mathias wellner

Ich schreibe. An mei­ner Diss. Ich habe sie This! genannt, das klingt so wie Diss und erin­nert mich an Peter Gabri­els Album So, ein Weih­nachts­ge­schenk mei­ner Schwester.

Ich schreibe. Über die Ergeb­nisse der Ruder­stu­die mit Wett­be­wer­bern. Teil­neh­mer 1 hat rea­giert, und das deut­lich. Man sieht es an den Gra­phen, den Prunk­stü­cken die­ses Kapi­tels. Es lässt sich so viel aus­sa­gen mit einem Gra­phen. Dann brau­che ich auch weni­ger zu schrei­ben. Es springt dem Leser dann ins Auge. Aber nur, wenn der Graph gut gemacht ist und in sich das Stu­di­en­de­sign, die Ein­zel­er­geb­nisse, die Durch­schnitts­werte pro Block mit Stan­dard­ab­wei­chun­gen und am bes­ten noch die Schluss­fol­ge­run­gen in sich ver­eint und dabei nicht unüber­sicht­lich wird.

Ich schreibe. Ein Mat­lab–Skript zum Zeich­nen eines Gra­phen. Es wird immer län­ger, Zeile um Zeile kommt hinzu. Zuerst waren da nur die blauen Daten­punkte, etwas chao­tisch zeig­ten sie den Wert einer Varia­blen (zum Bei­spiel der Maxi­mal­kraft) für jeden Ruder­schlag an, und das für die gesamte Renn­stre­cke von 2000 m. Aber das reicht nicht, man muss noch die Blö­cke sehen. Die neu­tra­len Blö­cke, in denen die Geg­ner nichts machen und die Gegner-​​Blöcke, in denen die geg­ne­ri­schen Boote atta­ckie­ren oder zurück­fal­len. Senk­rechte rote Linien für die Block­gren­zen, das ist schon mal ein Anfang. Aber wie kann man die Gegner-​​Blöcke noch durch eine andere Hin­ter­grund­farbe her­vor­he­ben? Zuerst ver­su­che ich es mit dem Befehl patch, damit kann man belie­bige Poly­gone zu einem Gra­phen hin­zu­fü­gen. Aber die­ser ver­deckt die Rand­li­nien. Die Lösung bringt dann der Befehl image, ein ent­spre­chend den Blö­cken defi­nier­tes Bild dient als Hin­ter­grund des Gra­phen. Blaue Punkte auf dezent her­vor­ge­ho­be­nen Blö­cken, getrennt durch ver­ti­kale rote Linien. Schön wäre noch, bei jedem Block den Mit­tel­wert der Varia­blen und die Stan­dard­ab­wei­chung ein­zu­zeich­nen. Mit hori­zon­ta­len, schwar­zen, dicken Linien kom­men die Mit­tel­werte hinzu, mit dün­ne­ren Linien, die sich nach oben und unten stre­cken, die Stan­dard­ab­wei­chun­gen. Jetzt noch zuschnei­den auf die rich­tige Größe, damit es ohne wei­tere Ver­ar­bei­tung in die Diss ein­ge­fügt wer­den kann.

Ich schreibe. Mit LaTeX–Befeh­len füge ich die Gra­phen ein. Und beschrifte noch die Blö­cke, damit klar ist, wel­che neu­tral und wel­che durch Akti­vi­tä­ten der Geg­ner geprägt sind. Dies in allen Gra­phen. Diese Wie­der­ho­lung einer ähnli­chen Auf­gabe, in der sich nur die Rei­hen­folge der Kon­di­tio­nen ver­än­dert, schreit nach einem Makro. So weit ist es mit mir gekom­men, das Doku­ment hat sich in eine Struk­tur ver­wan­delt, wel­che stets ver­bes­sert wer­den kann. Ich sehe über­all Struk­tur, die Ähnlich­keit von Abschnit­ten, die Mög­lich­keit, etwas ele­gan­ter zu lösen, mit weni­ger Redundanzen.

Ich schreibe. 85 Sei­ten ist This! jetzt stark. Es ist nicht mehr viel, das Ziel ist in Sicht. Dann wird die erste Fas­sung voll­en­det sein.

Im Rah­men der Lehr­ver­an­stal­tung Schrei­ben für Andere an der ETH Zürich ent­stand die­ser Text. Die Auf­ga­ben­stel­lung war, über das eigene Fach­ge­biet und seine Bedeu­tung für bzw. in der Öffent­lich­keit zu schrei­ben. Die Länge des Tex­tes war mit 4000–5000 Zei­chen (inklu­sive Leer­schläge) eben­falls vorgegeben.

Vir­tu­elle Umge­bun­gen in der Medi­zin­tech­nik und zum Bewegungslernen

Wenn die Mann­schafts­mit­glie­der des Raum­schiffs Enter­prise Unter­hal­tung, Trai­nings­sze­na­rien oder auch nur Ent­span­nung such­ten, betra­ten sie das Holo­deck. Dort, so wollte es die bekannte Science-​​Fiction-​​Serie, wur­den Umge­bun­gen und sogar eigen­stän­dig han­delnde Akteure vom Bord­com­pu­ter gene­riert. Die Dar­stel­lung war so rea­lis­tisch, dass der Klin­gone Worf auch den Umgang mit sei­nen mar­tia­li­schen Nah­kampf­waf­fen trai­nie­ren konnte. Letzt­lich stellt diese Idee eines per­fek­ten Ani­ma­ti­ons­rau­mes die Vision dar, wel­che den Auf­bau und die Ent­wick­lung von vir­tu­el­len Umge­bun­gen motiviert.

Ver­gli­chen mit dem Quasi-​​Realismus aus Star Trek wir­ken die aktu­el­len Auf­bau­ten noch recht rück­schritt­lich. Die vor­han­de­nen Tech­no­lo­gien bestim­men die Gren­zen der Dar­stel­lungs­qua­li­tät. So muss die Gra­fik auf die den Raum begren­zen­den Schirme pro­ji­ziert wer­den. Mit Hilfe von 3D-​​Brillen unter­schied­li­cher Wir­kungs­prin­zi­pien kön­nen Bil­der für das linke und rechte Auge sepa­rat dar­ge­stellt wer­den, so dass ein drei­di­men­sio­na­ler Ein­druck ent­steht. Jedoch fokus­siert das Auge trotz­dem auf die Lein­wand, so dass nach gewis­ser Zeit Ermü­dungs­er­schei­nun­gen auf­tre­ten. Trotz die­ses Nach­teils ist die Gra­fik in den letz­ten Jah­ren deut­lich bes­ser gewor­den, durch die gestie­gene Leis­tungs­fä­hig­keit von Rech­nern kann man heute nahezu foto­rea­lis­ti­sche Gra­fi­ken erzeu­gen. Anders beim Klang. Um Geräu­sche rea­lis­tisch aus allen Rich­tun­gen erklin­gen zu las­sen, wären extrem viele Laut­spre­cher not­wen­dig. Des­halb beschrän­ken sich die momen­tan ein­ge­setz­ten Sys­teme dar­auf, Klänge rund um den Hörer, also auf einer hori­zon­ta­len Ebene zu erzeu­gen. Das größte Sor­gen­kind der vir­tu­el­len Umge­bun­gen ist jedoch die Hap­tik, also die Über­mitt­lung von Kräf­ten. Dies ist nur durch am betref­fen­den Glied­maß anzu­brin­gende Vor­rich­tun­gen mög­lich. Die Ansätze rei­chen von Seil­ro­bo­tern (wie bei Mario­net­ten) bis zu Hand­schu­hen mit ein­ge­bau­ten Moto­ren. Aber so rich­tig per­fekt ist kei­ner die­ser Ansätze. Um die Qua­li­tät des Holo­deck zu errei­chen, bräuchte man eine Kraft­über­tra­gung durch die Luft. Und das gibt es heute ein­fach noch nicht.

Im Bereich der Medi­zin­tech­nik spie­len vir­tu­elle Umge­bun­gen trotz die­ser Ein­schrän­kun­gen eine immer grö­ßere Rolle. Ärzte kön­nen schwie­rige Ope­ra­tio­nen trai­nie­ren, ohne einen Pati­en­ten zu gefähr­den, Ope­ra­tio­nen kön­nen bes­ser geplant wer­den und der lang­wie­rige Pro­zess der Reha­bi­li­ta­tion von Schlag­an­fall– und rücken­marks­ver­letz­ten Pati­en­ten kann durch von Rech­ner gene­rierte Sze­na­rien moti­vie­ren­der gestal­tet werden.

Als Bei­spiele für den letz­ten Punkt sol­len die Reha­bi­li­ta­ti­ons­ro­bo­ter Loko­mat (Gangre­ha­bi­li­ta­tion) und ARMin (Armre­ha­bi­li­ta­tion) die­nen. Beim Wie­der­er­ler­nen des Lau­fens mit Hilfe des Loko­mat sehen die Pati­en­ten auf einem Bild­schirm einen Pfad mit Hin­der­nis­sen. Letz­tere sind als Trai­nings­sti­muli gedacht, wie im rea­len Leben muss das Gang­mus­ter gele­gent­lich vari­iert wer­den. Klänge kön­nen nun den Abstand zum nächs­ten Hin­der­nis dar­stel­len, ana­log zum Ein­park­so­nar in moder­nen Autos.

Die Armre­ha­bi­li­ta­tion hat andere Anfor­de­run­gen, anstatt eines sich wie­der­ho­len­den Mus­ters wie beim Gehen sol­len eher funk­tio­nelle Bewe­gun­gen wie Grei­fen trai­niert wer­den. Zur Unter­stüt­zung der Reha­bi­li­ta­tion wurde der Arm­ro­bo­ter ARMin ent­wi­ckelt. Eine Trai­nings­an­wen­dung ist ein Spiel­sze­na­rio. Die Pati­en­ten kön­nen mit ihrem am ARMin befes­tig­ten Arm einen Schlä­ger steu­ern und müs­sen mit die­sem einen her­un­ter­rol­len­den Ball auf­fan­gen. Die­ses vir­tu­elle Ball­spiel­sze­na­rio moti­viert die Pati­en­ten, mit ihrem betrof­fe­nen Arm län­ger zu trainieren.

Ein wei­te­rer Anwen­dungs­be­reich für den Ein­satz vir­tu­el­ler Umge­bun­gen ist das Erler­nen und Opti­mie­ren von kom­ple­xen Bewe­gun­gen, bei­spiels­weise im Sport. Mög­li­che Anwen­dun­gen sind das Erler­nen des Ruderns oder des Golf­schla­ges. Durch den Ein­satz vir­tu­el­ler Umge­bun­gen kann man unter rea­li­täts­na­hen Bedin­gun­gen Rudern ler­nen, und das ohne die Gefahr, durch eine unbe­dachte Bewe­gung nass zu wer­den. Jedoch kann ein sol­cher Ruder­si­mu­la­tor noch weit über die bloße rea­li­täts­nahe Dar­stel­lung des Boo­tes und Ruders hin­aus­ge­hen. Durch geeig­nete Regel­stra­te­gien lässt sich die ideale, zu erler­nende Bewe­gung vor­ge­ben, so dass man gleich zu Beginn ein Gefühl für den rich­ti­gen Ablauf bekommt. Spä­ter wird diese Unter­stüt­zung zurück­ge­nom­men, jetzt kön­nen aber visu­elle oder akus­ti­sche Signale aus­ge­löst wer­den, sobald man von der idea­len Bahn abweicht.

Über­haupt stellt sich die Frage, wie man kom­plexe Bewe­gun­gen opti­mal ler­nen kann. Vir­tu­elle Umge­bun­gen ermög­li­chen das Aus­pro­bie­ren neu­ar­ti­ger Trai­nings­kon­zepte und öffnen die Tür zu wei­te­ren Erkennt­nis­sen im Bereich neu­ro­na­ler Lernprozesse.

Somit erge­ben sich für vir­tu­elle Sze­na­rien viel­fäl­tige Ein­satz­mög­lich­kei­ten im Bereich der Medi­zin­tech­nik und des Bewe­gungs­ler­nens. Und selbst wenn die Rea­li­sie­rung eines Holo­decks noch lange auf sich war­ten lässt, auch mit heu­ti­gen Tech­no­lo­gien kön­nen beein­dru­ckende Effekte mit vir­tu­el­len Umge­bun­gen erzielt werden.

Der zweite Eigen­bei­trag zum Kurs Schrei­ben für Andere bestand darin, zum Mani­fest der Hirn­for­scher einen Bei­trag zu schrei­ben. Die Form war — wie immer — frei gestellt, ebenso der Publi­ka­ti­ons­rah­men. Das Mani­fest ver­öf­fent­lich­ten einige der füh­ren­den deut­schen Neu­ro­wis­sen­schaft­ler 2004. Sie schrie­ben über den Stand ihrer Wis­sen­schaft und die zu erwar­ten­den Erkennt­nisse in zehn, bzw. zwanzig-​​dreißig Jahren.

Die Gedan­ken sind frei

Bald sind die Gedan­ken nicht mehr frei. Denn schon in naher Zukunft wird die Vor­stel­lung vom freien Wil­len nicht mehr halt­bar sein. In 20 bis 30 Jah­ren – so füh­rende deut­sche Neu­ro­wis­sen­schaft­ler in ihrem „Mani­fest der Hirn­for­scher“ – wird sich der Dua­lis­mus von Geist und Kör­per leise ver­ab­schie­det haben, wider­legt durch wis­sen­schaft­li­che Befunde der Neu­ro­wis­sen­schaf­ten. Ein neues Men­schen­bild wird dann not­wen­dig sein. Wie die­ses jedoch aus­se­hen wird, wie es in immer weni­ger Frei­raum unver­stan­de­ner neu­ro­na­ler Vor­gänge sich ein­pas­sen wird, dar­über schwei­gen die Auto­ren des Manifests.

Durch die in den letz­ten Jah­ren erziel­ten Fort­schritte im Gebiet der Neu­ro­wis­sen­schaf­ten fühl­ten sich einige füh­rende deut­sche Neu­ro­wis­sen­schaft­ler ver­an­lasst, auf die Mög­lich­kei­ten, Gren­zen und Kon­se­quen­zen ihrer Wis­sen­schaft hin­zu­wei­sen. Dabei leg­ten sie mit dem „Mani­fest der Hirn­for­scher“ ein Doku­ment vor, das den Spa­gat zwi­schen wis­sen­schaft­li­cher Kor­rekt­heit und All­ge­mein­ver­ständ­lich­keit wagt. Dies resul­tiert in einer Mischung aus nur schwer ver­ständ­li­chen Abkür­zun­gen und Metho­den – wer kennt schon PET, EEG, MEG, Patch-​​Clamp-​​Technik und Xenopus-​​Oocyten-​​Expressionssystem – und anschau­li­chen Meta­phern. So ver­glei­chen sie die Bild­ge­bungs­ver­fah­ren, wel­che einen erhöh­ten Ener­gie­be­darf bestimm­ter Hirn­re­gio­nen fest­stel­len, damit, von einem Rech­ner die Leis­tung zu bestim­men, wäh­rend er bestimmte Auf­ga­ben löst. Die­ses Bild war gewählt, um die Begrenzt­heit die­ses Ver­fah­rens zu zei­gen, denn der genaue Ort von Akti­vi­tä­ten erklärt diese noch lange nicht grundlegend.

Posi­tiv zu wer­ten ist vor allem die Ehr­lich­keit, mit der die For­scher auf Gren­zen ein­ge­hen. So wären momen­tan zwar die oberste (Hirn­areale) und unterste Ebene (Neu­ro­nen) des Gehirns ganz gut ver­stan­den, aber völ­lig unklar sei das Zusam­men­wir­ken von Ver­bän­den von Neu­ro­nen, also der mitt­le­ren Ebene. Die gro­ßen Fra­gen der Neu­ro­wis­sen­schaf­ten nach der Ent­ste­hung von Bewusst­sein und Ich-​​Erleben, nach der Ver­knüp­fung von ratio­na­lem und emo­tio­na­lem Han­deln und nach dem freien Wil­len könn­ten aber nur beant­wor­tet wer­den, wenn auch auf die­ser mitt­le­ren Ebene Fort­schritte erzielt würden.

Dass sie den­noch die Lösung die­ser Pro­bleme in Aus­sicht stel­len, kann man ent­we­der als gewagte Pro­gnose oder als Selbst­schutz betrach­ten. Denn wie in der Teil­chen­phy­sik exis­tiert auch in die­sem Feld ein Drang, immer grö­ßere und damit zwangs­läu­fig auch teu­rere Anla­gen auf­zu­bauen. Damit, so das Ver­spre­chen, könn­ten prä­zi­sere Mes­sun­gen (räum­lich und zeit­lich) durch­ge­führt wer­den, um den unge­lös­ten Geheim­nis­sen auf die Spur zu kom­men. Es stellt sich auch in den Neu­ro­wis­sen­schaf­ten die Frage nach Legi­ti­ma­tion, nach den ökono­mi­schen Gren­zen des Wissensdurstes.

Inter­es­san­ter­weise ver­glei­chen auch die Auto­ren diese bei­den Gebiete, jedoch mit ande­rer Absicht. Ähnlich wie klas­si­sche und Quan­ten­me­cha­nik ver­hiel­ten sich auch heu­tige Erklä­rungs­mo­delle für neu­ro­nale Pro­zesse und einer zukünf­tig not­wen­di­gen, ein­heit­li­chen „Theo­rie des Gehirns“.

Aber wenn der Ver­gleich mit der Teil­chen­phy­sik so gern und aus­gie­big gewählt wird, so drän­gen sich dar­aus resul­tie­rend auch Fra­gen auf. Inwie­weit kann man das Gehirn über­haupt ver­ste­hen? Die Phy­sik erfuhr durch die Quan­ten­me­cha­nik eine ein­heit­li­che, aber sehr abs­trakte Erklä­rung, durch den sto­chas­ti­schen Cha­rak­ter sub­ato­ma­rer Vor­gänge ver­schlie­ßen sich diese der genauen Mes­sung. Ähnli­ches ist für die Neu­ro­wis­sen­schaf­ten zu erwar­ten, da neu­ro­nale Netze einen hoch­dy­na­mi­schen, nicht­li­nea­ren Cha­rak­ter besit­zen und im Ver­bund neue Eigen­schaf­ten her­vor­tre­ten kön­nen. Und somit wird sich das, was eigent­lich inter­es­siert, für immer der For­schung ent­zie­hen. Wir wer­den nie­mals ver­ste­hen, wie ein Gedanke ent­steht und auch die Frage nach dem Bewusst­sein lässt sich bes­ten­falls anrei­ßen. Hier machen die Auto­ren im eige­nen Inter­esse groß­zü­gig Ver­spre­chun­gen, um sich auch die finan­zi­elle Zukunft ihrer For­schung zu sichern. Denn wenn in 20–30 Jah­ren das öffent­li­che Inter­esse um die Neu­ro­wis­sen­schaf­ten abneh­men wird, wer­den auch die Ver­teil­kämpfe um die knap­per wer­den­den finan­zi­el­len Res­sour­cen hef­ti­ger. So wie dies heute schon im Bereich der Phy­sik zu beob­ach­ten ist.

Doch selbst wenn wider Erwar­ten die Natur von Gedan­ken ent­schlüs­selt wer­den sollte, wenn Den­ken, Bewusst­sein, Vor­stel­lung und Phan­ta­sie als natür­li­che Vor­gänge erklär­bar sind, die Fas­zi­na­tion um die Schön­heit und indi­vi­du­elle Aus­prä­gung von Den­ken und Füh­len wird immer erhal­ten blei­ben. Schön­heit ist nicht wis­sen­schaft­lich erklär­bar. In die­ser Hin­sicht sind die Gedan­ken noch immer frei und wer­den es auch bleiben.