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Aktuelle Forschung aus den Profillinien Light, Life, Liberty
Physikerin Dr. Elena Goi in ihrem Forschungslabor. Sie leitet eine Nachwuchsgruppe, die neuromorphe optische Systeme zur Anwendung bringen will.
Foto: Nicole Nerger (Universität Jena)
Wie gewinnen wir Wissen, ohne Ressourcen zu verschwenden und ohne falsche Schlüsse zu ziehen? Forschende in Jena arbeiten an Ansätzen, die Technik und Gesellschaft zusammendenken. Drei Beispiele.
Text: Sebastian Hollstein und Ute Schönfelder
Künstliche Intelligenz prägt unseren Alltag immer mehr
KI beantwortet in Form von Chatbots Serviceanfragen, formuliert Texte, entwirft Bilder und übernimmt autonom eine Fülle an Arbeitsabläufen. Doch die dafür benötigten Computer werden immer größer, teurer und energiehungriger. Moderne KI-Modelle bringen die gängige Hardware zunehmend an ihre Grenzen – ein Problem, das sich in den kommenden Jahren weiter verschärfen wird. Jenaer Physikerinnen und Physiker entwickeln deshalb im neuen, vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt geförderten Projekt „PicPhotMat – Strukturierte Materialien für picophotonisches analoges Computing“ optische Computer, die nicht mit Elektrizität, sondern mit Licht arbeiten und dafür Recheneinheiten nutzen, die so klein sind wie die atomaren Bausteine eines Kristalls. Dieses Konzept könnte die KI-Rechenleistung deutlich erhöhen und eine extrem energieeffiziente, kompakte und nachhaltige Alternative zu heutigen Supercomputern er-
öffnen.
Wir wollen KI-Hardware entwickeln, die weniger Energie benötigt und gleichzeitig deutlich mehr leisten kann als heutige Systeme.
Elena Goi
„Moderne KI-Methoden basieren auf neuronalen Netzen und erreichen eine dem Gehirn ähnliche Leistungsfähigkeit bei Aufgaben, die für traditionelle Computer eine Herausforderung darstellen, für Menschen jedoch leicht zu bewältigen sind“, erklärt Dr. Elena Goi, die Leiterin des Projekts und der neuen mit dem Projekt verbundenen Nachwuchsgruppe „NanoPico Photonic Computing Group“ am Institut für Angewandte Physik. „Optische Systeme eignen sich hervorragend dafür, die großen Datenmengen, mit denen neuromorphe – also dem Gehirn nachempfundene – Systeme umgehen, schnell zu verarbeiten. Sie können komplexe mathematische Operationen an großen Matrizen, die die grundlegenden Bausteine der KI-Algorithmen darstellen, mit deutlich höherer Energieeffizienz ausführen als herkömmliche Prozessoren und übertreffen dabei die heute üblicherweise verwendeten siliziumbasierten elektronischen Technologien.“
Optische Bauelemente miniaturisieren und flexibel gestalten
Trotz ihres großen Potenzials sind diese neuromorphen optischen Systeme bislang noch nicht bereit für breite Anwendungen. Ein Hauptgrund: Sie lassen sich bislang nur schwer verkleinern und in großer Zahl auf einem Computerchip integrieren. Zurzeit benötigen künstliche optische Neuronen noch viel Platz auf einem Chip, selbst wenn modernste Fertigungstechniken eingesetzt werden. Sogenannte Metamaterialien ermöglichen zwar sehr kompakte Elemente zur Informationsverarbeitung, doch diese sind typischerweise statisch und müssen für jede Anwendung maßgeschneidert werden. Für vielseitige KI-Systeme, die flexibel auf unterschiedliche Aufgaben reagieren sollen, ist das zu aufwendig. Genau hier setzt „PicPhotMat“ an und sucht
nach einem Weg, optische Bauelemente so miniaturisiert und flexibel zu gestalten, dass sie sich ähnlich vielseitig einsetzen lassen wie heutige elektronische Computerchips.
Geringerer Energieverbrauch – mehr Leistung
„Unser Projekt bringt neueste Erkenntnisse der sogenannten Pikophotonik zum Einsatz, eines Forschungsfelds, das die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf Abständen untersucht, die eine Million Mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares“, erklärt die Physikerin. „Die Interaktion von Licht und Materie in dieser Größenordnung hat das Potenzial, das Verhalten von Licht auf leistungsstarke
Weise zu beeinflussen. Dadurch eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten für die Entwicklung hochkompakter, energieeffizienter und skalierbarer optischer neuromorpher Systeme.“
Mit dieser besonderen Technologie will das Projekt „PicPhotMat“ den Weg zu einer nachhaltigen und leistungsstarken KI-Hardware für die Zukunft öffnen. Die Forschenden wollen Chips entwickeln, die weniger Energie benötigen und gleichzeitig deutlich mehr leisten als heutige Systeme. Zudem soll das Projekt neue Einblicke darin liefern, wie Licht und Materie auf kleinster Ebene zusammenwirken – Wissen, das langfristig völ-
lig neue technische Möglichkeiten eröffnen könnte.
Medizinische Forschung braucht Modelle
Prof. Dr. Alexander Mosig sitzt an einer Laminar Flow Box in einem Labor.
Foto: Jürgen Scheere (Universität Jena)Prof. Dr. Alexander Mosig und sein Team entwickeln am Universitätsklinikum Jena „Organ-on-a-Chip“-Modelle: Menschliche Zellen wachsen in kleinen Kammern auf Mikroskopie-Objektträgern zu funktionalem Gewebe, an dem sich verschiedenste Experimente durchführen lassen. Für Mosig sind diese „künstlichen Gewebe“ und „Mini-Organe“ eine echte Alternative zu Tierversuchen – nicht allein aus ethischen Gründen. Vor allem, weil sich mit Organmodellen entscheidende Fragen oft präziser beantworten lassen.
Im Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“, dem er seit Jahresbeginn 2026 angehört, richtet Mosig den Blick auf das menschliche Mikrobiom und untersucht, wie Krankheitserreger den menschlichen Darm besiedeln. „Wie interagieren die Milliarden von Bakterien, Viren und Pilzen mit unserem Körper? Wann fördern diese Wechselwirkungen Entzündungen oder Infektionen und wann machen sie uns widerstandsfähiger, etwa gegenüber Keimen oder bei Stoffwechselstörungen?“, fragt Mosig. Die Herausforderung sei es, die zugrundeliegenden Mechanismen zwischen Mikroorganismen und menschlichen Zellen nicht nur zu verstehen, sondern sie so nutzbar zu machen, dass Prävention oder Therapie von Krankheiten möglich werden.
Kein Modell funktioniert ohne Einschränkungen
Dass Beobachtungsstudien an Patientinnen und Patienten ihre Grenzen haben, liege auf der Hand. „Wir können nicht einfach gesunde Menschen mit Krankheitserregern infizieren und schauen, was passiert“, sagt der Biochemiker. Folglich brauche medizinische Forschung gute Modelle. Tiermodelle hätten zwar ihre Berechtigung, doch jedes Tiermodell blende etwas aus: „In Tiermodellen betrachten wir in der Regel Tiere in einem bestimmten Alter, mit einer spezifischen Ernährung oder Genetik – das bildet immer nur einen eng umgrenzten Zustand ab.“ Was im Tiermodell funktioniert, ist daher nicht automatisch auf den Menschen übertragbar. Mosig setzt deshalb auf ein Portfolio aus mehreren, sich ergänzenden Modellsystemen. Wichtiger als die Frage „Welches Modell ist das beste?“ sei, zu verstehen, wie sich Erkenntnisse aus verschiedenen Modellen ergänzen.
Auch das „Organ-on-a-Chip“-Modell bildet nur Teilaspekte ab. „Aber im Vergleich zum Tiermodell haben wir den Vorteil, dass wir uns menschliches Gewebe und menschliche Immunzellen unter kontrollierten Bedingungen anschauen können. Und das nicht nur als statische Momentaufnahme, sondern auch als dynamisches System“, sagt Alexander Mosig.
Wir wollen Tiermodelle nicht einfach ersetzen. Wir wollen bessere Modelle machen!
Alexander Mosig
Die Chips, die ein eigens aus Mosigs Team hervorgegangenes Start-up-Unternehmen produziert, bestehen aus verschiedenen Kompartimenten, die durch eine durchlässige Membran miteinander verbunden sind und über winzige Kanäle von Flüssigkeit durchströmt werden. So entsteht beispielsweise das Modell einer Darmschleimhaut, die mit Mikroorganismen besiedelt werden kann und über ein nachgebildetes Blutgefäßsystem mit zirkulierenden Immunzellen interagiert. Weil das System auf einem mikroskoptauglichen Objektträger platziert ist, können Forschende in Echtzeit verfolgen, wie sich Gewebe, Erreger und Immunzellen verhalten.
Modelle für spezifisch menschliche Krankheiten
Einen weiteren entscheidenden Vorteil bieten Organ-on-a-Chip-Modelle immer dann, wenn es keine geeigneten Tiermodelle gibt. So arbeitet Mosigs Team unter anderem im Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“ an Projekten, in denen es um Infektionserkrankungen geht, die ausschließlich Menschen treffen.
Eine davon ist die Durchfallerkrankung Cholera. Deren Erreger Vibrio cholerae ist ein streng humanpathogenes Bakterium, das sich vor allem dort verbreitet, wo sauberes Trinkwasser fehlt. Mosigs Gruppe entwickelt gemeinsam mit Prof. Kai Papenfort ein Darm-on-a-Chip-Modell, in dem sich der Cholera-Erreger ansiedeln lässt. So kann ihn das Team beobachten, die Wachstumsbedingungen gezielt verändern und neue Therapieideen testen.
In einem zweiten Projekt widmet sich Alexander Mosig einem berüchtigten Wintergast – dem Norovirus, das zu den häufigsten Erregern von Magen-Darm-Erkrankungen beim Menschen zählt, mit Symptomen wie starkem Erbrechen und Durchfall. „Für die meisten Menschen ist das zwar mehr als unangenehm, aber sie erholen sich auch recht schnell wieder“, so Mosig. „Aber für kleine Kinder, für ältere oder vorerkrankte Menschen kann die Infektion lebensgefährlich werden.“ Eine Therapie gegen die Infektion gibt es bisher nicht.
Auch bei diesem Erreger steht die Forschung vor dem Dilemma, dass sich das humane Norovirus praktisch nur im Menschen vermehrt – brauchbare Tiermodelle fehlen. Mosigs Team nutzt deshalb ein dreidimensionales Mini-Gewebe auf dem Chip, das die Darmfunktionen nachbildet. Damit lassen sich das Virus kultivieren und die Wirkung von Antikörpern oder Wirkstoffkandidaten systematisch testen.
Neue Standards in der Medikamentenentwicklung
Alexander Mosigs Fazit: Tierversuche werden nicht so bald vollständig verschwinden. „Wo Organ-on-a-Chip-Modelle aber schneller und vor allem präziser Erkenntnisse liefern, sollten sie zum neuen Standard werden.“ In den USA ist es seit einigen Jahren bereits möglich, in der Medikamentenentwicklung auf Tierversuche zu verzichten, um den Einsatz von tierversuchfreien Methoden zu fördern. In der EU sind Tierversuche derzeit
von der Europäischen Arzneimittelbehörde (EMA) noch verpflichtend vorgeschrieben, bevor neue Wirkstoffe in klinischen Studien am Menschen getestet werden dürfen.
Was uns morgen trägt – Imaginamics
Um die Zukunft gestalten zu können, muss sich eine Gesellschaft darauf einigen, wie diese eigentlich aussehen soll. Grundlegend für das Hervorrufen gemeinsamer Vorstellungswelten ist – neben allen Aushandlungsprozessen – das soziale Imaginieren. Durch dieses allgegenwärtige und doch recht unsichtbare Phänomen
verbinden sich individuelle Bilder und Narrative innerhalb von Menschengruppen zu gemeinsamen imaginären Räumen. Es schafft eine Basis der Verständigung, hält so Gesellschaften zusammen, kann aber auch das Potenzial zu Ausgrenzung und Spaltung entfalten.
Wie genau das soziale Imaginieren funktioniert, das erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im neuen Exzellenzcluster »Imaginamics: Practices and Dynamics of Social Imagining«. »Wir möchten verstehen, wie gemeinsame Imaginationen entstehen, zirkulieren und Dynamiken freisetzen«, erklärt Prof. Dr. Christina Brandt. Die Wissenschaftshistorikerin ist neben dem Kunsthistoriker Prof. Dr. Johannes Grave und dem Historiker Prof. Dr. Joachim von Puttkamer eine von drei Sprecherinnen und Sprechern des Projekts.
Viele Krisen, die uns derzeit beschäftigen, verstehen wir besser, wenn wir uns das soziale Imaginieren anschauen.
Christina Brandt
Zunächst gilt es, die Praktiken des vielfältigen Imaginierens in den Blick zu nehmen. Neben klassischen bildlichen Darstellungen wie Gemälden oder Fotos bedienen sich Menschen hierbei auch sprachlicher Mittel wie Metaphern und Narrativen. In der Forschung veranschaulichen zudem bildliche Gedankenexperimente wie Schrödingers Katze ein wissenschaftliches Problem. In den sozialen Medien bringen Memes die Gefühlswelt von Nutzerinnen und Nutzern zum Ausdruck. Bilder sind überall – aber das allein bedeutet nicht, dass das, was sie ausdrücken, sofort verstanden und geteilt wird.
»Imagination ist ein individuelles Vermögen – eine Gruppe besitzt keine besondere Einbildungskraft; insofern ist es erklärungsbedürftig, dass es soziale Imaginationen gibt«, sagt Johannes Grave. »Im Sozialen kann sich der Sinn von Bildern anreichern und verschieben, sodass Vorstellungen entstehen, die nicht gezielt hineingelegt wurden.« Diese Eigendynamik geht vermutlich weniger vom Bild selbst aus als vom Umgang mit ihm und den begleitenden Umständen. Die berühmte Statue des »David« von Michelangelo etwa verkörperte urprüng-
lich die Selbstbehauptung und Wehrhaftigkeit der Republik Florenz. Wer die Statue heute betrachtet, sieht darin kein politisches Symbol mehr, sondern eine Ikone der Renaissance-Kunst. Grund dafür ist eine veränderte politische Lage, eine Kanonisierung der Kunstepoche, aber auch ein anderer Aufstellungsort: Im 19. Jahrhundert wanderte die Plastik vom öffentlichen Platz vor dem Rathaus ins Museum der Kunstakademie.
Auch Sprachbilder unterliegen einem Wandel, wie ein Beispiel aus der Wissenschaft zeigt: So prägten Genforscherinnen und -forscher die Metapher »Genome Editing«, um Methoden zum präzisen Eingreifen in die DNA in Fachpublikationen zusammenzufassen. Die mediale Berichterstattung griff die Formulierung auf und ergänzte sie durch weitere Bilder wie »Genschere«, was dazu führt, dass sich die Öffentlichkeit komplizierte Vorgänge im Labor weitaus einfacher vorstellt und somit die Möglichkeiten und Gefahren der Genforschung nicht immer realistisch einschätzt.
Immer häufiger sehen wir uns mit der Frage konfrontiert, ob wir alle noch dieselbe Wirklichkeit teilen.
Johannes Grave
Solche Prozesse zu beobachten, zu verstehen und über sie aufzuklären, ist von immenser Bedeutung für die Gesellschaft. »Viele Krisen, die uns derzeit beschäftigen, wie die Infragestellung von Demokratie durch diverse Gruppen verstehen wir besser, wenn wir uns das soziale Imaginieren anschauen«, sagt Christina Brandt. »Denn das Imaginäre entfaltet eine subtilere Macht, die man erst begreift, wenn man die Mechanismen versteht, die es hervorruft.« Und dieser kollektive Projektor ist ins Stottern geraten. „Immer häufiger sehen wir
uns mit der Frage konfrontiert, ob wir alle noch dieselbe Wirklichkeit teilen“, sagt Johannes Grave. »Möglicherweise streuen Manipulateure nicht nur Falschinformationen, sondern greifen direkt ins Räderwerk des Imaginierens ein.«
Dass ein Exzellenzcluster zu den Grundlagen sozialer Vorstellungswelten ausgerechnet in Jena entsteht, ist kein Zufall. Seit Langem arbeiten hier Vertreterinnen und Vertreter der Geistes- und Sozialwissenschaften eng zusammen. »Imaginamics« bietet eine Chance, die wichtige Rolle der Kultur- und Geisteswissenschaften bei der Beantwortung von Kernfragen der Sozialwissenschaften herauszustellen.
»In der Literaturwissenschaft, der Kunstgeschichte oder der interkulturellen Kommunikation beschäftigen sich Forschende permanent mit dem Erzählen, mit dem Erzeugen, Wahrnehmen und Gebrauch von Bildern. Soziales Imaginieren steht hier schon lange im Fokus«, erklärt Johannes Grave. »Im Rahmen des Clusters wollen wir diese Praxis in einen größeren gesellschaftlichen Zusammenhang stellen.« Denn sie kann nicht nur zum Verständnis von Fontanes »Effi Briest«, Caspar David Friedrichs »Mönch am Meer« oder Francis Ford Coppolas »Der Pate« beitragen, sondern auch zur Weiterentwicklung von Sozialtheorien – und zu einer gemeinsamen Basis, auf der wir Bilder für unsere Zukunft entwerfen.
