Рубрика: Наука

Новаторська графенова нейротехнологія, розроблена ICN2 та її співробітниками, обіцяє трансформаційні досягнення в нейронауці та медичних додатках, демонструючи високоточні нейронні інтерфейси та цілеспрямовану нервову модуляцію.

Дослідження, опубліковане в Nature Nanotechnology, представляє інноваційну нейротехнологію на основі графену з потенціалом трансформаційного впливу в нейронауці та медицині. Це дослідження, очолюване Каталонським інститутом нанонауки та нанотехнологій (ICN2) спільно з Автономним університетом Барселони (UAB) та іншими національними та міжнародними партнерами, наразі розробляється для терапевтичних застосувань через дочірню компанію INBRAIN Neuroelectronics.

Ключові характеристики графенової технології

Після років досліджень у рамках Європейського флагманського проекту Graphene ICN2 у співпраці з Університетом Манчестера очолила розробку EGNITE (Engineered Graphene for Neural Interfaces), нового класу гнучкої високоточної імплантованої нейротехнології на основі графену. . Результати, нещодавно опубліковані в Nature Neurotechnology, мають на меті зробити внесок за допомогою інноваційних технологій у розквіт нейроелектроніки та інтерфейсів мозок-комп’ютер.

EGNITE базується на величезному досвіді своїх винахідників у виготовленні та медичному перекладі вуглецевих наноматеріалів. Ця інноваційна технологія, заснована на нанопористому графені, об’єднує стандартні процеси виготовлення в напівпровідниковій промисловості для складання графенових мікроелектродів діаметром лише 25 мкм. Графенові мікроелектроди демонструють низький імпеданс і високу інжекцію заряду, важливі атрибути для гнучких і ефективних нейронних інтерфейсів.

Доклінічна перевірка функціональності

Доклінічні дослідження, проведені різними експертами з нейронауки та біомедицини, які співпрацювали з ICN2, з використанням різних моделей як для центральної, так і для периферичної нервової системи, продемонстрували здатність EGNITE записувати високоякісні нейронні сигнали з винятковою чіткістю та точністю, і, що більш важливо, забезпечити чітку цільову спрямованість нервова модуляція. Унікальне поєднання високоточного запису сигналу та точної нервової стимуляції, запропоноване технологією EGNITE, є потенційно критичним прогресом у нейроелектронній терапії.

Цей інноваційний підхід усуває критичну прогалину в нейротехнологіях, які мало просунулися в матеріалах за останні два десятиліття. Розробка електродів EGNITE може вивести графен на передовий край серед нейротехнологічних матеріалів.

Міжнародна співпраця та наукове лідерство

Представлена ​​сьогодні технологія базується на спадщині Graphene Flagship, європейської ініціативи, яка протягом останнього десятиліття прагнула просунути європейське стратегічне лідерство в технологіях, які спираються на графен та інші 2D-матеріали. За цим науковим проривом стоять спільні зусилля під керівництвом дослідників ICN2 Даміа Віана (зараз в INBRAIN Neuroelectronics), Стівена Т. Волстона (зараз в Університеті Південної Каліфорнії) та Едуарда Масвідала-Кодіни під керівництвом ICREA Хосе А. Гаррідо, керівник групи передових електронних матеріалів і пристроїв ICN2, а також ICREA Костас Костарелос, керівник лабораторії наномедицини ICN2 і факультету біології, медицини та охорони здоров’я Манчестерського університету (Великобританія). У дослідженні взяли участь Ксав’є Наварро, Наталія де ла Оліва, Бруно Родрігес-Меана та Хауме дель Валле з Інституту нейронаук та кафедри клітинної біології, фізіології та імунології Автономного університету Барселони (UAB).

Співпраця включає внесок провідних національних та міжнародних установ, таких як Інститут мікроелектроніки Барселони – IMB-CNM (CSIC), Національний інститут графену в Манчестері (Велика Британія) та Гренобльський інститут нейронаук – Університет Гренобль-Альпи (Франція). ) та Університет Барселони. Інтеграцію технології в стандартні процеси виготовлення напівпровідників було виконано в мікро- та нанофабрикаційній чистій кімнаті IMB-CNM (CSIC) під керівництвом дослідника CIBER доктора Хаві Ілла.

Клінічний переклад: наступні кроки

Технологія EGNITE, описана в статті Nature Nanotechnology, була запатентована та ліцензована INBRAIN Neuroelectronics, відділенням у Барселоні від ICN2 та ICREA за підтримки IMB-CNM (CSIC). Компанія, також партнер у флагманському проекті Graphene, керує впровадженням технології в клінічні програми та продукти. Під керівництвом генерального директора Кароліни Агілар компанія INBRAIN Neuroelectronics готується до перших клінічних випробувань цієї інноваційної графенової технології на людях.

Промисловий та інноваційний ландшафт напівпровідникової техніки в Каталонії, де амбітні національні стратегії планують побудувати сучасні потужності для виробництва напівпровідникових технологій на основі нових матеріалів, пропонують безпрецедентну можливість прискорити перетворення таких результатів, представлених сьогодні, у клінічну практику. програми.

Стаття Nature Nanotechnology описує інноваційну нейротехнологію на основі графену, яка може бути розширена за допомогою встановлених процесів виготовлення напівпровідників, зберігаючи потенціал трансформаційного впливу. ICN2 та його партнери продовжують розвивати та вдосконалювати описану технологію з метою перетворення її на справжню ефективну та інноваційну терапевтичну нейротехнологію.

Такі фільми, як «Люди Ікс», «Фантастична четвірка» та «Охоронці», які демонструють яскравих героїв-мутантів, захопили світову аудиторію. Нещодавно високопродуктивний генетичний скринінг мутантів швидкості мейотичного кросинговеру в Arabidopsis thaliana привернув інтерес академічної спільноти, розгадавши столітню таємницю в науках про життя.

Дослідницька група, що складається з професора Кюха Чоя, доктора Джейла Кіма та доктора філософії Хіджіна Кіма з Департаменту наук про життя Університету науки і технологій Поханг (POSTECH), досягла надзвичайного результату, відкривши молекулярний механізм, відповідальний за кросинговер. втручання під час мейозу, біологічна закономірність на рівні хромосоми. Результати цього дослідження були опубліковані 20 лютого в Nature Plants, міжнародному журналі в галузі наук про життя.

Роль мейозу в генетичному різноманітті

В організмах, що розмножуються статевим шляхом, особини схожі на своїх батьків або братів і сестер. Незважаючи на разючу схожість, важливо визнати, що абсолютна ідентичність недосяжна. Ця варіація пояснюється процесом мейозу, який генерує репродуктивні клітини, такі як сперма та яйцеклітини у тварин або пилок і яйцеклітини у рослин. На відміну від поділу соматичних клітин, який однаково дублює та ділить геном, мейоз створює генетично різноманітні репродуктивні клітини за допомогою механізму, відомого як кросовер.

Мейоз і кросинговер відіграють ключову роль у біорізноманітті та мають значний вплив на селекцію, де відбувається відбір і культивування найкращих ознак у культурах. Як правило, більшість видів тварин і рослин демонструють мінімум один і максимум три кросинговери на пару гомологічних хромосом.

Можливість контролювати кількість цих кросоверів може призвести до вирощування культур із певними бажаними ознаками. Однак досягнення такого контролю було складним завданням через «явище кросоверної інтерференції». Втручання кросинговеру, коли один кросовер перешкоджає утворенню іншого кросинговеру поруч уздовж тієї ж хромосоми, було вперше виявлено генетиком плодової мушки Германом Дж. Мюллером у 1916 році. Незважаючи на наполегливі зусилля дослідників протягом останнього століття з моменту його відкриття, лише нещодавно механізми, що лежать в основі перехресних перешкод, почали відкривати свої секрети.

Прорив у розумінні кросоверних перешкод

У цьому дослідженні команда використала високопродуктивний флуоресцентний метод оцінки насіння для прямого вимірювання частоти кросинговеру в рослинах Arabidopsis. За допомогою генетичного скринінгу вони ідентифікували мутант під назвою hcr3 (висока частота кросинговеру3 ), який продемонстрував підвищену швидкість кросинговеру на геномному рівні. Подальший аналіз показав, що підвищені кросинговери в hcr3 були пов’язані з точковою мутацією в гені J3, який кодує ко-шаперон, пов’язаний з білком HSP40.

Це дослідження продемонструвало, що мережа, яка включає ко-шаперон HCR3/J3/HSP40 і шаперон HSP70, контролює перехресне втручання та локалізацію, сприяючи деградації про-перехресного білка, HEI10 убіквітин Е3-лігази. Застосування підходів генетичного скринінгу для виявлення перехресного втручання та шляху гальмування успішно розв’язало столітню загадку в науках про життя.

Професор POSTECH Кюха Чой заявив: «Застосування цього дослідження в сільському господарстві дозволить нам швидко накопичувати корисні властивості, тим самим скорочуючи час розмноження». Він висловив оптимізм, сказавши: «Ми сподіваємося, що це дослідження сприятиме виведенню нових сортів і ідентифікації корисних природних варіацій, відповідальних за такі бажані риси, як стійкість до хвороб і стресу навколишнього середовища, підвищення продуктивності та високовартісне виробництво».

Дослідження стародавнього сімейства гостроносих риб, відомих як гарс, знайшли перші переконливі докази того, що біологічний механізм може пояснити їх статус як «живих копалин». Деякі живі організми мають винятково низьку видову різноманітність і фізичні варіації від давніх предків, що змусило Дарвіна створити цей термін у 1859 році. Але чітких доказів механізму живих скам’янілостей раніше не існувало.

«Наша стаття показує, що живі скам’янілості — це не просто дивні історичні події, а фундаментальна демонстрація еволюційного процесу в природі», — каже еволюційний біолог Єльського університету Чейс Браунштейн. «Це не тільки допомагає нам краще зрозуміти біорізноманіття планети, але потенційно одного разу може бути застосоване для медичних досліджень і покращення здоров’я людини».

Браунштейн і його колеги зі США та Китаю виявили, що два різні види – довгоносі гари (Lepisosteus osseus) і алігаторові гари (Atractosteus spatula) – можуть давати плідне гібридне потомство, незважаючи на те, що від їх останнього спільного предка минуло 105 мільйонів років.

Востаннє у коней і ослів був спільний предок лише 4 мільйони років тому. Хоча вони можуть спаровуватися, щоб успішно виробляти потомство, відоме як мули, гібрид, як правило, безплідний. Команда виявила, що гари мають найдавнішого відомого спільного предка різних видів, що створюють плідні гібриди, фактично приблизно 60 мільйонів років.

Аналіз 1105 кодуючих ділянок ДНК у 481 виду щелепних хребетних виявив, що гари мають найповільніші темпи молекулярної еволюції з усіх, що може пояснити, чому їхні гібриди все ще можуть бути життєздатними та плідними, навіть після 100 мільйонів років як окремі види. Коли генетичні зміни відбуваються досить повільно, щоб навіть дуже різні види могли спаровуватися та створювати гібриди, еволюція нових видів також може сповільнитися.

«Ми показуємо, що повільна швидкість молекулярної еволюції гарів загальмувала швидкість їх видоутворення», — каже іхтіолог Єльського університету Томас Нір. «По суті, це перший випадок, коли наука показує, що родовід через внутрішній аспект своєї біології відповідає критеріям живих копалин».

Осетрові та веслононосі – види зі спільним походженням, які, як відомо, також дають плідні гібриди – мають такі ж повільні темпи еволюції. Однак gars був явним переможцем, коли справа доходить до повільності.

Вищі темпи еволюції означають, що якщо зазвичай ізольовані популяції якимось чином контактують і розмножуються, вони з меншою ймовірністю будуть сумісні одна з одною, кажуть дослідники.

«Чим повільніше мутує геном виду, тим більша ймовірність того, що він зможе схрещуватися з окремим видом, від якого він був генетично ізольований протягом тривалого періоду часу», — говорить Браунштейн.

Дослідники відзначають, що деякі живі скам’янілості можуть бути «випадковістю історії», як-от туатара (Sphenodon punctatus), яка була однією з кількох живих скам’янілостей, які, на відміну від гарів, не мали надзвичайно повільної швидкості генома. Вони вважають, що для живих скам’янілостей, отриманих у результаті надповільної молекулярної еволюції, як-от гарів, секретом є потужний механізм відновлення ДНК, який дозволяє виправляти мутації.

«Більшість видів раку є соматичними мутаціями, які представляють збої в механізмах відновлення ДНК індивіда», — каже Нір. «Якщо подальші дослідження доведуть, що механізми відновлення ДНК gar є надзвичайно ефективними, і виявлять, що робить їх такими, ми можемо почати думати про потенційне застосування для здоров’я людини».

За даними нового дослідження, опублікованого в журналі Evolution, панцирні щуки із сімейства Lepisosteidae змінюються дуже повільними темпами з того часу, як їхні предки з’явилися наприкінці юрського періоду – від 163,5 до 145 мільйонів років тому.

Панцирні щуки, або довгорили панцирники, представляють вид хижих риб сімейства панцирникових. Вони мешкають в озерах та річках Північної та Центральної Америки. 

Автори дослідження  застосували  комп’ютерний аналіз вивчення послідовностей генів, що збереглися у панцирних щук та інших риб від своїх спільних предків. У результаті  з’ясувалося, що панцирні щуки еволюціонують зі швидкістю на три порядки повільніше, ніж будь-які інші живі хребетні.

Тонкоплівкове покриття можна наносити на магнієві сплави для аерокосмічного та оптичного застосування. Іноді для чіткого бачення потрібен повний чорний колір. Для астрономії та точної оптики пристрої з нанесенням чорної фарби можуть зменшити розсіяне світло, покращуючи зображення та підвищуючи продуктивність. Для найдосконаліших телескопів і оптичних систем кожна дрібниця має значення, тому їх виробники шукають найчорніші чорні кольори для їх покриття.

У Journal of Vacuum Science&Technology A, видавництві AIP Publishing, дослідники з Шанхайського науково-технічного університету та Китайської академії наук розробили ультрачорне тонкоплівкове покриття для магнієвих сплавів аерокосмічного класу. Їхнє покриття поглинає 99,3% світла, водночас досить міцне, щоб вижити в суворих умовах. Для телескопів, що працюють у космічному вакуумі, або оптичного обладнання в екстремальних умовах існуючих покриттів часто недостатньо.

Удосконалення чорних покриттів

«Існуючі чорні покриття, такі як вертикально розташовані вуглецеві нанотрубки або чорний кремній, обмежені крихкістю», — сказав автор Юньчжень Цао. «Для багатьох інших методів покриття також важко наносити покриття всередині труби або на інші складні конструкції. Це важливо для їх застосування в оптичних пристроях, оскільки вони часто мають значну кривизну або складну форму».

Щоб вирішити ці проблеми, дослідники звернулися до атомно-шарового осадження (ALD). За допомогою цієї технології виготовлення на основі вакууму мішень поміщається у вакуумну камеру та послідовно піддається впливу певних типів газу, який прилипає до поверхні об’єкта тонкими шарами.

«Одна велика перевага методу ALD полягає в його чудовій здатності до ступінчастого покриття, що означає, що ми можемо отримати рівномірне покриття плівки на дуже складних поверхнях, таких як циліндри, колони та траншеї», — сказав Као.

Щоб зробити ультрачорне покриття, команда використовувала чергування шарів легованого алюмінієм карбіду титану (TiAlC) і нітриду кремнію (SiO2). Ці два матеріали працюють разом, запобігаючи відбиванню майже всього світла від покритої поверхні.

«TiAlC виконував роль поглинаючого шару, а SiO2 використовувався для створення антиблікової структури», — сказав Као. «В результаті майже все падаюче світло потрапляє в багатошарову плівку, досягаючи ефективного поглинання світла».

Майбутні програми та вдосконалення

Під час тестів команда виявила середнє поглинання 99,3% у широкому діапазоні довжин світлових хвиль, від фіолетового світла на 400 нанометрів до ближнього інфрачервоного на 1000 нанометрів. Використовуючи спеціальний бар’єрний шар, вони навіть нанесли покриття на магнієві сплави, які часто використовуються в аерокосмічній галузі, але легко піддаються корозії.

«Щобільше, плівка демонструє чудову стабільність у несприятливих умовах і достатньо міцна, щоб витримувати тертя, спеку, вологість і екстремальні зміни температури», — сказав Цао.

Автори сподіваються, що їх покриття буде використано для покращення роботи космічних телескопів і оптичного обладнання, що працює в найекстремальніших умовах, і працюють над подальшим покращенням його продуктивності.

«Тепер, коли плівка може поглинати понад 99,3% вхідного видимого світла, ми сподіваємося ще більше розширити її діапазон поглинання світла, включивши в нього ультрафіолетові та інфрачервоні області», — сказав Цао.

Дослідники виявили нерівномірний розподіл температури в мікромеханічних резонаторах, що впливає на їх дизайн і продуктивність у квантовій науці та точному вимірюванні. Вимірюючи незначні зміни таких величин, як сили, магнітні поля, маси малих частинок або навіть гравітаційні хвилі, фізики використовують мікромеханічні резонатори, які діють як камертони, резонуючи на певних частотах. Традиційно вважалося, що температура в цих пристроях є рівномірною.

Змінність температури в резонаторах

Однак нове дослідження, проведене співробітником JILA та професором фізики Університету Колорадо в Боулдері Сінді Регал та її командою, доктором Равідом Шанівом і аспірантом Крісом Рітцем, виявило, що в конкретних сценаріях, таких як передові дослідження взаємодії між світлом і механічними об’єктами, температура може відрізнятися в різних частинах резонатора, що призводить до несподіваної поведінки. Їхні спостереження, опубліковані в Physical Review Research, потенційно можуть революціонізувати дизайн мікромеханічних резонаторів для квантових технологій і точного зондування.

«У квантових наукових експериментах розуміння наслідків цієї різниці температур дозволить вам генерувати свій механічний квантовий стан з кращою точністю та зберігати його незміненим довше, що є важливими відправними точками для квантових застосувань», — розкрив науковий співробітник JILA та перший автор Равід Шанів.

Режими вимірювачів хвилин

Завдяки своїй гнучкій конструкції мікромеханічні резонатори є стандартним інструментом у багатьох різних галузях фізики. Ці пристрої часто виготовляються з кремнію або подібних матеріалів і можуть приймати різні форми: балки, консолі, мембрани або диски. Їх невеликий розмір дозволяє їм коливатися на високих частотах, часто в діапазоні від мегагерц (МГц) до гігагерц (ГГц).
Універсальність конструкції мікромеханічного резонатора також дозволяє фізикам точно налаштовувати їх коливання. Подібно до того, як гітарна струна може вібрувати кількома способами (коли вся струна рухається вперед-назад або лише її частини коливаються, а решта залишається нерухомою), мікромеханічні резонатори можуть коливатися в різних моделях або «режимах». Найвідомішим режимом є основний режим, коли вся структура рухається в унісон. Але є також моди вищого порядку, де інші частини резонатора рухаються за більш складними схемами.

Щоб виміряти рух резонатора, фізики використовують лазерні промені. Резонатор діє як «рухоме дзеркало», і лазерне світло, яке відбивається, несе інформацію про його положення. У порівнянні зі світлом, яке відбивається від окремого фіксованого дзеркала, виникає інтерференційна картина, що показує рух резонатора з надвисокою точністю.

Протягом багатьох років спостережень за цими модами оптично та обговорення їх з іншими фізиками Шанів і Регал зрозуміли дещо цікаве. «Люди помітили, що деякі з цих режимів демонструють більше теплового руху, ніж інші», — сказав Шанів. «Як правило, люди хочуть максимально усунути цей рух, оскільки він може затьмарити будь-який незначний ефект, який вони хочуть відчути».

Фізики припустили, що цей надлишок теплового руху може бути пов’язаний з тим, що резонатор поглинає лазерне світло у вигляді тепла. Різні режими резонатора можуть мати різні моделі руху, що призводить до різних областей напруги або деформації, які, своєю чергою, можуть призвести до різних величин теплового руху.

У багатьох спостереженнях чим складніший режим резонатора, тим більше його теплова енергія відхиляється від попередніх теорій, які припускали, що температура для кожного режиму була однаковою. Шанів продовжив: «Ми хотіли відстежити причину цього та як можна досягти оптимального дизайну для цих режимів».

Створення температурних профілів

Щоб глибше зануритися в цю температурну загадку, Шанів і Регал створили спеціальні температурні профілі для кожного режиму. Для цього дослідники використовували «фононний кристал», що складається з нітриду кремнію. Кристал діяв як ігровий майданчик, де дослідники могли проектувати режими резонатора та генерувати різні температурні профілі, що дозволяло їм спостерігати індукований тепловий рух кожного режиму резонатора.

Щоб створити температурний профіль, команда нагріла точку на кристалі до дуже високих температур, утримуючи край резонатора при кімнатній температурі. Після того, як було розроблено профіль і виміряно тепловий рух, дослідники виявили кілька досить цікавих результатів. Залежно від геометрії моди, деякі моди демонстрували підвищений тепловий рух, тоді як, навіть якщо частини резонатора були надзвичайно гарячими, інші демонстрували лише помірне нагрівання, а деякі не виявляли нагрівання взагалі. «Повертаючи ручку до упору під час експерименту, ви могли побачити цю разючу різницю», — уточнив Регал.

Шанів продовжив: «Дивлячись на ці дійсно великі різниці температур між модами, ми змогли побудувати температурний профіль резонатора безпосередньо з виміряного теплового руху та навіть знайти деякі параметри матеріалу, які зазвичай непросто оцінити, наприклад, коефіцієнт випромінювання, тобто скільки випромінювання випромінює наш пристрій».
Побачивши, які режими корелюють з різними тепловими рухами, команда могла почати передбачати, як продуктивність резонаторів може змінюватися залежно від їх режиму. Як пояснив Рігал: «Наступним природним кроком буде запитати, чи можна використати ці концепції не лише для розуміння того, як підтримувати резонатори холодними для квантових досліджень, а й для термодатування».

Проектування кращих резонаторів

Завдяки отриманим знанням наукові та інженерні спільноти могли б досягти значних успіхів у розробці та застосуванні цих мініатюрних, але надзвичайно важливих пристроїв. «Ми фактично дали в нашому документі реальну цифру заслуг, з якою групи можуть працювати в цьому напрямку», – уточнив Шанів. «Наприклад, тепер у нас є певний параметр, який можна ввести як обмеження в комп’ютер і спробувати створити найкращий можливий резонатор».