加速数据驱动的发现

随着单细胞基因组测序、增强生物医学成像和医疗“物联网”设备等技术的激增,人们越来越多地在复杂的生命科学和健康数据的巨大宝库中发现有关人类健康的关键发现。

但是,从这些数据中得出有意义的结论是一个困难的问题,它可能涉及到将不同的数据类型拼凑在一起,以及操纵庞大的数据集以应对不同的科学调查。这个问题既与计算机科学有关,也与其他科学领域有关。这就是范式发挥作用的地方。

该公司由Marilyn Matz SM ‘ 80和图灵奖获得者、麻省理工学院教授Michael Stonebraker创建,帮助制药公司、研究机构和生物技术公司将数据转化为真知灼见。

它通过一个从头开始构建的计算数据库管理系统来实现这一点,该系统可以在生命科学研究的前沿托管各种不同的、多方面的数据。这包括来自国家生物数据库、临床试验、医疗物联网、人类细胞图谱、医学图像、环境因素和多组学的数据,多组学是一个包括基因组、微生物群落、代谢体等研究的领域。

除了该系统独特的体系结构外,该公司还构建了数据准备、元数据管理和分析工具,以帮助用户找到隐藏在所有这些数字中的重要模式和相关性。

在很多情况下,客户都在研究创始人所说的数据集,这些数据集太大、太复杂,无法用传统的数据库管理系统有效地表示。

Matz说:“我们希望能让科学家和数据科学家做一些以前做不到的事情,让他们更容易处理大规模计算和对不同数据的机器学习。”“我们正在帮助科学家和生物信息学家进行合作、可重复的研究,以更快地提出和回答难题。”

一个新的范例

Stonebraker几十年来一直是数据库管理系统领域的先驱。他创办了九家公司,他的创新为现代系统允许人们组织和访问大型数据集的方式设定了标准。

Stonebraker的职业生涯主要集中于关系数据库,它将数据组织成列和行。但在2000年代中期,Stonebraker意识到,生成的大量数据最好不是以行或列的形式存储,而是以多维数组的形式存储。

例如,卫星将地球表面分割成许多大的正方形,而GPS系统会随着时间的推移跟踪一个人在这些正方形中的运动。该操作涉及垂直、水平和时间度量,在关系数据库系统中,这些度量不容易分组或以其他方式操作以进行分析。

Stonebraker回忆说,他的科学同事们抱怨说,现有的数据库管理系统在处理基因组学等领域的复杂科学数据集时太慢了。在基因组学领域,研究人员研究人口规模的多重组学数据、表型数据和医疗记录之间的关系。

Stonebraker解释说:“[关系数据库系统]可以水平或垂直扫描,但不能两者都扫描。”“所以你需要一个同时具备这两种功能的系统,这就需要一个位于系统底部的存储管理器,它能够在一个非常大的数组中水平和垂直移动。范式就是这样做的。”

2008年,Stonebraker开始在MIT开发一个数据库管理系统,该系统可以将数据存储在多维数组中。他证实了该方法提供了主要的效率优势,允许基于线性代数的分析工具,包括许多形式的机器学习和统计数据处理,以新的方式应用于大型数据集。

Stonebraker在2010年决定将这个项目转变成一家公司,当时他与Matz合作,Matz是一位成功的企业家,他与人共同创立了Cognex公司,这是一家大型工业机器视觉公司,于1989年上市。创建者和他们的团队着手构建系统的关键特性,包括允许系统在低成本服务器上运行的分布式体系结构,以及为用户提供有用方式的自动清理和组织数据的能力。

创始人将他们的数据库管理系统描述为科学数据的计算引擎,并将其命名为SciDB。在SciDB的基础上,他们开发了一个名为REVEAL discovery engine的分析平台,该平台基于用户的日常研究活动和愿望。

“如果你是一名科学家或数据科学家,Paradigm的REVEAL和SciDB产品可以处理所有的数据争论和计算‘管道和线路’,因此你不必担心访问数据、移动数据或设置并行分布式计算,”Matz说。“你的数据是科学的。只要提出你的科学问题,平台就会为你安排所有的数据管理和计算。”

SciDB被设计为科学家和开发人员都可以使用,因此用户可以通过图形用户界面或利用统计和编程语言(如R和Python)与系统进行交互。

“销售解决方案非常重要,而不是构建模块,”Matz说。“我们在生命科学领域的成功很大程度上得益于顶尖的制药公司、生物技术公司和研究机构,它们为我们揭示了一系列针对特定应用的问题解决方案。我们没有给他们一个分析平台,那是一套乐高积木;我们为他们提供解决方案,处理他们每天处理的数据,使用他们的词汇,回答他们想要解决的问题。”

加速发现

如今,paradigm的客户包括一些世界上最大的制药和生物技术公司,以及美国国立卫生研究院、斯坦福大学等地的研究实验室。

客户可以将基因组测序数据、生物计量测量、环境因素数据等整合到他们的查询中,从而在一系列生命科学领域实现新的发现。

Matz说SciDB 10亿线性回归在最近的一个基准,不到一个小时,它可以很好地伸缩除此之外,可以加快发现和更低的成本为研究人员不再需要从文件中提取数据,然后依靠低效率cloud-computing-based方法大规模应用的算法。

“如果研究人员能够在几分钟内完成复杂的分析,而以前需要几天的时间,那就会极大地改变你能够提出和回答的难题的数量,”Matz说。“这是一个力量倍增器,将改变每天的研究。”

除了生命科学,范式4的系统还为处理多层面数据的任何行业带来了希望,包括地球科学(Matz说NASA的一位气候学家已经在使用该系统)和工业物联网(数据科学家考虑大量不同的数据来理解复杂的制造系统)。马茨说,公司明年将更加关注这些行业。

然而,在生命科学领域,创始人相信他们已经有了一种革命性的产品,能够创造一个新的发现世界。最后,他们看到了SciDB,并揭示了它对国家和世界卫生研究的贡献,这将使医生能够提供可以想象得到的最明智的、个性化的治疗。

“每个医生都想知道的问题是,当你走进他或她的办公室,展示一系列症状时,医生会问,‘在这个国家的数据库中,谁的基因与我的相似,症状与我的相似,生活方式与我的相似?’”他们的诊断是什么?他们的治疗方法是什么?它们的发病率是多少?”Stonebraker解释道。“这是把你和其他人交叉联系起来,做非常个性化的药物,我认为这是我们力所能及的。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/paradigm4-data-0405

https://petbyus.com/26518/

技术揭示了晶体是如何在表面形成的

晶化过程,即原子或分子像士兵一样排列成有序的阵列,是定义现代生活的许多材料的基础,包括微芯片和太阳能电池中的硅。但是,尽管晶体的许多有用的应用涉及到晶体在固体表面的生长(而不是在溶液中),但一直缺乏研究这种生长的好工具。

现在,麻省理工学院(MIT)和德雷珀(Draper)的一组研究人员发现了一种方法,可以在更大的范围内重现晶体在表面上的生长,这让研究和分析变得更容易。麻省理工学院的罗伯特•麦克法兰(Robert Macfarlane)和莱昂纳多•宗伯格(Leonardo Zomberg)、黛安娜•刘易斯(Diana Lewis)博士(19年)和德雷珀(Draper)的戴维•卡特(David Carter)在《自然材料》(Nature Materials)杂志上发表了一篇论文,描述了这种新方法。

麦克法兰解释说,使这一过程易于观察和量化的关键是使用“可编程原子当量”或PAEs,而不是用实际的原子来组装这些晶体。这是可行的,因为原子排列成晶格的方式完全是一个几何问题,不依赖于其组成成分的特定化学或电子性质。

研究小组使用了球形的黄金纳米颗粒,表面包裹着经过特殊挑选的单股基因工程DNA,使这些颗粒看起来就像Koosh球一样。单股DNA有一种固有的特性,就是把它们自己紧密地连接到相应的互反链上,从而形成经典的双螺旋结构,所以这种结构提供了一种可靠的方法,可以让这些粒子精确地按照期望的方式排列。

麦克法兰说:“如果我把非常密集的DNA刷在这个粒子上,它就会和尽可能多的最近的邻居形成尽可能多的键。”“如果你恰当地设计并正确地处理它,它们将形成有序的晶体结构。虽然这一过程已为人所知多年,但这项工作是首次将这一原理应用于研究晶体在表面上的生长。

他说:“了解晶体是如何从表面向上生长的,对于许多不同的领域都是非常重要的。”例如,半导体行业是建立在大型单晶或多晶材料的发展基础上的,必须对这些材料进行非常精确的控制,但这一过程的细节很难研究。这就是为什么使用像PAEs这样的超大类似物会有这样的好处。

他说,pae“与分子和原子一样,以完全相同的方式结晶。所以它们是一个很好的代理系统来理解结晶是如何发生的。“在这个系统中,DNA的性质决定了粒子的组装方式和最终形成的3D结构。

他们设计系统,晶体成核和生长从表面开始,“裁剪两粒子间的相互作用,粒子和DNA-coated之间的表面,我们可以支配的大小、形状、方向和各向异性的程度(方向性)晶体,“麦克法兰说。

他补充说:“通过了解形成这些晶体的过程,我们可以用它来了解一般的结晶过程。”

他解释说,得到的晶体结构不仅比实际的原子结构大100倍左右,而且它们的形成过程也慢得多。这种组合使详细分析过程变得容易得多。早期描述这种晶体结构的方法只显示了它们的最终状态,因此忽略了形成过程的复杂性。

“我可以改变DNA序列。我可以改变粒子中DNA链的数量。我可以改变粒子的大小,我可以独立地调整每个单独的手柄,”麦克法兰说。“所以如果我想说,好吧,我假设在这种情况下这个特殊的结构可能会受到青睐,如果我以这种方式调整能量,那么用PAEs研究这个系统要比用原子本身容易得多。”

他说,这个系统非常有效,但是以一种允许附着在纳米颗粒上的方式修饰的DNA链可能非常昂贵。下一步,麦克法兰实验室还开发了以聚合物为基础的积木,这种积木有希望复制这些相同的结晶过程和材料,但可以在多克的规模上以低成本制造。

这项工作得到了德雷珀奖学金和美国国家科学基金会的部分资助,并使用了麻省理工学院材料技术实验室的设备。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/how-crystals-form-surfaces-paes-0402

https://petbyus.com/26345/

麻省理工学院的创业生态系统正在迎接Covid-19的挑战

创新和创业并不容易。新公司被迫用最少的资源来应付。决策必须在巨大的不确定性面前做出。情况的变化迅速。

因此,也许并不令人意外的是,麻省理工学院的工学院社区已经准备好迎接意料之外的Covid-19大流行的挑战。来自该研究所许多角落的团体正在适应紧急情况所带来的无数破坏,并带头努力帮助受影响最严重的人。

在大多数学生放春假的时候,很多人都在合作项目,参加黑客工作室来响应Covid-19。随着教师和工作人员开发新的课程和支持结构,他们将重点放在学生的需求上,就像企业家必须专注于客户一样。

最重要的是,MIT社区的成员已经将Covid-19提出的挑战视为提供帮助的机会。也许没有什么地方比Covid-19快速创新仪表盘更能体现这一点了。就在3月16日,它还只是一个粗糙的概念,但如今已成为麻省理工学院Covid-19相关活动的热闹中心。仪表盘上的项目包括一项帮助低收入的K-12年级停课学生的倡议,一项利用行为科学来减少关于病毒的错误信息传播的努力,以及多个旨在改善呼吸机使用的项目。

关注这些项目的人几乎不会怀疑这些参与者已经从他们的生活中被连根拔起,并被迫从根本上改变他们的工作方式。

麻省理工学院(MIT)马丁信托创业中心(Martin Trust Center for MIT Entrepreneurship)董事总经理、麻省理工学院斯隆管理学院(MIT ‘s Sloan School of Management)实践教授比尔•奥莱特(Bill Aulet)表示:“我们从来不会希望任何人遭遇这种情况,但我觉得我们已经为此做好了准备。”“如果你是一位伟大的企业家,那么在一个巨大变化的环境中工作,就是在发挥你的优势。我认为学生们会振作起来,这就是我们现在看到的。”

快速创新仪表盘

在3月的第二周,随着Covid-19在全球范围内的传播越来越明显,麻省理工学院创新计划的成员开始与麻省理工学院社区的成员取得联系,寻找帮助他们的方法。

大多数人想要了解校园周边涌现的各种基层项目的信息,以解决与病毒传播相关的干扰。一些人正在寻找方法来推广他们的项目并获得支持。

MITii的团队开始集思广益,想办法填补这些空白,并于3月16日正式开始在仪表板上工作——与此同时,工作人员开始远程工作。

MITii执行董事Gene Keselman说:“从创意到白板,再到概念,再到迭代,再到发布,我们都是实时完成的,从创意到仪表盘的搭建只用了四天。”“这对我们所有的创新狂人来说都很美好。”

该网站于3月19日启动,有6个项目。如今,该网站上有50个现场项目,而且数量还在增加。其中一些涉及机械或科学问题,比如前面提到的改善呼吸机使用的努力,而另一些则更侧重于数据,比如在县级追踪病毒传播的举措。还有一些是面向健康的,比如一组与麻省理工学院(mit)有关的用来减压的彩色页面。

“我们看到的很多东西都是数据驱动、创意驱动的项目,目的是让人们参与进来,让他们感觉自己正在产生影响,”Keselman说。

当前的指示板是一个正在进行的项目的1.0版,它将根据社区的需要继续发展。最后,MITii团队正在考虑如何更好地将麻省理工学院社区与希望资助与该病毒相关项目的投资者联系起来。

“这将是一个长期的问题,甚至当我们回到办公室时,问题还会继续存在,我们将处理来自covid19的问题,”Keselman说。“这将是一个机会,让它继续解决各种各样的二阶或三阶问题。”

克服逆境

仪表盘只是校园里不同的创业组织如何应对Covid-19挑战的一个例子。该信托中心鼓励学生利用自己的Orbit应用程序,从住校企业家那里获得帮助,与麻省理工学院创业社区的其他成员进行交流,并利用麻省理工学院丰富的创业资源。作为对Covid-19的回应,信托中心发起了“抗脆弱企业家精神”系列讲座,为学生提供思想领导力。

“我们重新激活了我们的演讲者系列,”奥莱特说。“我们曾经用飞机送人过去,但现在我们可以接收任何人。他们坐在家里,他们很无聊,我们可以比以前有更多的互动。我们试图创造出抗脆弱的人类,而抗脆弱的人类在这样的时期表现得非常出色。”

麻省理工学院的D-Lab是动手学习和公共创客空间的中心,这只是教员们利用这个机会尝试管理项目和重新思考课程的新方法的一个例子。

“我们现在在一个真正的头脑风暴阶段,在最好的意义上的,扔掉所有的疯狂的想法,和有趣的东西,我们决定如何前进,”利比许,讲师和学术项目经理发展实验,麻省理工学院新闻前一周说麻省理工类恢复。“我们正准备把材料和工具送到学生家里。我们正在研究如何使用Zoom来促进学生团队已经投入的项目工作。实际上,我们正在重新评估我们可以要求学生们提供哪些成果,以帮助D-Lab的工作人员在校园里为他们制作原型,时间可能是在本学期晚些时候,也可能是在夏季。”

校园里的其他创业团体,如风险指导服务、麻省理工学院沙箱和列格坦中心,也在采用类似的虚拟支持机制。

3月5日,MIT Solve利用社会影响挑战来解决世界上最大的问题,发起了一项新的全球挑战,寻求围绕Covid-19的预防、检测和响应的创新。获胜的团队将获得1万美元的奖金,用于进一步开发他们的解决方案。

当然,学生们自己也在组织活动。除了“快速创新仪表盘”中的许多项目外,麻省理工学院COVID-19挑战赛是一项由学生发起的活动,上周末首次举办了虚拟“创意马拉松”,并于4月3日至5日举办了另一场大型活动。

事实上,当Keselman谈到他在MITii的团队时,他可以谈论校园里的任何群体,“我们感觉就像在上周度过了一生。”

早期的努力可能不是许多参与者期望的春假方式,但在创业的世界里,新的挑战是意料之中的。

奥莱特说:“体内平衡被打破是一件好事,也是一件坏事。企业家的工作就是要让它更像是一件好事,而不是一件坏事。”他说:“我认为,我们将利用这项技术来进行更有效、更有效、更包容的合作。这会扰乱创业生态系统吗?绝对的。我们应该更坚强吗?绝对。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/mit-entrepreneur-innovation-covid-19-0402

https://petbyus.com/26347/

数据表明:更强有力的大流行应对措施将带来更好的经济复苏

本文中描述的研究已作为工作论文发表,但尚未经过该领域专家的同行评审。

由于美国大部分地区处于关闭状态,以限制这种致命疾病的蔓延,一场有关美国何时可能“重新开放”商业、以限制流感大流行对经济造成的影响的辩论开始了。但正如麻省理工学院(MIT)一位经济学家与人合著的一项新研究所显示的那样,首先关注公共卫生,恰恰会在未来推动经济出现更强劲的反弹。

这项研究使用了1918年至1919年席卷美国的流感大流行的数据,结果发现,在限制时期过后,那些更加注重限制社会和公民互动的城市有了更多的经济增长。

事实上,在大流行结束后的1923年,那些实施社会距离和其他公共卫生干预措施的城市,其制造业就业相对增加了5%。同样,在一个特定的城市,多50天的社交距离就相当于制造业就业岗位增加6.5%。

麻省理工学院斯隆管理学院(MIT Sloan School of Management)助理教授埃米尔•维尔纳(Emil Verner)表示:“我们没有发现任何证据表明,在公共卫生方面表现得更积极的城市,在经济方面表现得更差。”“如果说有什么不同的话,那就是表现得更积极的城市表现得更好。”

他认为,考虑到这一点,在公共卫生和经济活动之间进行“权衡”的想法经不起推敲;与更完整的地区相比,受大流行打击更严重的地区不太可能迅速重建其经济能力。

维尔纳说:“这使人们对这样一种观点产生了怀疑,即一方面应对病毒的影响,另一方面应对经济活动的影响,因为流感大流行本身对经济的破坏是如此之大。”

3月26日,社会科学研究网络(Social Science Research Network)上发表了一篇题为《流行病抑制经济,公共卫生干预不会:来自1918年流感的证据》(pandthe Economy, Public Health Interventions Do Not: Evidence from The 1918 Flu)的工作论文。除维尔纳外,合著者还有美国联邦储备委员会(Federal Reserve)经济学家塞尔吉奥·科雷亚(Sergio Correia)和纽约联邦储备银行(Federal Reserve Bank of New York)经济学家斯蒂芬·拉克(Stephen Luck)。

评估经济后果

为了进行这项研究,三位学者查阅了美国疾病控制中心(CDC)的死亡率统计数据、美国人口普查局的历史经济数据,以及金融经济学家马克·d·弗拉德(Mark D. Flood)编制的银行统计数据,他们使用的是政府出版物《货币监理署年报》(Annual Reports of the Comptroller of Currency)。

正如维尔纳所指出的,研究人员的动机是调查1918年至1919年的流感大流行,以了解从中吸取的教训可能适用于当前的危机。

维尔纳说:“这项研究的出发点是,我们想知道今天的冠状病毒对经济的预期影响是什么,以及我们在世界各地看到的公共卫生和社会疏离干预的经济后果,怎样才是正确的思考方式。”

学者们已经知道,“非药物干预”或社会疏远措施的不同使用,与1918年和1919年不同城市的健康结果相关。当流感大流行来袭时,像圣路易斯这样较早关闭学校的美国城市比像费城这样较晚关闭学校的城市在应对流感方面做得更好。目前的研究将这一框架扩展到经济活动。

与今天的情况很相似,当时的社会隔离措施包括关闭学校和剧院,禁止公众集会,限制商业活动。

Verner说:“有趣的是,1918年实施的非药物干预措施与今天用于减少Covid-19传播的许多政策相似。”

总的来说,研究表明,大流行的经济影响是严重的。利用州级数据,研究人员发现制造业产出在1923年下降了18%,而那是在1919年流感爆发的最后一波之后。

然而,研究人员观察了43个城市的影响后,发现了显著不同的经济结果,与不同的社会疏远政策有关。表现最好的城市包括加利福尼亚州的奥克兰;奥马哈,内布拉斯加州;波特兰,俄勒冈州;还有西雅图,1918年,所有这些城市都实施了超过120天的社会隔离。1918年,社会距离缩短了不到60天的城市,后来制造业也陷入困境,其中包括费城;圣保罗,明尼苏达州;,马萨诸塞州洛厄尔。

弗纳说:“我们发现,在1918年流感大流行中受到更严重影响的地区,包括制造业就业、制造业产出、银行贷款和耐用消费品库存在内的许多经济活动指标都出现了急剧而持续的下降。”

银行的问题

就银行业而言,这项研究将银行资产减记作为经济健康状况的一个指标,因为“由于流行病造成的经济混乱,银行承认了家庭和企业拖欠贷款的损失,”维尔纳说。

研究人员发现,在纽约州奥尔巴尼;阿拉巴马州伯明翰市;波士顿;纽约州的锡拉丘兹——1918年,所有这些城市的社会距离也不足60天——银行业的困境比美国其他任何地方都要严重。

正如作者在论文中所指出的,1918-1919年流感大流行后的经济困境降低了企业的生产能力,但就业的减少意味着人们的购买力也随之下降。

弗纳指出:“我们在论文中所掌握的证据……表明,流感大流行既造成了供应方面的问题,也造成了需求方面的问题。”

维尔纳欣然承认,自1918年至1919年以来,美国经济的构成发生了变化,今天的制造业相对较少,服务业相对活跃。1918年至1919年的流感大流行对处于最佳工作年龄的成年人也特别致命,使其对经济的影响特别严重。尽管如此,经济学家们认为,上一次大流行的态势很容易适用于我们当前的危机。

“经济结构当然是不同的,”维尔纳指出。然而,他补充道,“虽然人们不应该太直接地从历史中推断,但我们可以从中学到一些可能与我们今天相关的教训。”首先,他强调:“流行病经济学不同于正常经济学。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/pandemic-health-response-economic-recovery-0401

https://petbyus.com/26255/

多巴胺如何驱动大脑活动

麻省理工学院的神经科学家利用一种专门的磁共振成像传感器,发现了多巴胺在大脑深处的释放是如何影响附近和远处的大脑区域的。

多巴胺在大脑中扮演着许多角色,尤其是与运动、动机和强化行为相关。然而,到目前为止,很难精确地研究多巴胺的大量分泌是如何影响整个大脑的神经活动的。利用他们的新技术,麻省理工学院的研究小组发现,多巴胺似乎在大脑皮层的两个区域发挥着重要的作用,包括运动皮层。

”有很多的工作在多巴胺释放的细胞产生立竿见影的影响,但在这里我们看到的后果是多巴胺是做什么更brain-wide层面,”艾伦•Jasanoff表示一个麻省理工学院的生物工程教授,脑与认知科学、和核科学与工程。Jasanoff也是麻省理工学院麦戈文大脑研究所的副研究员,也是这项研究的资深作者。

麻省理工学院的研究小组发现,除了运动皮层外,受多巴胺影响最大的远端大脑区域是岛叶皮层。这个区域对于许多与感知身体内部状态相关的认知功能至关重要,包括身体和情绪状态。

麻省理工学院博士后李楠是这项研究的主要作者,该研究发表在今天的《自然》杂志上。

跟踪多巴胺

与其他神经递质一样,多巴胺有助于神经元之间进行短距离的交流。多巴胺因其在动机、成瘾和包括帕金森病在内的几种神经退行性疾病中的作用而引起神经科学家的特别关注。大脑中大部分多巴胺是由连接纹状体的神经元在中脑中产生的,多巴胺在纹状体中释放。

多年来,Jasanoff的实验室一直在开发工具来研究诸如神经递质释放这样的分子现象是如何影响大脑功能的。在分子尺度上,现有的技术可以揭示多巴胺如何影响单个细胞,而在整个大脑的尺度上,功能性磁共振成像(fMRI)可以揭示特定大脑区域的活跃程度。然而,神经科学家很难确定单细胞活动和大脑功能之间的联系。

Jasanoff说:“大脑范围内很少有关于多巴胺能功能或任何神经化学功能的研究,这在很大程度上是因为工具不存在。”“我们正在努力填补空白。”

大约10年前,他的实验室开发了一种MRI传感器,这种传感器由可以与多巴胺结合的磁性蛋白质组成。当这种结合发生时,传感器与周围组织的磁性相互作用减弱,使组织的MRI信号变暗。这使得研究人员能够持续监测大脑特定部位的多巴胺水平。

在他们的新研究中,Li和Jasanoff开始分析大鼠纹状体释放的多巴胺是如何影响大脑局部和其他区域的神经功能的。首先,他们将多巴胺传感器注入位于大脑深处的纹状体,纹状体在控制运动方面起着重要作用。然后他们用电刺激大脑的外侧下丘脑,这是奖励行为和诱导大脑产生多巴胺的一种常见的实验技术。

然后,研究人员用他们的多巴胺传感器测量整个纹状体的多巴胺水平。他们还用传统的功能磁共振成像来测量纹状体每一部分的神经活动。令他们惊讶的是,他们发现高浓度的多巴胺并没有使神经元更加活跃。然而,较高的多巴胺水平确实使神经元在较长时间内保持活跃。

Jasanoff说:“当多巴胺被释放时,大脑活动持续的时间更长,这表明大脑对奖励的反应也更长。”“这可能与多巴胺如何促进学习有关,这是它的关键功能之一。”

长期的影响

在分析了纹状体释放的多巴胺后,研究人员开始确定这种多巴胺可能会影响大脑中更遥远的位置。为了做到这一点,他们对大脑进行了传统的fMRI成像,同时也记录了纹状体中多巴胺的释放。Jasanoff说:“通过结合这些技术,我们可以以一种前所未有的方式来探索这些现象。”

对多巴胺反应最强烈的区域是运动皮层和岛叶皮层。如果在其他研究中得到证实,这些发现将有助于研究人员了解多巴胺在人类大脑中的作用,包括它在成瘾和学习中的作用。

Jasanoff说:“我们的研究结果可能会得出可以在fMRI数据中看到的生物标记,而这些多巴胺能功能的相关性可能对分析动物和人类fMRI很有用。”

这项研究由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)和帕金森病基金会(Parkinson’s Disease Foundation)的斯坦利·费恩(Stanley Fahn)研究员资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/dopamine-brain-activity-mri-0401

https://petbyus.com/26257/

新的传感器可以提供肺肿瘤的早期检测

肺癌高危人群,如重度吸烟者,通常要接受CT扫描,这种扫描可以检测出肺部的肿瘤。然而,这种检测有极高的误报率,因为它也能检出肺部的良性结节。

麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种早期诊断肺癌的新方法:一种可以检测出与肺癌相关的蛋白质存在的尿检。这种无创检测可以减少假阳性的数量,并有助于在疾病的早期发现更多的肿瘤。

早期发现对肺癌来说是非常重要的,因为在肿瘤扩散到身体远处之前被发现的患者的五年存活率至少要高出六倍。

“如果你看看癌症诊断和治疗领域,就会重新认识到早期癌症检测和预防的重要性。我们真的需要新的技术会给我们看到癌症的能力当我们可以拦截和早期干预,“谁是约翰和桑吉塔•巴蒂亚说多萝西威尔逊教授健康科学和技术和电气工程和计算机科学,麻省理工学院的成员科赫研究所综合癌症研究和医学工程研究所和科学。

Bhatia和她的同事们发现,基于可以注射或吸入的纳米颗粒的新测试,可以在小鼠身上检测到小至2.8立方毫米的肿瘤。

Bhatia是该研究的资深作者,该研究发表在今天的《科学转化医学》杂志上。这篇论文的主要作者是麻省理工学院和哈佛大学的研究生Jesse Kirkpatrick和Ava Soleimany,以及前麻省理工学院研究生Andrew Warren,他现在是Third Rock Ventures的合伙人。

针对肺肿瘤

几年来,Bhatia的实验室一直在开发可以通过与蛋白酶相互作用来检测癌症的纳米颗粒。这些酶通过切断细胞外基质的蛋白质,帮助肿瘤细胞脱离原来的位置。

为了找到这些蛋白质,Bhatia发明了一种纳米粒子,其表面包裹着肽(短蛋白片段),这些肽是癌症相关蛋白酶的目标。这些颗粒聚集在肿瘤部位,在那里多肽被裂解,释放生物标志物,然后可以在尿液样本中检测到。

她的实验室之前已经开发了结肠癌和卵巢癌的传感器,在他们的新研究中,研究人员想要把这项技术应用到肺癌上。肺癌每年导致美国约15万人死亡。接受CT扫描并得到阳性结果的人通常要接受活组织切片检查或其他侵入性检查来寻找肺癌。Bhatia说,在某些情况下,这种手术可能会导致并发症,因此一种无创的随访检测可能有助于确定哪些患者确实需要活组织检查。

“CT扫描是一个很好的工具,可以看到很多东西,”她说。“它的问题是,它发现的95%都不是癌症,而现在你不得不对太多检测呈阳性的病人进行活检。”

为了定制用于肺癌的传感器,研究人员分析了一个名为癌症基因组图谱(cancer Genome Atlas)的癌症相关基因数据库,并鉴定出肺癌中含量丰富的蛋白酶。他们创造了一个由14个肽包覆的纳米粒子组成的面板,这些纳米粒子可以与这些酶相互作用。

然后,研究人员在两种不同的癌症小鼠模型中测试了传感器,这两种模型都经过基因突变的改造,导致它们自然地发展成肺肿瘤。为了防止来自其他器官或血液的背景噪音,研究人员将这些颗粒直接注射到气道中。

利用这些传感器,研究人员在三个时间点进行诊断测试:肿瘤开始生长后5周、7.5周和10.5周。为了使诊断更准确,他们使用机器学习来训练一种算法来区分患有肿瘤的老鼠和没有患肿瘤的老鼠的数据。

用这种方法,研究人员发现他们可以准确地检测出其中一个小鼠模型中的肿瘤,早在7.5周的时候,那时肿瘤平均只有2.8立方毫米。另一种小鼠在5周时可以检测到肿瘤。传感器的成功率也与在同一时间点进行的CT扫描的成功率相当,甚至更好。

减少误报

研究人员还发现,传感器还有另一项重要功能——它们可以区分早期癌症和非癌症性肺部炎症。肺部炎症常见于吸烟人群,是CT扫描产生如此多假阳性结果的原因之一。

Bhatia设想,纳米颗粒传感器可以作为一种非侵入性的诊断,用于筛查测试结果呈阳性的人,从而有可能消除活检的需要。她的团队正在研究一种可以作为干粉或喷雾器吸入的微粒形式,用于人体。另一种可能的应用是使用这些传感器来监测肺肿瘤对治疗的反应,如药物或免疫疗法。

Bhatia说:“下一步很重要的是,将这一技术应用到已经了解癌症并正在接受治疗的患者身上,看看他们是否服用了正确的药物。”

她还在研发一种传感器,可以用来区分病毒性和细菌性肺炎,这可以帮助医生确定哪些患者需要抗生素,甚至可以为核酸测试提供补充信息,比如针对covid19的测试。由Bhatia联合创办的Glympse Bio公司也在开发这种方法,以取代肝脏疾病评估中的活检。

研究由科赫研究所支持(核心)由美国国家癌症研究所,国家环境健康科学研究所,美国国家科学基金会,路德维希分子肿瘤学中心在麻省理工学院,科赫研究所的大理石癌症纳米中心,科赫研究所前沿研究项目通过礼物自负的肺癌,约翰逊和约翰逊。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/urine-sensor-test-detect-lung-tumors-0401

https://petbyus.com/26259/

2020年美国人口普查:是时候让它发挥作用了

美国今年的人口普查发生在美国历史上一个独特的时期。包括大学生在内的许多人由于爆发了第19次流行性感冒而不得不呆在家里。因此,人口普查局采取了一系列措施来应对疫情的中断。

通常在学校的学生应该在学校被统计,即使他们由于covid19大流行而暂时住在其他地方,像麻省理工学院这样的大学正在与人口普查官员合作,统计那些通常住在宿舍或其他学院宿舍的学生。

但是,在官方的指导下,“如果你独自住在公寓或房子里,或者和室友或其他人住在一起,”你应该会收到一封回复调查的邮件,你可以通过网络、电话或邮件回复。“无论你选择什么方法,”指南继续写道,“确保你使用的是正常地址——你上学时通常住的地方。”你还应该包括其他通常住在那里的人。这意味着你会被问到你室友的生日,他们想如何确定自己的种族等等。但如果你不知道这些信息,或者你无法核实你的室友是否已经为你的房子做出了回应,请为整个家庭做出回应。”

人口普查日是4月1日,但政府强烈鼓励网上回复,根据修改后的时间表,可以在8月14日之前在这里提交。人口普查员也会跟进一些没有回应的家庭。不过,这项十年一次的调查不会改变大多数情况。根据法律,人口普查局必须在今年12月31日前将每个州的人口总数提交至总统。这是因为人口普查数据对选区重划和选区代表意义重大。

人口普查对许多其他应用也很有价值。学习更多,理解为什么麻省理工学院社区的成员应该参与,麻省理工学院新闻与梅丽莎贵族,人文学院院长领域,艺术和社会科学,和艾米Glasmeier,城市研究与规划系教授,两人有重要的人口普查数据用于研究整个职业生涯。

问:为什么人口普查如此重要?

GLASMEIER:人口普查是我们社会许多重要功能的基础。首先,它有助于设定国会选区,并决定特定地理区域有多少众议员。第二,人口普查是用来决定联邦资源的分配。例如,如果一个地区的人口减少到4.9万人,它就不再被认为是大都市,而是属于一个完全不同的[资源分配]类别。第三,这在社区层面很重要。社区对特定种类的商品和服务负责,如果他们没有准确的人口数量,他们就不能很好地知道自己的责任是什么。了解你的学区有多少学生,学区的增长率,或你的老年人口增长率是非常重要的。因此,如果你愿意,可以说,人口普查是我们社会的统计结构。

贵族:在过去的几个世纪里,人口普查数据的重要性已经远远超过了代表性的目的。现在的用法扩展到预算和我们在公共生活中真正关心的任何事情。

人口普查涉及了许多研究人员感兴趣的问题。从人们住在哪里到他们如何生活,到他们的家庭有多大,到年龄分布,性别分布,等等。这是一种公共服务,它允许研究人员广泛地访问数据,这与私人数据库不同,后者可能无法提供您所需的信息。这是一项研究人员极为依赖的公共服务。

问:为什么麻省理工学院社区的成员应该参与?

贵族:人口普查是基于所在地区的居民,所以它与公民身份无关。对于政府(联邦、州、市)和研究人员来说,了解国际学生在这里,以及他们所在社区有多少人是很重要的。

人口普查的主要目的是进行统计。它会在4月1日人口普查日询问美国每个居民的位置。这是一个相对快速的调查,值得一做;这是我们公民义务的一部分。我们的政府需要可靠的数据——在麻省理工学院,我们应该认识到这一点的重要性。为了制定好的政策,你首先需要好的数据,所以参与人口普查是我们的智力义务的一部分,除了我们的公民义务。

葛拉斯梅尔:除非有人在他们的家里登记投票,否则他们在这里会被认定为是集体宿舍的居民。这类信息对剑桥市来说很重要,因为他们要对供水、住房和交通等问题做出决定,而且从了解谁要上大学的角度来看也很重要。他们的个人经历是什么?从种族,种族,性别的角度来看,他们来自哪里?

问:你希望更多的人了解人口普查的什么情况?

诺伯尔斯:我不希望人们对此产生怀疑。现在有很多关于数据隐私的担忧,有时人们似乎更害怕人口普查而不是私人公司,顺便说一下,私人公司通常比政府拥有更多的个人信息。你可以放心,这些数据被用于一系列的政府项目,最重要的是我们自己的民主管理,这是生活在美国的一部分,人们应该把它看作一个有用的工具,而不是怀疑它。

匿名性很重要。在整个人口普查过程中,美国对保密工作极为严格。它也为国家设定了政治环境,这一点非常重要。最后,对于我们这些为了研究目的而使用它的人来说,它是我们每天接触的东西。对于许多其他正在着手处理人口问题和思考人口问题的人来说,人口普查是一个神奇的来源,他们甚至可能不知道它的存在。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/2020-us-census-students-0331

https://petbyus.com/26168/

中美洲的铜冶炼技术为殖民地的武器装备提供了帮助

当西班牙侵略者到达美洲时,他们通常能够征服当地人民,部分原因是由于他们先进的武器和技术。但是考古证据表明,至少在一个关键的方面,西班牙人相当依赖中美洲部分地区(今天的墨西哥、危地马拉、伯利兹和洪都拉斯)的一种古老的土著技术。

入侵者需要铜来制造大炮,以及硬币、水壶和锅,但他们缺乏生产这种金属的知识和技能。就连当时的西班牙也有几个世纪没有在国内生产这种金属了,主要依靠从中欧进口。在中美洲,他们不得不依靠当地的冶炼厂、熔炉建造者和矿工来生产这种重要的材料。这些熟练工人反过来又能够讨价还价,要求免除对其他土著人征收的税收。

这种依赖至少持续了一个世纪,也许只要两个世纪以上,根据最新的研究结果发表在《拉丁美洲的古代,一篇论文中,多萝西Hosler考古学教授和古代技术在麻省理工学院,和约翰·加西亚Zaidua,在葡萄牙波尔图大学的研究员。

研究、现场的El Manchon在墨西哥,利用信息从价值四个多世纪的考古挖掘功能和构件由Hosler和她的船员在多个多年的实地考察,以及从实验室工作和历史档案在葡萄牙、西班牙和墨西哥分析了加西亚。

一个偏远的大型定居点,最初没有西班牙人存在的迹象。场地由三个陡峭的部分组成,其中两个展示了长房子的地基,一些有室内房间和宗教避难所,天井,和一个在概念上是中美洲的配置,但与任何已知的种族群体,如阿兹特克人无关。在这两者之间是一个区域,那里有成堆的炉渣(冶炼过程中从浮在表面的纯金属中分离出来的非金属材料)。

霍斯勒说,西班牙侵略者迫切需要大量的铜和锡来为他们的大炮和其他武器制造青铜,这在历史和档案记录中都有记载。但是“他们不知道如何闻铜,”她说,而考古数据表明,土著人在这个定居点已经冶炼铜几百年了,主要是为了制作仪式或仪式材料,如铃铛和护身符。这些工匠技艺高超,在格雷罗州和其他地方,数百年来一直在生产包括铜银、铜砷和铜锡在内的复杂合金,他们小规模地使用吹管和坩埚来熔炼铜和其他矿石。

但西班牙人不顾一切地需要大量的铜和锡,并与当地的冶炼厂协商,引进了一些欧洲技术。霍斯勒和她的同事们挖掘出了一个神秘的特征,它由两排平行的石头组成,通向冶炼区一个巨大的渣块。他们认为这是一种至今还没有正式文件证明的混合式密闭炉设计的残余,由一种改良的手持式欧洲风箱驱动。高地格雷罗(highland Guerrero)的一个小型地区博物馆就展示了这样一种混合炉设计,包括改良的欧洲引进的风箱系统,能够生产大量的铜。但在此之前并没有发现这类火炉的实际遗骸。

霍斯勒说,这个遗址被占领的时间跨度大约从1240年到1680年,而且可能一直延续到更早和更晚的时期。

霍斯勒在格雷罗发现了一处铜矿,由于当地贩毒集团的活动,霍斯勒挖了四个季度的矿,后来不得不停工。但它结合了实物证据、矿石和炉渣的分析、冶炼地区的考古特征、档案工作和重建图,才得以确定这两个偏远边远地区的人口在几个世纪以来的相互依存关系。

霍斯勒和她的一些学生对现场熔渣成分的早期研究显示,熔渣是在1150摄氏度的温度下形成的,仅靠吹管系统是无法实现这一目标的,需要使用风箱。霍斯勒说,这有助于确认该遗址在殖民时期的长期运营。

多年来,人们一直在努力寻找确定现场不同矿渣沉积物年代的方法。该团队还尝试了古地磁数据,但发现这种方法对墨西哥特定地区的材料并不有效。但是,书面的历史记录被证明是理解广泛的日期范围的关键,这反映了几个世纪以来对该遗址的使用。

早期殖民时期寄回西班牙的文件描述了当地生产的铜的可用性,以及殖民者使用它来铸造青铜大炮的成功试验。文件还描述了土著生产者为根据其专业冶金知识为其人民获得经济特权而进行的讨价还价。

霍斯勒说:“我们从文件中得知,欧洲人发现,他们冶炼铜的唯一方法是与已经在这么做的土著人合作。”“他们不得不与当地冶炼厂达成协议。”

Hosler说“所以我感兴趣的是,我们可以使用传统的考古方法和数据材料分析以及民族志数据”从炉在博物馆,”和历史档案和档案材料从16世纪葡萄牙,西班牙,墨西哥,然后把所有的数据从这些不同的学科在一起成一个解释,绝对可靠。”

这项研究得到了Asarco首席执行官查尔斯•巴伯的支持;Wenner-Gren基金会;FAMSI;以及麻省理工学院的本科生研究机会项目。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/mesoamerican-copper-smelting-colonial-weaponry-0331

https://petbyus.com/26170/

优化复杂决策

当Jean Pauphilet在他的家乡巴黎的Ecole Polytechnique开始他的工程项目时,他并没有想要进入这所学院。

他表示:“我过去常常把学术与基础研究联系在一起,但我不太喜欢基础研究。”“但慢慢地,我发现了另一种类型的研究,人们使用严格的科学原理来实施有影响力的项目。”

对项目直接应用组织问题导致Pauphilet操作领域的研究和分析,在操作研究中心博士(兽人),麻省理工学院苏世民之间的联合项目的计算和麻省理工学院斯隆管理学院的。

运筹学将决策过程建模为数学优化问题,例如考虑到不可预测的需求波动的能源生产规划。这是一个复杂的课题,让波菲利特感到振奋。“实际操作非常混乱,但我认为这正是它们令人兴奋的地方。你永远都不缺要解决的问题,”他说。

在Dimitris Bertsimas教授的实验室工作,并与贝斯以色列女执事医疗中心合作,Pauphilet专注于解决卫生保健领域的挑战。例如,医院如何才能最好地分配床位和安排员工?他指出,这类后勤决策是“每个人的痛点”。

“你真的觉得你让人们的生活更容易了,因为当你跟医生和护士谈论这件事的时候,你意识到他们不喜欢做这件事,他们没有接受过这方面的培训,这让他们无法真正做好自己的工作。”所以,对我来说,很明显,这对他们的工作量有积极的影响。”

成为一个专家

作为两个医生的儿子,保利特在医疗领域工作已经很舒服了。他在法国接受的训练也让他感觉准备充分。法国的训练允许学生延迟选择专业,并强调数学背景。“运筹学需要多功能性,”他解释道。从方法论上讲,它可以涉及概率论、优化算法和机器学习等任何领域。所以,拥有强大而广泛的数学背景肯定是有帮助的。”

这种心态让他在麻省理工成为了他所在领域的专家。“我现在不那么害怕研究了,”他解释道,“你可能找不到你想要的东西,但你总能找到与某人相关的东西。”因此[研究]是不确定的,但没有风险。你总能以某种方式重新站起来。这种心态让他有信心与公司和医院合作,以新颖的方式发现、解决和解决运营问题。

计划留在学术界的保利特发现自己在思考美国和法国不同的教育哲学。在麻省理工学院,他完成了考夫曼教学证书课程,以熟悉那些没有助教经验的教学方面,比如设计课程、撰写课程讲稿和布置作业。

“我来自法国,在美国教书我认为从别人的经验中学习和比较他们在自己国家的大学里的第一次学习经历是特别有趣的。此外,要确定你所能想到的最好的教学方法,承认学生之间的差异和他们的学习方式,并在你自己的教学风格中考虑到这一点,也很有挑战性。”

文化和社会

在业余时间,保利特充分利用了剑桥和波士顿的文化和智力资源。他经常光顾波士顿交响乐团(该乐团为40岁以下的人提供25美元的门票),喜欢听不熟悉的作曲家和音乐,尤其是带有惊人新元素的当代音乐。

Pauphilet是一位热心的厨师,他喜欢为朋友烹制大块的肉类,比如整只火鸡或羊肩肉。除了食物,他还喜欢这些食物所带来的长时间交谈,而人们在餐馆里不一定能体验到这种交谈。(顺便说一句,他说:“我觉得这里的服务比欧洲的效率高多了!”)尽管如此,Pauphilet还是喜欢在剑桥地区的小餐馆用餐,比如法耶伦瑟体育俱乐部(Faialense Sport Club),一家葡萄牙餐厅,或者每周日在达尔文有限公司(Darwin’s Ltd.)吃一个波士顿奶油派。

Pauphilet还是麻省理工学院法语俱乐部的总统会员,该俱乐部为大约100名讲法语的研究生、博士后和本科生组织了各种各样的活动——从电影之夜、烧烤到品酒会,再到与波士顿地区其他法语团体的联谊活动。尽管他的本科院校在麻省理工学院(MIT)很有代表性,但他强烈希望为那些可能没有他那么幸运的讲法语的人建立一个网络,让他们像他一样有宾至如故的感觉。

现在,在他的博士学位快要结束的时候,他有机会回顾过去三年半的经历。特别是,他在他的团队、实验室和这里的社区中发现了一种深刻的社区意识。他把部分原因归结于他的研究生项目的结构——从两个必修课开始,每个人都要参加——但这只是Pauphilet在麻省理工学院感受到的社区建设投资的一个方面。

“这是一个很棒的环境。说实话,我发现每个人都很关心学生。我和我的导师关系很好,这不仅仅是基于研究,我认为这是非常重要的,”他说。

总体而言,Pauphilet将他在研究生院的个人和专业成长归功于在麻省理工学院的协作和开放环境中学习。而且,他指出,在研究所工作还在另一个重要方面对他产生了影响。

“我比以前更书呆子了!”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/jean-pauphilet-operations-0330

https://petbyus.com/26079/

工程师们3D打印出柔软的橡胶大脑植入物

大脑是我们最脆弱的器官之一,软如最软的豆腐。另一方面,大脑植入物通常是由金属和其他刚性材料制成的,久而久之会导致炎症和疤痕组织的累积。

麻省理工学院(MIT)的工程师们正在研发一种柔软、灵活的神经植入物,这种植入物可以轻柔地顺应大脑的轮廓,并在较长时间内监测大脑活动,而不会损害周围的组织。这种可弯曲的电子设备可以替代现有的金属电极,用于监测大脑活动,也可以用于刺激神经区域的大脑植入物,以缓解癫痫、帕金森病和严重抑郁症的症状。

由机械工程和土木与环境工程教授赵宣和领导的研究小组,现在已经开发出一种3D打印神经探头和其他电子设备的方法,这些电子设备像橡胶一样柔软和灵活。

这种设备是由一种导电的聚合物或软塑料制成的。研究小组将这种通常类似液体的导电聚合物溶液转变成一种更像粘性牙膏的物质,然后将这种物质通过传统的3D打印机打印出稳定的导电图案。

研究小组打印了一些软电子设备,其中包括一个小的橡胶电极,他们将其植入老鼠的大脑。当老鼠在一个受控的环境中自由移动时,神经探头能够从单个神经元捕捉到活动。监测这种活动可以为科学家提供大脑活动的高分辨率图像,并有助于为各种神经障碍量身定做治疗方法和长期的大脑植入物。

“我们希望通过展示这个概念的证明,人们可以快速地使用这项技术来制造不同的设备,”麻省理工学院赵所在小组的研究生Hyunwoo Yuk说。“他们可以改变设计,运行打印代码,并在30分钟内生成一个新的设计。希望这将简化神经接口的开发,完全由软材料制成。”

Yuk和赵今天在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果。他们的合著者包括江西科技师范大学的陆宝阳和徐景坤,以及浙江大学医学院的沈林和罗建红。

该团队打印了一些软电子设备,包括一个小的橡胶电极。

从肥皂水到牙膏

导电聚合物是近年来科学家们热切探索的一类材料,因为它们具有塑料般的柔韧性和金属般的导电性。导电聚合物在商业上被用作抗静电涂料,因为它们可以有效地带走在电子产品和其他易静电表面上积聚的静电荷。

“这些聚合物溶液很容易喷在触摸屏等电子设备上,”Yuk说。“但这种液体形态主要用于均匀涂层,很难用于任何二维、高分辨率的图案。”在3D电影中,这是不可能的。”

Yuk和他的同事推断,如果他们能开发出一种可打印的导电聚合物,他们就可以用这种材料打印出大量柔软的、复杂图案的电子设备,比如柔性电路和单神经元电极。

在他们的新研究中,研究小组报告了聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的改性,这是一种导电聚合物,通常以一种墨色的深蓝色液体的形式提供。该液体是水和纳米纤维的混合物PEDOT:PSS。这种液体的导电性来自这些纳米纤维,当它们接触时,就像一条隧道,任何电荷都可以通过它流动。

如果研究人员将这种聚合物以液态形式注入3D打印机,它只会在底层表面流血。因此,研究小组寻找了一种既能使聚合物增厚又能保持材料固有导电性的方法。

他们首先对材料进行冷冻干燥,去除液体,留下干燥的纳米纤维基质或海绵。如果不加处理,这些纳米纤维就会变得易碎和开裂。因此,研究人员将纳米纤维与他们之前开发的水和有机溶剂混合,形成水凝胶——一种嵌入纳米纤维的水基橡胶材料。

他们用不同浓度的纳米纤维制成水凝胶,发现纳米纤维的重量在5%到8%之间,就可以制成一种类似牙膏的材料,这种材料不仅导电,而且适合输入3D打印机。

“一开始,它就像肥皂水,”赵说。“我们压缩纳米纤维,让它像牙膏一样粘稠,这样我们就能把它挤出来,变成一种粘稠的、可打印的液体。”

植入物对需求

研究人员将这种新型导电聚合物注入传统的3D打印机中,发现它们可以产生复杂的图案,这些图案既稳定又导电。

作为一个概念的证明,他们打印了一个小的,橡胶状的电极,大约是一片五彩纸屑的大小。该电极由一层柔韧、透明的聚合物组成,然后他们将导电聚合物以细平行线的形式打印出来,这些细平行线汇聚在电极的尖端,宽约10微米,小到足以接收单个神经元发出的电信号。

麻省理工学院的研究人员使用新的3d打印技术和导电聚合物墨水打印柔性电路(如图所示)和其他软电子设备。

研究小组将电极植入老鼠的大脑,发现它可以从单个神经元接收电信号。

“传统上,电极是刚性金属丝,一旦有振动,这些金属电极就会损伤组织,”赵说。“我们现在已经证明,你可以插入一个凝胶探针,而不是针头。”

原则上,这种软性的水凝胶电极甚至可能比传统的金属电极更敏感。这是因为大多数金属电极都是以电子的形式导电,而大脑中的神经元则以离子的形式产生电信号。大脑产生的任何离子流都需要转换成金属电极能够记录的电信号——这种转换会导致信号的某些部分在转换过程中丢失。更重要的是,离子只能与表面的金属电极相互作用,这就限制了电极在任何时候都能检测到的离子浓度。

相比之下,该团队的软电极是由电子导电纳米纤维制成,嵌入水凝胶中,水凝胶是一种离子可以自由通过的水基材料。

“导电聚合物水凝胶的美妙之处在于,它除了具有柔软的机械性能外,还由具有离子导电性的水凝胶和多孔的纳米纤维组成,离子可以从纳米纤维中进出,”卢说。“因为电极的整个体积都是活性的,所以它的灵敏度提高了。”

除了神经探针,研究小组还制作了一个多电极阵列——一个很小的、贴在纸上的方形塑料,上面有非常薄的电极,研究人员还在上面打印了一个圆形的塑料。神经科学家通常用培养的神经元填满这些阵列的孔,并通过设备底层电极探测到的信号来研究它们的活动。

在这次演示中,研究小组展示了他们可以使用3D打印技术来复制这些复杂的阵列设计,而传统的光刻技术却无法做到这一点

要将黄金等金属蚀刻成规定的图案或掩模,这一过程可能需要几天时间才能完成一台设备。

Yuk说:“我们用3D打印技术在不到一个小时的时间里做出了和这个设备一样的几何图形和分辨率。”“这一过程可能会取代或补充光刻技术,作为一种更简单、更便宜的方法来制造各种需要的神经系统设备。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/engineers-3d-print-brain-implants-0330

https://petbyus.com/26081/