Ein bioinspirierter elektrotechnischer Ansatz zur Schaltkreisentwicklung - Erkenntnisse aus der Modellierung des Wachstums eines neuronalen Netzes von Drosophila

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Robin Hiesinger; Privatdozent Dr.-Ing. Karlheinz Ochs
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Entwicklungsneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564716375

Wir stellen eine Studie vor, in der Methoden der elektrischen Ingenieurswissenschaften zur Entwicklung von Schaltkreisen und ein Verständnis biologischen Wachstums neuronaler Schaltkreise sich gegenseitig inspirieren, informieren und verbessern. Aus der Perspektive der Ingenieurswissenschaft sind folgende Eigenschaften biologischer Wachstumsprozesse besonders wünschenswert: (1) Energieeffizienz, (2) Wachstumsregeln benötigen weniger Information als eine Beschreibung das Endprodukts, (3) Robustheit gegen Perturbation. Aus der Sicht der Biologie sind besonders wünschenswert: eine mathematische und informationstheoretische Beschreibung um grundlegende Prinzipien der Informationsverarbeitung zu verstehen. Um die Anwendbarkeit biologischer Prinzipien auf elektrische Schaltkreisentwicklung zu testen, haben wir als Bio-Inspiration und Modellsystem die Entwicklung der visuellen Karte im Drosophila Gehirn ausgewählt. Die Wahl dieses neuronalen Netzwerks ist motiviert durch die Verfügbarkeit quantitativer Daten aus der Lebendbildgebung und einer ersten stochastischen Dynamik-Simulation aus unseren Vorarbeiten. In Vorbereitung für diesen Antrag haben wir des Weiteren eine erste 'proof-of-principle' elektrische Modellierung auf der Basis von Wellendigitalemulationen etabliert. Wir schlagen nun vor eine erste Beschreibung Entwicklungsprozesses in Differentialgleichungen (ODE/PDE) durchzuführen um den Beitrag lokaler Interaktionen (ohne Hintergrundrauschen) für die Robustheit des Systems zu testen (Arbeitspaket 1). Anschließend werden wir einen entsprechenden elektrischen Schaltkreis synthetisieren um den Wachstumsprozess mit Hintergrundrauschen (Arbeitspaket 2), sowie eine Echtzeitsimulation mit einem digitalen Zwilling (Arbeitspaket 3) zu simulieren. Die Arbeitspakete 1-3 basieren auf biologischen Messdaten und werden in biologischen Experimenten in Arbeitspaketen 4-6 getestet. Wenn diese Arbeiten durchgeführt sind, werden wir einen beispielhaften, systematischen Vergleich und eine Fusion von Lösungsansätzen aus den elektrischen Ingenieurswissenschaften und der Biologie zum Verständnis der Entwicklung von Schaltkreisen etabliert haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen