen (ML), ein Teilbereich der Künstlichen Intelligenz (KI), hat im letzten Jahrzehnt enorme Fortschritte gemacht. Im Grunde handelt es sich um eine Methode, mit der ein Computer aus Datensätzen lernen kann, um dann zu verallgemeinern und bestimmte Aufgaben auszuführen – ohne dass Algorithmen für diese Aufgaben manuell programmiert werden müssen. Eine wichtige Voraussetzung für genaue KI-Modelle ist, dass man sie anhand großer Datensätze trainiert.

„Das kann aber viel Zeit in Anspruch nehmen“, sagt ISTA-Professor Dan Alistarh. „Daher ist es sinnvoll, die Aufgabe aufzuteilen und mehrere Computer gleichzeitig arbeiten zu lassen, um die Berechnungen schneller abzuschließen.“ Leider sind etablierte Methoden des verteilten Rechnens (engl. distributed computing) nicht immer effizient, wenn sie auf maschinelles Lernen angewendet werden. In seinem ERC Starting Grant 2018 hat er sich daher mit neuen Ansätzen beschäftigt.

Mit seinem erst kürzlich erhaltenen ERC Proof of Concept Grant wollen der rumänische Forscher und sein Team ihre Ansätze nun möglichen Nutzer:innen näherbringen. „Unsere Techniken reduzieren den Overhead beim verteilten Training von ML-Modellen, der bei sehr großen und genauen Modellen sehr hoch sein kann. Wir bringen diese Methoden nun den Praktiker:innen näher. Wir tun dies, indem wir eine Softwarebibliothek aufbauen, die es ihnen ermöglicht, große KI-Modelle effizient auf Standardcomputern zu trainieren.“

In diesem Zusammenhang unterstreicht Alistarh den Einfluss seiner Forschung auf die „Demokratisierung“ der KI. Bislang war das Trainieren von KI-Modellen nur für diejenigen möglich, die über viele Ressourcen verfügen, d.h. Geld und/oder Zugang zu großer Rechenleistung. „Die Hauptmotivation hinter dieser Arbeit ist es, Enthusiasten und Forscherinnen zu ermöglichen, personalisierte Machine Learning-Modelle auf ihrer eigenen, günstigen Hardware zu trainieren und auszuführen“, erklärt er.

Sandra Siegert – Licht für psychische Gesundheit

Psychische Erkrankungen, wie die posttraumatische Belastungsstörung (PTBS), sind ein großes Problem in unserer Gesellschaft. In jedem Einzelfall bedeuten sie Beeinträchtigungen, in Summe haben sie systemische Relevanz. „Die gesamtgesellschaftlichen Auswirkungen psychischer Störungen sind gewaltig. Allein für die Behandlung von Stimmungs- und Angststörungen werden jährlich rund 170 Milliarden Euro ausgegeben“, erklärt ISTA-Professorin Sandra Siegert. „Dabei sind die Kosten für Langzeitkrankenstände und Frühpensionierungen noch gar nicht berücksichtigt, ebenso wenig die indirekten Auswirkungen auf Pflegekräfte und Familienangehörige, die allesamt massiven wirtschaftlichen Belastungen führen.“ Zu den üblichen Behandlungen gehören Psychotherapie und Pharmakotherapie, d.h. Medikation.

„Medikamente bringen jedoch oft nicht die gewünschte Verbesserung der Symptome. Für über 70 Prozent der Patienten gibt es keine wirksame Behandlung“, erklärt die Neurowissenschafterin. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass einige Neuronen in unserem Gehirn mit einer Schutzschicht, dem so genannten perineuronalen Netz, umhüllt sind. Die Schutzschicht stabilisiert neuronale Verbindungen, aber verhindert gleichzeitig auch Anpassungen. An dieser Stelle setzt die Forschung von Siegert und ihrer Gruppe am ISTA an.

In ihrer von einem ERC Starting Grant 2016 unterstützten Forschung fanden sie heraus, dass Licht mit einer bestimmten Frequenz die Mikroglia, also im Gehirn ansässige Makrophagen-Zellen, dazu anregt, dieses Netz bei Mäusen vorübergehend zu entfernen. Infolgedessen funktionierten die Gehirne der Tiere besser und sie lernten schneller. Die deutsche Forscherin und ihr Team erzielten die besten Resultate mit Licht das 60 Mal pro Sekunde – mit 60 Hertz – „flackert“.

Mit ihrem neuen Proof of Concept Projekt des ERC, das Ende 2023 bewilligt wurde, will Siegert sich nun Menschen zuwenden: „Wir sind daran interessiert, unser Konzept in einem Modell der posttraumatischen Belastungsstörung anzuwenden und die Ergebnisse in eine medikamentenfreie und nicht-invasive Behandlungsalternative beim Menschen zu überführen.“ Darüber hinaus werden auch bei der Behandlung von Demenz positive Effekte erwartet. „Bei richtiger Umsetzung wäre dies ein Durchbruch bei der Verringerung des Risikos des kognitiven Verfalls und der Neurodegeneration im späteren Leben“, erklärt die ISTA-Professorin.

Xiaoqi Feng – Consolidator Grant für Pflanzenforschung

Ebenfalls erst vor wenigen Wochen erhielt eine weitere ISTA-Forscherin einen ERC Grant. Assistenzprofessorin Xiaoqi Feng und ihr Team beschäftigen sich mit der Epigenetik von Keimzellen. „Pflanzen-Keimzellen sind ein hervorragendes Modell für die Untersuchung grundlegender epigenetischer Fragen. Sie sind auch von großer praktischer Bedeutung, da sie die Saatsamen für unsere Grundnahrungsmittel produzieren“, erklärt sie. Über die nächsten fünf Jahre widmet Feng die 2 Mio. Euro des ERC Consolidator Grants der Erforschung von Totipotenz – augenscheinlich eine mächtige Fähigkeit.

Totipotenz ist die Eignung einer Zelle, sich zu teilen und alle Arten von differenzierten Zellen in einem Organismus hervorzubringen. „Wie Totipotenz in Keimzellen entsteht, ist eine wesentliche Frage der Reproduktionsbiologie. In der männlichen Keimbahn von Pflanzen sind die haploiden meiotischen Produkte – Mikrosporen – totipotent, was die Pflanzenzucht über die Embryogenese von Mikrosporen ermöglicht“, erklärt Feng.

Die molekulare Grundlage und die biologische Bedeutung der Totipotenz von Mikrosporen sind jedoch unbekannt. „Generell steckt das Verständnis der Totipotenz von Pflanzenzellen noch in den Kinderschuhen,“ sagt Feng. Die chinesische Forscherin und ihre Kolleg:innen werden die Mechanismen und biologischen Funktionen der epigenetischen Umprogrammierung untersuchen, welche zur Totipotenz in pflanzlichen Mikrosporen führen. „Die Erkenntnisse aus unserer Forschung werden nicht nur die molekularen Grundlagen der zellulären Totipotenz aufdecken, sondern auch neue Strategien zur Verbesserung der Embryogenese von Mikrosporen aufzeigen, die für die Pflanzenzüchtung von erheblichem wirtschaftlichem Wert sind“, so Feng.

ISTA: 47% Erfolgsquote bei ERC-Förderanträgen

Diese neuen Grants unterstreichen den großen Erfolg des ISTA bei der Einbringung von Drittmitteln, insbesondere jene des ERC. 79% der ISTA-Professor:innen haben bereits mindestens einen ERC Grant erhalten. Einschließlich der drei neuen Förderungen hat das Institut bereits 80 der prestigeträchtigen Grants des Europäischen Forschungsrats erhalten. Seit der Eröffnung des Instituts im Jahr 2009 waren beeindruckende 47% der Anträge erfolgreich. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Erfolgsquote der Anträge aller Forschungseinrichtungen liegt in der Regel zwischen 8 und 15% – je nach Art der ERC Frontier Grants und des Jahres. Die drei ERC Proof of Concept Calls 2023, die nur denjenigen offenstehen, die bereits zuvor eine ERC-Finanzierung erhalten haben, hatten eine Erfolgsquote von 43%.