Verso una Nuova Scienza di Confine

venerdì 23 ottobre 2020

Materiali bidimensionali: nuova sostanza “magica” per controllare bordi spessi solo un atomo.

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Una sostanza chimica “magica” per ottenere un controllo più efficiente e mai avuto prima sui bordi dei cosiddetti materiali bidimensionali è stato sviluppato da un team di ricercatori dell’Università di Tecnologia Chalmers , Svezia. Si parla di un passo avanti importante nel campo in quanto questo nuovo metodo consente praticamente di controllare e poter modificare i bordi di questi materiali spessi solo un atomo in maniera facile e scalabile. Si utilizzano sostanze chimiche ecocompatibili, tra cui il perossido di idrogeno, e solo un livello di riscaldamento moderato, come spiega Battulga Munkhbat, unricercatore del Dipartimento di Fisica della Chalmers e autore principale dello studio.

Come più spesso abbiamo accennato, i materiali sottili quanto un atomo, definiti un po’ erroneamente, se vogliamo, “materiali bidimensionali” , sono già da qualche anno rappresentati come i materiali del futuro. Tra di essi il più noto è sicuramente il grafene ma ci sono anche altri tra cui il bisolfuro di molibdeno, uno suo analogo semiconduttore. I vantaggi dei dispositivi costruiti con questi materiali possono essere moltissimi e sono collegati a varie loro caratteristiche ma questi stessi materiali non si stanno diffondendo per varie ragioni, tra cui ci sono anche i costi legati alla produzione.

Una delle ragioni, però, è rappresentata anche da una loro caratteristica intrinseca: i loro bordi sono naturalmente sottilissimi (si parla di uno o due atomi di spessore) e dunque poco controllabili. Si tratta di un problema scientifico non di poco conto tanto che sta rallentando lo stesso progresso relativo ai materiali bidimensionali.

I bordi dei materiali bidimensionali possono esistere in due varianti: a zigzag oppure a poltrona. I primi possono essere sia metallici che ferromagnetici mentre i secondi sono semiconduttori e non magnetici.

I ricercatori hanno scoperto una sostanza chimica che, sotto forma di normale perossido di idrogeno, riesce a rimuovere il materiale indesiderato dai bordi atomo per atomo producendo un bordo nitido a livello atomico. In questo modo si possono creare bordi perfetti nei materiali bidimensionali.

“Questo metodo apre possibilità nuove e senza precedenti per i materiali di van der Waals (materiali 2D stratificati). Ora possiamo combinare la fisica dei bordi con la fisica 2D in un unico materiale. Si tratta di uno sviluppo estremamente affascinante”, spiega Timur Shegai, un professore associato di fisica alla Chalmers nonché uno dei responsabili del progetto di studio.

Ora i ricercatori hanno creato anche una start-up per offrire più facilmente questa nuova tecnologia ai laboratori e alle aziende high-tech ma intendono sviluppare e migliorare ancora di più questo metodo per rendere i bordi di questi metamateriali ancora più nitidi e ancora più facilmente modificabili.

Approfondimenti

Transition metal dichalcogenide metamaterials with atomic precision | Nature Communications (IA) (DOI: 10.1038/s41467-020-18428-2 )

giovedì 22 ottobre 2020

Realizzate le prime sinapsi artificiali che funzionano come quelle naturali.

Fonte: Galileonet.it

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Sono capaci di simulare il comportamento di quelle naturali. Si tratta delle prime sinapsi artificiali, appena messe a punto dai ricercatori del laboratorio di Tissue Electronics dell’Istituto italiano di tecnologia, in collaborazione con l’università di Eindhoven e l’università di Stanford. Nel loro studio, appena pubblicato su Nature Materials, i ricercatori sono riusciti a dimostrare come questo primo modello di sinapsi artificiale bioibrida, ovvero composta da un’interfaccia biologica e una piattaforma elettronica, è capace di simulare il comportamento delle connessioni nervose, interagendo con le cellule.

Ricordiamo che, nel sistema nervoso, le sinapsi sono punti di connessione, ovvero hanno il compito di mettere in comunicazione il neurone presinaptico con quello postsinaptico, in modo tale da rendere possibile la trasmissione degli impulsi elettrochimici che compongono il segnale nervoso. Per realizzare le sinapsi artificiali, i ricercatori hanno scelto specifiche cellule di ratto in grado di assumere un comportamento simile a quello dei neuroni presinaptici, ossia quello di emettere il neurotrasmettitore dopamina. Le sinapsi, inoltre, sono caratterizzate dalla cosiddetta plasticità cerebrale, ossia sono in grado di adattarsi in base a cambiamenti dell’ambiente interno e esterno e di mantenere memoria di queste modifiche. Per simulare il neurone postsinaptico, quindi, il team ha realizzato un chip neuromorfico organico capace di conservare, in seguito a una stimolazione elettrica, una sorta di memoria, in un processo simili a quello dell’apprendimento.

Analizzando le variazioni dell’attività elettrica, i ricercatori hanno osservato che il chip riesce a individuare la dopamina rilasciata dalle cellule (quelle che mimano il neurone presinaptico), e di conservare nel tempo lo stato di eccitamento alterato (chiamato appunto effetto memoria), dimostrando di essere riusciti a creare in laboratorio la plasticità sinaptica. “Ѐ la prima volta che un dispositivo elettronico neuromorfico viene direttamente interfacciato con un sistema cellulare per ottenere una piattaforma in grado di riprodurre la plasticità sinaptica a breve e a lungo termine”, spiega Francesca Santoro, coordinatrice del Tissue Electronics dell’Iit. “Prima di questo studio erano stati realizzati sistemi capaci di ricevere stimoli, ma non in grado di eccitarsi e mantenere l’eccitamento a loro volta”.

I risultati del nuovo studio suggeriscono che la dinamica della connessione offerta dalle sinapsi artificiali è molto vicina a quella che avviene naturalmente tra due neuroni e forniscono, perciò, le basi e le informazioni utili per lo sviluppo di terapie e dispositivi medici sia nell’ambito delle malattie neurodegenerative, in cui si verifica la perdita di connessione tra neuroni, sia nel caso di amputazioni. Questi dispositivi, infatti, potrebbero ripristinare o sostituire le connessioni neuronali danneggiate oppure, per le amputazioni, fare da ponte tra le terminazioni nervose biologiche preservate e i circuiti delle protesi artificiali robotiche.

Scoperta per caso nuova coppia di ghiandole salivari nella testa umana.

Fonte: Notiziescientifiche.it

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Un piccolo studio, pubblicato su Radiotherapy and Oncology, mostra che il corpo umano può ancora sorprendere in termini di scoperte anatomiche. Se pensate che ogni angolo o anfratto dell’interno del nostro corpo sia stato già analizzato, decifrato o anche solo scoperto, forse vi sbagliate.

Come rileva il New York Times, che riprende il suddetto studio, un team di scienziati dei Paesi Bassi ha scoperto quello che dovrebbe essere una nuova coppia di ghiandole salivari. Queste ultime si trovano in un angolo nascosto della testa, in un incrocio in cui la cavità nasale si incontra con quella della gola. Questa sorgente del tutto nascosta di saliva sarebbe la prima scoperta di un organo interno del corpo umano (di queste dimensioni) dopo 300 anni quasi.

Fino a questa scoperta, infatti, quello che si sapeva era che le coppie di ghiandole salivari all’interno dei nostri corpi erano solo tre: una vicino alle orecchie, una sotto la mascella e un’altra proprio sotto la lingua. Matthijs Valstar, un ricercatore dell’Istituto olandese per la ricerca sul cancro nonché uno degli autori principale dello studio, ritiene invece di aver individuato una quarta coppia.

Lo studio è limitato in quanto ha esaminato una popolazione di soggetti umani molto limitata, come ammette Valerie Fitzhugh, patologa dell’Università Rutgers che interviene sulla New York Times e che non ha partecipato allo studio. In ogni caso se questa scoperta venisse confermata cambierebbe l’approccio che oggi abbiamo riguardo a varie malattie in cui queste ghiandole sono coinvolte.

Inizialmente i ricercatori dei Paesi Bassi non sono partiti cercando uno nuovo organo, men che meno un nuovo paio di ghiandole, e quindi sono rimasti loro per primi sorpresi quando hanno scoperto una nuova coppia di sottili ghiandole salivari lunghe circa 5 cm tutt’intorno ai “tubicini” che collegano le orecchie alla gola dopo aver cominciato a sezionare due cadaveri.

Questa nuova coppia, la quarta, è ben nascosta e molto poco accessibile e quindi il fatto che non sia stata mai scoperta potrebbe essere giustificabile.

Le ghiandole salivari svolgono un ruolo molto importante all’interno del corpo perché producono saliva (complessivamente ne producono più di un litro al giorno in un individuo sano). La stessa saliva serve in primis per lubrificare la bocca ma ha un ruolo importante anche per quanto riguarda l’emissione della voce e la deglutizione. Inoltre vanta anche dei rudimentali poteri curativi (può contrastare i microbi cattivi sulle ferite, per esempio).

Approfondimenti

Doctors May Have Found Secretive New Organs in the Center of Your Head – The New York Times (IA)
The tubarial salivary glands: A potential new organ at risk for radiotherapy – Radiotherapy and Oncology (IA) (DOI: 10.1016/j.radonc.2020.09.034)

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Così il cervello interpreta il movimento: craccato il codice (come si comprendono le intenzioni degli altri).

Fonte: ANSA Scienze

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E' stato craccato il codice del movimento: non hanno più segreti le aree del cervello che permettono di comprendere sia il movimento altrui, sia gli elementi che aiutano a comprendere le intenzioni degli altri. La scoperta, pubblicata sulla rivista Current Biology si deve al gruppo multidisciplinare dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) che ha riunito esperti di scienze computazionali, neuroscienze e scienze cognitive, con Cristina Becchio e Stefano Panzeri. Alla ricerca ha collaborato il gruppo dell'Università di Bologna diretto dallo psicobiologo Alessio Avenanti.

I risultati aprono, da un lato, la via ad applicazioni nella robotica mediante la realizzazione di robot capaci di leggere le intenzioni altrui e, dall'altro, potranno aiutare a capire le difficoltà che le persone con autismo incontrano nel leggere le intenzioni altrui, fornendo una base per future terapie.

Modelli matematici applicati all'analisi di centinaia di movimenti hanno permesso di ottenere mappe motorie che permettono di interpretare le variazioni impercettibili nel movimento che possono essere la spia di intenzioni, emozioni, aspettative e decisioni. Per esempio, basta vedere una persona che afferra una bottiglia per prevedere se intende bere o passare la bottiglia ad un'altra persona.

Per avere un'idea della complessità della ricerca basti pensare che un gesto come questo è codificato da 64 dimensioni, 16 variabili di movimento in quattro intervalli di tempo. Tecniche non invasive di analisi dell'attività cerebrale hanno poi permesso di identificare nel lobo parietale sinistro l'area cerebrale che legge i movimenti, permettendo di decodificarne le intenzioni.

"Ad oggi, il linguaggio motorio delle intenzioni non era noto. Per decifrarlo abbiamo applicato alla cinematica del movimento, ovvero alle caratteristiche spazio-temporali del movimento, strumenti matematici sviluppati per decifrare il codice neurale", osserva Becchio. "Questo approccio - ha aggiunto - ci ha permesso di capire non solo come l'informazione è scritta nel movimento, ma anche come viene letta da chi osserva e quali sono le computazioni coinvolte nel processo di lettura".

Un correttore per i futuri computer quantistici: Evita la dispersione di informazioni.

Fonte: ANSA Scienze

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Arriva il correttore dei computer quantistici. Messo a punto con un importante contributo italiano, impedisce la dispersione di informazioni in caso di errori. È presentato nello studio pubblicato sulla rivista Nature dal gruppo coordinato dall’Università austriaca di Innsbruck e dalla l’Università Tecnica tedesca di Aquisgrana, al quale l’Italia partecipa con Davide Vodola, del dipartimento di fisica e astronomia dell’Università di Bologna.

Attesi da decenni , i computer quantistici sfruttano le bizzarre proprietà del mondo degli atomi per aumentare le capacità di calcolo. Potrebbero, in teoria, svolgere un compito che a un computer tradizionale richiederebbe un tempo lunghissimo, che può anche andare oltre l’età conosciuta dell’universo.

Ma anche i computer quantistici possono commettere errori. Per questo, spiega Vodola all’ANSA, “abbiamo messo a punto un nuovo protocollo in grado di correggere e proteggere le informazioni quantistiche in caso di errori dovuti alla perdita di qubit”, le unità di informazione di base di questi computer del futuro. “I qubit, infatti, sono molto fragili e soggetti a errori dovuti a interazioni con l’ambiente esterno. Quindi - aggiunge l’esperto - sviluppare un processore quantistico pienamente funzionante rappresenta ancora una grande sfida per gli scienziati di tutto il mondo”.

L’Europa ha lanciato un ambizioso programma sulle tecnologie quantistiche finanziato dalla Commissione Europea con 1 miliardo di euro. L’iniziativa, che richiederà dieci anni di lavoro, vede l’Italia in prima fila con il Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr). “Il nostro protocollo, provato su un processore quantistico a ioni intrappolati - conclude Vodola - può essere utilizzato anche su altre architetture di qubit e potrà rivelarsi fondamentale per il futuro sviluppo di processori quantistici su larga scala”.

mercoledì 21 ottobre 2020

Ecco come i ricordi duraturi si fissano nel cervello.

Fonte: Focus

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Nel processo che trasforma un ricordo evanescente in una traccia che si conserva nel tempo entrano in gioco almeno due circuiti cerebrali, uno con una funzione eccitatoria e un altro con funzioni inibitorie. Il primo era noto da tempo, il secondo è una nuova scoperta di un gruppo di neuroscienziati della McGill University (Canada), come racconta uno studio su Nature.

I neuroni eccitatori sono coinvolti nella creazione del ricordo vero e proprio, quelli inibitori si occupano invece di bloccare il rumore di fondo nel cervello - le tracce meno pertinenti - e permettono al ricordo di consolidarsi. Entrambe le funzioni sono fondamentali se è vero che, come sostengono i ricercatori, manipolando selettivamente l'uno o l'altro circuito è possibile intervenire sulla memoria episodica a lungo termine.

Il consolidamento della memoria nel cervello richiede la sintesi di nuove proteine da parte delle cellule cerebrali. Non era chiaro però quali fossero le popolazioni di neuroni coinvolte in questa "produzione". Per capirlo, i ricercatori hanno fatto ricorso a topi transgenici in cui specifiche classi di neuroni avevano subito delle modifiche in un percorso molecolare importante per la formazione di ricordi a lungo termine: questa via, chiamata eIF2a, è nota per regolare la sintesi di proteine nei neuroni ed è coinvolta sia nel neurosviluppo sia in alcune malattie neurodegenerative.

Quando gli scienziati hanno stimolato questa modalità di sintesi proteica nei neuroni eccitatori dell'ippocampo (una struttura cerebrale cruciale per l'apprendimento e la memoria) hanno ottenuto un potenziamento nella formazione dei ricordi e hanno assistito alla modifica delle sinapsi, gli snodi di comunicazione tra neuroni. Ma lo stesso effetto è stato raggiunto anche quando è stata stimolata la sintesi proteica in una classe di neuroni che possono avere comportamenti inibitori, i neuroni della somatostatina. In questo caso, il rafforzamento del ricordo avveniva grazie alla regolazione della plasticità neuronale, la capacità del cervello di regolare l'intensità delle connessioni tra neuroni, di eliminare alcune poco utili e crearne di nuove.

Per gli autori dello studio, la scoperta di questa nuova popolazione di neuroni coinvolta è per certi versi inaspettata ma anche provvidenziale: potrebbe infatti trattarsi di un nuovo obiettivo per terapie mirate sui ricordi duraturi in condizioni che comportano deficit di memoria a lungo termine, autobiografica (ricordi personali) o semantica (conoscenze generali sul mondo), come l'Alzheimer o i disturbi dello spettro autistico. Questi ultimi, infatti, possono compromettere alcune operazioni fondamentali per il consolidamento dei ricordi.

L'intelligenza artificiale progetta cellule mai viste prima.

Fonte: ANSA Scienze

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L'intelligenza artificiale ha imparato a progettare cellule che non esistono in natura: dopo i supercomputer, è la nuova alleata della biologia sintetica, cui promette di mettere il turbo nella riprogettazione di sistemi viventi come lieviti e batteri per numerose applicazioni, dalla produzione di farmaci a quella di biocarburanti. Lo dimostrano due studi pubblicati su Nature Communications dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti.

Il loro nuovo algoritmo, chiamato Automated Recommendation Tool (Art), è in grado di prevedere (dopo un minimo addestramento) come certe modifiche del Dna o dei processi biochimici di una cellula possono cambiarne il comportamento, guidando così la sua ingegnerizzazione. "Le possibilità sono rivoluzionarie", spiega il coordinatore dello studio, Hector Garcia Martin. "Ora la bioingegneria è un processo molto lento: sono serviti anni per creare il farmaco antimalarico artemisinina. Se invece sei in grado di creare nuove cellule per un'indicazione specifica in un paio di settimane o mesi, puoi davvero stravolgere quello che puoi fare con la bioingegneria".

Per dimostrare l'utilità del sistema Art, i ricercatori lo hanno usato per ritoccare il metabolismo del lievito e aumentare la sua produzione dell'amminoacido triptofano. In particolare, hanno selezionato cinque geni, ciascuno dei quali controllato da altri geni o meccanismi regolatori, per un totale di quasi 8.000 possibili combinazioni. Grazie alla collaborazione con l'Università tecnica della Danimarca, hanno ottenuto dati sperimentali relativi a 250 combinazioni (pari al 3% di quelle possibili) che sono stati usati per addestrare l'intelligenza artificiale: così l'algoritmo ha imparato quale amminoacido viene prodotto in base ai geni accesi nella cellula. Usando un procedimento statistico, l'algoritmo ha poi dedotto come le restanti 7.000 e più combinazioni possono influire sulla produzione di triptofano, indicando la strada per aumentarla fino al 106%.