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Un nouvel échafaudage d’hydrogel électriquement conducteur qui prend en charge la différenciation neuronale

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Un nouvel échafaudage d’hydrogel électriquement conducteur qui prend en charge la différenciation neuronale

Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) sont un sujet brûlant ces jours-ci, avec des entreprises comme Neuralink qui se battent pour créer des dispositifs qui connectent le cerveau humain aux machines. via Petites électrodes implantées. Les avantages potentiels des BCI vont de l’amélioration de la surveillance de l’activité cérébrale chez les patients souffrant de problèmes neurologiques à la restauration de la vision chez les personnes aveugles, en passant par la possibilité pour les humains de contrôler des machines en utilisant uniquement notre cerveau. Mais le principal obstacle au développement de ces appareils est les électrodes elles-mêmes – elles doivent conduire l’électricité, elles sont donc presque toutes en métal. Les métaux ne sont pas le matériau le plus approprié pour le cerveau, car ils sont durs et rigides et ne reproduisent pas l’environnement physique dans lequel les cellules cérébrales se développent normalement.

Ce problème a maintenant une solution dans un nouveau type d’échafaudage d’hydrogel électriquement conducteur développé à l’Institut Wyss de l’Université de Harvard, à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et au Massachusetts Institute of Technology. Non seulement l’échafaudage imite les conditions molles poreuses du tissu cérébral, mais il soutient la croissance et la différenciation des cellules progénitrices neurales humaines (NPC) en plusieurs types différents de cellules cérébrales pendant jusqu’à 12 semaines. Réalisation rapportée sur Matériaux de santé avancés.

Cet échafaudage conducteur à base d’hydrogel a un grand potentiel. Il ne peut pas seulement être utilisé pour étudier la formation des réseaux de neurones humains dans le laboratoire, Cela pourrait également permettre la création de BCI hybrides bio-implantables qui s’intègrent de manière plus transparente au tissu cérébral d’un patient, améliorant leurs performances et réduisant leur risque d’infection.

Christina Tringidis, Ph.D., auteur principal, ancienne étudiante diplômée à Wyss et SEAS et maintenant postdoctorale à l’ETH Zürich

D’un, plusieurs

Tringides et son équipe ont créé la première électrode à base d’hydrogel en 2021, motivées par le désir de fabriquer des électrodes plus douces qui peuvent « couler » pour épouser les courbes naturelles, les coins et les recoins du cerveau. Alors que l’équipe a montré que leur électrode était hautement compatible avec le tissu cérébral, ils savaient que le matériau le plus compatible avec les cellules vivantes était d’autres cellules. Ils ont décidé d’essayer d’intégrer des cellules cérébrales vivantes dans l’électrode elle-même, ce qui pourrait permettre à une électrode implantée de transmettre des impulsions électriques au cerveau d’un patient. via Connectivité cellulaire plus naturelle.

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Pour faire de l’hydrogel conducteur un endroit plus confortable pour les cellules, ils ont ajouté une étape de lyophilisation au processus de fabrication. Les cristaux de glace formés pendant la lyophilisation ont forcé l’hydrogel à se concentrer dans les vides autour des cristaux. Au fur et à mesure que les cristaux de glace s’évaporaient, ils laissaient derrière eux des pores entourés par l’hydrogel conducteur, formant un échafaudage poreux. Cette structure garantissait que les cellules auraient une large surface de croissance et que les composants électriquement conducteurs formeraient un chemin continu à travers l’hydrogel, délivrant des impulsions à toutes les cellules.

Les chercheurs ont varié les recettes de leurs hydrogels pour créer des échafaudages qui sont soit en caoutchouc visqueux (comme Jell-O) ou flexibles (comme un élastique), et souples ou rigides. Ils ont ensuite cultivé des cellules progénitrices neuronales humaines (NPC) sur ces échafaudages pour voir quelle combinaison de propriétés physiques soutient le mieux la croissance et le développement neuronaux.

Les cellules ont été cultivées sur des gels qui avaient des filets viscoélastiques et plus doux que les structures en forme de filet sur l’échafaudage et se sont différenciées en plusieurs autres types de cellules après cinq semaines. En revanche, les cellules cultivées sur des gels flexibles formaient des amas constitués en grande partie de PNJ indifférenciés. L’équipe a également modifié la quantité de matériau conducteur dans l’hydrogel pour voir comment cela affectait la croissance et le développement neuronaux. Plus l’échafaudage est conducteur, plus les cellules forment des réseaux ramifiés (comme elles le font in vivo) au lieu d’agglomérats.

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Les chercheurs ont ensuite analysé les différents types de cellules qui se sont développés dans leurs échafaudages d’hydrogel. Ils ont découvert que les astrocytes, qui soutiennent les neurones à la fois physiquement et également, formaient leurs longues projections caractéristiques lorsqu’ils se développaient sur des gels viscoélastiques par rapport à des gels élastiques, et qu’il y en avait beaucoup plus lorsque les gels viscoélastiques contenaient plus de matériau conducteur. Les oligodendrocytes, qui créent la gaine de myéline qui isole les axones des neurones, étaient également présents dans les échafaudages. Il y avait plus de myéline totale et de segments de myéline plus longs sur les gels viscoélastiques que sur les gels viscoélastiques, et l’épaisseur de la myéline augmentait lorsqu’il y avait plus de matériau conducteur dans les gels.

résistance électrique

Enfin, l’équipe a appliqué la stimulation électrique à des cellules humaines vivantes via matériaux conducteurs dans un échafaudage d’hydrogel pour voir comment cela affectait la croissance cellulaire. Les cellules ont été électrocutées pendant 15 minutes à la fois, quotidiennement ou tous les deux jours. Après huit jours, les échafaudages qui avaient été pulsés quotidiennement avaient très peu de cellules vivantes, alors que ceux qui avaient été pulsés tous les deux jours étaient pleins de cellules vivantes dans tout l’échafaudage.

Après cette période de stimulation, les cellules ont été laissées sur les échafaudages pendant 51 jours. Les quelques cellules restantes dans les échafaudages stimulés quotidiennement ne se sont pas différenciées en d’autres types de cellules, alors que les échafaudages tous les deux jours contenaient des neurones et des astrocytes hautement différenciés avec des saillies allongées. La différence des impulsions électriques testées ne semble pas avoir d’effet sur la quantité de myéline présente dans les gels.

« La différenciation réussie des PNJ humains en plusieurs types de cellules cérébrales au sein de nos échafaudages est la confirmation que l’hydrogel conducteur leur fournit le bon type d’environnement dans lequel se développer. » dans le laboratoire« , a déclaré l’auteur principal Dave Mooney, PhD, membre principal du corps professoral de l’Institut Wyss. C’était particulièrement excitant de voir la myélinisation sur les axones des neurones, car cela a été un défi permanent à reproduire dans des modèles vivants du cerveau. Mooney est également professeur de bioingénierie de la famille Robert P. Pinkas à SEAS.

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Tringides poursuit ses travaux sur les échafaudages d’hydrogel conducteur, avec des plans pour étudier plus avant comment différents types de stimulation électrique affectent différents types de cellules, et pour développer une approche plus complète dans le laboratoire Modèle. Elle espère que cette technologie permettra un jour la création d’appareils qui aident à restaurer les fonctions des patients humains souffrant de problèmes neurologiques et physiologiques.

« Ce travail représente une avancée majeure dans la création d’un fichier dans le laboratoire Un microenvironnement avec les bonnes propriétés physiques, chimiques et électriques pour soutenir la croissance et la spécialisation des cellules cérébrales humaines. Ce modèle pourrait être utilisé pour accélérer le processus de recherche de traitements efficaces pour les maladies neurologiques, ainsi que pour ouvrir une approche entièrement nouvelle pour créer des électrodes et des interfaces cerveau-machine plus efficaces qui s’intègrent de manière transparente au tissu neural. Nous sommes ravis de voir où cette intégration innovante de la science des matériaux, de la biomécanique et de l’ingénierie tissulaire nous mènera à l’avenir, a déclaré Don Ingber, directeur fondateur du Wyss Institute, MD. Yehuda Volkman est professeur de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children’s Hospital, W Professeur Hansjörg Wyss de bioingénierie en MERS.

Parmi les autres auteurs figurent Margoline Bollinger de SEAS, Andrew Khalil du Wyss Institute et du Whitehead Institute du MIT, Tenzin Lungjangwa du Whitehead Institute et Rudolf Jaenisch du Whitehead Institute et du MIT.

Source:

Référence de la revue :

TRINGIDES, CM, et coll. (2022) Échafaudages d’hydrogel conducteurs accordables pour la différenciation neuronale. Matériaux de santé avancés. doi.org/10.1002/adhm.202202221.

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Une nouvelle étude au sol suggère que la gravité peut exister sans masse : ScienceAlert

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Une nouvelle étude au sol suggère que la gravité peut exister sans masse : ScienceAlert

Qu’est-ce que la gravité sans la masse ? les deux Newton révolutionnaire Les lois décrivant son effet global et la proposition d’Einstein d’espace-temps alvéolé, nous pensions que la gravité se situe exclusivement dans le domaine de la matière.

Aujourd’hui, une nouvelle étude folle suggère que la gravité peut exister sans masse, éliminant ainsi le besoin de l’une des substances les plus insaisissables de notre univers : la matière noire.

La matière noire est une masse hypothétique et invisible qui représenterait 85 % de la masse totale de l’univers. Créé à l’origine pour Calculer les galaxies Bien qu’ils restent ensemble sous une rotation à grande vitesse, ils n’ont pas encore été observés directement, ce qui a conduit les physiciens à suggérer toutes sortes de phénomènes. Des idées là-bas Pour éviter de qualifier ce matériau insaisissable de moyen de combler les lacunes des théories existantes.

La dernière démonstration dans ce contexte vient de l’astrophysicien Richard Liu de l’Université d’Alabama à Huntsville, qui a proposé qu’au lieu que la matière noire maintienne les galaxies et autres objets ensemble, l’univers… Peut contenir de fines couches de « défauts topologiques » ressemblant à une croûte Ce qui conduit à la gravité sans aucune masse fondamentale.

Leo a commencé à essayer de trouver une autre solution au problème Les équations du champ d’EinsteinCe qui relie la courbure de l’espace-temps à la présence de matière en son sein.

Comme Einstein l’a décrit dans sa théorie en 1915 Relativité généraleL’espace-temps entoure des faisceaux de matière et des flux de rayonnement dans l’univers, en fonction de leur énergie et de leur élan. Cette énergie est bien entendu liée à la masse dans la célèbre équation d’Einstein : E=mc2.

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Ainsi, la masse d’un objet est liée à son énergie, ce qui conduit à la courbure de l’espace-temps – et cette courbure de l’espace-temps est Ce qu’Einstein a décrit comme la gravitéC’est un degré plus complexe que l’approximation de la gravité de Newton au XVIIe siècle. Force entre deux objets de masse. En d’autres termes, la gravité semble être étroitement liée à la masse.

Ce n’est pas le cas, dit Liu.

Dans son travail, Liu a entrepris de résoudre une version simplifiée des équations de champ d’Einstein qui permettent une force gravitationnelle finie en l’absence de toute masse détectable. il Il dit Ses efforts étaient « motivés par ma frustration face au statu quo, c’est-à-dire l’idée que la matière noire existe malgré l’absence de toute preuve directe depuis un siècle entier ».

La solution de Liu consiste en des défauts topologiques en forme de coquille qui peuvent se produire dans des régions très comprimées de l’espace avec une très haute densité de matière.

Ces groupes de coquilles concentriques contiennent une fine couche de masse positive nichée à l’intérieur d’une couche externe de masse négative. Les deux masses s’annulent, la masse totale des deux couches est donc exactement nulle. Mais lorsqu’une étoile tombe sur cette croûte, elle est exposée à une grande force gravitationnelle qui la tire vers le centre de la croûte.

« Ce que mon article prétend, c’est que les obus qu’il suppose sont au moins sans masse », a déclaré Liu. Il dit. Si ces suggestions controversées ont un quelconque poids, « alors il n’est pas nécessaire de perpétuer cette recherche apparemment sans fin de la matière noire ». Ajouter.

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La question suivante est alors de savoir comment confirmer ou infirmer les coquilles proposées par Liu à travers des observations.

« La fréquence croissante des observations d’anneaux et de formations semblables à des galaxies dans l’univers fournit une preuve du type de source proposé ici. » Il écrit dans son journal. Bien qu’il admette que la solution qu’il propose est « très suggestive » et ne peut à elle seule réfuter l’hypothèse de la matière noire.

« Cela peut être au mieux un exercice intéressant », Leo Il finit. « Mais c’est le premier [mathematical] Preuve que la gravité peut exister sans masse.

L’étude a été publiée dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

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Une étude réalisée en Oregon a révélé que les baleines grises de la côte du Pacifique sont devenues 13 % plus petites au cours des 20 à 30 dernières années.

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Les baleines grises qui passent l’été à se nourrir dans les eaux peu profondes au large de la côte nord-ouest du Pacifique ont connu une diminution significative de leur longueur depuis 2000 environ, selon une nouvelle étude de l’Université d’État de l’Oregon.

Selon les chercheurs, la taille plus petite pourrait avoir de graves conséquences sur la santé et le succès reproductif des baleines affectées, et également sonner l’alarme sur l’état du réseau trophique dans lequel elles coexistent.

« Cela pourrait être un signe avant-coureur indiquant que l’abondance de ce groupe d’animaux commence à décliner ou n’est pas en bonne santé », a déclaré KC Perlich, co-auteur de l’étude et professeur adjoint au Marine Mammal Institute de l’Ohio State University à Newport. « Les baleines sont les gardiennes de l’écosystème, donc si les populations de baleines ne se portent pas bien, cela pourrait nous en apprendre beaucoup sur l’environnement lui-même. »

L’étude, publiée dans la revue Global Change Biology, a porté sur le Pacific Coast Feeding Group (PCFG), un petit sous-groupe d’environ 200 baleines grises au sein du plus grand groupe du Pacifique Nord-Est (ENP) d’environ 14 500 baleines. Cette sous-population reste plus près des côtes de l’Oregon, se nourrissant dans les eaux moins profondes et plus chaudes des mers arctiques, où la majeure partie de la population de baleines grises passe la majeure partie de l’année.

Des études récentes menées par l’Ohio State University ont montré que les baleines de cette sous-population sont plus petites et dans une condition physique généralement pire que celles de leurs homologues ENP. L’étude actuelle révèle qu’ils ont diminué au cours des dernières décennies.

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Le laboratoire d’écologie géospatiale de la mégafaune marine (GEMM) du Marine Mammal Institute étudie ce sous-groupe de baleines grises depuis 2016, notamment en faisant voler des drones au-dessus des baleines pour mesurer leur taille. À l’aide d’images de 2016 à 2022 de 130 baleines individuelles d’âges connus ou estimés, les chercheurs ont déterminé qu’une baleine grise adulte née en 2020 devrait atteindre une longueur de corps adulte de 1,65 mètres (environ 5 pieds 5 pouces), soit plus courte que une baleine grise née avant 2000. Pour les baleines grises PCFG qui atteignent 38 à 41 pieds de longueur à pleine maturité, cela représente une perte de plus de 13 % de leur longueur totale.

Si la même tendance se produisait chez les humains, la taille moyenne d’une femme américaine passerait de 5 pieds 4 pouces à 4 pieds 8 pouces en 20 ans.

« En général, la taille est cruciale pour les animaux », a déclaré Enrico Perrotta, auteur principal de l’étude et chercheur à l’Université de St. Andrews en Écosse. « Cela affecte leur comportement, leur physiologie et leur histoire de vie, et a des effets en cascade sur les animaux et sur la société dont ils font partie. »

Les jeunes baleineaux en âge de sevrage pourraient ne pas être en mesure de gérer l’incertitude liée au fait de devenir indépendant, ce qui peut affecter les taux de survie, a déclaré Perrotta.

Pour les baleines grises adultes, l’une des plus grandes préoccupations est le succès de la reproduction.

« Comme ces baleines sont plus petites, des questions se posent quant à leur efficacité à stocker et à allouer l’énergie nécessaire à leur croissance et à maintenir leur santé. Plus important encore, sont-elles capables de fournir suffisamment d’énergie pour se reproduire et maintenir la croissance de la population ? » « , a déclaré Berlic.

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Les cicatrices que les baleines PCFG souffrent des collisions avec des bateaux et des enchevêtrements dans les engins de pêche font également craindre à l’équipe que leur taille corporelle plus petite combinée à leurs réserves d’énergie inférieures puissent rendre les baleines moins résistantes aux blessures.

L’étude a également examiné les modèles de l’environnement océanique qui régulent probablement la disponibilité de nourriture pour ces baleines grises au large de la côte Pacifique en suivant les cycles de « remontée d’eau » et de « relaxation » dans l’océan. Le courant de l’eau qui coule balaye les nutriments des zones profondes vers les zones peu profondes, tandis que des périodes de relaxation permettent ensuite à ces nutriments de rester dans des zones peu profondes où la lumière permet au plancton et à d’autres petits organismes de se développer, y compris les proies des baleines grises.

« Sans un équilibre entre la montée des eaux du fond et leur relâchement, l’écosystème pourrait ne pas être en mesure de produire suffisamment de proies pour supporter la grande taille de ces baleines grises », a déclaré le co-auteur Lee Torres, professeur agrégé et directeur du laboratoire GEMM. à l’Université d’État de l’Ohio.

Perrotta a déclaré que les données montrent que la taille des baleines a diminué en conjonction avec des changements dans l’équilibre entre la montée et la détente des eaux de fond.

« Nous n’avons pas examiné spécifiquement comment le changement climatique affecte ces tendances, mais nous savons de manière générale que le changement climatique affecte l’océanographie du nord-est du Pacifique à travers des changements dans la configuration des vents et la température de l’eau », a-t-il déclaré. « Ces facteurs et d’autres affectent la dynamique des fluctuations et des relâchements dans la région. »

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Maintenant qu’ils savent que la taille du corps des baleines grises PCFG est en déclin, les chercheurs affirment se poser de nombreuses nouvelles questions sur les conséquences ultimes de ce déclin et les facteurs qui pourraient y contribuer.

« Nous entamons notre neuvième saison sur le terrain pour étudier le sous-groupe PCFG », a déclaré Perlich. « Il s’agit d’un ensemble de données puissant qui nous permet de détecter les changements dans l’état corporel chaque année. Nous examinons donc maintenant les facteurs environnementaux de ces changements. »

Les autres co-auteurs de l’article sont Lisa Hildebrand, Clara Byrd et Alejandro Ajo de l’Ohio State University, ainsi que Leslie New de l’Ursinus College en Pennsylvanie.

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La formation par simulation basée sur l’IA améliore les performances humaines dans les exosquelettes robotiques

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Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont démontré une nouvelle méthode qui exploite l’intelligence artificielle (IA) et les simulations informatiques pour entraîner des exosquelettes robotiques afin d’aider de manière indépendante les utilisateurs à économiser de l’énergie lorsqu’ils marchent, courent et montent les escaliers.

« Ce travail propose et démontre un nouveau cadre d’apprentissage automatique qui comble le fossé entre la simulation et la réalité pour contrôler de manière autonome des robots portables afin d’améliorer la mobilité et la santé des humains », explique Hao Su, auteur correspondant d’un article sur les travaux qui seront publiés. Le 12 juin dans le magazine nature.

« Les exosquelettes ont un énorme potentiel pour améliorer les performances des locomotives humaines », déclare Su, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l’Université d’État de Caroline du Nord. « Cependant, leur développement et leur déploiement à grande échelle sont limités par de longues exigences en matière de tests humains et par des lois sur la surveillance manuelle.

« L’idée de base ici est que l’IA incorporée dans l’exosquelette portable apprend à aider les gens à marcher, courir ou grimper dans une simulation informatique, sans nécessiter aucune expérience », explique Su.

Plus précisément, les chercheurs se sont concentrés sur l’amélioration du contrôle autonome dans les systèmes d’IA incorporés, c’est-à-dire les systèmes dans lesquels le logiciel d’IA est intégré à la technologie des robots physiques. Ce travail visait à enseigner aux exosquelettes robotiques comment aider les personnes en bonne santé à effectuer divers mouvements. En règle générale, les utilisateurs doivent passer des heures à « entraîner » l’exosquelette afin que la technologie sache quelle force est nécessaire – et quand appliquer cette force – pour aider les utilisateurs à marcher, courir ou monter les escaliers. La nouvelle méthode permet aux utilisateurs de profiter immédiatement des exosquelettes.

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« Ce travail fait de la science-fiction une réalité, permettant aux gens de dépenser moins d’énergie tout en effectuant diverses tâches », explique Su.

« Nous avons développé une méthode pour former et contrôler des robots portables qui profitent directement aux humains », explique Xuzhen Lu, premier auteur de l’article et ancien chercheur postdoctoral à NC State. Luo est maintenant professeur adjoint à l’Université aéronautique Embry-Riddle.

Par exemple, lors de tests sur des humains, les chercheurs ont découvert que les participants à l’étude utilisaient 24,3 % d’énergie métabolique en moins lorsqu’ils marchaient avec un exosquelette robotique que lorsqu’ils marchaient sans exosquelette. Les participants ont utilisé 13,1 % d’énergie en moins lorsqu’ils couraient dans l’exosquelette et 15,4 % d’énergie en moins lorsqu’ils montaient les escaliers.

« Il est important de noter que ces réductions de puissance comparent les performances de l’exosquelette robotique à celles d’un utilisateur ne portant pas l’exosquelette », explique Su. « Cela signifie qu’il s’agit d’une mesure réelle de la quantité d’énergie économisée par l’exosquelette. »

Bien que cette étude se soit concentrée sur le travail des chercheurs auprès de personnes en bonne santé, la nouvelle méthode s’applique également aux applications d’exosquelettes robotiques visant à aider les personnes à mobilité réduite.

« Notre cadre peut offrir une stratégie généralisable et évolutive pour le développement rapide et l’adoption généralisée d’une variété de robots d’assistance pour les personnes en bonne santé et à mobilité réduite », explique Su.

« Nous en sommes aux premiers stades de tests des performances de la nouvelle méthode sur des exosquelettes robotiques utilisés par des personnes âgées et des personnes souffrant de troubles neurologiques, tels que la paralysie cérébrale. Nous souhaitons également explorer comment cette méthode peut améliorer les performances des dispositifs prothétiques robotiques. pour la population amputée.

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Cette recherche a été menée avec le soutien de la National Science Foundation sous les prix n° 1944655 et 2026622 ; Institut national de recherche sur le handicap, la vie indépendante et la réadaptation, dans le cadre de la bourse 90DPGE0019 et de la bourse de recherche suisse SFGE22000372 ; et les National Institutes of Health, sous le prix 1R01EB035404.

Shuzhen Luo et Hao Su sont co-inventeurs de la propriété intellectuelle liée au contrôleur évoquée dans ce travail. Su est également co-fondateur et détient un intérêt financier dans Picasso Intelligence, LLC, qui développe des exosquelettes.

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