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La technologie de l’IA aide les chercheurs à observer le cerveau des souris

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La technologie de l’IA aide les chercheurs à observer le cerveau des souris

Newswise – Les ingénieurs biomédicaux de l’Université Johns Hopkins ont développé une stratégie de formation à l’intelligence artificielle (IA) pour capturer des images de cellules cérébrales de souris en action. Les chercheurs affirment que le système d’IA, en coordination avec de très petits microscopes spécialisés, permet de déterminer avec précision où et quand les cellules sont activées lors du mouvement, de l’apprentissage et de la mémoire. Les données recueillies grâce à cette technologie pourraient un jour permettre aux scientifiques de comprendre comment le cerveau fonctionne et est affecté par la maladie.

Les expériences du chercheur sur des souris ont été publiées dans Communication Nature Le 22 mars.

« Lorsque la tête d’une souris est retenue pour l’imagerie, son activité cérébrale peut ne pas vraiment représenter sa fonction neuronale », Xingde Li, Ph.D., professeur de génie biomédical à la Johns Hopkins University School of Medicine. « Pour cartographier les circuits cérébraux qui contrôlent les fonctions quotidiennes chez les mammifères, nous devons voir précisément ce qui se passe entre les cellules cérébrales individuelles et leurs connexions, pendant que l’animal se déplace librement, mange et socialise. »

Pour collecter ces données très détaillées, l’équipe de Li a développé de minuscules microscopes que les souris peuvent porter sur la tête. Ces microscopes ont un diamètre de quelques millimètres, ce qui limite la technologie d’imagerie qu’ils peuvent embarquer. Par rapport aux modèles de paillasse, la fréquence d’images des microscopes miniatures est faible, ce qui les rend sensibles aux interférences du mouvement. Des perturbations telles que la respiration ou la fréquence cardiaque d’une souris peuvent affecter la précision des données que ces microscopes peuvent capturer. Les chercheurs estiment que le microscope Li devrait dépasser 20 images par seconde pour éliminer toutes les perturbations causées par le mouvement d’une souris en mouvement libre.

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« Il existe deux façons d’augmenter la fréquence d’images », explique Lee. « Vous pouvez augmenter la vitesse de numérisation et réduire le nombre de points numérisés. »

Lors de recherches précédentes, l’équipe d’ingénieurs de Li a rapidement découvert qu’ils avaient atteint les limites physiques du scanner, atteignant six images par seconde, ce qui maintenait une excellente qualité d’image mais était bien en deçà du taux requis. Par conséquent, l’équipe est passée à la deuxième stratégie consistant à augmenter la fréquence d’images – en réduisant le nombre de points scannés. Cependant, similaire à la réduction du nombre de pixels dans une image, cette stratégie amènera le microscope à capturer des données à basse résolution.

Lee suppose qu’un programme d’intelligence artificielle peut être formé pour reconnaître et récupérer les points manquants et améliorer les images à une résolution plus élevée. Ces protocoles de formation à l’IA sont utilisés lorsque la création d’un programme informatique pour une tâche est impossible ou prend du temps, comme la reconnaissance fiable d’un ensemble de caractéristiques comme un visage humain. Au lieu de cela, les informaticiens utilisent l’approche consistant à laisser les ordinateurs apprendre à se programmer en traitant de grands ensembles de données.

Un défi important avec l’approche d’IA proposée était le manque d’images similaires de cerveaux de souris sur lesquelles entraîner l’IA. Pour combler cette lacune, l’équipe a élaboré une stratégie de formation en deux étapes. Les chercheurs ont commencé à former l’IA pour identifier les éléments constitutifs du cerveau à partir d’images d’échantillons fixes de tissu cérébral de souris. Ils ont ensuite formé l’IA à reconnaître ces blocs de construction dans une souris vivante à tête serrée sous un microscope. Ce mouvement a entraîné l’IA à reconnaître les cellules cérébrales avec une variation structurelle normale et un peu de mouvement causé par la respiration et le rythme cardiaque de la souris.

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« L’espoir était que lorsque nous collectons des données à partir d’une souris en mouvement, elles seront encore suffisamment similaires pour que le réseau d’IA les reconnaisse », déclare Lee.

Ensuite, les chercheurs ont testé le logiciel d’IA pour voir s’il pouvait améliorer avec précision les images du cerveau de la souris en augmentant progressivement la fréquence d’images. À l’aide d’une image de référence, les chercheurs ont réduit les points de balayage du microscope d’un facteur de 2, 4, 8, 16 et 32 ​​et ont observé avec quelle précision l’IA a amélioré l’image et restauré la résolution de l’image.

Les chercheurs ont découvert que l’IA peut restaurer de manière adéquate la qualité d’image jusqu’à 26 images par seconde.

L’équipe a ensuite testé les performances de l’outil d’IA avec un minuscule microscope fixé à la tête d’une souris en mouvement. En combinant l’intelligence artificielle avec un microscope, les chercheurs ont pu voir des pics d’activité de cellules cérébrales individuelles qu’une souris active lorsqu’elle marche, tourne et explore son environnement en général.

« Nous n’avions jamais été en mesure de voir ces informations à une résolution et une fréquence d’images aussi élevées auparavant », déclare Lee. « Ce développement pourrait permettre de recueillir plus d’informations sur la façon dont le cerveau est dynamiquement lié au fonctionnement au niveau cellulaire. »

Avec plus de formation, disent les chercheurs, le logiciel d’IA pourrait être capable d’interpréter des images à une résolution de 52 ou même 104 images par seconde.

Parmi les autres chercheurs impliqués dans cette étude figurent Honghua Guan, Dawei Lee, Hyun-Cheol Park, Ang Lee, Yongtian Zhao et Dwight Bergles de la Johns Hopkins University School of Medicine. Yuanlei Yue et Hui Lu de l’Université George Washington ; et Ming-Jun Li de Corning Inc.

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Cette recherche a été soutenue par un National Cancer Institute (R01 CA153023), une subvention d’outils de recherche clés de la National Science Foundation (CEBT1430030) et un Johns Hopkins Medicine Discovery Fund Synergy Award.

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La fin de tout, en direct, avec Katie Mack

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La fin de tout, en direct, avec Katie Mack


Catherine J. (Katie) Mack est cosmologiste théorique et titulaire de la chaire Hawking en cosmologie et communication scientifique à l’Institut périphérique de physique théorique de Waterloo, Ontario, Canada. Elle est auteur La fin de tout (parlant astrophysique).

La fin de tout

Katie Mack est une cosmologiste théorique spécialisée dans les liens entre l’astrophysique et la physique des particules… c’est-à-dire le très grand et le très petit. Elle travaille également sur des sujets liés à l’univers primitif, aux trous noirs et à la formation des premières galaxies. Elle est également une communicatrice scientifique reconnue. Son livre de 2020 s’intitule La fin de tout (parlant astrophysique) … qui commence au Big Bang et plonge ensuite dans certains des destins de l’univers dont vous avez peut-être entendu parler, comme le Big Crunch, le Heat Death, le Big Rip… et bien plus encore. Une critique de ce livre sur EarthSky.org a déclaré que c’était la combinaison parfaite d’un peu effrayant et d’un peu divertissant. Katie s’entretiendra avec Deborah Baird, fondatrice et rédactrice en chef d’EarthSky.

Quoi : Une interview avec la cosmologue Katie Mack, sur la fin de tout
Date : lundi 24 juin (en direct)
Heure : 12h15, heure centrale (17h15 UTC)

Depuis la page de description de Everything’s End sur Amazon

Un livre remarquable du New York Times * Un choix du club de lecture NPR SCIENCE FRIDAY * Élu meilleur livre de l’année par le Washington Post, The Economist, New Science, Publishers Weekly et The Guardian

De l’hôte de Le podcast de l’Univers avec John Green L’une des étoiles les plus dynamiques de l’astrophysique, « intéressante et élégante » (New York Times) Examinez cinq façons dont l’univers pourrait se terminer et les leçons surprenantes que chaque scénario révèle sur les concepts les plus importants de la cosmologie.

Nous savons que l’univers a eu un commencement. Avec le Big Bang, il s’est étendu d’un état de densité inimaginable à une boule de feu cosmique englobante en un liquide bouillant de matière et d’énergie, jetant les graines de tout, des trous noirs à une seule planète rocheuse en orbite autour d’une étoile près du bord de l’espace. univers. La galaxie spirale dans laquelle la vie telle que nous la connaissons a évolué. Mais qu’arrive-t-il à l’univers à la fin de l’histoire ? Qu’est-ce que cela signifie pour nous maintenant ?

La Dre Katie Mack réfléchit à ces questions depuis qu’elle est jeune étudiante, lorsque son professeur d’astronomie lui a dit que l’univers pouvait prendre fin à tout moment, en un instant. Cette révélation l’a mise sur la voie de l’astrophysique théorique. Aujourd’hui, avec un esprit vif et un humour vif, elle nous emmène dans un voyage fascinant à travers cinq des fins possibles de l’univers : le Grand Effondrement, la mort thermique, le Big Rip, la désintégration du vide (qui peut survenir à tout moment !) et la régression. Il nous présente les dernières avancées scientifiques et les concepts clés de la mécanique quantique, de la cosmologie, de la théorie des cordes et bien plus encore. La fin de tout C’est un voyage très agréable et étonnamment optimiste vers la distance la plus lointaine que nous connaissions.

Chez Amazon : la fin de tout (astrophysique)

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En résumé : rejoignez Deborah Byrd d’EarthSky et la cosmologiste théorique Katie Mack à 17h15 UTC (12h15 Centrale) le lundi 24 juin, alors qu’elles discutent de la fin de tout !

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Le Boeing Starliner est-il « coincé » dans l’espace ? Le retour sur Terre a été retardé une troisième fois, suscitant des inquiétudes

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Le Boeing Starliner est-il « coincé » dans l’espace ?  Le retour sur Terre a été retardé une troisième fois, suscitant des inquiétudes

La NASA a annoncé vendredi 21 juin que le retour sur Terre du Boeing Starliner depuis la Station spatiale internationale avait été retardé pour la troisième fois. Aucune nouvelle date de retour n’a été révélée, mais il s’agit du dernier de plusieurs retards annoncés après que le véhicule a rencontré divers problèmes lors de son trajet vers la station spatiale.

Inquiétude généralisée concernant le retard du troisième retour du Boeing Starliner (Reuters/Joe Skipper/File Photo) (Reuters)

Les astronautes Butch Wilmore et Sonny Williams ont décollé de Cap Canaveral le 5 juin. Par la suite, quatre fuites d’hélium et cinq pannes lors de 28 manœuvres de propulsion ont été signalées. Les autorités auraient un délai de 45 jours pour les restituer.

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Le modèle de retour du vaisseau spatial a été amarré au module Harmony de la Station spatiale internationale. Cependant, les responsables ont averti que le carburant d’Harmony était limité, suggérant qu’un retour devrait être planifié dès que possible. Initialement, Willmore et Williams devaient revenir le 13 juin.

Au milieu des inquiétudes généralisées concernant le retour en toute sécurité des astronautes, avec plusieurs messages affirmant que le Starliner est « coincé sur la Station spatiale internationale », certains messages sur les réseaux sociaux suggèrent que la situation n’est pas si mauvaise après tout. Rebecca Regan, une utilisatrice de X, qui semble avoir une connaissance directe de la situation, a affirmé que Wilmore et Williams « ne sont pas coincés », comme le prétendent certains rapports.

Voici quelques messages exprimant votre inquiétude :

Le Starliner est-il « coincé » dans l’espace ?

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« Non, Starliner n’est pas coincé dans l’espace. Non, Butch et Sonny ne sont pas bloqués. Nous avons un bon vaisseau spatial et un équipage heureux et en bonne santé. » nous a donné un petit encouragement pour nous remonter le moral », a-t-il déclaré sur X.

À ce sujet, Regan a cité Mark Nappi, responsable du programme Starliner au sein du personnel commercial de Boeing, qui a déclaré : « Le Starliner a très bien fonctionné et nous avons obtenu exactement ce que nous voulions de ce test en vol en apprenant des choses que vous ne pouvez apprendre qu’en volant. »

« L’équipage a apporté un soutien incroyable à cet apprentissage en orbite, en travaillant avec les équipes au sol pour améliorer et affiner l’expérience des futurs équipages », a ajouté Nappi, selon Reagan.

« Starliner rentrera chez lui avec Butch et Sonny ayant appris tout ce que nous pouvons en orbite », a ajouté Reagan.

Faisant écho aux commentaires de Reagan. L’expert spatial Jonathan McDowell a déclaré au New York Post que la situation n’est peut-être pas aussi désastreuse que certains l’imaginent. « Vous pouvez perdre certains dispositifs de propulsion et tout aller bien car il y en a beaucoup, mais il s’agit toujours du système de propulsion et vous voulez comprendre tout ce qui se passe », a-t-il déclaré. « Ils veulent s’assurer que ces petits problèmes ne cachent pas de plus gros problèmes. »

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Les collisions d’étoiles à neutrons repoussent les limites de la physique extrême

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Les collisions d’étoiles à neutrons repoussent les limites de la physique extrême

Lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision, elles créent l’un des événements les plus passionnants et les plus complexes de l’univers. Les étoiles à neutrons, vestiges d’étoiles effondrées, sont incroyablement denses et petites.

Lorsque deux de ces étoiles sont proches l’une de l’autre, elles se rapprochent et finissent par entrer en collision. Cette collision génère une chaleur intense et de merveilleux phénomènes physiques.

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ?

Une étoile à neutrons est le reste compact d’une étoile massive ayant subi une explosion de supernova.

Lorsqu’une étoile pesant entre 8 et 20 fois la masse de notre Soleil épuise son combustible nucléaire, elle s’effondre sous sa propre gravité. Le noyau est tellement comprimé que les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons, créant ainsi une étoile à neutrons.

Ces étoiles ne mesurent qu’environ 20 kilomètres (12 miles) de diamètre, mais leur masse est environ deux fois celle du Soleil. Pour mettre sa densité en perspective, une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pourrait peser environ un milliard de tonnes sur Terre.

Les étoiles à neutrons ont des champs magnétiques extrêmement puissants et peuvent tourner rapidement, émettant des faisceaux de rayonnement qui peuvent être détectés comme des pulsars.

Malgré leur petite taille, les étoiles à neutrons constituent un laboratoire unique pour étudier le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, contribuant ainsi à notre compréhension de la physique fondamentale.

La physique cachée des fusions d’étoiles à neutrons

Des simulations récentes menées par des physiciens de Université d’État de Pennsylvanie Fournit de nouvelles informations sur les collisions d’étoiles à neutrons. Les simulations ont révélé que les neutrinos chauds, qui sont de petites particules presque sans masse, peuvent être brièvement piégés à l’interface où les étoiles fusionnent.

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Cela ne dure que 2 à 3 millisecondes, pendant lesquelles les neutrinos interagissent avec la matière stellaire, contribuant ainsi à ramener les particules vers l’équilibre.

« Pour la première fois en 2017, nous avons observé des signaux, notamment des ondes gravitationnelles, provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons binaires », a déclaré Pedro Luis Espino, chercheur postdoctoral à Penn State et à l’UC Berkeley, qui a dirigé la recherche.

« Cette découverte a suscité un grand intérêt pour l’astrophysique des étoiles à neutrons binaires. Comme nous ne pouvons pas reproduire ces événements en laboratoire, les simulations basées sur la théorie de la relativité générale d’Einstein sont le meilleur outil pour les comprendre. »

La nature des étoiles à neutrons

On pense que les étoiles à neutrons sont presque entièrement constituées de neutrons. Leur étonnante densité, surpassée seulement par les trous noirs, résulte de la fusion de protons et d’électrons en neutrons.

Le professeur David Radice, chef de l’équipe de recherche, a expliqué : « Avant leur fusion, les étoiles à neutrons sont en réalité froides, même si leurs températures atteignent des milliards de degrés Kelvin. »

« Leur densité signifie que cette chaleur ajoute très peu à l’énergie du système. Cependant, lors de l’impact, la température de l’interface peut atteindre des milliards de degrés Kelvin. Les photons ne peuvent pas s’échapper de cet environnement dense pour dissiper la chaleur, de sorte que les étoiles se refroidissent en émettant des neutrinos. »

Réactions post-collision

Lors d’une collision, les neutrons des étoiles se décomposent en protons, électrons et neutrinos.

Les conséquences directes de ce processus sont restées longtemps un mystère en astrophysique. Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a créé des simulations détaillées qui modélisent la fusion et la physique qui en résulte.

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Ces simulations, qui nécessitent une puissance de calcul massive, ont montré que même les neutrinos peuvent être brièvement piégés par la chaleur et la densité de la collision.

En déséquilibre avec les noyaux d’étoiles plus froides, ces neutrinos chauds interagissent avec la matière stellaire.

« Ces événements extrêmes repoussent les limites de notre compréhension de la physique », a noté le professeur Radice. « La courte phase de non-équilibre de 2 à 3 millisecondes est celle où la physique la plus intéressante se produit. Une fois l’équilibre rétabli, la physique devient plus compréhensible. »

Implications pour le contrôle des fusions

Les interactions lors de la fusion peuvent affecter les signaux que nous détectons sur Terre à partir de ces événements.

« La façon dont les neutrinos interagissent avec la matière stellaire et sont émis affecte les oscillations du reste fusionné », a expliqué Espino.

« Cela affecte les signaux d’ondes électromagnétiques et gravitationnelles observés sur Terre. La prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles peut être conçue pour détecter ces différences de signaux. Ainsi, nos simulations améliorent non seulement notre compréhension, mais guident également les futures expériences et observations. »

Ces simulations révolutionnaires ouvrent de nouvelles fenêtres sur la physique des collisions d’étoiles à neutrons, nous aidant à comprendre l’un des phénomènes les plus extrêmes et les plus fascinants de l’univers.

L’étude est publiée dans la revue Lettres d’examen physique.

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