Art

Είναι νευροεπιστήμη; Χημεία? Τέχνη? Η διάλεξη Wulff δείχνει ευελιξία, ποικιλομορφία στην επιστήμη των υλικών | MITNews

Μια κομβική στιγμή στην καριέρα της Polina Anikeeva ήταν όταν κοίταξε μια μαγνητική τομογραφία ασθενή με νόσο του Πάρκινσον, πριν από περίπου μια δεκαετία.

Τώρα καθηγήτρια επιστήμης και μηχανικής υλικών και εγκεφάλου και γνωστικών επιστημών στο MIT, η Anikeeva είχε πρόσφατα εργαστεί σε οπτοηλεκτρονική, συσκευές που μπορούν να ανιχνεύσουν και να ελέγξουν το φως και η δουλειά της χρησιμοποιήθηκε για να φωτίσει τις οθόνες κβαντικής κουκκίδας στις τηλεοράσεις Samsung. Αλλά τα ερευνητικά ενδιαφέροντα της Anikeeva άρχισαν να ξεφεύγουν στη βιολογία και τη νευροεπιστήμη, κλάδους έξω από την άμεση τροχιά της.

«Ήθελα να εφαρμόσω τις γνώσεις μου ως επιστήμονας υλικών και μηχανικός σε προβλήματα που δεν είχαν επιλυθεί, σε συσκευές που δεν υπήρχαν», είπε η Anikeeva στις 22 Απριλίου, ενώ παρέδιδε τη διάλεξη Wulff δύο φορές το χρόνο στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών.

Βρήκε αυτά τα προβλήματα σε διαταραχές του νευρικού συστήματος όπως η νόσος του Πάρκινσον. Στη νόσο του Πάρκινσον, οι νευρώνες που παράγουν τον νευροδιαβιβαστή ντοπαμίνη στον εγκέφαλο αρχίζουν να πεθαίνουν. Οι ασθενείς συχνά δυσκολεύονται να ελέγξουν ή να ξεκινήσουν την κίνηση και τα συμπτώματα χειροτερεύουν με την πάροδο του χρόνου. Τα ναρκωτικά βοηθούν, αλλά σταματούν να δρουν μετά από αρκετά χρόνια.

Η θεραπεία με βαθιά εγκεφαλική διέγερση (DBS) είναι συχνά η τελευταία λύση. Έχει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα. Οι ασθενείς που υποβάλλονται συχνά σε DBS μπορούν να ελέγχουν καλύτερα την κίνησή τους. Αλλά η διαδικασία, που περιλαμβάνει την τοποθέτηση ηλεκτροδίων στον εγκέφαλο, μπορεί να έχει βαθιές παρενέργειες, συμπεριλαμβανομένης της αλλαγής στην προσωπικότητα. Υπάρχουν δύο προβλήματα: το πρώτο είναι το μέγεθος. Τα ηλεκτρόδια είναι χίλιες φορές μεγαλύτερα από τα εγκεφαλικά κύτταρα που προσπαθούν να διεγείρουν. Η πολυπλοκότητα είναι ένα ακόμη μεγαλύτερο πρόβλημα, είπε η Anikeeva: διαφορετικά κύτταρα έχουν διαφορετικές λειτουργίες. «Και αν τα διεγείρετε όλα ταυτόχρονα, δεν ξέρετε τι πρόκειται να συμβεί».

Η Anikeeva και η ερευνητική της ομάδα αντλούν από διαφορετικούς κλάδους όπως η επιστήμη των υλικών, η νευροεπιστήμη και οι τηλεπικοινωνίες για να βελτιώσουν τη θεραπεία για διαταραχές του νευρικού συστήματος. Για την επιδίωξη αυτού του στόχου, έχουν αναπτύξει νευρικούς ανιχνευτές που ταιριάζουν με τη φυσιολογία του εγκεφάλου, ώστε να μπορούν να διεγείρουν τα εγκεφαλικά κύτταρα χωρίς να προκαλούν βλάβη σε ευαίσθητους ιστούς.

Στη δημόσια εκδήλωση του περασμένου μήνα, που απευθύνεται σε πρωτοετείς φοιτητές, η Anikeeva παρουσιάστηκε από τον επικεφαλής του τμήματος DMSE Jeff Grossman, ο οποίος έκανε μια σύντομη εισαγωγή στις επιστήμες και τη μηχανική υλικών. «Χτίζουμε την ύλη από το άτομο και πάνω», είπε. Στόχος είναι η κατασκευή υλικών με καλύτερες ιδιότητες και απόδοση. «Και σκεφτόμαστε πώς να το κάνουμε αυτό από ένα πραγματικά ευρύ φάσμα άλλων κλάδων και τρόπων σκέψης».

Η σειρά Wulff Lecture, που δημιουργήθηκε το 1977, τιμά τον John Wulff, έναν μακροχρόνιο καθηγητή επιστήμης υλικών στο MIT που πρωτοστάτησε στο δημοφιλές μάθημα 3.091 (Εισαγωγή στη Χημεία Στερεάς Κατάστασης). Η ιδέα της σειράς είναι να «εμπνεύσει όποιον ενδιαφέρεται να καταλάβει τι κάνει η πειθαρχία μας, τι είναι η πειθαρχία μας, γιατί είναι συναρπαστικό και εντυπωσιακό», είπε ο Grossman.

Εξωτερική βοήθεια

Σε όλη τη διάλεξή της, η Anikeeva απέδιδε κάθε αντίκτυπο που θα μπορούσε να έχει το έργο της στην κοινωνία στη διεπιστημονική φύση της επιστήμης των υλικών – την προθυμία να αναζητήσει σε άλλα πεδία απαντήσεις σε δύσκολα προβλήματα.

Για παράδειγμα, το να καταλάβουμε πώς να ενεργοποιήσουμε τον σωστό νευρώνα θα προερχόταν από τη μικροβιολογία. Η Anikeeva στράφηκε στην εργασία μιας ομάδας βιομηχανικής του Πανεπιστημίου Στάνφορντ που εφάρμοσε πρωτεΐνες από έναν μικροοργανισμό που ονομάζεται Chlamydomonas reinhardtii, ένα μονοκύτταρο φύκι που χρησιμοποιεί το φως για να προωθήσει τα εξαρτήματα που μοιάζουν με τρίχες που ονομάζονται μαστίγια και να κολυμπήσουν. Ο ίδιος μηχανισμός που οδηγείται από το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διεγείρει έναν συγκεκριμένο νευρώνα. Είναι μια ερευνητική μέθοδος νευροεπιστήμης γνωστή ως οπτογενετική.

«Μπορούμε τώρα να χειριστούμε τους νευρώνες που θέλουμε χρησιμοποιώντας το φως και να αφήσουμε τους υπόλοιπους – περαστικούς νευρώνες – μόνους, αποφεύγοντας τις παρενέργειες», είπε η Anikeeva.

Το πρόβλημα του μεγέθους θα απαιτούσε διαφορετικό τρόπο σκέψης. Για ένα υλικό που θα μπορούσε να περάσει μέσα από την απαλότητα ενός οργάνου όπως ο εγκέφαλος – η Anikeeva έφερε έναν εγκέφαλο ποιότητας τροφίμων από το κρεοπωλείο για να επιδείξει – στράφηκε στις τηλεπικοινωνίες. Τα καλώδια οπτικών ινών, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση κλήσεων μεγάλων αποστάσεων, κατασκευάστηκαν για να παρέχουν ηλεκτρικά, οπτικά και χημικά σήματα στον εγκέφαλο. Αλλά το υλικό που συνθέτει τέτοιες ίνες είναι άκαμπτο και θα μπορούσε να βλάψει τον εγκεφαλικό ιστό.

Δωμάτιο για Jell-O;

Όπως αποδεικνύεται, οι υδρογέλες που δίνουν στο επιδόρπιο την άνετη υφή του είναι παρόμοιες με τις ελαστικές ιδιότητες του εγκεφάλου.

«Αυτά είναι πολυμερή που μπορούν να απορροφήσουν σημαντικές ποσότητες νερού και να διογκωθούν και να υποθέσουν τη μηχανική του εγκεφάλου με ακρίβεια», είπε η Anikeeva. Οι ερευνητές μπορούν να συντονίσουν το υλικό ώστε να μιμούνται «κάθε τύπο νευρικού ιστού».

Αλλά για να σπρώξετε μια ίνα με την ιδιότητα ενός «υγρού νουντλς» στον εγκέφαλο απαιτεί μια ακόμη πειθαρχική παράκαμψη — αυτή τη φορά στον κόσμο της τέχνης. Σκεφτείτε ένα πινέλο, είπε η Anikeeva. Οι μαλακές τρίχες του δεν μπορούσαν να τρυπήσουν τίποτα, δεν πειράζει μια μάζα σαν τον εγκέφαλο.

Ωστόσο, όταν βυθιστεί στο χρώμα και αφεθεί να στεγνώσει, οι τρίχες του σκληραίνουν και μπορούν να χρησιμεύσουν ως σφήνα για να διεισδύσουν στον μαλακό ιστό. Αυτός είναι ακριβώς ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η συσκευή με ίνες υδρογέλης της Anikeeva σε εργαστηριακά πειράματα σε ποντίκια. Με την είσοδό του στον εγκέφαλο, «ενυδατώνεται εκ νέου, και τώρα αναλαμβάνει τη μηχανική του εγκεφάλου και μπορεί να κινείται κρυφά μαζί με τον εγκέφαλο, χωρίς να προκαλεί ζημιά».

Ένα άλλο κομμάτι της έρευνας της Anikeeva εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα ανταποκρίνονται στη θερμική διέγερση, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέα είδη θεραπευτικών θεραπειών. Πρώτον, μικροσκοπικά νανοσωματίδια εγχέονται στο σώμα. τότε θερμαίνονται με μαγνητικό πεδίο. Αυτό ανοίγει κανάλια σε κοντινούς νευρώνες, ενεργοποιώντας τους.

Για να μάθετε πώς να το κάνετε αυτό, πάλι, απαιτούσε εργασία σε πολλά πεδία. Για παράδειγμα, η χρήση θερμότητας για την τόνωση της νευρωνικής δραστηριότητας προέρχεται από τη γνώση και την εφαρμογή της κυτταρικής βιολογίας — «Πίνεις ζεστό τσάι, καίγεται η γλώσσα σου. Βγαίνεις για ταϊλανδέζικο φαγητό, καίγεται η γλώσσα σου», είπε η Anikeeva, επειδή η πρωτεΐνη που ανταποκρίνεται στη ζέστη ανταποκρίνεται επίσης στο μπαχαρικό στις καυτερές πιπεριές. Για να διασφαλίσει ότι τα νανοσωματίδια μπορούν να διαχέουν αποτελεσματικά τη θερμότητα, η ομάδα της Anikeeva βασίζεται στη χημεία των υλικών και στη γνώση της κρυσταλλικής δομής – την διατεταγμένη διάταξη των ατόμων στη σύνθεση τους – για να σχεδιάσει τις μαγνητικές τους αποκρίσεις.

Συνδυάζοντάς τα όλα

Ο συνδυασμός των επιστημονικών κλάδων ήταν αυτό που έφερε την Catherine Song στην εκδήλωση. Πήγε στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον ως προπτυχιακός και μετακόμισε στην περιοχή της Βοστώνης για να εργαστεί στο Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης σε ένα νευρολογικό εργαστήριο.

«Στο προπτυχιακό έκανα πολλή οργανική χημεία — αυτό είναι υπέροχο, αλλά ένιωσα μεγάλη κίνηση σε αυτό είναι προς την ανάπτυξη φαρμάκων και την εξέταση συγκεκριμένων ενζύμων και μεταβολικών οδών», λέει ο Song, ο οποίος σκέφτεται να κάνει μεταπτυχιακές εργασίες στη διεπιστημονική έρευνα. «Μου αρέσει πολύ η λεπτομερής πτυχή της έρευνας, της χημείας και των υλικών, αλλά το πώς να συνδυάσω όλα αυτά είναι πραγματικά συναρπαστικό».

Οι πρωτοετείς προπτυχιακοί φοιτητές Mishael Quraishi και Karen Lei προσελκύθηκαν επίσης από το πολύπλευρο θέμα της διάλεξης. Η Quraishi, μια πρόσφατα δηλωμένη ειδικευόμενη στην επιστήμη των υλικών, άκουσε στην ομιλία να αποδεικνύει ότι βρίσκεται στον σωστό τομέα σπουδών.

«Με ενδιαφέρουν όχι μόνο τα προβλήματα υλικών αλλά και το πώς μπορούν να εφαρμοστούν σε μεγαλύτερα κοινωνικά ζητήματα, επομένως οι τομείς της υγειονομικής περίθαλψης — η επιχειρηματικότητα είναι επίσης κάτι που με ενδιαφέρει», λέει ο Quraishi. “Όλα αυτά τα διεπιστημονικά πράγματα που αισθάνομαι ότι το DMSE μου επιτρέπει να εξερευνήσω πολλά από αυτά τα πάθη.”

Ο Lei, ο οποίος μαζί με τον Quraishi παρακολούθησε επίσης τη διάλεξη Wulff τον Οκτώβριο με την επικεφαλής του Τμήματος Βιολογικής Μηχανικής Angela Belcher, σημείωσε την πρόσφατη τάση σύνδεσης των κλάδων ειδικά με τη βιολογία.

«Αν κοιτάξετε τη δεκαετία του 1900, η ​​βιολογία ήταν πολύ πιο καθαρή επιστήμη — η μοριακή βιολογία που εξετάζει τη δομή του DNA, το RNA», λέει ο Lei, ο οποίος είναι ειδικευμένος στη φυσική. «Τώρα, όλο και περισσότεροι άνθρωποι βλέπουν τη βιολογία ως ένα νέο είδος συνόρων όπου την ενσωματώνεις με τη μηχανική, την ενσωματώνεις με την επιστήμη των υλικών, την ενσωματώνεις και με την ηλεκτρονική μηχανική».

Προσθέτει ο Quraishi: «Τείνει επίσης να αφορά περισσότερο την καινοτομία και το σχεδιασμό παρά την ανακάλυψη. Μόλις ανακαλύψετε το τελικό DNA, πώς μπορείτε να το επαναλάβετε;»

.

About the author

admin

Leave a Comment