Fokus Forschung: Mit künstlicher Intelligenz und mathematischen Modellen Covid-19 auf der Spur

02.06.2020, 12:00

Mittweidaer WissenschaftlerInnen nutzen KI für mathematische Vorhersagen

Für die Bevölkerung bringt die Corona-Pandemie ständig veränderte Bedingungen für das Leben mit sich. Gleichzeitig beschäftigen sich Wissenschaftler verschiedener Disziplinen mit einem Virus, das sich selbst immer wieder verändert und somit die Entwicklung eines Impfstoffs zusätzlich erschwert.

Eine Möglichkeit, dem Corona-Virus zu begegnen, ist, seine virale Information zu entschlüsseln und seine Mutation vorherzusagen bzw. auftretende dominante Mutationen schnell zu erkennen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Hochschule Mittweida sind dabei dem Virus mit mathematischen Methoden und Künstlicher Intelligenz (KI) auf der Spur.

Am Sächsischen Institut für Computational Intelligence und Maschinelles Lernen (SICIM) der Hochschule Mittweida versuchen die Mitglieder der Nachwuchsforschergruppe MaLeKITA (Maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz in technischen Anwendungen) mit mathematischen Methoden, Varianten (Mutationen) des Virus zu identifizieren, so dass die räumliche Ausbreitung oder zeitliche Entwicklung der Genominformation des Virus verfolgt werden können.

Das Mittweidaer Team unter der Leitung von Professor Thomas Villmann und Dr. Marika Kaden und ihre internationalen Kollegen vom Europäischen Zentrum für Bioinformatik und Genomik an der Universität Poznan unter der Leitung von Professor Jacek Blazewicz haben dabei nicht mit echten Coronaviren SARS-CoV-2 gearbeitet, sondern mit vielen Hunderten Gensequenzen des Virus aus verschiedenen Ländern und verschiedenen Phasen der Ausbreitung. Aus der Analyse der Daten mit selbst entwickelten Verfahren der KI zur Mustererkennung haben sie mathematische Modelle entwickelt, die Veränderungen des Virus sicher erkennen, und – das ist das Entscheidende – damit auch vorhersagbar machen, wenn sich das Virus entscheidend verändert.

Erste Untersuchungen mittels der KI-Methoden  zeigen, dass sich das Virus ständig durch Mutationen in seiner genomischen Struktur verändert bzw. seit seinem ersten Auftreten beim Menschen schon verändert hat. Insbesondere konnten schon früh (Februar) mindestens drei verschiedene, dominante Virustypen nachgewiesen werden. Im März veränderte sich das Virus weiter, allerdings ohne neue dominante Typen zu entwickeln.

Es muss grundsätzlich mit einer weiteren räumlichen Differenzierung des Virus im Laufe der Pandemie gerechnet werden, das heißt es können sich regional unterschiedliche Typen entwickeln. Würde dabei ein neuer dominanter Typ auftreten, müssten Virologen diese Entwicklung bei der Suche nach Impfstoffen und Medikamenten berücksichtigen.

Die Mittweidaer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beobachten und analysieren die Entwicklung weiter. Ihre KI-Modelle werden dabei kontinuierlich mit neuen Daten „gefüttert“ und so auf höhere Genauigkeit trainiert. Der Vorteil der entwickelten KI-Methoden ist, dass sie sich selbständig an die neue Datenlage anpassen und somit rasch der Entwicklung folgen. So kann das mathematische Modell den Virologen immer aktuelle Warnungen bei entsprechender Virus-Entwicklung zur Verfügung stellen.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bei der Zeitschrift Plos One eingereicht und vorab veröffentlicht (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.05.15.097741v1). Die Zeitschrift hat die Ergebnisse bereits and die WHO als COVID-19-relevant weitergeleitet.

Kontakt: Prof. Thomas Villmann

Text: Prof. Thomas Villmann
Foto: Helmut Hammer