KI für die Zellforschung: TH-Köln-Student erreicht zweiten Platz bei Kaggle-Wettbewerb

Wie bewegen und teilen sich Zellen während der Entwicklung eines Embryos? Diese Frage stand im Mittelpunkt des Wettbewerbs, den die US-amerikanische Forschungsorganisation Biohub auf der Plattform Kaggle ausgelobt hatte. Anhand dreidimensionaler Mikroskopieaufnahmen von Zebrafisch-Embryonen sollten die Teilnehmenden Algorithmen entwickeln, die einzelne Zellen erkennen und ihre Entwicklung über mehrere Zeitpunkte hinweg verfolgen.

Die Lösungen mussten dabei nicht nur bestimmen, wo sich eine Zelle befindet und wie sie sich bewegt. Sie sollten auch Zellteilungen erkennen und rekonstruieren, welche Tochterzellen aus welcher Mutterzelle entstanden sind.

Soheil Ayati Kaggle Biohub 2026 (Bild: TH Köln, Monika Probst)

Zellen über viele Aufnahmen hinweg verfolgen

Biohub beschäftigt sich unter anderem mit der Verbindung von künstlicher Intelligenz und biologischer Forschung. Die Aufgabe stellt hohe Anforderungen an die automatische Bildauswertung: In einem sich entwickelnden Embryo bewegen sich zahlreiche Zellen gleichzeitig. Sie ähneln einander, liegen dicht beieinander und verändern ihre Position. Bildrauschen erschwert die Erkennung zusätzlich. Zudem war nur ein kleiner Teil der Zellen in den Trainingsdaten manuell gekennzeichnet.

Eine Zelle auf einer einzelnen Aufnahme zu erkennen, genügte deshalb nicht. Die Algorithmen müssen ihre Identität über viele aufeinanderfolgende Bilder hinweg korrekt zuordnen und zwischen einer Bewegung und einer Zellteilung unterscheiden. Eine weitere Herausforderung war, dass nur ein kleiner Teil der vorhandenen Zellen in den Trainingsdaten manuell gekennzeichnet war. Der Wettbewerb verband damit künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, dreidimensionale Bildverarbeitung, mathematische Optimierung und biologische Forschung.

Soheil Ayati musste funktionierende Algorithmen entwickeln, die auf unbekannte Mikroskopiedaten angewendet wurden. Ihre Ergebnisse wurden anhand eines einheitlichen mathematischen Bewertungssystems beurteilt. Dabei wurde unter anderem berücksichtigt, wie zuverlässig Zellen über verschiedene Zeitpunkte hinweg miteinander verknüpft und wie korrekt Zellteilungen erkannt wurden.

Nutzen für die Forschung: KI als Werkzeug für die Entwicklungsbiologie

Die automatische Zellverfolgung ermöglicht es Wissenschaftler*innen, die Entstehung und Entwicklung biologischer Strukturen besser zu untersuchen. Solche Analysen sind bisher teilweise sehr zeitaufwendig und erfordern umfangreiche manuelle Arbeit. Zuverlässige KI-Algorithmen können diesen Prozess erheblich beschleunigen und neue Möglichkeiten für die Entwicklungsbiologie sowie für die Untersuchung von Krankheiten und biologischen Prozessen eröffnen.

Ayati entwickelte und testete seine Lösung selbstständig und optimierte sie in zahlreichen Experimenten – in unzähligen Stunden und häufigen Nachtschichten. Für den Masterstudenten war es bereits die zweite Teilnahme an einem Kaggle-Wettbewerb. „Mein Ziel war es, zu gewinnen und dadurch andere Studierende zu inspirieren,“ sagt der 25-Jährige, der bereits das Studium der Elektrotechnik am Campus Gummersbach absolviert hat. Für sein Studium verließ er den Iran und zog in seine neue Heimat Gummersbach. Ayati beschäftigt sich außerdem im VDI-Team mit der Entwicklung autonom fahrender Roboter beschäftige. Das Preisgeld beim Kaggle-Wettbewerb in Höhe von 12.000 Euro will Ayati teilweise spenden.

Goldmedaille im internationalen Teilnehmerfeld

Für den Wettbewerb stellte die Organisation insgesamt 60.000 US-Dollar Preisgeld bereit. Insgesamt traten rund 4.500 Personen aus 120 Ländern an, organisiert in knapp 4.000 Teams, darunter etablierte Softwareentwickler*innen, Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen aus den Bereichen KI und Bildverarbeitung. Im Verlauf des Wettbewerbs wurden 95.438 Lösungen eingereicht. Mit dem zweiten Platz gehörte Soheil Ayati zu den besten rund 0,05 Prozent der teilnehmenden Teams. Insgesamt erhielten 17 Teams eine Goldmedaille.

Kaggle ist im Besitzt von Google LLC. und ist eine der weltweit größten Plattformen für künstliche Intelligenz (KI), maschinelles Lernen (Machine Learning) und Data Science. Unternehmen, Forschungseinrichtungen und weitere Organisationen richten dort Wettbewerbe zu technischen und wissenschaftlichen Fragestellungen aus.