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La physicienne Nita Engelhart recherche des vérités universelles dans les trous noirs Actualités du MIT

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La physicienne Nita Engelhart recherche des vérités universelles dans les trous noirs  Actualités du MIT

Selon Nita Engelhart, les secrets ne meurent jamais. Pas même dans un trou noir.

Engelhart est un physicien théoricien au MIT qui étudie la physique complexe dans et autour des trous noirs, à la recherche des ingrédients fondamentaux qui composent notre univers. Ce faisant, cela bouleverse les idées courantes dans les domaines de la physique quantique et de la gravité.

L’une des plus grandes découvertes de son travail jusqu’à présent est la manière dont les informations tombant dans un trou noir peuvent être évitées à jamais. En 2019, peu avant son arrivée au MIT, elle et d’autres physiciens ont utilisé des méthodes gravitationnelles pour prouver que tout ce qui pourrait arriver aux informations à l’intérieur d’un trou noir pouvait en principe être annulé lorsque le trou noir s’évaporait.

Les découvertes de l'équipe ont stupéfié la communauté des physiciens, car elles représentaient la plus grande avancée quantitative directe vers la résolution de l'ancien paradoxe de l'information sur les trous noirs – un dilemme soulevé dans les travaux du physicien Stephen Hawking. Ce paradoxe entre en conflit avec deux théories qui semblent toutes deux correctes : la première, le pilier de « l’unité », qui est le principe selon lequel l’information dans l’univers n’est ni créée ni détruite ; Deuxièmement, les calculs de Hawking issus de la physique gravitationnelle standard montrent que l'information peut en effet être détruite, en particulier lorsqu'elle rayonne à partir d'un trou noir en évaporation.

«Imaginez que vous aviez votre journal et que vous y avez mis le feu dans le laboratoire», explique Engelhart. « Selon l'unité, si vous connaissiez la dynamique fondamentale de l'univers, vous pourriez prendre les cendres et les effectuer par ingénierie inverse pour voir le journal et son contenu. Ce serait très difficile, mais vous pourriez le faire. Mais les calculs de Hawking montrent que même si vous connaissiez la dynamique fondamentale de l’univers, vous ne seriez pas en mesure de procéder à une ingénierie inverse du processus d’évaporation réversible des trous noirs.

Inglehart, alors à Princeton, et ses collègues ont montré que, contrairement aux calculs de Hawking, il était possible d'utiliser la physique gravitationnelle pour voir que le processus d'évaporation des trous noirs préserve effectivement l'information.

En tant que membre nouvellement titulaire du corps professoral du MIT, Englehart s'attaque désormais à d'autres questions de longue date sur la gravité, dans l'espoir de combler les dernières et plus grandes lacunes dans la compréhension des physiciens de l'univers à des échelles fondamentales.

«En fin de compte, je suis motivé par des questions sur la nature et le fonctionnement de l'univers», explique Engelhardt, aujourd'hui professeur agrégé de physique. « Répondre à ces questions est une carrière. »

Portail gravitationnel

Engelhart est née à Jérusalem, où elle a développé très tôt un intérêt pour tout ce qui concerne la science. Quand elle avait neuf ans, elle et sa famille ont déménagé à Boston, en partie pour que sa mère puisse s'inscrire au programme de chercheurs invités du MIT en linguistique. Englehart était nouveau en Amérique et n'ayant appris à lire qu'en hébreu, il a passé les premières semaines à lire tous les livres que la famille avait apportés avec eux, dont certains étaient inhabituels pour un enfant de 9 ans.

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« J'ai lu tous les livres qui nous restaient en hébreu, jusqu'à ce qu'il ne reste finalement qu'un seul livre, A Brief History of Time de Stephen Hawking. »

Le livre de Hawking était la première introduction d'Engelhart aux trous noirs, au Big Bang, ainsi qu'aux forces fondamentales et aux éléments constitutifs qui composent l'univers. Ce que j'ai trouvé particulièrement intéressant, ce sont les éléments manquants de la compréhension des physiciens.

« Les gens peuvent passer toute leur vie à chercher des réponses à ces questions fondamentales, ce que j'ai trouvé absolument fascinant », déclare Englehart. « D'où vient l'univers ? Quels sont les éléments constitutifs ? Ce sont les questions auxquelles j'ai réalisé que je voulais juste connaître la réponse. À partir de ce moment, je ne m'intéressais pas seulement à la physique, je m'intéressais à la gravité quantique à 9. »

Elle a alimenté cette première étincelle au cours de ses études de premier cycle, avec spécialisation en physique et en mathématiques à l’Université Brandeis. Je suis allé à l'Université de Californie à Santa Barbara, où j'ai poursuivi un doctorat en physique et j'ai vraiment commencé à creuser le mystère de la gravité quantique, un domaine qui cherche à décrire les effets de la gravité selon les principes de la mécanique quantique.

La théorie de la mécanique quantique est un système remarquablement efficace pour décrire les interactions dans la nature au niveau des atomes et plus petits. Ces interactions quantiques sont régies par trois des quatre forces fondamentales connues des physiciens. Mais la quatrième force, la gravité, a échappé à la mécanique quantique, en particulier dans les situations où l'influence de la gravité est énorme, comme dans les profondeurs des trous noirs.

Dans des systèmes aussi extrêmes, il n’existe aucune prédiction sur le comportement de la matière et de la gravité. Une telle théorie compléterait la compréhension des physiciens sur le fonctionnement de l’univers à des échelles fondamentales.

Pour Inglehart, la gravité quantique est également une porte d’entrée vers d’autres questions mystérieuses auxquelles il faut répondre. Par exemple, la manière dont l’espace et le temps découlent de quelque chose de plus fondamental. Engelhart a consacré une grande partie de ses travaux d'études supérieures à se concentrer sur des questions concernant la géométrie de l'espace-temps et sur la manière dont sa courbure pourrait résulter de quelque chose de plus fondamental, tel que décrit par la gravité quantique.

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« Ce sont de grandes questions à résoudre », admet Englehart. « Je passe la majeure partie de mon temps à me demander : « Comment puis-je prendre cette vague intuition et la condenser en une question à laquelle on peut répondre de manière concrète et quantitative ? » Et c’est une grande partie des progrès que vous pouvez réaliser.

Empreinte digitale d'un trou noir

En 2014, à mi-chemin de son doctorat, Inglehart a concentré l’une de ses questions sur la gravité quantique et l’émergence de l’espace-temps sur un problème spécifique : comment calculer les corrections quantiques de l’entropie des systèmes gravitationnels.

« Il existe des surfaces (dans l'espace-temps) qui sont sensibles à la gravité (courbées) appelées surfaces extrêmes », explique Inglehart. « Il existait déjà une formule qui utilisait de telles surfaces pour calculer l'entropie des systèmes gravitationnels en l'absence d'effets quantiques. Mais dans la gravité quantique réelle, il existe des effets quantiques, et je voulais une formule qui en tienne compte. »

Elle et le chercheur postdoctoral Aaron Wall ont travaillé à la construction d'une équation générale décrivant comment calculer l'entropie des régions gravitationnelles lorsque les effets quantiques sont pris en compte. Le résultat : des surfaces quantiques maximales, une généralisation quantique des surfaces classiques anciennes.

À l’époque, l’exercice était purement théorique, car les effets quantiques de la plupart des processus dans l’univers sont si faibles qu’ils ne feraient pas osciller même légèrement l’espace-temps environnant. Leur nouvelle équation sera donc basée sur des prédictions similaires à l’équation purement classique.

Mais en 2019, en tant que chercheur postdoctoral à l’Université de Princeton, Inglehart et d’autres ont réalisé que cette équation pourrait donner une prédiction très différente de ce que ferait une surface quantique extrême et de ce que serait l’entropie de la gravité quantique correspondante, dans une situation spécifique : comme une surface noire. Le trou s'évapore. De plus, ce que prédit l’équation pourrait être la clé pour résoudre l’ancien paradoxe de l’information sur les trous noirs.

«C'était un moment très dramatique», se souvient-elle. « Tout le monde travaillait 24 heures sur 24 pour essayer de comprendre, et ne dormait pas vraiment la nuit parce que nous étions tellement excités. »

Après trois semaines de privation de sommeil, les physiciens étaient convaincus d'avoir franchi une étape spectaculaire vers la résolution du paradoxe : à mesure que le trou noir s'évapore et rayonne les informations qui y étaient initialement tombées, un nouveau quantum totalement non classique se forme. Une surface maximale apparaît, entraînant une entropie gravitationnelle qui diminue à mesure que davantage d’informations sont rayonnées. Ils pensaient que cette surface pourrait servir d'empreinte d'informations radioactives, qui pourraient en principe être utilisées pour reconstituer les informations originales, dont Stephen Hawking avait montré qu'elles seraient perdues à jamais.

« C'était un moment eurêka ! », dit-elle. « Je me souviens d'être rentrée chez moi, d'avoir réfléchi et probablement dit à voix haute : 'Je pense que ça y est !'

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On ne sait pas encore clairement ce que Hawking calculait réellement pour supposer le contraire. Mais Engelhart estime que le paradoxe est sur le point d'être résolu, du moins dans ses grandes lignes, et que le travail de son équipe a été soumis à des contrôles répétés et à un examen minutieux. Pendant ce temps, elle tournait son attention vers d’autres questions.

Substrats de test

La percée d'Engelhart a eu lieu en mai 2019. Deux mois plus tard, elle s'est rendue à Cambridge pour commencer son poste d'enseignante au MIT. Elle a visité le campus pour la première fois et a passé un entretien pour le poste en 2017.

« Il y avait un certain enthousiasme pour la science au Centre de physique théorique, et on le ressent partout, cela imprègne l'institut », se souvient-elle. « C'était l'une des raisons pour lesquelles je voulais être au MIT. »

Le poste lui a été proposé, qu'elle a accepté et a choisi de reporter d'un an pour terminer ses études postdoctorales à l'Université de Princeton. En juillet 2019, j'ai commencé à travailler au MIT en tant que professeur assistant de physique.

À ses débuts sur le campus, lorsqu'elle a créé son groupe de recherche, Engelhart a étudié le paradoxe de l'information sur les trous noirs, pour voir si elle pouvait découvrir non seulement comment Hawking s'était trompé, mais aussi ce qu'il calculait réellement, sinon l'entropie. Du rayonnement.

« En fin de compte, si l'on veut vraiment résoudre ce paradoxe, nous devons expliquer l'erreur de Hawking », déclare Inglehart.

Son intuition était qu’il calculait d’une manière ou d’une autre une quantité complètement différente. Elle pense que les travaux de Hawking, qui ont initialement déclenché la contradiction, pourraient expliquer un autre type d'entropie gravitationnelle, qui semble conduire à une perte d'informations lorsqu'un trou noir s'évapore. Cependant, cette autre forme d’entropie gravitationnelle est incompatible avec le contenu informationnel, son augmentation ne serait donc pas contradictoire.

Aujourd'hui, elle et ses étudiants étudient des questions liées à la gravité quantique, ainsi qu'au concept épineux des singularités, des cas dans lesquels un objet comme une étoile s'effondre dans une région de gravité si forte qu'elle détruit l'espace-temps lui-même. Les physiciens ont historiquement prédit que les singularités ne devraient exister qu'au-delà de l'horizon des événements d'un trou noir, bien que d'autres aient vu des indices suggérant qu'elles existaient au-delà de ces limites gravitationnelles.

« Une grande partie de mon travail consiste désormais à comprendre combien de piliers de la physique gravitationnelle ne sont pas corrects tels que nous les comprenons actuellement », dit-elle. « Les réponses à ces questions constituent la motivation ultime. »

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Trous noirs : pourquoi les étudie-t-on ? Qu’est-ce qui le rend si génial ?

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Trous noirs : pourquoi les étudie-t-on ?  Qu’est-ce qui le rend si génial ?

Au cours des derniers mois, L’univers aujourd’hui Explorez un grand nombre de domaines scientifiques, parmi lesquels les cratères d’impact, les surfaces planétaires, les exoplanètes, l’astrobiologie, l’héliophysique, les comètes, les atmosphères planétaires, la géophysique planétaire, la cosmochimie, les météorites, la radioastronomie, l’extrémophysiologie, la chimie organique, et comment ces différentes disciplines aident les scientifiques et les le public comprend mieux notre place dans l’univers.

Nous discuterons ici du domaine fascinant et mystérieux des trous noirs avec Dr Gaurav Khanna, professeur au Département de physique de l’Université de Rhode Island, concernant l’importance de l’étude des trous noirs, les avantages et les défis, les aspects passionnants de l’étude des trous noirs et la manière de suivre les étudiants qui souhaitent étudier les trous noirs. Alors, pourquoi est-il important d’étudier les trous noirs ?

« La gravité est la force la plus ancienne connue dans la nature, mais la moins bien comprise », explique le Dr Khanna. L’univers aujourd’hui. « Pour les étudiants en gravité, les trous noirs sont parmi les choses les plus intéressantes à étudier car la gravité y est la force dominante – en fait, elle est infiniment puissante ! Il y a ensuite des raisons astrophysiques de s’intéresser aux trous noirs. Ils jouent un rôle important dans les galaxies ! , et peut-être même dans le comportement. » La grande échelle de l’univers et plus encore. L’autre chose à noter à propos des trous noirs est qu’ils sont très « simples », surtout lorsqu’on les compare aux étoiles et à d’autres objets astrophysiques. -appelé théorème « sans cheveux » qui stipule que les trous noirs peuvent être complètement décrits par… Avec seulement trois propriétés : leur masse, leur charge et leur spin. Cette simplicité les rend particulièrement attrayants pour l’étude et la recherche.

trous noirs On sait qu’ils présentent une gravité si forte que même la lumière ne peut s’en échapper, comme c’est le cas d’Albert Einstein. Théorie générale de la relativité On attribue souvent à 1915 la première proposition du concept de trous noirs, le concept d’un objet dont la taille et la gravité ne permettent pas à la lumière de s’échapper. Il a été proposé pour la première fois dans une lettre écrite par le philosophe et religieux anglais John Mitchell en novembre 1784. Dans cette lettre, Mitchell faisait référence à cela. Les objets étaient appelés « étoiles sombres » car on supposait que les étoiles d’un diamètre dépassant 500 fois le diamètre de notre Soleil conduiraient à la formation de ces objets. De plus, il a été suggéré que les ondes gravitationnelles affectant les corps célestes proches permettraient la détection de ces objets.

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Avance rapide vers la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui prédisait également l’existence de trous noirs et d’ondes gravitationnelles, qui sont tous deux restés sous surveillance tout au long du 20e siècle.oui Siècle, qui comprend ce qu’on appelle « L’âge d’or de la relativité générale » Durant les années soixante et soixante-dix. Cela inclut le premier objet accepté par la communauté scientifique comme un trou noir, appelé Cygnus LIGO. Alors, compte tenu de la longue histoire combinée aux découvertes majeures qui n’ont eu lieu qu’au cours des dernières années, quels sont les avantages et les défis de l’étude des trous noirs ?

Le Dr Khanna dit L’univers aujourd’hui« Comme je l’ai mentionné plus haut, l’étude des trous noirs, qui est une conséquence de la théorie de la relativité d’Einstein, donne un aperçu de la nature de la gravité, de l’espace et du temps à des niveaux fondamentaux. En tant que physiciens, nous devons encore développer une compréhension complète de ces phénomènes. La nature quantique de la gravité et les trous noirs sont la clé pour résoudre ce mystère. » En termes de défis, je dirais que le plus évident est probablement que les trous noirs ne peuvent être observés qu’indirectement, contrairement aux étoiles, puisqu’ils n’émettent pas de rayonnement. seuls, il est difficile pour les astronomes de collecter des données sur eux et au mieux, nous pouvons les observer. Leur influence sur leur environnement (comme les gaz, les étoiles, etc.) et en déduire leurs propriétés et leur comportement. Sur le plan théorique, bien que ce soit En effet, il est vrai que les trous noirs sont très « simples » comparés aux étoiles, mais les mathématiques et la physique qui les décrivent sont assez avancées, et même les simulations informatiques impliquées sont difficiles et nécessitent une puissance de traitement et une mémoire énormes.

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S’il a fallu plus de 100 ans entre l’introduction par Einstein de sa théorie de la relativité générale en 1915 et la confirmation des ondes gravitationnelles en 2016, il n’a fallu que trois ans supplémentaires aux astronomes pour publier la première image directe d’un trou noir au centre d’un galaxie. Messi 87 galaxie. Et les résultats furent Publié dans Lettres de journaux astrophysiques Basé sur des observations prises en 2017 par le puissant Event Horizon Telescope (EHT). Alors que Messier 87 est situé à environ 53 millions d’années-lumière de la Terre, le trou noir supposé le plus proche, Gaia BH1, est situé à environ 1 560 années-lumière de la Terre. En 2022, des astronomes ont publié une image en direct de Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de notre Voie lactée.

En outre, les scientifiques supposent que le nombre de trous noirs dans notre Voie lactée se compte en centaines de millions, bien qu’il n’y ait jusqu’à présent que quelques dizaines de trous noirs connus. Mais quels sont les aspects les plus passionnants des trous noirs que le Dr Khanna a étudiés au cours de sa carrière ?

Le Dr Khanna dit L’univers aujourd’hui« Je suppose que je mentionnerai probablement mes travaux récents sur la vitesse de rotation des trous noirs. J’essaie de « faire pousser les cheveux », mais j’échoue finalement. Le projet est intéressant car il semble suggérer une violation de la théorie du « pas de cheveux » que j’ai évoquée plus tôt, mais ce n’est finalement pas le cas. C’est donc provocateur, mais ensuite apaisant ! Surtout, nous utilisons désormais le contexte principal de cette recherche pour la développer Nouvelle signature observationnelleOu tester des trous noirs à rotation rapide, également appelés trous noirs quasi extrêmes. Ces trous noirs ont de nombreuses propriétés et aspects étranges et font l’objet de recherches actives.

Les trous noirs sont étudiés par des astronomes, des physiciens et des astrophysiciens, qui utilisent une combinaison de théorie et d’observations pour construire à quoi pourraient ressembler les trous noirs et, dans de rares cas, comme nous l’avons vu, en obtiennent des images directes. En termes de théorie, les chercheurs utilisent des calculs mathématiques et des modèles informatiques pour simuler à quoi pourraient ressembler les trous noirs, puis utilisent de puissants télescopes au sol comme l’EHT pour obtenir les quelques images directes des trous noirs. Il est important de noter que ces images directes ne capturent pas le trou noir lui-même, mais plutôt les gaz entourant le trou noir. Horizon des événementsOu la frontière informelle où la lumière ne peut pas s’échapper d’un trou noir. Mais quels conseils le Dr Khanna donnerait-il aux nouveaux étudiants qui souhaitent poursuivre l’étude des trous noirs ?

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Le Dr Khanna dit L’univers aujourd’hui« Je vais leur donner beaucoup d’encouragements ! Il y a tellement de choses à faire dans cet espace et tant de mystères à résoudre. Les nouvelles observations ouvriront de nombreuses nouvelles portes et de nouvelles voies de recherche. C’est l’un des meilleurs moments pour être un Noir. astrophysicien du trou !

« La seule chose que je peux dire et qui n’a probablement pas été autant soulignée ailleurs, c’est que l’informatique est un outil pour étudier les trous noirs », poursuit le Dr Khanna. « Pour l’essentiel, l’accent est mis sur l’apprentissage des mathématiques avancées. comme toile de fond pour des recherches sérieuses sur les trous noirs — et pour cause — qui intéressent toujours beaucoup tous ceux qui étudient la théorie de la relativité d’Einstein, qui est à la base de la physique des trous noirs. Ces dernières années, les simulations informatiques se sont développées rapidement et. on peut désormais faire des découvertes majeures sur des questions profondes à l’aide d’outils informatiques. La programmation informatique est un outil très prometteur pour développer la recherche dans ce domaine et dans bien d’autres encore.

Comment les trous noirs nous aideront-ils à mieux comprendre notre place dans l’univers dans les années et décennies à venir ? Seul le temps nous le dira, c’est pourquoi nous étudions !

Comme toujours, continuez à faire de la science et continuez à rechercher !

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La découverte de gènes pourrait conduire à un atome flexible et « désordonné »

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La découverte de gènes pourrait conduire à un atome flexible et « désordonné »



Les chercheurs ont identifié un gène largement présent dans les plantes comme principal transporteur d’une hormone qui affecte la taille du maïs.

Cette découverte fournit aux sélectionneurs de plantes un nouvel outil pour développer des variétés naines souhaitables qui peuvent améliorer la résilience et la rentabilité des cultures.

Une équipe de scientifiques a passé des années à déterminer les fonctions du gène ZmPILS6. Aujourd’hui, ils sont en mesure de le décrire comme un facteur important de la taille et de la structure des plantes, et comme un transporteur de l’hormone auxine qui aide à contrôler la croissance des racines souterraines et des pousses, ou tiges, au-dessus du sol.

Leurs conclusions sont publiées dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

« La particularité de l’ère scientifique actuelle est que nous disposons de toutes ces données génétiques de haute qualité, que ce soit sur le maïs, sur les humains ou sur d’autres organismes, et que nous avons désormais pour tâche de découvrir ce que font réellement les gènes », explique Dior-Kelly. . est professeur adjoint de génétique, de développement et de biologie cellulaire à l’Iowa State University, qui a dirigé l’équipe de recherche.

Le groupe a utilisé le « criblage génétique inverse » (du gène au trait exprimé dans la plante), ainsi que d’autres techniques, pour retracer le rôle des gènes dans l’évolution du maïs. Les écrans inversés nécessitent plusieurs saisons de croissance et ne fonctionnent pas toujours, selon Kelly. Il a fallu sept ans à son équipe pour caractériser précisément ZmPILS6 et vérifier qu’il régule la croissance des plantes.

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Lorsque les plantes modifiées et transformées étaient « supprimées », leur absence supprimait la formation de racines latérales et la hauteur de la plante. La recherche a conduit à un brevet provisoire pour son utilisation potentielle dans des programmes de sélection visant à produire du maïs de petite taille encore très productif.

«Je pense que c’est comme un maïs lutin», dit Kelly. « Il suscite beaucoup d’intérêt pour plusieurs raisons, notamment sa faible consommation d’eau et de nutriments et sa capacité à résister aux vents violents. »

En étudiant ZmPILS6 dans le maïs, les chercheurs sont arrivés à une autre découverte étrange : le gène semblait avoir des effets opposés sur la croissance des plantes par rapport au gène identique du maïs. ArabidopsisC’est une plante qui sert souvent de modèle pour la recherche.

« C’était complètement inattendu », dit Kelly. « Cela montre que les protéines végétales, qui ont évolué dans des contextes différents, peuvent se comporter différemment. Cela souligne la nécessité d’étudier les gènes directement au sein des principales cultures d’intérêt, plutôt que de penser que nous les comprenons en fonction de leur fonctionnement dans d’autres plantes. »

Kelly décrit la nouvelle recherche comme une recherche fondamentale « fondamentale » pour comprendre le gène qui influence de nombreux traits de développement complexes, qui a été préservé par l’évolution de nombreuses plantes, des algues au maïs.

« C’est également « transformateur », dans la mesure où il est lié aux ressources génétiques qui peuvent être utilisées pour améliorer les programmes de sélection », dit-elle. «Cela ouvre des questions et des aspects de recherche complètement nouveaux pour mon laboratoire.»

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Co-auteurs supplémentaires de l’Iowa ; Université de Duke; et Université de Californie, Riverside.

L’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture de l’USDA et le financement de démarrage de l’USDA du Collège d’agriculture et des sciences de la vie de l’Université d’État de l’Iowa ont financé les travaux.

source: Université d’État de l’Iowa

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Un nouveau modèle 3D montre comment les implants neuronaux soulagent la douleur chronique

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Un nouveau modèle 3D montre comment les implants neuronaux soulagent la douleur chronique

Modèle 3D développé par Université de Virginie occidentale Les neuroscientifiques montrent comment les stimulateurs implantables – du même type que ceux utilisés pour traiter la douleur chronique – peuvent cibler les neurones qui contrôlent des muscles spécifiques pour assurer la rééducation des personnes souffrant de troubles neurologiques tels qu’un accident vasculaire cérébral ou une lésion de la moelle épinière.

le StadeY compris le modèle, il a été publié dans la revue Nature Communications Biology.

Le dispositif, implanté sur ou à proximité de la moelle épinière, fonctionne en délivrant un signal électrique via un fil fin. Pour traiter la paralysie, la stimulation cible des parties spécifiques de la moelle épinière pour aider à restaurer la fonction musculaire et le mouvement. Cependant, l’efficacité du dispositif a été limitée par une compréhension insuffisante de l’emplacement des motoneurones qui se connectent à des muscles spécifiques dans la moelle épinière.

« Si nous voulons vraiment maximiser l’utilité de ces implants, nous voulons pouvoir sélectionner des motoneurones spécifiques qui activeront des muscles spécifiques et aideront à bouger de la bonne manière et au bon moment », a-t-il déclaré. Valéria Gritsenkoprofesseur agrégé à École de médecine WVUSections Performance humaine – Physiothérapie, Neurologie Et le Institut de neurosciences Rockefeller. « Les scientifiques veulent utiliser un modèle pour déterminer où implanter ce système. »

Dans le cadre de l’étude, Gritsenko a reçu une subvention de 600 000 $ sur trois ans du ministère américain de la Défense pour diriger une équipe visant à construire des modèles plus avancés du système neuromusculaire.

Grâce à d’autres études et tests, les chercheurs espèrent mieux comprendre dans quelle mesure ces appareils peuvent améliorer la fonction musculaire.

Pour mener l’étude, les chercheurs ont d’abord créé un modèle 3D de l’emplacement des motoneurones dans la moelle épinière d’un macaque – un singe de l’Ancien Monde – et l’ont comparé aux connaissances actuelles sur la moelle épinière humaine. Ils ont également créé des modèles 3D de l’anatomie musculo-squelettique d’un singe macaque et du membre supérieur droit d’un humain et ont comparé ces modèles.

« Nous avons étudié les différences et les changements dans la longueur des muscles dans différentes postures, à la fois chez le modèle humain et chez le singe », a-t-il déclaré. Rachel Taitano, doctorant en médecine et neurosciences de Fairfax, en Virginie, et auteur principal de l’étude. « Le modèle musculo-squelettique du singe montre que la biomécanique est similaire à celle des humains, même si l’espèce présente des différences dans les muscles qu’elle utilise, les muscles qu’elle possède et leurs différentes orientations et fonctions. »

L’étude montre une correspondance étroite dans la distribution ou la profondeur des groupes de motoneurones le long de la moelle épinière chez les macaques et les humains. Ces résultats permettront aux scientifiques d’obtenir une précision dans la fourniture du traitement.

« Certaines populations de motoneurones sont plus profondes dans la moelle épinière et d’autres sont plus proches de la surface », a expliqué Gritsenko. « Ce modèle nous permet d’examiner plus en profondeur l’endroit où les populations de motoneurones pourraient être les plus proches de la surface. C’est là que vous souhaitez stimuler l’activation de ces muscles. »

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« Connaître l’organisation vertébrale des assemblages de motoneurones – des groupes de cellules qui se connectent à un seul muscle – pourrait révéler quelque chose de fascinant », a expliqué Gritsenko, qui a été le chercheur principal. « Notre système musculo-squelettique complexe a évolué au fil du temps pour permettre une large gamme de résultats. de mouvements que nous voyons chez tous les « primates, y compris nous, les humains. L’équipe a découvert que nos moelles épinières contiennent des « cartes » intégrées qui reflètent cette fonction complexe. Cette « carte » aide à simplifier le contrôle de nos corps complexes via la moelle épinière.  » .

Un autre collègue sur le projet, Sergueï Yakovenkoprofesseur agrégé à la faculté de médecine de l’Université de Virginie-Occidentale, départements de performance humaine et de recherche. Exercice physiologiqueLe Département de Neurosciences et le RNI ont mené des études similaires sur l’anatomie de la moelle épinière chez les quadrupèdes. Les nouvelles découvertes montrent à quel point l’anatomie de la moelle épinière est conservée chez les animaux et à quel point elle reflète les actions musculaires.

Les résultats d’une étude scientifique appliquée qui peuvent être utilisés au bénéfice des patients en milieu clinique sont ce qui, selon Taitano, l’a attirée vers le projet.

« Je pense que nous pouvons obtenir beaucoup d’informations à partir d’études non chirurgicales », a déclaré Taitano, diplômé en génie biomédical. « Maintenant que nous pouvons appliquer ces résultats à l’échelle millimétrique et nanométrique, nous pouvons créer des dispositifs permettant d’appliquer ce que nous voyons dans un modèle comme celui-ci. »

Une fois le projet terminé, Taitano passera à la partie médecine de son programme cet été.

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« Les antécédents de Rachel ont été très utiles au succès de l’étude », a déclaré Gritsenko. « J’aimerais certainement voir davantage de ce type de collaboration interdisciplinaire avec des étudiants diplômés travaillant sur des projets avec des collègues des départements de médecine et d’ingénierie.

En plus de la subvention du ministère de la Défense, des scientifiques de deux autres universités ont exprimé leur intérêt pour l’utilisation du modèle pour explorer la manière d’améliorer la technologie catalytique, a déclaré Gritsenko. Elle prévoit également de collaborer avec un chercheur principal d’une autre université pour valider les résultats de l’étude sur des modèles animaux.

« Nous voulons faire un test de stimulation musculaire basé sur les prédictions du modèle et voir si nous obtenons les résultats escomptés », a-t-elle déclaré. « Nous pouvons essayer cela d’abord avec des singes, puis, si cela fonctionne, nous pouvons l’essayer chez l’homme pour vérifier davantage qu’il s’agit d’un bon modèle pour guider ces interventions chirurgicales. »

référence: Taitano RI, Yakovenko S, Gritsenko V. L’anatomie musculaire se reflète dans l’organisation spatiale des groupes de motoneurones spinaux. Commune Byul. 2024;7(1):1-11. est ce que je: 10.1038/s42003-023-05742-s

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