3D-Forschungsdaten helfen bei Schulprojekt

Schüler:innen des Schiller Gymnasiums in Bochum wollen Bewegungen von Wasserflöhen, auch Daphnien genannt, mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzes reproduzieren - die Daten dafür liefert die Fakultät.

Am 16. Mai 2023 besuchten die Schüler:innen der neunten Klasse den Lehrstuhl für Evolutionsökologie und Biodiversität der Tiere. Empfangen wurde die Schülergruppe von Dr. Martin Horstmann. Zusammen mit seiner Kollegin Dr. Sina Langer konzipierte er ein 3D-Tracking-System, das die Schwimmbewegung von Daphnien im dreidimensionalen Raum auswertet.

Bewegungen von Daphnien digital reproduzieren

Mit Hilfe dieser 3D-Verhaltensdaten wollen die Schüler:innen im Rahmen ihres Projekts für den schuleigenen Wahlpflichtkurs Informatik-Technik die Bewegungen von Daphnien über ein künstliches neuronales Netz (KNN) digital reproduzieren. Vereinfacht beschrieben, besteht ein solches KNN aus drei "Schichten". In der ersten Schicht sind die Eingangsknoten, diese nehmen Informationen auf und leiten sie weiter zur nächsten Schicht mit den versteckten Neuronen. Diese verarbeiten die Informationen und geben anschließend ihren Output an die Ausgangsknoten ab. Um ein KNN zu trainieren, ,,füttert" man es mit Eingangsdaten und dazu passenden Ausgangsdaten.

"Anfangs haben wir die Trainingsdaten gesammelt, indem wir die Daphnien selber gefilmt haben und die Videos von einem Videoanalyseprogramm haben auswerten lassen. Auch nach verschiedenen Verbesserungen des Filmsets, war die Qualität der Daten noch nicht gut genug und vor allem hatten wir zu wenig Daten. Über Annika Steiger konnten wir einen Kontakt zu Dr. Martin Horstmann und Prof. Dr. Ralph Tollrian aufbauen, die uns einluden ihr 3D-Trackingsystem anzuschauen. Ihre 3D-Daten können bald als Trainingsdaten für unser künstliches neuronales Netz dienen, so dass wir das Verhalten von Daphnien voraussagen und analysieren können, ohne die Tiere direkt vor uns zu haben." sagt Schülerin Deborah Henne.

Das KNN soll somit von den realen Positionsdaten aus dem 3D-Trackingsystem lernen und so Schwimmpfade virtueller Wasserflöhe generieren.

Einblicke in die Arbeit des Lehrstuhls

Die Schülergruppe, die von Annika Steiger vom zdi-Netzwerk IST.Bochum.NRW begleitet wurde, holte im Zuge ihres Besuchs nicht nur die 3D-Daten von Horstmann ab, sondern erhielt zudem spannende Einblicke in die Entstehung der Daten durch die Aufzucht und Vorbereitung der lebenden Tiere. Auch Lehrstuhlleiter Prof. Dr. Ralph Tollrian selbst nahm sich Zeit um einen Einblick in den konzeptionellen Rahmen der Arbeit mit Daphnien am Lehrstuhl zu geben.

"Es hat mir viel Spaß gemacht und die Schüler:innen dürfen bei Interesse gerne wiederkommen." sagt Horstmann. Die Zusammenarbeit der Fakultät für Biologie und Biotechnologie und dem zdi-Netzwerk soll weiter ausgebaut sowie Projekte für und mit Schüler:innen weiter gefördert werden.