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04.11.2022

Parte del equipo de Weizmann Argentina (izq a der) Pablo Guckenheimer, Comisión Directiva, Florencia Arbiser, directora, y los miembros de la Comisión de Educación en Ciencias, Julieta Leyt Kachanovsky, Analía Zwick y Gonzalo A. Alvarez.
©Copyright Marcelo Bartolomé

Hola, 

La semana pasada recibimos en Buenos Aires a los físicos Analía Zwick y Gonzalo A. Álvarez, integrantes la Comisión de Educación en Ciencias de la Asociación de Amigos Argentinos del Instituto Weizmann.
 
Formados en la Universidad Nacional de Córdoba y posdoctorados en el Weizmann, regresaron al país hace seis años y se radicaron en Bariloche. Allí dirigen el Laboratorio de Espectroctomía e Imágenes, de la Comisión Nacional de Energía Atómica y Conicet, en el Instituto Balseiro.

Su investigación científica se centra en la Resonancia Magnética Nuclear, una técnica que permitió determinar la estructura de átomos y moléculas de modo no invasivo y con la que buscan herramientas de diagnóstico para que la medicina resulte más personalizada y preventiva, con tratamientos más eficientes y menos efectos colaterales.
 
A los muchos reconocimientos que cosecharon en su recorrido -Antorchas, Alexander Von Humboldt, Marie Curie y L’Oreal-Unesco, entre otros- acaban de ser seleccionados por los Ministerios de Ciencias de Israel y de Argentina para apoyar la investigación conjunta que llevan a cabo con el profesor argentino Lucio Frydman, director del Departamento de Física Química y Biológica en el Instituto Weizmann, en Israel. Su desafío conjunto es aplicar la física cuántica para lograr mejoras significativas en el diagnóstico temprano de ciertas patologías, como el cáncer y enfermedades neurodegenerativas, entre otras.
 
Clarín los retrató como “los Curie argentinos”. Podés leer su historia

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¡Felicitaciones a los equipos binacionales seleccionados!
Los Amigos Argentinos del Weizmann

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Los "Curie" argentinos: se enamoraron en la facultad y ahora los premian por aplicar la física cuántica a la salud

Analía Zwick y Gonzalo Álvarez dirigen un laboratorio del Balseiro. Y ganaron una convocatoria para un proyecto entre el Ministerio de Ciencia de la Nación y el de Israel.

30/10/2022 6:00 Actualizado al 02/11/2022 13:47

Pocos temas suenan más lejanos que hablar de física cuántica. Pero porque no somos concientes de cuánto está entre nosotros (y en nosotros). 

El conocimiento del mundo atómico permitió el desarrollo de tecnologías que usamos todos los días en lo más cotidiano (y en lo más complejo): el GPS, los transistores (que están dentro de las computadoras), láseres, los leds o los resonadores clínicos.

Para esta pareja de doctores en física, la cuántica también está en su relación.

Ellos --que no cumplen con el cliché nerd y son más científicos de camisola de cuello hindú y túnicas, o de hacer trekking de montaña y llevar a ver paisajes a sus alumnos-- se ríen y hasta se sonrojan cuando tienen que hablar de cómo es el amor a la ciencia en la ciencia. Pero, digamos, son los "Curie" argentinos.

Analía Zwick y Gonzalo Álvarez, investigadores del CONICET. Foto Maxi FaillaAnalía Zwick y Gonzalo Álvarez, investigadores del CONICET. Foto Maxi Failla

Como los pioneros Marie y Pierre Curie, Analía Zwick y Gonzalo Álvarez son físicos y son pareja. Ambos dirigen el laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear en el Instituto Balseiro, en Bariloche-- y el desafío cuántico que encaran también está orientado a la salud: cómo aplicar la física cuántica en el diagnóstico por imágenes. Para que el diagnóstico del cáncer o el Alzheimer sea aún más temprano. Y sin necesidad de biopsia.

Juntos desde hace 16 años, estudiaron, recibieron premios y fueron becados en el exterior. Siempre, juntos. 

De nuevo en Argentina tras una beca en Italia --y horas antes de viajar a Montevideo para el encuentro científico de una fundación alemana--, los investigadores del Conicet hablaron con Clarín de un nuevo logro local y de a dos. El Ministerio de Ciencia y Tecnología de la Nación  los acaba de seleccionar para una beca conjunta con el Ministerio de Ciencia de Israel.

Los átomos como "espías"

La Resonancia Magnética Nuclear convencional, al ser una técnica no invasiva, sin necesidad de extraer tejido con una biopsia, tiene muy buena, digamos, calidad de imagen. Pero el tamaño de los píxeles sigue siendo muy grande. Ellos van por el acercamiento cuántico para el diagnóstico. 

"Cuando uno detecta un cáncer o una enfermedad neurodegenerativa, ya es algo avanzado. Se puede ver por dentro, pero ya es algo muy grande. Ahí es muy importante la física cuántica, que lo que hace es estudiar los átomos. Las cosas muy, muy chiquititas", explica Gonzalo, de 46 años, que fue galardonado por la Fundación Alexander von Humboldt en Alemania.

En ese por dentro del que habla el científico, hay que entender que nuestro cuerpo está compuesto por un montón de átomos y moléculas que se rigen por las leyes de la física cuántica.

Con la resonancia magnética nuclear -cuya trascendencia ya fue reconocida con cinco premios Nobel- se pueden ver los átomos y con la cuántica se puede tratar de extraer la información que esos átomos ven dentro de nuestro cuerpo, para visualizar así a la máxima expresión el origen de esas enfermedades.

Marie y Pierre Curie, Ella, primera y única mujer en recibir dos Nobel en distintas especialidades científicas: Física y Química. El de Física lo compartió con su pareja.Marie y Pierre Curie, Ella, primera y única mujer en recibir dos Nobel en distintas especialidades científicas: Física y Química. El de Física lo compartió con su pareja.

Lograr distinguir cambios a nivel celular, que es donde está el inicio estas patologías, antes de que sea tan tarde.

Ese es el mantra que una pareja de ciencia como esta repite cuando entra al laboratorio. Los dos no son ni médicos ni biólogos. Quieren construir lo que se necesita para colaborar con esos médicos y biólogos: aumentar el alcance de los equipos actuales. 

Si se quiere, hoy están las biopsias para ir hasta las células. "Pero no es tan lindo hacer una biopsia para diagnosticar el cerebro. Buscamos lo no invasivo y más preciso", sigue Gonzalo, oriundo de Córdoba.

"La idea es no tener que extraer tejido para ponerlo debajo de un microscopio. La idea es ir a escala microscópica sin tener que alterar nada. Cambiaría la forma de hacer ciertos estudios", dice Analía, que es de La Pampa y en 2018 recibió una mención especial en el Premio L`Oreal-UNESCO de Mujeres en la Ciencia.

Detectando, como sólo lo permite la física cuántica, el giro de los átomos de las moléculas de agua, infieren cómo es su entorno a escalas micrométricas, a un tamaño 100 veces más chico que la resolución actual. Ahí los átomos son espías de lo que pasa en el cuerpo.

"Podemos usar los mismos átomos de nuestro cuerpo, de forma no invasiva, como sensores de su entorno y procesar la información que nos aportan. Abre una llave para entender enfermedades en estadíos más tempranos, desarrollar algún tipo de marcador de las patologías o un tratamiento. Es una nueva revolución de la cuántica en la medicina", sigue "Any". 

¿Otra forma de entenderlo sin ser científicos?

Si hoy una resonancia da una imagen, ellos quieren hacer zoom hasta las microestructuras y procesos que se esconden dentro de cada pixel milimétrico de esa foto.

Analía Zwick es de Guatraché, provincia de La Pampa, y tiene 40 años. Foto: Maxi FaillaAnalía Zwick es de Guatraché, provincia de La Pampa, y tiene 40 años. Foto: Maxi Failla

Trabajan con tejido no biológico, que ellos describen "como si fueran pelos" y que crean para simular, por ejemplo, la estructura de las conexiones de las neuronas, y examinarlas con el mini resonador que construyeron en el laboratorio.

La investigación de esta pareja fue elegida por ambos ministerios de ciencia en una reñida competencia que cerró con 5 ganadores entre 35 proyectos finalistas.

"Para llevar nuestro desarrollo, que hacemos a nivel investigación (en ese mini resonador pre clínico), a un resonador clínico (a uno real, como el que se usa con pacientes), tenemos proyectos en colaboración con otros investigadores que lo tienen específicamente para investigar, y que tienen más experiencia en patologías", cuenta ella.

Eso los llevó a un centro de neurociencias en Italia, donde ellos mismos, durante dos meses y medio, fueron conejillos de indias. Se metieron en un túnel, con un casco de bobinas desde el que detectaron las señales de sus átomos en el cerebro. Volvieron a la Patagonia con más aspiraciones médicas cuánticas que nunca.

Otra revolución de la cuántica aplicada a la medicina son las nanopartículas para mover esos átomos, algo que también es experimental y, a diferencia del diagnóstico por imágenes, sí es invasivo.

Los une el amor y la cuántica

Analía, de 40, y Gonzalo, de 46, tienen colaboraciones científicas con muchos centros del mundo. En varios casos, con profesores argentinos a cargo.

Gonzalo es cordobés y tiene 46 años. Foto: Maxi FaillaGonzalo es cordobés y tiene 46 años. Foto: Maxi Failla

Uno es el de Lucio Frydman, en el Departamento de Física Química y Biológica del Instituto Weizmann de Israel, donde volverán a instalarse para trabajar en la investigación de sus vidas.

Pero antes de cualquier paper, está el origen de esta relación.

Los dos estudiaron la Licenciatura en Fisica en la Universidad Nacional de Córdoba e hicieron el doctorado en Fisica con becas del CONICET.

"Mientras yo hacia el doctorado en Argentina, Gonzalo hizo un postdoctorado en Alemania, con una beca de la Fundación Alexander von Humboldt en la Universidad de Dortmund", cuenta la científica, que durante ese tiempo tuvo varias estadías prolongadas de investigación en ese país, con beca de la DAAD (Servicio Alemán de Intercambio Académico).

"Terminamos juntos, yo el doctorado y Gonzalo su postdoctorado, y de ahí, nos fuimos juntos a Israel, donde hice el posdoctorado financiada por el Instituto y él fue como investigador visitante con un subsidio Marie Curie de la Comunidad Europea". En total fueron 3 años y medio en Alemania y 3 años y medio en Israel, con convivencia adentro y afuera del laboratorio.

Casados, sin hijos, jóvenes científicos, docentes y jefes de sus equipos, no pueden escapar a la pregunta que se les hace en un congreso, en un café o en una nota. ¿Cómo es el amor a la ciencia y amar en la ciencia? Pero se ponen tímidos.

Se conocieron en la facultad en el 2000 y empezaron a salir seis años después. "No éramos cercanos, pero nos habíamos visto cuando yo laburaba en la fotocopiadora de la facu y él era ayudante en alguna cátedra. Cuando terminé la licenciatura, él terminó el doctorado", cuenta la pampeana. Pero cursaron una materia juntos. "Una materia cuántica, justamente", dice él, entre risas, ya más distendido.

Todo se ve muy bien de lejos, pero desde un mayor acercamiento, ¿es más difícil o más fácil que justo investiguen lo mismo?

"Hay muchas parejas en la ciencia, no sé si justo investigando lo mismo, como nosotros. También las hay.... Al principio cada uno trabajaba en su proyecto, pero teníamos intereses comunes", dice él. "Hay que aprender a trabajar juntos, sí pero se fue dando solo. Para nosotros es una pasión lo que hacemos. Y la compartimos", cierra ella.

GL

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Una mirada a la importancia de la resonancia magnética nuclear y la física cuántica

Reproducimos el informe de la Dra. Analía Zwickpublicado en la serie HOJITAS DE CONOCIMIENTO que edita el Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable (iEDS) de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), a quienes agradecemos la gentileza por compartirlo. 

Como físicos, impulsamos a través de la investigación nacional el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas, en colaboración con biólogos y médicos que conocen de enfermedades, con el objeto de lograr información cuantitativa  que propicie el diagnóstico temprano de ciertas patologías.

La Resonancia Magnética Nuclear

    Numerosos científicos contribuyeron a desarrollar la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) y su podio a lo largo de la historia ya conlleva 5 premios Nobel. Esta técnica permite detectar lo que vendría a ser la huella digital de átomos y moléculas. Lejos de quedar como una mera curiosidad, la RMN se tornó una herramienta poderosísima para determinar la estructura tridimensional de moléculas complejas. Esto trajo de la mano avances revolucionarios en química y biología, nuevos fármacos y nuevos métodos de diagnóstico por imágenes.

El desafío

     La imagen por RMN rápidamente se volvió uno de los métodos predilectos de diagnóstico para mirar el interior de los tejidos, por ser no invasivo. Pero el gran limitante de su tecnología actual es el diagnóstico temprano de ciertas patologías como el cáncer y las neurodegenerativas (entre ellas el Alzheimer), porque sus imágenes carecen de la resolución suficiente como para distinguir cambios a nivel celular, que es donde ocurren los inicios de estas patologías. Aquí surge el desafío de aumentar el alcance de los equipos actuales.

La solución clave

     La investigación científica ha demostrado que la física cuántica brinda la clave para lograr mayor resolución en las imágenes generadas por un equipo convencional de RMN. La comprensión y control del mundo atómico permite ver a través de un píxel de una imagen tradicional, como cuando un punto brillante en el cielo nocturno se ve como galaxia a través de un potente telescopio. Lo fascinante y a la vez desafiante, es que los átomos se comportan de una manera “anti-intuitiva” respecto de lo que estamos acostumbrados a observar cotidianamente. Ellos poseen una propiedad peculiar llamada espín (como si fuese un trompo de hierro que gira por efecto de un fuerte imán), y este espín genera una señal que es detectada como onda de radio por una bobina. Los equipos llamados resonadores poseen un imán muy potente, que puede llegar a percibir estas señales características de los átomos del cuerpo. Pero pretendemos ir más allá. Si hacés girar un trompo común sobre una superficie lisa o rugosa, sin duda vas a comprobar que el tipo de superficie afecta su giro. Observando cómo gira el trompo, se podría inferir características de la superficie donde se apoya. De forma similar, en el laboratorio, detectando el giro de los átomos de las moléculas de agua, inferimos cómo es su entorno a escalas micrométricas, a un tamaño 100 veces más pequeño que la resolución actual. Resumiendo, por medio de la física cuántica se busca mirar el universo de células, microestructuras y procesos que se esconden dentro de cada píxel milimétrico de una imagen de resonancia.

El nuevo método

    Un resonador clínico ejecuta secuencias de pulsos electromagnéticos que interactúan con los núcleos de los átomos y obtiene información que luego se codifica en una imagen. Estas secuencias de control de los equipos clínicos de RMN se pueden comparar con una aplicación que instales en tu celular o tablet, que te permitirá cierta funcionalidad, a partir de una tecnología de base que ya existe. Análogamente, en el laboratorio de investigación diseñamos una plataforma basada en tecnología cuántica, a incorporar también como un programa en el equipo resonador1. Este programa se comunicará en forma específica con los átomos de nuestro cuerpo, analizará y filtrará las secuencias de señales que emiten los espines de los átomos, que actuarán como diminutos sensores. Extraer y analizar la información requiere tiempo; y un paciente no puede estar toda una semana dentro del imán. Pero este nuevo método permitirá extraer información de la morfología del tejido de manera eficiente, en tiempo y precisión, lo que es clave para que pueda implementarse como técnica de diagnóstico. Este protocolo de control podrá ser instalado en resonadores ya existentes en clínicas y hospitales, potenciando los equipos disponibles. Este fue uno de los objetivos permanentes de nuestro trabajo: hacer que la herramienta sea accesible económicamente, si se la compara con la adquisición de un equipo de RMN. Se estima que esta gran ventaja acelerará la llegada del nuevo desarrollo a médicos y pacientes.

Esquema de cómo la física cuántica puede potenciar el diagnóstico por Resonancia Magnética Nuclear.

También una esperanza

    La biopsia es una herramienta de diagnóstico muy útil para los médicos, que consiste en observar la morfología de un tejido del cuerpo de un paciente a través de un microscopio, y distinguir si contiene o no células cancerosas. Pero este estudio requiere extracción del tejido dudoso. Si logramos obtener esa información tan relevante para el diagnóstico de forma rápida y sin extracción de tejido, sería un gran beneficio, tanto para el paciente como para el médico. Nuestro trabajo de investigación apunta a hacer “biopsias virtuales”, desarrollando filtros selectivos del tamaño de la microestructura de un tejido, a partir de imágenes por RMN. Con esta nueva técnica que genera una alternativa de biopsias no invasivas, se da un paso más en la medicina de precisión, al llegar a determinar propiedades a escalas microscópicas, aún no accesibles desde la RMN actual.

Los resonadores clínicos tienen mucho potencial para utilizar a los átomos de nuestro cuerpo como sensores cuánticos de forma no invasiva.

FOTO DE LA AUTORA: Gentileza de la Lic. Laura García Oviedo – Prensa Instituto Balseiro.

NOTA DE LOS EDITORES: Este título está relacionado a la Hojita «Una mirada a las tecnologías cuánticas y la medicina»

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Una mirada a las tecnologías cuánticas y la medicina

Reproducimos el informe del Dr. Gonzalo Agustín Álvarezpublicado en la serie HOJITAS DE CONOCIMIENTO que edita el Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable (IEDS) de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), a quienes agradecemos la gentileza por compartirlo. 

     El conocimiento del mundo atómico permitió el desarrollo de tecnologías que utilizamos en nuestro vivir cotidiano: transistores, láseres, GPSs, leds, resonadores clínicos. Hoy se está yendo más allá, lográndose controlar átomos para almacenar información y realizar cómputos cuánticos, haciendo surgir una nueva era tecnológica.

   Estos y otros desafíos los estamos tratando de resolver desde nuestro laboratorio, en el Departamento de Física Médica, del Centro Atómico Bariloche (CNEA). El objetivo de nuestra investigación es generar nuevas herramientas de diagnóstico para que la medicina resulte más personalizada y preventiva, y que los tratamientos sean más eficientes y con menos efectos colaterales.

¿Qué es física cuántica?

     Esta rama de la física describe cómo es el comportamiento de los átomos y partículas pequeñas que viven en el mundo atómico. La física cuántica ha generado mucha controversia, discusiones e ideas fascinantes en el siglo XX, ya que los átomos se comportan de forma antiintuitiva a lo que estamos acostumbrados a observar diariamente.

     Normalmente,  sabemos el lugar exacto donde caerá cada manzana de un árbol, lo que nos recuerda la leyenda de cómo Newton se inspiró para definir leyes de la física clásica. Pero en el mundo cuántico, las partículas (átomos, electrones) pueden seguir muchas trayectorias al mismo tiempo y caer en muchos lugares.

  El lugar que eligen depende de cómo y cuándo las observamos, ya que esto hace que se comporten como partículas o como ondas expandidas en el espacio. Este comportamiento es similar a las ondas que se generan en la superficie del agua, cuando tiramos piedras a un lago; las ondas se propagan en varias direcciones, interfiriendo entre ellas y generando bellos diagramas.

  Similarmente, las ondas y su interferencia describen el movimiento de las partículas en la física cuántica, y sus formas y diagramas dan las probabilidades de dónde puede encontrarse la partícula, y en el momento que la observemos decidirá dónde.

Primera revolución cuántica

    Una vez que los científicos lograron entender la física cuántica y aprendieron a controlar sus efectos, se dieron cuenta de cuáles podían ser sus utilidades. Esto derivó en una primera revolución cuántica, que dio como fruto muchas de las tecnologías hoy empleadas. Un ejemplo de ellas es el desarrollo de transistores, que permitieron miniaturizar dispositivos electrónicos y aumentar su capacidad de cálculo; así se lograron las computadoras y los celulares que usamos hoy.

     También posibilitó la creación del láser usado en muchas aplicaciones tecnológicas, el GPS que permite ubicarnos en la Tierra, la resonancia magnética que se usa para estudiar nuestro cuerpo por dentro de forma no invasiva, y otros muchos equipamientos sofisticados que nos rodean actualmente.

Segunda revolución cuántica

     Hoy la tecnología nos permite controlar y procesar átomos, núcleos y electrones individualmente. Utilizando estos átomos se puede guardar información y realizar con ellos cómputos cuánticos. Esto hace surgir la llamada segunda revolución cuántica. Para entenderla podemos plantear la siguiente analogía.

    La primera revolución permitió construir computadoras y teléfonos, que posibilitaron crear programas y algoritmos que nos permiten estar conectados e informados a través de Internet, como consecuencia del uso de estos mismos dispositivos.

    De forma similar, durante la segunda revolución cuántica, controlando los átomos para guardar y procesar información, los científicos y tecnólogos están aprendiendo cómo hacer programas y algoritmos cuánticos, que reemplazarán a la informática actual.

     Este control de la información cuántica ha permitido concretar la teletransportación que años atrás nos fascinó ver en la serie de TV “StarTrek”, ahora a nivel de átomo, enviándose información de sus características a otro átomo muy distante en el espacio.

Aplicaciones médicas cuánticas

     Estos avances permitieron el surgimiento de las nuevas tecnologías cuánticas, que prometen muchas aplicaciones útiles, como computadoras mucho más poderosas que las actuales, y sensores a escalas moleculares y nanométricas1 que podrían revolucionar muchas áreas de trabajo, inclusive la medicina.

    Aunque estamos logrando cada vez mayor control de los átomos, aún sigue siendo un gran desafío controlarlos de manera eficiente en su entorno natural cuántico, para poder construir dispositivos comerciales a un costo accesible para el público. Si bien todavía hay un camino por recorrer, hay tecnologías cuánticas más cercanas de realizar y que son de mucho interés para cambiar la forma de hacer medicina.

    Una de ellas es usar átomos para generar lo que se llaman simuladores cuánticos. Al igual que a una calculadora diseñada específicamente para realizar operaciones matemáticas, este equipo simulador es como una computadora diseñada solo para una tarea específica. Por ejemplo, se podrían desarrollar fármacos para tratar determinadas patologías, en base a cálculos de cómo se comportan las moléculas grandes y cómo estas podrían interactuar dentro de nuestro cuerpo. Pero con las actuales computadoras, estos cálculos podrían demorar años, lo que dificulta llevar adelante esta investigación.

    Otra faceta muy interesante es aprovechar la sensibilidad de los átomos al medio que los rodea y usarlos como sensores cuánticos, ya que detectan su entorno de forma muy eficiente. Estos sensores colocados en nanopartículas2 podrían introducirse dentro del cuerpo o dentro de células, para permitirnos entender cómo funcionan ciertas enfermedades y así poder desarrollar estrategias para combatirlas.

   Se ha logrado, por ejemplo, ver moléculas y proteínas individuales de gran relevancia para entender cómo funcionan los procesos biológicos del organismo. También podemos usar los mismos átomos de nuestro cuerpo de forma no invasiva, como sensores de su entorno y procesar la información que nos aportan, lo que nos permite ver más allá de lo que, por ejemplo, una resonancia magnética nuclear lo hace actualmente.

Esta publicación está relacionada con la HOJITA “Una mirada a la resonancia magnética nuclear y la física cuántica”.

Fuente de imágenes: El autor.

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“Fue la primera vez que tuve un momento ‘¡Ajá!’, en el que de repente dos conceptos lejanos se conectan en mi cabeza y sale una explosión de ideas”

En esta nueva entrega de la serie “Papers en primera persona”, el Doctorando en Física Martín Kuffer cuenta en detalle cuál fue su aporte en una investigación sobre tecnologías cuánticas. Los resultados se publicaron en la revista científica PRX QUANTUM. En esta entrevista, también comenta en qué otros temas colabora en el Departamento de Física Médica del CAB.

Fecha de publicación: 15/06/2022

“La idea fundamental del paper fue utilizar integrales de camino para modelar entornos de un bit cuántico”, sintetiza Martín Kuffer sobre un artículo publicado en la revista PRX QUANTUM. El físico cuenta que su principal aporte en esta investigación fue realizar “una sopa de conceptos” y herramientas de distintas ramas de la física, para estudiar un fenómeno que se llama “decoherencia” en determinados ambientes cuánticos.

Kuffer (25 años) egresó de la Licenciatura en Física del Instituto Balseiro en 2019 y de la Maestría en Ciencias Físicas en 2021. En la actualidad, está en segundo año del Doctorado en Física en el Balseiro, institución pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO). Es becario doctoral del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET).

En esta nota, Kuffer busca explicar los resultados de la investigación, que podría tener implicancias en distintas tecnologías cuánticas. El paper tiene tres autores: además de Kuffer, está su director de tesis, Gonzalo Álvarez, y su codirectora, Analía Zwick, ambos docentes del Instituto Balseiro e investigadores del CONICET en el Centro Atómico Bariloche.

Oriundo de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Kuffer vive en Bariloche desde 2017, cuando ganó una beca de la CNEA para estudiar en el Balseiro. “Elegí estudiar en el Balseiro porque sabía que quería dedicarme a la física, y que venir acá era la mejor opción para convertirme en el mejor científico que puedo ser”, afirma el joven, y agrega que sus hobbies son cantar en un coro, andar en bicicleta y cocinar.

“La investigación surgió de mi trabajo en la materia Experimental IV. Si bien ese trabajo fue principalmente experimental, fue cuando me puse en contacto con estos temas y con el grupo donde terminaría haciendo mi doctorado. Durante mi maestría, sobre un tema de física de campos cuánticos, aprendí sobre las integrales de camino y tuve la idea de aplicarlas al problema de un qubit con un entorno”, comenta sobre la investigación reportada en el paper.

El trabajo fue desarrollado en el Laboratorio de Espectroscopia e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear  del Departamento de Física Médica del CAB, que también forma parte del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN) de CNEA y CONICET.

A continuación, compartimos la entrevista realizada a Martín Kuffer desde el Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro en el contexto de la serie “Papers en primera persona”:

 

-En el paper cuentan que han logrado crear un marco de explicación de lo que ocurre en la física de ciertos sistemas cuánticos, y que ese marco sirve para caracterizar y controlar la “decoherencia inducidas por ambientes no estacionarios”. ¿Podrías contar de forma simple qué significa esto?

-¡Claro! Un problema súper importante para poder desarrollar las tecnologías cuánticas (es decir, las tecnologías que aprovechan el comportamiento de la materia y como procesar información con ellas a escalas muy muy chiquitas) es el de la decoherencia. Vos a veces querés controlar un sólo átomo o un sólo electrón, pero tenés un montón de otras cosas que andan ahí chocando contra el sistemita que querés controlar. Esto hace que le pasen cosas que no controlás, y entonces dejás de saber exactamente cuál es el estado de tu sistema. 

 

-¿A eso llaman decoherencia?

-Sí, este fenómeno es lo que llamamos decoherencia, y es un problema importantísimo de resolver para desarrollar tecnologías cuánticas. Es por eso que hay que encontrar formas de minimizar los efectos de estos procesos sobre tus experimentos. Otras veces vos querés usar este sistemita como sensor, entonces querés ver cómo está este entorno golpeando a tu sistema. Lo que nosotres hicimos fue basarnos en técnicas que se usan en otras áreas de la física para armar una forma de pensar estos procesos de decoherencia, que nos permite llegar a conclusiones nuevas y entender con más profundidad, desde otro ángulo, resultados que ya se conocían. 

 

-¿Y qué lograron?

-En particular esta visión distinta nos permitió atacar problemas que hasta ahora no habían sido resueltos: los entornos no estacionarios. A escalas chiquitas la idea de que las cosas están en equilibrio termodinámico (es decir, su estado depende sólo de su temperatura, y es estacionario: no cambia salvo que vos lo calientes o enfríes) deja de valer. Nosotres lo que hicimos fue usar este marco teórico para resolver el problema de la decoherencia por un entorno no estacionario, cosa que hasta ahora no había sido hecha.

 

-Mencionan que poder controlar los sistemas cuánticos que hacen funcionar las tecnologías cuánticas es uno de los grandes desafíos actuales. ¿Cómo este nuevo trabajo logra generar un aporte en este campo?

-En este trabajo introdujimos un marco teórico para entender la decoherencia que sufren estos sistemas. Una de las cosas que hicimos fue estudiar sistemas con entornos cuya dinámica varía en el tiempo, o “no estacionarios” en la jerga de físico. A escalas muy chiquitas los entornos son de este estilo ya que se encuentra fuera de equilibrio. Tradicionalmente se usan leyes basadas en el equilibrio termodinámico que se genera cuando un sistema tiene muchos grados de libertad. Pero esto último ya no ocurre en las escalas cuánticas. Entonces, considerar entornos que no están en equilibrio es muy relevante porque para poder controlar tecnologías cuánticas vamos a tener que tratar con estos entornos. En particular, generamos herramientas nuevas que permitirían atacar la decoherencia generada por entornos no estacionarios. Y uno de nuestros principales resultados fue que conseguimos encontrar una forma en que podemos modificar las herramientas que se usan para entender entornos estacionarios, y así poder aplicarlas a los entornos no estacionarios, que en general son mucho más complejos. 

 

-En el paper cuentan que el marco teórico que uds. aportan podría ayudar a medir las actividades de lo que ocurre en proteínas, neuronas y dispositivos de almacenamiento de memoria. ¿Por qué?

-Una de las tecnologías cuánticas son los sensores cuánticos que hoy en día ya han mostrado poder detectar proteínas individuales y la señal de neuronas individuales en el cerebro. Estos sensores son muy útiles para mirar actividades biológicas a esas escalas tan chiquitas y así poder monitorear muchos procesos biológicos que aún no comprendemos. La decoherencia de los sensores al interactuar con estos entornos surge de procesos justamente que son no estacionarios. A la escala de las proteínas individuales, éstas se encuentran fuera de equilibrio, “en movimiento”,  y todavía no es muy claro cómo medir todas sus propiedades por esta razón.

 

-¿Y en las neuronas?

-Algo similar pasa con las neuronas: la activación de una neurona es un proceso fuera de equilibrio, entonces si uno quiere medirlo con un sensor cuántico, necesita entender cómo los sistemas fuera de equilibrio, es decir no estacionarios, generan decoherencia en el sensor. Por eso esperamos que nuestro desarrollo sea un puntapié, para poder poder generar dispositivos y técnicas para monitorear proteínas y neuronas a escalas atómicas y nanométricas.

 

-¿Y qué pasa con los dispositivos de memorias?
-En cuanto a los dispositivos de almacenamiento de memoria, la situación es distinta. Con los sensores, el objetivo es mirar el entorno al dispositivo. Sin embargo, con las memorias, el objetivo es no verlo, así de esa manera podemos aislar la memoria de su entorno y proteger su información. Para la construcción de computadoras cuánticas va a ser necesario poder almacenar el estado de bits cuánticos en una memoria, igual que nuestros discos rígidos almacenan bits clásicos. En nuestras computadoras hay un montón de ingeniería dedicada a prevenir la pérdida de información por ruido, pero las técnicas con las que funcionarán las computadoras cuánticas todavía se están desarrollando. Con este marco teórico justamente contribuimos a cómo comprender la interacción de un sistema cuántico con su entorno natural, algo que todavía no está resuelto, por lo que nuestros aportes podrían facilitar la producción de memorias cuánticas. Aunque, por supuesto, el camino de llevarlo a la práctica todavía es largo y hace falta aún mucho desarrollo antes de llegar a eso.

 

-El paper está firmado por tres investigadores. ¿Podés contar a grandes rasgos cuáles fueron tus tareas? 

-La idea fundamental del paper fue utilizar integrales de camino para modelar entornos de un bit cuántico. Comencé a trabajar en cómo usar un bit cuántico como sensor de su entorno con herramientas experimentales en una práctica de la materia Experimental IV. Luego hice mi Maestría en el área de física de partículas y campos, y fue ahí que conocí las integrales de caminos. Se ve que en mi cabeza en ese momento se hizo una sopa con esos dos conceptos, porque se me ocurrió usar la técnica que había aprendido para aplicarla a teoría de campos, pero para entender los entornos de bits cuánticos. Fue entonces que me acerqué a Gonzalo y Analía y les conté lo que se me había ocurrido, y junto a elles tomamos esa idea y la desarrollamos muchísimo.

 

-Hiciste un mix de herramientas…

-Mi principal contribución fue tener esta idea, y hacer la mayor parte de los desarrollos teórico/matemáticos que se presentan en el paper. Pero, por supuesto, hubo muchísimas idas y vueltas con Gonzalo y Analía. Cuando empecé con este trabajo no entendía para nada el contexto en el que se insertaba nuestra investigación, entonces elles me guiaron muchísimo: fue iterando con elles y revisando la bibliografía que encontramos la dirección en la que decidimos llevar el trabajo: usarla para resolver el problema no resuelto y altamente relevante para el desarrollo de las tecnologías cuánticas, de los entornos no estacionarios. Si bien este proyecto se inició cuando yo estaba haciendo mi maestría en otro tema, se convirtió en uno de los proyectos que forman parte de mi doctorado, dirigido por Gonzalo y Analía.

 

-¿Podrías contar en palabras simples si se incluye trabajo experimental además de teórico?

-El paper no incluye trabajo experimental. Sin embargo nosotres somos un grupo teórico-experimental, en el que utilizamos técnicas de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) para estudiar muchísimos fenómenos, desde detección temprana de Alzheimer hasta simulaciones experimentales de registros cuánticos. La semilla “inspiratoria” de este paper nació del trabajo que hice en la materia Experimental IV con este mismo grupo, en el que hicimos experimentos de RMN de estado sólido usando un sensor cuántico para medir entornos fuera de equilibrio. Pero no terminábamos de entender qué estaba ocurriendo con las herramientas que teníamos disponibles en ese momento. Ahora que tenemos un modelo teórico más desarrollado, estamos trabajando en mejorar y diseñar los experimentos que intentamos en la materia Experimental IV para verificar nuestras predicciones teóricas que salen de nuestro modelo. 

 

-¿Qué es lo que más te gustó de hacer este trabajo? 

-Uff. La verdad, imposible elegir una cosa. Primero, fue la primera vez que tuve un momento “¡Ajá!” en el que de repente dos conceptos lejanos se conectan en mi cabeza y sale una explosión de ideas, y eso es una de las cosas que más me motiva para hacer investigación. Por otro lado, aprendí muchísimo al tener la experiencia de llevar una idea desde ese momento inicial hasta ser un proyecto “terminado”, o por lo menos publicado. 

 

-También es importante haber publicado en una revista internacional, ¿no?

-No es nada menor tampoco que hayamos podido publicar estos resultados en una revista recontra prestigiosa y exigente. Me hace extremadamente feliz el hecho de que nuestro trabajo contribuya a PRX Quantum: una revista que está buscando ser un pilar para el área de las tecnologías cuánticas, y la física en general. Y finalmente Gonzalo y Analía son maravilloses como no solo como investigadores sino también como personas. Entonces es para mí un placer trabajar con elles tanto humanamente, como porque podemos quedarnos discutiendo horas y horas sobre proyectos e ideas sin cansarnos.

 

-¿Cuáles son los siguientes pasos de la investigación? 

-Por un lado tenemos cuentas hechas en base a nuestro marco teórico, y estamos haciendo experimentos que creemos que están dando muy bien. Por otro lado tenemos otras ideas que están esperando a ser desarrolladas en profundidad: estamos armando un proyecto estudiando cómo pierden coherencia los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, que se usan como modelo de una memoria cuántica, que contribuiría al desarrollo de computadoras cuánticas. Hay muchísimes físiques trabajando en estos temas ahora mismo, porque no es raro pensar que el desarrollo de la computación cuántica vaya a cambiarnos la vida a todes tanto como lo hizo el invento de las computadoras clásicas, las que ahora están en todos lados. 

 

-¿Y qué más están investigando?

-Por otro lado estamos estudiando cómo podemos usar un sensor cuántico para medir este tipo de sistemas mejor que como se hace actualmente. Esto está en la misma línea del paper que publicamos: los sensores cuánticos podrían abrirnos la puerta a medir cosas con altísima precisión, o hacer exámenes médicos de manera mucho menos invasiva que lo que hacemos hoy en día. Entonces estás no son solo tecnologías que van a ser interesantes para gente de laboratorio, sino que podrían llegar a cambiar la vida de muchísimas personas. Por esta razón estoy también colaborando con Ezequiel Saidman (estudiante de maestría del IB) en un modelo teórico para estudiar la difusión de líquidos en sistemas desordenados, que vamos a comparar con experimentos que él está haciendo. 

 

-¿Querés contar un poco más sobre ese trabajo?

-Esto se enmarca en una línea de investigación muy relevante de nuestro grupo, que es la de usar técnicas de física fundamental para hacer mejores imágenes médicas. La idea es que con este modelo podamos encontrar nuevas maneras de hacer imágenes médicas de forma no invasiva a escalas atómicas, usando cómo el agua hace difusión dentro de nuestro cuerpo. Esto significaría que quizás en un futuro no haga falta hacer biopsias para confirmar ciertas enfermedades, sino que alcance con hacer una imagen en un resonador magnético. Este es el proyecto que Ezequiel está llevando adelante, y también otros estudiantes del grupo, y al que estoy contribuyendo, desde el lado del modelado teórico.

 

-¿Querés agregar algo más?

-Quiero agradecerle muchísimo a todes les profesores que me incentivaron a descubrir y disfrutar de la belleza de la física, y las maravilla de la investigación. Creo que nunca está demás remarcar la importancia de les profesores que no solo enseñan, sino también motivan y emocionan a sus estudiantes. Y por supuesto quiero agradecerle a la Universidad de Buenos Aires por ser donde di mis primeros pasos en la física, al Instituto Balseiro y la Universidad Nacional de Cuyo y la Comisión Nacional de Energía Atómica por permitirme convertirme en físico e investigar acá y a CONICET y CNEA por brindarme el financiamiento necesario para poder hacerlo.

 

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Por Laura García Oviedo

Área de Comunicación Institucional y Prensa

Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 15/06/2022

 

 
 
 
 
 
 
 
 
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CIENCIAS BIOLÓGICAS Y DE LA SALUD

Desarrollan un método no invasivo para observar cambios a nivel celular mediante resonancias magnéticas

Se trata de una técnica basada en la física cuántica que permitiría optimizar la resolución efectiva de las imágenes, y así obtener información de la microestructura de los tejidos sin necesidad de recurrir a biopsias.

 


 
 
 
Laboratorio donde se realizó el desarrollo. Una imagen del cuerpo calloso del cerebro muestra la potencialidad de la técnica. Foto: Analía Zwick.
 

Las biopsias son un método de diagnóstico confiable y muy útil que, a partir de la extracción de la totalidad o una parte de tejido, permiten observar daños o lesiones a nivel celular. Pero la desventaja que tiene la aplicación de este método en seres humanos es que suele ser muy invasivo. Por otra parte, la obtención de imágenes por medio de la resonancia magnética constituye una forma de diagnóstico mucho menos invasiva, pero tiene la limitación de que, al menos en su uso actual, no permiten ver en detalle lo que ocurre en estructuras biológicas pequeñas. Dado que la mayor parte de las enfermedades comienzan por producir cambios en los tejidos a nivel celular, esta situación representa un límite para poder diagnosticar el desarrollo de patologías de manera temprana, sin recurrir a técnicas no invasivas.

Para poder sortear este inconveniente, un grupo de investigación del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología –Nodo Bariloche (UE-INN-Nodo Bariloche, CONICET-CNEA)- desarrolló un método que permite filtrar la señal proveniente de tamaños específicos de los tejidos y así, a través de las imágenes de resonancia magnética, posibilita observar en mayor detalle los tejidos del cuerpo humano y detectar cambios a nivel celular. Esta metodología está basada en herramientas de la física cuántica que permiten comprender el funcionamiento del mundo atómico. Los resultados fueron publicados en la revista Physical Review Applied.

“El método que desarrollamos abre la puerta a la posibilidad de hacer un diagnóstico temprano y no invasivo de enfermedades, a partir de equipos existentes que ya se utilizan en los centros de salud. De esta manera se podrían observar cavidades de tamaños selectivos cien veces más pequeños que los que permite ver la resolución actual de las imágenes de resonancia magnética”, afirma Analía Zwick, investigadora del CONICET en el INN y una de las líderes del proyecto.

El desarrollo de esta novedosa metodología se enmarca dentro de lo que se conoce como la segunda revolución cuántica, en la que el conocimiento de los sistemas cuánticos y de las interacciones entre átomos y moléculas en escalas pequeñas ya no se usan tanto para generar nuevas tecnologías como sucedió en la primera revolución (transistores, láseres, resonadores magnéticos, etc.), sino como fuente de información. Un ejemplo de las tecnologías cuánticas que surgen de esta segunda revolución serían las computadoras cuánticas, en las que la información se almacena y procesa en átomos.

“Nuestra idea es valernos de la física cuántica para superar las limitaciones de las tecnologías disponibles a la hora de escanear estructuras biológicas pequeñas de forma no invasiva. Lo que buscamos es utilizar los átomos que están dentro del cuerpo como espías o sensores de lo que pasa en los tejidos. La resonancia magnética nuclear crea campos magnéticos que te permiten controlar los núcleos atómicos y manipularlos para extraerles la información del ambiente que lo rodea”, explica Gonzalo Álvarez, investigador del CONICET, docente del Instituto Balseiro (IB, CNEA-UNCUYO) y otro de los líderes del proyecto.

El aporte de esta investigación consiste en el diseño de una secuencia de control del resonador magnético nuclear que permite, en poco tiempo, obtener la mayor información posible sobre lo que ocurre en los tejidos a niveles microestructurales.

“El tiempo es un limitante importante a tener en cuenta cuando uno va a hacer un estudio con un paciente, porque no se puede tener a una persona durante horas en un resonador. Si el tiempo fuera ilimitado, la información que se podría obtener sería mucho mayor”, explica Zwick.

Al explicar el desarrollo que llevaron adelante, Zwick lo compara con el de una aplicación para el celular que permite hacer ciertas operaciones a partir de una tecnología de base que ya existe. “No es como desarrollar un nuevo equipo, sino que se trata de sacarle más potencial al que ya se usa en las clínicas”, explica la científica.

En su laboratorio en Bariloche, el grupo de investigación no cuenta con un equipo clínico de resonancia magnética nuclear, sino con un resonador preclínico, que es mucho más pequeño, pero a la vez más potente, lo que les permite ganar versatilidad para hacer el desarrollo.

“Hasta ahora, hemos trabajado con fantomas, que son materiales que imitan los tejidos biológicos, y también con cerebros de ratones, que a pesar de no ser cerebros humanos, tienen propiedades similares y sirven como modelos.”, afirma Álvarez.

Para controlar la calidad y fiabilidad de los ensayos experimentales realizados con la novedosa metodología, el grupo de investigación recurrió a la bibliografía existente sobre diferentes estudios histológicos de distintas partes de un cerebro de ratón, a nivel microestructural. Los resultados de la contrastación fueron muy satisfactorios.

El paso siguiente es poner a prueba la técnica desarrollada con un resonador clínico, primero en fantomas, para ponerla a punto y, posteriormente, testearla en seres humanos. El objetivo final es que la metodología pueda ser usada clínicamente para diagnosticar enfermedades de manera temprana.

 

Por Miguel Faigón

 

Referencia bibliográfica

Capiglioni, M., Zwick, A., Jiménez, P., & Álvarez, G. A. (2021). Noninvasive Quantitative Imaging of Selective Microstructure Sizes via Magnetic Resonance. Physical Review Applied15(1), 014045. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014045.

 

Sobre investigación:

Milena Capiglioni. Instituto Balseiro, University of Bern (Suiza) y Centro Atómico Bariloche.

Analía Zwick. Investigadora adjunta. UE-INN-Nodo Bariloche y Centro Atómico Bariloche.

Pablo Jiménez. Becario doctoral. Instituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche.

Gonzalo A. Álvarez. Investigador independiente. UE-INN-Nodo Bariloche, Instituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

Física cuántica para mejorar el diagnóstico médico por imágenes 

Analía Zwick y Gonzalo A. Álvarez, investigadores del CONICET, proponen ‘recetas cuánticas’ que podrían aplicarse al uso de resonadores nucleares para lograr mayor resolución. La investigación fue publicada en la revista Physical Review Applied

 


 
 
 
Fisica cuántica y diagnóstico por imágenes. Gonzalo Álvarez y Analia Zwick. Foto: Gentileza investigadores.
 
Fisica cuántica y diagnóstico por imágenes. Gonzalo Álvarez y Analia Zwick. Foto: Gentileza investigadores.
 

La física cuántica estudia las leyes que rigen el mundo de las moléculas, el átomo, o incluso partículas más pequeñas que un átomo. El funcionamiento de muchos de los desarrollos tecnológicos de uso común se fundamentan, o se explican, en estas escalas. Un ejemplo son los resonadores magnéticos nucleares que procesan información a escalas ínfimas y permiten ‘ver’ a los átomos que componen un ser vivo, pero,  hay un límite en la resolución que pueden alcanzar.

Los investigadores Analía Zwick y Gonzalo Álvarez, del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología en el Centro Atómico Bariloche (INN, CONICET- CNEA), desarrollaron un método de medición basado en la física cuántica que podría sacar mejor provecho a la información que los mismos átomos proporcionan y así obtener una resolución mayor en el uso de estos equipos de diagnóstico médico. Lo que contribuye a que se pueda detectar algunas enfermedades de forma no invasiva, sin recurrir, por ejemplo, a una biopsia para observar en un microscopio electrónico algún tejido.

Este método cuántico, que describen los investigadores y fue publicado en la revista Physical Review Applied, fue desarrollado en colaboración con colegas de Israel y Alemania. Los autores lo describen más coloquialmente como ‘recetas’ que pueden aplicarse a la tecnología de los resonadores actuales, y en la publicación especifican cuál es la precisión máxima que se puede alcanzar limitados por las leyes cuánticas y las particularidades de cada equipo.

La manera en la que se procesa la información a nivel cuántico, explica Zwick, se puede comparar al funcionamiento de una computadora, en la que toda la información se reduce a unos y ceros que el dispositivo codifica en sus circuitos electrónicos como ‘pasa o no pasa’ corriente eléctrica.  “En el sistema cuántico se puede hacer una analogía similar, en la que los átomos tienen propiedades que se pueden asociar a estos unos y ceros, pero en el mundo cuántico hay otras posibilidades que enriquecen el trabajo de procesamiento de información a esas escalas”.

“La idea de este desarrollo es detectar el movimiento de los átomos de las moléculas de agua, que perciben lo que ocurre a su alrededor. Con la información de lo que está pasando a esos átomos se puede inferir cómo está el entorno. Es decir que se podría usar al átomo como un sensor en la escala muy pequeña”, explica la investigadora.

Si bien potencialmente nuestros átomos pueden ‘espiar’ todo nuestro cuerpo, grafica Álvarez, “lo difícil es extraer esa información para procesarla”. “Nuestra contribución, con este trabajo, es explicar desde la física cuál es la información que tiene el átomo, cómo y qué tanta podemos extraer”, agrega el investigador, docente del Instituto Balseiro.

Este aumento de la resolución que proponen los investigadores, entonces, puede contribuir a la detección de enfermedades como el cáncer, o los trastornos neurodegenerativos, de manera temprana, usando la tecnología que ya existe y se utiliza a diario en la práctica médica. Esta técnica, puede “convertirse en un ejemplo de tecnologías futuras basadas en información cuántica que está revolucionando muchas áreas de la tecnología, brindando beneficios sociales a muchas áreas, incluida la medicina de precisión”, explican.

“En la mayoría de las enfermedades, por ejemplo el cáncer o neurodegenerativas, las alteraciones comienzan a escalas muy chiquitas, (moleculares o celulares), y hoy por hoy no podemos observarlas sin hacer una biopsia, o con alguna técnica invasiva. Lo que queremos es tratar de obtener esta información sin modificar el cuerpo”, confía Zwick.

 

Por María Bocconi

Referencia bibliográfica: A. Zwick et al.: Precision Limits of Tissue Microstructure Characterization by Magnetic Resonance Imaging, Phys. Rev. Applied 14, 024088 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevApplied.14.024088

 

Sobre investigación:

Analia Zwick. Investigadora adjunta.  INN, CAB.

Dieter Suter.  Technische Universität Dortmund, Alemania.

Gershon Kurizki. Weizmann Institute of Science. Israel.

Gonzalo A. Álvarez. Investigador independiente. INN, CAB e Instituto Balseiro.

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Q&A: Using Quantum Tricks to Scan the Brain

• Physics 12, 130
Analia Zwick and Gonzalo Álvarez aim to extract more detail from medical images by using tools originally designed to protect quantum information.
APS/Jessica Thomas

Twenty years ago, researchers figured out how to detect the early stages of a stroke using a technique called diffusion magnetic resonance imaging (dMRI). Today, quantum information experts Analia Zwick and Gonzalo Álvarez from Argentina’s Bariloche Atomic Center (CAB) are using their skills to unlock more information from each pixel of a dMRI scan. Although their research is still in the experimental stage, they hope it might lead to earlier diagnoses of diseases that affect the brain, like Alzheimers.

The two physicists, who are married to each other, began their careers finding ways to protect atomic spins and other delicate quantum systems from their surroundings. The dMRI technique that they are developing turns that idea around and uses the spins of water molecules as quantum sensors of the body.

Zwick and Álvarez recently returned to Argentina to set up a lab at CAB, a research campus in the picturesque lake region of Patagonia. They proudly own South America’s strongest magnet for pre-clinical medical imaging, and they are part of a national effort to bring physics and medicine together. In an interview with Physics, they explained how they are pushing the limits of MRI sensitivity and why planting roots in their home country was always their goal.

–Jessica Thomas

You are using quantum tricks to enhance dMRI. Before getting to that, could you explain how conventional dMRI works?

Gonzalo: The dMRI technique is sensitive to the movement of water molecules in the body. The brightest parts of the image correspond to molecules that move the least during a scan. The molecules move by diffusion, and this movement depends on the type of tissue the molecules are in or whether they are restricted, say by cell walls.

 

How do you see these motions?

Analia: In conventional dMRI, we subject the sample to two magnetic field pulses separated in time. The first pulse applies a field gradient and causes the spins of the sample’s water molecules to precess at a rate that depends on where they sit in the sample. The second pulse reverses the gradient and the precessions. If the molecules haven’t moved, they rewind to where they started.

Each precessing spin acts like a “runner” racing around a track. The first field pulse makes the runner run one way along its track; the second pulse asks it to come back. But the runner will only return to its starting position if it stays on its original track, that is, if the molecule hasn’t moved in the sample. The signal we measure depends on the number of spins that return to their starting position. From that signal, we can infer how much the molecules move.

Why do you want to enhance the technique?

Gonzalo: The problem with conventional dMRI is that it doesn’t tell you why the molecules move fast or slowly. To get this sensitivity, our group and a few others use so-called “quantum control” techniques that were originally designed to protect quantum information.

How do you fold in this “control”?

Analia: We play with the instructions that we give to the spins. So, for example, we change when they should go forward then backward, or how often they should repeat these steps. The instructions are designed so that we can extract as much information as possible about why certain running spins don’t come back to where they started.

What would this enhanced technique allow you to study?

Gonzalo: We can already measure the diameters of cells and the distribution of these diameters. The sizes of brain cells, for example, change depending on their function, or on their health. But the changes are so slight, you can usually only see them by taking a slice from the brain and putting it under a microscope. We believe that our enhanced techniques will allow cell changes to be measured inside the patient and noninvasively.

Analia: Quantitative information from dMRI images might help in the early detection of some illnesses. For example, the brain’s axons are covered in a layer of myelin—like electrical cable is coated in plastic. In Alzheimer’s disease, the myelin gets damaged. Seeing signs of this damage could potentially allow for earlier diagnosis of the disease.

Both of you come from a fundamental physics background. What inspired you to switch gears and focus on medical applications?

Gonzalo: When I was a Ph.D. student, I thought that physics was about answering the question “Why is this happening?” But then I did research at the Weizmann Institute with Lucio Frydman, a leading NMR scientist. He always tries to see how he can make something useful. I realized that scientists don't only need to answer questions that start with “Why” but also those that start with “What for.”

Analia: People like to say we’re now in the second quantum revolution, where we try to control and manipulate quantum information for useful applications, such as nano- or molecular-scale sensors. We started to do exactly that during our postdocs abroad, and then we had the opportunity to return to Argentina and set up a lab in a new medical physics department.

Gonzalo: This opportunity was la frutilla del postre—an expression we have in Argentina that means “the strawberry on the cake.”

How have you found the return?

Gonzalo: We always intended to come back. We wanted to go abroad, learn some things, and then return to Argentina and help develop the country. 

There is a lot of work to do—we’re not only doing our research, but also helping to develop institutions and the way science is done in Argentina. This combination is challenging, because you have to do many things at the same time and still be competitive in research. But it’s very motivating to help develop your country and to help create a new path for the future generation. 

Jessica Thomas is the Editor of Physics.

Know a physicist with a knack for explaining their research to others? Write to Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.. All interviews are edited for brevity and clarity.

 

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La Dra.  Analía Zwick vive en Bariloche desde 2016, luego de formarse en Córdoba y en el exterior. Crédito Laura García Oviedo / Prensa IB.
 

UNA FÍSICA QUE ESTUDIA "SENSORES CUÁNTICOS" EN BARILOCHE FUE PREMIADA POR L`OREAL-UNESCO

La joven científica Analía Zwick acaba de recibir una Mención Especial en la edición 2018 del Premio L`Oreal-UNESCO por las Mujeres en la Ciencia. Es doctora en Física, investigadora del CONICET en el Departamento de Física Médica del Centro Atómico Bariloche y forma estudiantes de grado y posgrado en el Instituto Balseiro. Con su grupo, desarrollará un proyecto de sensores cuánticos e imágenes por resonancia magnética nuclear.

Fecha de publicación: 21/11/2018

En la 12º edición del Premio Nacional L’Oréal-UNESCO “Por las Mujeres en la Ciencia”, una investigadora residente de Bariloche, Analía Zwick, fue galardonada con una Mención para jóvenes científicas. La entrega de premios tuvo lugar en la ciudad de Buenos Aires el jueves pasado (15 de noviembre), en el Centro Cultural de la Ciencia “C3”.

En la ceremonia organizada por L`Oreal junto al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET),se premió a un total de seis científicas. El premio principal fue entregado a la Dra. Silvia Goyanes, por su labor dedicada a generar filtros que contribuyan a mitigar la contaminación del agua. El programa busca premiar la excelencia científica, promoviendo y estimulando la participación de las mujeres en el ámbito científico.

Una mirada “cuántica”

La científica residente en Bariloche, Analía Zwick, fue premiada por un proyecto en el que trabajará con “sensores cuánticos”, para estudiar tejidos celulares mediante imágenes por resonancia magnética nuclear. Este tipo de sensores podría permitirnos hacer imágenes a escalas mucho más pequeñas de las alcanzadas en la actualidad, y de esta manera se espera que puedan contribuir a generar nuevos métodos de diagnóstico temprano de enfermedades como el cáncer y las patologías neurodegenerativas, en el campo de la biomedicina.

Analía Zwick recibió una Mención en la edición de 2018 del Premio L`Oreal-UNESCO. Crédito Gentileza CONICETOriunda de Guatraché, La Pampa, Analía Zwick es Licenciada y Doctora en Física por la Universidad Nacional de Córdoba (UNC). En su formación, realizó prolongadas estadías en la Technische Universität Dortmund,  Alemania . Luego de realizar un posdoctorado en el Weizmann Institute of Science, de Israel, en 2016 se mudó a Bariloche. En esta ciudad es investigadora del CONICET en el Centro Atómico Bariloche, en un nuevo Departamento de Física Médica. Además de sus tareas de investigación, contribuye en la formación de estudiantes de grado y de posgrado del Instituto Balseiro, que es una institución de educación pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCuyo).

El proyecto por el cual fue premiada se llevará adelante en equipo con sus colegas y estudiantes del nuevo Laboratorio de Espectroscopía e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear del Departamento de Física Médica del Centro Atómico Bariloche. “Es un proyecto de investigación interdisciplinaria que usa conceptos de la física cuántica para desarrollar nuevas formas de adquirir imágenes por resonancia magnética”, detalló Zwick. Y explicó que el objetivo es visualizar de forma no-invasiva procesos biológicos y físicos que ocurren dentro del cuerpo a escalas muy pequeñas hoy por hoy inaccesibles de forma no invasiva.

Uno de los desafíos en el estudio de enfermedades es conocer los procesos biológicos que las producen en pequeñísimas escalas, microscópica o nanoscópica, en tamaños mil o 1 millón de veces más pequeños que un milímetro. En la actualidad, la técnica médica no invasiva de resonancia magnética no alcanza a producir imágenes en escalas tan pequeñas. “Nuestro trabajo busca sentar las bases de una herramienta que esperamos pueda identificar marcadores tempranos de ciertas patologías como el cáncer y las neurodegenerativas como el Alzheimer”, expresó la joven científica.

En otras palabras, Zwick y su equipo tienen como objetivo poder ver el universo de células y microestructuras dentro de cada pixel milimétrico de una imagen. “Para ello, nos adentramos al mundo gobernado por las leyes de la física cuántica, y buscamos desarrollar tecnologías cuánticas que sean relevantes desde un aspecto práctico en imágenes por resonancia magnética”, expresó la física, que tiene 36 años de edad.

Zwick destacó que llama sensores cuánticos a los “espines nucleares” de las moléculas de agua que componen el 70% del cuerpo humano. Estos espines funcionan como “espías” dentro del cuerpo. “Los espines son como la aguja imantada de una brújula que se orienta con el campo magnético terrestre, pero que viven en el mundo cuántico”, describe la científica.

“Estas agujas cuánticas, o espines, son mucho más sensibles a pequeñas variaciones de los campos magnéticos que dependen de la morfología del tejido biológico subyacente. Éste es un ingrediente clave que utilizamos, sumado a que las moléculas de agua se mueven de forma errática, dentro de los tejidos y de esa forma exploran sus microestructuras y nos brindan información de la misma”, agregó Zwick.

-¿El proyecto por el cual recibiste la Mención del Premio L`Oreal-UNESCO buscará “mirar” de más cerca o incluso en mejor resolución los procesos celulares vinculados con enfermedades como el cáncer?
-Sí, buscaremos mirar el universo de células, microestructuras y procesos que se esconden dentro de cada pixel milimétrico de una imagen de resonancia. Es como cuando uno mira al cielo con o sin telescopio. Un punto brillante puede ser una galaxia entera si uno logra verlo con una mejor resolución. Para lograrlo, encaramos este proyecto de forma interdisciplinaria. Usamos conceptos de la física cuántica fundamental para romper las barreras impuestas por las tecnologías actuales y la complejidad del mundo de la biología y la medicina a esas escalas tan pequeñas. El objetivo central de nuestro proyecto de investigación es encontrar nuevas técnicas de diagnóstico no-invasivas que nos permitan detectar biomarcadores del cáncer y de enfermedades neurodegenerativas de forma temprana, para que eventualmente permitan enfrentar estas enfermedades con mayor anticipación y reducir los daños al cuerpo humano.

Analía Zwick y su equipo en Bariloche, con profesores invitados. Crédito Gentileza.-Te has formado en Argentina, Brasil, Alemania e Israel. ¿Por qué decidiste continuar con tu trayectoria en Bariloche?
-En Argentina recibí educación pública y gratuita además de becas de estudio. Por una cuestión ideológica, siempre quise volver al país para contribuir al estado y sociedad desde mi rol de científica. Además, la ciudad de Bariloche tiene al Centro Atómico y el Instituto Balseiro, el CAB-IB, con una trayectoria de excelencia científica en un entorno increíble de naturaleza. Conocí el Balseiro en 2006 participando de la tradicional escuelita “JAB”. Quedé maravillada con esta institución. Sus docentes dedicados y apasionados, sus laboratorios de punta, la visita a la empresa INVAP... Hasta tuve el honor de tener como docentes a Carlos Balseiro y Daniel Domínguez, hoy autoridades del IB. Desde 2006, se convirtió en un ideal para mí ejercer mi profesión en este lugar.

-¿Además te interesó poder trabajar en el nuevo departamento de I+D del Centro Atómico Bariloche?
-Sí. En el momento de volver al país, surgió la posibilidad de participar en la creación y desarrollo del nuevo departamento de Física Médica del CAB. En ese contexto, junto con el Dr. Gonzalo A. Álvarez, que es investigador del CONICET y docente del IB, comenzamos el nuevo Laboratorio de Espectroscopía e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear. Nuestro objetivo es el desarrollo de nuevo conocimiento, tecnologías y recursos humanos en esta área de investigación vacante.

-¿A qué se dedican las personas que trabajan en la física médica? 
-Hay distintos roles. Por un lado, hay físicos médicos que brindan asistencia en hospitales para manipular y utilizar de manera adecuada equipamientos médicos muy sofisticados. Por otro lado, hay físicos médicos que se dedican a estrechar la brecha entre la investigación básica y la investigación aplicada con el ámbito médico. A eso nos dedicamos en el Departamento de Física Médica donde trabajo, e involucra necesariamente un trabajo interdisciplinario entre varios actores. En nuestro caso en particular, exploramos conceptos de la física cuántica para desarrollar nuevas tecnologías de imágenes por resonancia magnética que puedan mostrar cambios en nuestros tejidos biológicos a escalas muy pequeñas, inaccesibles hoy en día, para poder diagnosticar enfermedades de forma no-invasiva, temprana y preventiva. Es un camino largo por recorrer, pero en el que estamos súper motivados.

-De todas las áreas que hay dentro de la física, ¿por qué te atrapó investigar en el área de la física médica?
-Me atrapó investigar en el área de Física médica por su interés y su potencial impacto en la sociedad y en nuestro país. Las tecnologías han avanzado tanto, que hoy está siendo posible vincular el mundo cuántico con los procesos biológicos que suceden en nuestro cuerpo, en particular para usar sistemas cuánticos como sensores. Esto me motivó a utilizar mi experiencia en la física cuántica, para poder generar impacto en temas relacionados a la salud y el entendimiento de nuestro cuerpo.

-¿Cuántos estudiantes estás dirigiendo en trabajos grado o posgrado del Instituto Balseiro y qué líneas investigan?
-En el nuevo laboratorio ya formamos a tres tesistas de Licenciatura en Física del IB. Estamos concluyendo dos tesis de maestrías en Física este año, una de ellas con la nueva orientación de Física en Medicina y Biología. Y este año comenzamos a formar doctorandos y postdocs. Nuestras principales líneas de investigación son en el área de espectroscopía e imágenes por resonancia magnética nuclear focalizadas en desarrollar nuevas herramientas no-invasivas; y tecnologías cuánticas con aplicaciones en física, química, biología y medicina.

-¿Querés agregar algo más?
-Un agradecimiento enorme a todo el CAB-IB, CNEA y CONICET por darnos las condiciones para que hoy estemos recibiendo este reconocimiento.

 

 

Source: Desarrollaron un novedoso método para “espiar” microestructuras en tejidos biológicos

DESARROLLARON UN NOVEDOSO MÉTODO PARA “ESPIAR” MICROESTRUCTURAS EN TEJIDOS BIOLÓGICOS

 

Un equipo de científicos en el que participa un docente del Instituto Balseiro desarrolló un novedoso método que permite generar nuevas formas de imágenes a partir de resonancia magnética nuclear (RMN). Así, los investigadores lograron mapear información morfológica de sistemas químicos y biológicos a una escala menor a la tradicional. El trabajo fue publicado en una de las revistas del grupo Nature, "Scientific Reports".

Fecha de publicación: 18/08/2017

La resonancia magnética nuclear es una técnica ampliamente utilizada en medicina. Permite realizar diagnósticos no invasivos de enfermedades como el cáncer o el Alzheimer. Sin embargo, no permite “observar” en escalas inferiores a las decenas o centenas de micrómetros. Un equipo de científicos de Argentina, Portugal e Israel presentó un nuevo método que sirve para complementar y mejorar las técnicas tradicionales.

“El nuevo método permite ver microestructuras en tejidos biológicos en situaciones que antes no podían ser vistas”, explicó uno de los autores del paper, el doctor en Física Gonzalo Álvarez, que es docente del Instituto Balseiro e investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche (CAB). El trabajo fue publicado en la revista “Scientific Reports” de Nature (link al paper, aquí).

Una de las ventajas del nuevo método es que las muestras bajo estudio no deben ser rotadas, algo que implica una mayor comodidad y permitiría en el futuro utilizarlas con pacientes. Otros métodos no permiten todavía ser implementados con fines clínicos, ya que necesitan rotar al paciente o la muestra estudiada en varias direcciones espaciales para generar las imágenes.

La técnica de resonancia magnética nuclear implica el uso de imanes, que generan campos magnéticos y que permiten detectar y manipular núcleos atómicos, como los protones del agua que hay en las muestras bajo estudio. “El 70% de nuestro cuerpo está compuesto por agua, y el agua tiene protones que a su vez tienen un ‘espín nuclear’ que puede ser detectado con los equipos de RMN que hay en los hospitales”, detalló Álvarez.
“En el mundo cuántico, los espines actúan como la aguja de una brújula que se orienta con un campo magnético”, observó el científico, que realizó este trabajo con sus colegas Noam Shemesh, en Portugal, y Lucio Frydman, en Israel. Y agregó: “A los espines se los puede usar como ‘espías’ para observar dentro de los tejidos de nuestros órganos y así realizar diagnósticos médicos no invasivos”.

Álvarez, que es docente en la maestría en Física Médica del Instituto Balseiro, detalló que los espines son muy sensibles a las variaciones de los campos magnéticos. Esas variaciones dependen de la geometría y de los tamaños de las cavidades y poros de los tejidos. “Se nos ocurrió que podíamos usar esa propiedad de los espines, de alta sensibilidad a los cambios del campo magnético, para mapear la morfología de las estructuras”, explicó Álvarez. Eso, sumado a que las moléculas de agua se mueven aleatoriamente dentro de los tejidos, fue utilizado con éxito para explorar microestructuras de distintas muestras.

Álvarez regresó hace un año a Argentina para montar y llevar adelante un nuevo Laboratorio de Espectroscopia e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear en el Departamento de Física Médica de la Gerencia de Física de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) en el CAB. Previamente, hizo un posdoctorado premiado por la Fundación Alexander von Humboldt, en Alemania, y fue investigador sénior Marie Curie, un subsidio muy prestigioso de la comunidad europea, en el Instituto Weizmann, en Israel.

“Esperamos que esta nueva técnica para medir los tamaños y las morfologías de los poros y de las células ayuden a hacer diagnósticos médicos de enfermedades como el cáncer o el Alzheimer y a determinar la eficacia de los tratamientos médicos en vivo”, concluyó el científico.

Link al paper publicado en "Scientific reports" de Nature, aquí.

Link al blog de divulgación del Dr. Gonzalo Álvarez, aquí.

 

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Área de Comunicación Institucional

Instituto Balseiro

San Carlos de Bariloche, 18/08/2017

What does an atom know about its environment?

In a variety of technological fields, ranging from computing to sensing, the forefront of research is approaching the ability to develop minute devices of nanometric size – the size of a single atom. The performance of such nanometric devices is governed by quantum mechanics, as opposed to macroscopic devices whose performance is “classical”. However, the quantum performance of a nanosize device may be hampered by disturbance or noise imparted by its environment, which stem from random fluctuations of the atoms or electrons of the environment. Dr. Analia Zwick and her husband Dr. Gonzalo Alvarez, in their work with Prof. Gershon Kurizki, have considered this noise to be not only a problem but also an opportunity: they have developed a method whereby this noise may be a unique source of information on processes that take place in the vicinity of the device on nanometric scales. For example, pathology of a live tissue on such tiny scales may be diagnosed by the signature of the noise exerted by the tissue on an atom-size sensor. The key question according to Dr. Zwick and coworkers is: how much information is obtainable on the environment-induced noise from a measurement of the state of a sensor that is a single, simple (two-level) atom? The results of their theoretical study that have been published in the journal Physical Review Applied [1] are surprising and of principal significance. They assert that it is practically possible to infer from a measurement the maximal information on the noise characteristics that quantum theory allows, but only provided the atom prior to the measurement will be subject to control by an electromagnetic field in the form of a suitable pulse sequence aimed at maximizing the information on the noise characteristic in question. With appropriate control it is possible to obtain the maximal information by the atomic sensor. The researchers demonstrate the applicability of their general method to a sensor which is currently the subject of high hopes by the research community – a nano-diamond with a defect known as a color center in which a nitrogen atom is vacant (alias NV center). Dr. Zwick and coworkers anticipate that invaluable information may be obtained on physical, chemical and biomedical processes from the characteristics of noise that affects the quantum states of the NV-center defect, under the microwave control they have designed.

[1] Analia Zwick, Gonzalo A. Álvarez and Gershon Kurizki, Phys. Rev. Applied 5, 014007 (2016)

 

 

 

 

 

 

 

 

Desde el mundo cuántico a la medicina:

Traspasando los límites de las imágenes por resonancia magnética

 

Traspasando limites

Uno de los grandes desafíos para ser exitosos combatiendo enfermedades como el cáncer o enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, es entender a nivel celular los procesos biológicos que las producen. Esto sucede a escalas microscópicas o nanoscópicas: tamaños 1000 ó 1 millón de veces más pequeños que la distancias entre las rayitas de un milímetro en una regla escolar.  Científicos en el mundo entero están desarrollando técnicas para poder estudiar estas enfermedades a esas pequeñas escalas. Hasta el día de hoy, la mayoría de las técnicas desarrolladas son muy invasivas. Las imágenes por resonancia magnética son particularmente muy importantes porque pueden obtenerse de formas no invasivas. Sin embargo, estas imágenes normalmente permiten observar los tejidos del cuerpo humano distinguiendo tamaños de un milímetro, como los de la regla.  Es decir no permiten observar de forma directa las estructuras y procesos biológicos dentro de ese milímetro. Esto es similar a percibir con nuestros ojos una estrella en el cielo. Esa “estrella”, en realidad puede ser una galaxia entera que no podemos ver en detalle con nuestros ojos.

 

Cómo romper esa barrera y poder ver el universo de células y microestructuras dentro de cada pixel milimétrico de una imagen? Esa fue la pregunta que nos hicimos como investigadores, Gonzalo A. Álvarez, miembro del CONICET en el Centro Atómico Bariloche, Noam Shemesh Profesor en el Champalimaud Centre for the Unknown (Centro Champalimaud para lo desconocido) en Portugal, y Lucio Frydman Profesor en el Instituto Weizmann en Israel. Para responder esta pregunta, encaramos este proyecto de forma interdisciplinaria. Usamos conceptos de la física cuántica fundamental, para romper las barreras impuestas por las tecnologías actuales y la complejidad del mundo de la biología y la medicina a esas escalas tan pequeñas.

 

La forma tradicional de generar imágenes por resonancia magnética es detectando la cantidad de moléculas de agua que tenemos dentro de nuestro cuerpo. El 70% de nuestro cuerpo está compuesto por agua, y el agua tiene protones que tienen un “espín nuclear” que puede ser detectado con los equipos de imágenes que hay en los hospitales. A los espines se los puede usar como “espías” para observar por dentro los tejidos de nuestros órganos y poder realizar diagnósticos médicos no invasivos. Los espines son como la aguja de una brújula que se orientan con campos magnéticos, pero que viven en el mundo cuántico. De la misma forma que la aguja de una brújula se orienta siempre apuntando al norte, siguiendo la orientación del campo magnético de la tierra, las agujas cuánticas lo hacen a lo largo de campos magnéticos aplicados, que son más intensos que los de la tierra. Sin embargo, las agujas cuánticas son mucho más sensibles que las de la brújula, a muy pequeñas variaciones de los campos magnéticos. Éste fue un ingrediente clave que utilizamos, sumado a que las moléculas de agua se mueven aleatoriamente, de forma errática, dentro de los tejidos y de esa forma exploran sus microestructuras.

 

Una forma un poco menos tradicional de hacer imágenes por resonancia magnética, es usar esta propiedad de las moléculas que se mueven dentro de las cavidades pequeñas de los tejidos para detectar poros y células. Las moléculas en algún momento chocan con los bordes de las cavidades y luego se puede inferir la forma de las microestructuras. Sin embargo, estos mecanismos muchas veces no funcionan, ya que hay que esperar mucho tiempo hasta que las moléculas exploren los bordes, y eso hace que no se pueda detectarlas. Para resolver ese problema, se nos ocurrió que alternativamente se puede usar la alta sensibilidad de estas agujas cuánticas a los cambios del campo magnético, aprovechando de que éstos dependen de la geometría y los tamaños de las cavidades en las microestructuras de los tejidos. Así logramos ver los tamaños y las geometrías de las cavidades, sin necesidad de esperar a que las moléculas choquen contra los bordes. Para dar un ejemplo más cotidiano, imaginémonos que nos encontramos en una habitación a oscuras y queremos encontrar la puerta, que por suerte está abierta, y eventualmente podremos salir. El procedimiento natural, si no se conoce la habitación, sería comenzar a explorar la habitación con el tacto, hasta encontrar las paredes, para luego explorar dónde se encuentra la puerta. Lo revolucionario del nuevo método que propusimos, es que se nos ocurrió que en vez de tantear las paredes, se puede sentir algo similar al movimiento del aire dentro de la habitación. Por supuesto este aire entra y sale por la puerta, y de esa forma, al sentir la dirección en la que el aire se mueve, se puede determinar dónde está la puerta sin tocarla.  De esa forma logramos determinar las microestructuras de los tejidos, de forma no invasiva y “sin tocarlas”.

 

Este resultado los publicamos en la revista Scientific Reports de Nature, una revista de alto prestigio en el mundo de la ciencia. Esta nueva forma de hacer imágenes para medir los tamaños y morfologías de los poros y las células, incluyendo cambios sufridos por las células en tejidos vivos, proporciona una manera completamente no invasiva que promete abrir una plétora de aplicaciones y tecnologías médicas. En particular para hacer diagnósticos por imágenes y determinar la eficacia de los tratamientos médicos. Principalmente diagnósticos para investigar la naturaleza de la compartimentación de tejidos “in vivo”, brindará nuevos mecanismos para informar si existen tejidos patológicos como los cancerígenos o los de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. Se espera también que pueda ser útil para monitorear cambios fisiológicos sufridos por las células del cerebro humano cuando lo utilizamos para diferentes actividades. Estos últimos, son de mucho interés en neurociencias, un área de investigación que se dedica a entender cómo funciona el cerebro. Al poder ver más allá que con los métodos tradicionales, tenemos esperanzas de poder contribuir a que se mejore la prevención y detección temprana de enfermedades.

 

Link al paper publicado en "Scientific reports" de Nature

Link a Noticias del Instituto Balseiro

 

Dr. Gonzalo A. Álvarez
Centro Atómico Bariloche, Instituto Balseiro, CONICET, CNEA

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