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¿Por qué estos científicos no restauraron la actividad eléctrica en el cerebro de este cerdo?


Este experimento fue publicado en Nature Magazine: Los cerebros de los cerdos se mantuvieron vivos fuera del cuerpo durante horas después de la muerte. Los investigadores utilizaron un sistema llamado BrainEx para revivir ciertas funciones metabólicas y fisiológicas del cerebro de un cerdo incorpóreo, pero nunca intentaron reiniciar la actividad eléctrica.

¿Por qué se detuvieron antes de reiniciar la actividad eléctrica en el cerebro de este cerdo?


Reiniciar la actividad eléctrica significaría que al menos partes del cerebro se vuelven activas nuevamente y posiblemente la restauración de casi todas las funciones cognitivas. Si bien esto sería un tremendo avance científico y médico, también significaría que se habría inducido efectivamente el síndrome de enclaustramiento en estos cerebros de cerdo. Por lo tanto, el solo intento de restaurar la actividad eléctrica en cerebros aislados tiene enormes problemas éticos y, por esta razón, probablemente no se permitió (o nunca se intentó).

Si se debe permitir o no probar esto en cerebros de cerdo (para aprender cómo adaptar el procedimiento a los humanos) es una pregunta diferente (y no una para este SE): la mejor manera de hacerlo probablemente sería restaurar actividad eléctrica no en cerebros aislados, sino con cerebros todavía en animales.


Los científicos restauran algo de actividad en los cerebros de los cerdos muertos: aquí y # 8217s por qué es importante

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NUEVA YORK & # 8212 Los científicos restauraron algo de actividad dentro de los cerebros de los cerdos que habían sido sacrificados horas antes, lo que generó esperanzas de algunos avances médicos y preguntas sobre la definición de muerte.

Los cerebros no podían pensar ni sentir nada, enfatizaron los investigadores. Según los estándares médicos, & # 8220 esto no es un cerebro vivo & # 8221, dijo Nenad Sestan de la Facultad de Medicina de Yale, uno de los investigadores que informaron los resultados el miércoles en la revista. Naturaleza.

Pero el trabajo reveló un sorprendente grado de resiliencia entre las células dentro de un cerebro que ha perdido su suministro de sangre y oxígeno, dijo.

& # 8220La muerte celular en el cerebro ocurre en una ventana de tiempo más larga de lo que pensábamos anteriormente & # 8221, dijo Sestan.

Dicha investigación podría conducir a nuevas terapias para el accidente cerebrovascular y otras afecciones, además de proporcionar una nueva forma de estudiar el cerebro y cómo funcionan los medicamentos en él, dijeron los investigadores. Dijeron que no tenían planes actuales para probar su técnica en cerebros humanos.

El estudio fue financiado principalmente por los Institutos Nacionales de Salud.

Los 32 cerebros provienen de cerdos sacrificados para comer en un matadero local. Los científicos ponen los cerebros en un aparato en su laboratorio. Cuatro horas después de la muerte de los animales, los científicos comenzaron a bombear un sustituto de sangre especialmente diseñado a través de los órganos.

Los cerebros no mostraron actividad eléctrica a gran escala que indique conciencia. Restaurar la conciencia no era un objetivo del estudio, que tenía como objetivo explorar si funciones particulares podrían restaurarse mucho después de la muerte.

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Después de seis horas de bombeo, los científicos encontraron que las células cerebrales individuales en un área del cerebro habían mantenido detalles clave de su estructura, mientras que las células de cerebros no tratados se habían degradado severamente. Cuando los científicos extrajeron estas neuronas de los cerebros tratados y las estimularon eléctricamente, las células respondieron de una manera que indicaba viabilidad.

Y al estudiar la sangre artificial antes de que ingresara a los cerebros tratados y después de que emergiera, los investigadores encontraron evidencia de que las células cerebrales estaban absorbiendo azúcar y oxígeno en la sangre y produciendo dióxido de carbono, una señal de que estaban funcionando.

También encontraron que los vasos sanguíneos en los cerebros tratados respondieron a un medicamento que hace que los vasos se ensanchen.

Sestan dijo que los investigadores no saben si podrían restaurar la función normal del cerebro completo si eligieran ese objetivo. Si tal conciencia hubiera aparecido en los experimentos reportados, los científicos habrían usado anestesia y bajas temperaturas para sofocarla y detener el experimento, dijo el coautor del estudio Stephen Latham de Yale. No existe un buen consenso ético sobre la realización de tal investigación si el cerebro está consciente, dijo.

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Los investigadores ahora están viendo si pueden mantener las funciones cerebrales que observaron durante más de seis horas de tratamiento, lo que Latham dijo que sería necesario para usar la tecnología como una herramienta de investigación.

Christof Koch, presidente del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro en Seattle, que no participó en el estudio, dijo que estaba sorprendido por los resultados, especialmente porque se lograron en un animal grande.

& # 8220Este tipo de tecnología podría ayudar a aumentar nuestro conocimiento para llevar a las personas de regreso a la tierra de los vivos & # 8221 después de una sobredosis de drogas u otro evento catastrófico que privó al cerebro de oxígeno durante una o dos horas, dijo. A diferencia de los experimentos con cerdos, cualquier tratamiento de este tipo no implicaría extraer el cerebro del cuerpo.

El trabajo porcino también entra en un campo minado ético, dijo. Por un lado, toca la definición ampliamente utilizada de muerte como la pérdida irreversible de la función cerebral porque la irreversibilidad & # 8220 depende del estado de la tecnología y, como muestra este estudio, esto avanza constantemente & # 8221, dijo.

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4:10 Salud del cerebro

Y alguien podría intentar esto algún día con un cerebro humano, dijo. Si los experimentos futuros restauraran la actividad eléctrica a gran escala, ¿eso indicaría conciencia? ¿El cerebro & # 8220 experimentaría confusión, delirio, dolor o agonía? & # 8221, preguntó. Eso sería inaceptable incluso en el cerebro de un animal, dijo.

En un comentario de Nature, los especialistas en bioética Stuart Youngner e Insoo Hyun de la Escuela de Medicina Case Western Reserve en Cleveland dijeron que si ese trabajo conduce a mejores métodos para resucitar el cerebro en las personas, podría complicar las decisiones sobre cuándo extraer órganos para trasplante.


"Parcialmente vivo": los científicos reviven células cerebrales de cerdos muertos

En un estudio que cambia las suposiciones sobre la muerte cerebral, los investigadores devolvieron la vida a algunas células, o algo por el estilo.

En un estudio que plantea profundas preguntas sobre la línea entre la vida y la muerte, los investigadores han restaurado algo de actividad celular en los cerebros extraídos de los cerdos sacrificados.

Los cerebros no recuperaron nada parecido a la conciencia: no había señales que indicaran señales eléctricas coordinadas, necesarias para funciones superiores como la conciencia y la inteligencia.

Pero en un tratamiento experimental, los vasos sanguíneos del cerebro de los cerdos comenzaron a funcionar, a fluir con un sustituto de la sangre, y ciertas células cerebrales recuperaron la actividad metabólica, incluso respondiendo a los medicamentos. Cuando los investigadores probaron cortes de tejido cerebral tratado, descubrieron actividad eléctrica en algunas neuronas.

El trabajo es muy preliminar y no tiene implicaciones inmediatas para el tratamiento de lesiones cerebrales en humanos. Pero la idea de que partes del cerebro pueden recuperarse después de la muerte, como se define convencionalmente, contradice todo lo que la ciencia médica cree sobre el órgano y plantea acertijos metafísicos.

“Teníamos una línea clara entre 'esto está vivo' y 'esto está muerto'”, dijo Nita A. Farahany, bioética y profesora de derecho en la Universidad de Duke. “¿Cómo pensamos ahora acerca de esta categoría intermedia de 'parcialmente vivo'? No pensamos que pudiera existir ".

Durante décadas, los médicos y los familiares en duelo se han preguntado si alguna vez sería posible restaurar la función de una persona que sufrió una lesión cerebral extensa debido a un derrame cerebral o un ataque cardíaco severo. ¿Eran estos cerebros realmente más allá del salvamento?

La nueva investigación confirma lo poco que sabemos sobre el cerebro lesionado y la llamada muerte cerebral. Bioeticistas como el Dr. Farahany quedaron atónitos e intrigados por los hallazgos, publicados el miércoles en la revista Nature.

“Esto es una locura”, dijo Jonathan Moreno, bioético de la Universidad de Pensilvania. "Si alguna vez hubo un tema que mereció una gran deliberación pública sobre la ética de la ciencia y la medicina, este es uno".

Hasta ahora, se ha asumido que el cerebro se deteriora rápidamente cuando se corta el suministro de sangre. Las células se deterioran y las conexiones entre las neuronas se desmoronan. Los científicos han creído que esos cambios son irreversibles a menos que la sangre se restaure rápidamente.

Investigadores de la Universidad de Yale adquirieron las cabezas de 32 cerdos sacrificados por su carne. Los científicos cortaron los cráneos y extrajeron los cerebros. Cuando comenzó el experimento, los cerebros habían estado sin sangre y a temperatura ambiente durante cuatro horas.

El equipo ha desarrollado un sistema llamado BrainEx que bombea una solución experimental al cerebro intacto. Los científicos esperan que la tecnología ayude a señalar el camino hacia nuevos tratamientos para accidentes cerebrovasculares, lesiones cerebrales traumáticas y enfermedades como el Alzheimer.

Los científicos bombearon la solución al cerebro de los cerdos durante seis horas. Llevó oxígeno al tejido y contenía sustancias químicas que permitieron a los científicos rastrear su flujo con ultrasonido.

La solución también contenía sustancias químicas destinadas a bloquear las señales nerviosas. Los científicos razonaron que las células cerebrales podrían conservarse mejor, y su metabolismo se reiniciaría más fácilmente, si las células no estuvieran activas.

Pero los investigadores tampoco querían correr el riesgo de que los cerebros pudieran recuperar la conciencia, por poco probable que pareciera. Si el equipo hubiera visto actividad eléctrica que sugiriera conciencia real, planearon administrar medicamentos anestésicos al cerebro y enfriarlos de inmediato para detener el proceso.

Además de los cerebros que recibieron la solución BrainEx, los científicos también examinaron los cerebros que no recibieron infusiones y los que recibieron infusiones de una sustancia ficticia. Los cerebros de ambos grupos no mostraron signos de actividad y sus células se deterioraron.

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Los Institutos Nacionales de Salud, que apoyaron la investigación, realizaron una sesión informativa para discutir su importancia.

"No es un cerebro vivo, pero es un cerebro celularmente activo", dijo el Dr. Nenad Sestan, neurocientífico de la Universidad de Yale que dirigió la investigación, sobre el tejido revivido.

"Queríamos probar si las células en el cerebro muerto intacto pueden tener algunas funciones restauradas", agregó.

Algunas personas que parecían muertas después de una exposición prolongada al frío han sido reanimadas y sus cerebros siguen funcionando, anotó. Los pacientes con accidente cerebrovascular que habían pasado hasta 16 horas con un coágulo que bloquea la sangre en partes del cerebro han recuperado la función cerebral una vez que los médicos extrajeron los coágulos.

“Este es un avance real”, dijo Andrea Beckel-Mitchener, quien dirige los esfuerzos de investigación del cerebro en el N.I.H. "Esto nunca se había hecho antes en un gran cerebro de mamífero intacto".

Christine Grady, jefa de bioética en el centro clínico del N.I.H., dijo que el trabajo "presenta por primera vez una oportunidad para estudiar todo el cerebro de los mamíferos fuera del cuerpo después de la muerte".

“Permite a los investigadores mapear células y conexiones entre ellas de formas que nunca antes habían sido posibles”, agregó. Y la técnica puede ampliar el estudio de la lesión cerebral y la reparación celular, así como la forma en que las drogas afectan el cerebro.

Los problemas éticos que plantea la investigación sobre tejido cerebral revivido casi no tienen precedentes. Entre ellos se encuentran preguntas sobre el bienestar de los animales de laboratorio.

“Esto es nuevo”, dijo Stephen R. Latham, bioético de Yale. “Esto no es investigación con animales. El cerebro llega a los investigadores de un animal muerto ”.

¿Cómo, preguntó, decidirán los especialistas en ética si el sufrimiento causado por la investigación, a un cerebro "parcialmente vivo", está justificado por los objetivos?

Aunque no hubo actividad eléctrica en el cerebro, es posible restaurarla, dijeron el Dr. Farahany y otros expertos. No se sabe qué hubiera pasado si la solución de los científicos no hubiera contenido bloqueadores nerviosos.

Cuando tienes un cerebro celularmente activo, ¿cuáles son las protecciones adecuadas ?, preguntó. ¿Lo tratas como a un animal vivo? No se puede tratar como un animal muerto, dijo.

“¿Qué significa hablar de conciencia en un cerdo? ¿Qué estamos buscando?" Se preguntó el Dr. Moreno.

El trabajo también puede tener implicaciones para la donación de órganos.

En Francia y España, si una persona tiene, digamos, un ataque cardíaco que priva al cerebro de sangre, los trabajadores de los servicios médicos de emergencia intentan durante 30 minutos más o menos reiniciar el corazón, dijo Stuart Youngner, bioético de la Universidad Case Western Reserve, quien fue coautor de un editorial que acompaña al estudio.

Si fallan, los trabajadores de emergencia conservan los órganos con una máquina cardiopulmonar portátil para bombear sangre a través del cuerpo y también insertan un globo para evitar que la sangre llegue al cerebro. De esa forma la persona puede ser donante de órganos, porque el cerebro está muerto.

Pero "si algo como BrainEx estuviera disponible, ¿por qué no harías eso en lugar de intentar obtener sus órganos?" Dijo el Dr. Youngner.

En los Estados Unidos, dijo el Dr. Youngner, el sistema de globos se considera poco ético. Pero un sistema como BrainEx probablemente alentaría a los médicos y trabajadores de emergencia a esforzarse más y más para resucitar a los pacientes. El resultado algún día podría ser menos pacientes con muerte cerebral y menos donantes de órganos.

Pasarán años antes de que la reanimación cerebral alcance incluso las pruebas preliminares en humanos, enfatizaron los investigadores. Pero, la Dra. Farahany dijo que puede imaginar un día en el que la reanimación cerebral se convierta en una práctica médica estándar.


Cada vez más complejo

Casi todos los científicos y especialistas en ética están de acuerdo en que hasta ahora nadie ha creado conciencia en el laboratorio. Pero se preguntan qué deben vigilar y qué teorías de la conciencia podrían ser las más relevantes. De acuerdo con una idea llamada teoría de la información integrada, por ejemplo, la conciencia es un producto de cuán densamente están conectadas las redes neuronales a través del cerebro. Cuantas más neuronas interactúan entre sí, mayor es el grado de conciencia, una cantidad conocida como phi. Si phi es mayor que cero, el organismo se considera consciente.

La mayoría de los animales llegan a esta barra, según la teoría. Christof Koch, presidente del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro en Seattle, Washington, duda de que cualquier organoide existente pueda alcanzar este umbral, pero admite que uno más avanzado podría hacerlo.

Otras teorías de la conciencia en competencia requieren información sensorial o patrones eléctricos coordinados en múltiples regiones del cerebro. Una idea conocida como teoría del espacio de trabajo global, por ejemplo, postula que la corteza prefrontal del cerebro funciona como una computadora, procesando las entradas sensoriales e interpretándolas para formar una sensación de ser. Debido a que los organoides no tienen una corteza prefrontal y no pueden recibir información, no pueden volverse conscientes. "Sin entrada y salida, las neuronas pueden estar hablando entre sí, pero eso no significa necesariamente nada parecido al pensamiento humano", dice Madeline Lancaster, bióloga del desarrollo de la Universidad de Cambridge, Reino Unido.

Sin embargo, conectar organoides a órganos podría ser una tarea bastante sencilla. En 2019, el equipo de Lancaster cultivó organoides del cerebro humano junto a la columna vertebral y el músculo de la espalda de un ratón. Cuando los nervios del organoide humano se conectaron con la columna vertebral, los músculos comenzaron a contraerse espontáneamente 4.

La bióloga del desarrollo Madeline Lancaster trabaja con organoides para estudiar la organización y los trastornos cerebrales en su laboratorio de la Universidad de Cambridge, Reino Unido. Crédito: Felicity McCabe

La mayoría de los organoides están diseñados para reproducir solo una parte del cerebro: la corteza. Pero si se desarrollan lo suficiente y con los tipos adecuados de factor de crecimiento, las células madre humanas recrean espontáneamente muchas partes diferentes del cerebro, que luego comienzan a coordinar su actividad eléctrica. En un estudio publicado en 2017, la bióloga molecular Paola Arlotta de la Universidad de Harvard convenció a las células madre para que se convirtieran en organoides cerebrales compuestos de muchos tipos de células diferentes, incluidas las células sensibles a la luz como las que se encuentran en la retina 5. Cuando se exponen a la luz, las neuronas de los organoides comienzan a dispararse. Pero el hecho de que estas células estuvieran activas no significa que los organoides pudieran ver y procesar información visual, dice Arlotta. Simplemente significa que podrían formar los circuitos necesarios.

Arlotta y Lancaster piensan que sus organoides son demasiado primitivos para ser conscientes, porque carecen de las estructuras anatómicas necesarias para crear patrones EEG complejos. Aún así, Lancaster admite que para los organoides avanzados, depende de la definición. “Si pensabas que una mosca estaba consciente, es concebible que un organoide pudiera estarlo”, dice.

Neurociencia vs filosofía: apuntar al libre albedrío

Sin embargo, Lancaster y la mayoría de los otros investigadores piensan que algo como un cerebro de cerdo revitalizado tendría muchas más probabilidades de alcanzar la conciencia que un organoide. El equipo que hizo el trabajo en los cerebros de los cerdos, dirigido por el neurocientífico Nenad Sestan, estaba tratando de encontrar nuevas formas de revitalizar los órganos, no de crear conciencia. Los investigadores pudieron hacer que se dispararan neuronas individuales o grupos y tuvieron cuidado de tratar de evitar la creación de ondas cerebrales generalizadas. Aún así, cuando el equipo de Sestan vio lo que parecía una actividad electroencefalográfica coordinada en uno de los cerebros, detuvieron inmediatamente el proyecto. Incluso después de que un especialista en neurología confirmara que el patrón no era consistente con la conciencia, el grupo anestesió los cerebros como medida de precaución.

Sestan también se puso en contacto con los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. (NIH) para obtener orientación sobre cómo proceder. El panel de neuroética de la agencia, que incluyó a Lunshof e Insoo Hyun, un bioético de la Universidad Case Western en Cleveland, Ohio, evaluó el trabajo y acordó que Sestan debería continuar anestesiando los cerebros. Pero el panel no se ha conformado con regulaciones más generales y no requiere rutinariamente una evaluación bioética para las propuestas de organoides porque sus miembros piensan que es poco probable que surja la conciencia. El NIH tampoco ha llegado a una definición de conciencia. "Es tan flexible que todos reclaman su propio significado", dice Hyun. "Si no está claro que estamos hablando de lo mismo, es un gran problema para el discurso".

El neurocientífico Nenad Sestan utilizó la plataforma BrainEx para restaurar la actividad neuronal en cerebros de cerdo incorpóreos. Crédito: Jesse Winter por Naturaleza


Causa de la peor extinción masiva jamás encontrada

Los periódicos franceses informan que el juicio no ha estado a la altura de las expectativas.

  • El gobierno francés invirtió inicialmente en una calzada solar rural en 2016.
  • Los periódicos franceses informan que el juicio no ha estado a la altura de las expectativas.
  • Las carreteras "pavimentadas" con paneles solares están demostrando ser ineficientes y demasiado caras.

Resulta que las carreteras de energía solar no son todo lo que parecen. En 2016, Francia presentó un audaz plan para construir 620 millas (1.000 kilómetros) de carreteras solares compuestas por paneles fotovoltaicos. Creían que la carretera terminada podría algún día alimentar hasta 5 millones de hogares. El gobierno francés invirtió 5 millones de euros para probar el concepto.

Han pasado casi tres años desde su primera prueba con un tramo solar pavimentado de 0,6 millas en la zona rural de Normandía. Los ingenieros y funcionarios del gobierno estimaron que esta primera vía solar podría alimentar hasta 5,000 hogares. Ese no fue el caso.

Hasta ahora, la iniciativa "Wattway" ha sido un fracaso decepcionante.

La carretera solar fallida de Francia

El Wattway en Francia consta de 2.800 paneles fotovoltaicos, con una longitud de un kilómetro (0,62 millas) que se extiende desde la pequeña ciudad de Tourouvre-au-Perche. El grupo de construcción responsable del edificio, Colas, dijo que los paneles solares estaban cubiertos con una resina especial que contenía silicio, que protegía las celdas del tráfico de vehículos de 18 ruedas.

El proyecto parecía condenado al fracaso desde el principio. Esta región de Normandía, Francia, no es conocida por su abundancia de sol. Por lo general, una ciudad de Normandía solo tiene 44 días de luz solar intensa.

Desde la apertura de la carretera, los paneles se han soltado o roto en pedazos habitualmente. En mayo de 2018, se tuvieron que destruir 90 metros (300 pies) de la calzada. Rápidamente se hizo evidente que los paneles solares no podían soportar el desgaste del tráfico sostenido o las fuerzas de la naturaleza.

En un informe de la Revisión global de la construcción, se descubrió que los ingenieros no tomaron en cuenta el daño que causarían las tormentas eléctricas, el moho de las hojas y los enormes tractores que usarían la carretera. En los primeros meses, la mayor cantidad de energía generada por la carretera alcanzó solo la mitad de su objetivo declarado, alrededor de 150,000kWh antes de caer a 78,000 en 2018 y finalmente a 38,000 a principios de 2019.

El vicepresidente de la Red para la Transición Energética, Marc Jedliczka, afirmó: "No se entendieron suficientemente los elementos técnicos y económicos del proyecto. Es un absurdo total innovar a costa de soluciones que ya existen y son mucho más rentables". como la energía fotovoltaica en los techos ".

La idea de las carreteras solares ha sido recibida con gran escepticismo por parte de muchos expertos en el campo de las renovables. Habitualmente se ha descubierto que son demasiado costosos e ineficientes.

Avanzando con otros proyectos solares

Dos techadores locales, Pascal y Eric, fueron entrevistados por el periódico francés Le Monde sobre el proyecto. "Los ingenieros de este proyecto seguramente no pensaron en los tractores que se volcarían", afirmaron.

Si bien el revestimiento de resina pudo evitar que los paneles se aplastaran, creó tanto ruido adicional que los lugareños tuvieron que reducir el límite de velocidad a 70 km / h (43 mph). La calzada ha sido descrita como degradada y "pálida con sus juntas irregulares ... paneles solares que se desprenden de la calzada y las muchas astillas que esmaltan la resina que protege las células fotovoltaicas".

La primera calzada solar a gran escala ha resultado ser una completa litera. Es poco probable que esta idea sea factible en un futuro próximo. Colas Wattway lo ha admitido. El director gerente Etienne Guadin dijo Le Monde que esta carretera no iría al mercado.

"El modelo Tourouvre no es el que vamos a comercializar. Nuestro sistema no está maduro para el tráfico de larga distancia ... Ahora nos estamos enfocando en pequeños módulos de 3, 6 o 9 metros cuadrados, suficientes para proporcionar suficiente electricidad para una cámara de circuito cerrado de televisión, iluminación para paradas de autobús o una estación de carga de bicicletas eléctricas ".


Causa de la peor extinción masiva jamás encontrada

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  • El gobierno francés invirtió inicialmente en una calzada solar rural en 2016.
  • Los periódicos franceses informan que el juicio no ha estado a la altura de las expectativas.
  • Las carreteras "pavimentadas" con paneles solares están demostrando ser ineficientes y demasiado caras.

Resulta que las carreteras de energía solar no son todo lo que parecen. En 2016, Francia presentó un audaz plan para construir 620 millas (1.000 kilómetros) de carreteras solares compuestas por paneles fotovoltaicos. Creían que la carretera terminada podría algún día alimentar hasta 5 millones de hogares. El gobierno francés invirtió 5 millones de euros para probar el concepto.

Han pasado casi tres años desde su primera prueba con un tramo solar pavimentado de 0,6 millas en la zona rural de Normandía. Los ingenieros y funcionarios del gobierno estimaron que esta primera vía solar podría alimentar hasta 5,000 hogares. Ese no fue el caso.

Hasta ahora, la iniciativa "Wattway" ha sido un fracaso decepcionante.

La carretera solar fallida de Francia

El Wattway en Francia consta de 2.800 paneles fotovoltaicos, con una longitud de un kilómetro (0,62 millas) que se extiende desde la pequeña ciudad de Tourouvre-au-Perche. El grupo de construcción responsable del edificio, Colas, dijo que los paneles solares estaban cubiertos con una resina especial que contenía silicio, que protegía las celdas del tráfico de vehículos de 18 ruedas.

El proyecto parecía condenado al fracaso desde el principio. Esta región de Normandía, Francia, no es conocida por su abundancia de sol. Por lo general, una ciudad de Normandía solo tiene 44 días de luz solar intensa.

Desde la apertura de la carretera, los paneles se han soltado o roto en pedazos habitualmente. En mayo de 2018, se tuvieron que destruir 90 metros (300 pies) de la calzada. Rápidamente se hizo evidente que los paneles solares no podían soportar el desgaste del tráfico sostenido o las fuerzas de la naturaleza.

En un informe de la Revisión global de la construcción, se descubrió que los ingenieros no tomaron en cuenta el daño que causarían las tormentas eléctricas, el moho de las hojas y los enormes tractores que usarían la carretera. En los primeros meses, la mayor cantidad de energía generada a partir de la carretera alcanzó solo la mitad de su objetivo declarado en alrededor de 150,000kWh antes de caer a 78,000 en 2018 y finalmente a 38,000 a principios de 2019.

El vicepresidente de la Red para la Transición Energética, Marc Jedliczka, afirmó: "No se entendieron suficientemente los elementos técnicos y económicos del proyecto. Es un absurdo total innovar a costa de soluciones que ya existen y son mucho más rentables". como la energía fotovoltaica en los techos ".

La idea de las carreteras solares ha sido recibida con gran escepticismo por parte de muchos expertos en el campo de las renovables. Habitualmente se ha descubierto que son demasiado costosos e ineficientes.

Avanzando con otros proyectos solares

Dos techadores locales, Pascal y Eric, fueron entrevistados por el periódico francés Le Monde sobre el proyecto. "Los ingenieros de este proyecto seguramente no pensaron en los tractores que se volcarían", afirmaron.

Si bien el revestimiento de resina pudo evitar que los paneles se aplastaran, creó tanto ruido adicional que los lugareños tuvieron que reducir el límite de velocidad a 70 km / h (43 mph). La calzada ha sido descrita como degradada y "pálida con sus juntas irregulares ... paneles solares que se desprenden de la calzada y las muchas astillas que esmaltan la resina que protege las células fotovoltaicas".

La primera calzada solar a gran escala ha resultado ser una completa litera. Es poco probable que esta idea sea factible en un futuro próximo. Colas Wattway lo ha admitido. El director gerente Etienne Guadin dijo Le Monde que esta carretera no iría al mercado.

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Los científicos están desentrañando los misterios del dolor

Con la crisis de los opioides, la búsqueda para comprender la biología del dolor y explorar nuevas formas de tratarlo ha adquirido una nueva urgencia.

Hace más de tres décadas, cuando Tom Norris luchaba contra el cáncer, se sometió a radioterapia en la ingle y la cadera izquierda. Su cáncer desapareció y no ha regresado. Pero Norris se quedó con un dolor punzante que le quemó desde la cadera hasta la columna y el cuello.

Desde entonces, Norris, ahora de 70 años, nunca ha tenido un solo día libre de dolor. Cortó su carrera como oficial de mantenimiento de aeronaves en la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Ha sido su compañero constante, como el bastón que usa para caminar. En los días malos, el dolor es tan insoportable que está postrado en cama. Incluso en los mejores días, limita severamente su capacidad para moverse, impidiéndole hacer las tareas más simples, como sacar la basura. A veces, el dolor es tan abrumador, dice Norris, que le cuesta respirar. "Es como si me estuviera ahogando".

Norris, que vive en un suburbio de Los Ángeles, me habló desde un banco largo y acolchado, lo que le permitió pasar de estar sentado a acostarse boca arriba. Un hombre alto y afable, se ha convertido en un experto en usar una máscara de serenidad para ocultar su dolor. Nunca lo vi hacer una mueca. Cuando su agonía es especialmente intensa, su esposa de 31 años, Marianne, dice que puede notarlo por cierta quietud que ve en sus ojos.

Para aliviar su dolor durante la cirugía para quitarle un alfiler de la pelvis, Brent Bauer se enfoca en un juego de realidad virtual llamado SnowWorld, que consiste en lanzar bolas de nieve a muñecos de nieve y pingüinos. El cirujano ortopédico de trauma Reza Firoozabadi del Centro Médico Harborview de UW Medicine en Seattle estaba probando la efectividad del juego, desarrollado por Hunter Hoffman de la Universidad de Washington, un pionero en la realidad virtual para el alivio del dolor. Bauer se rompió numerosos huesos, incluida la pelvis, cuando cayó tres pisos.

Cuando el dolor comenzó a apoderarse de su vida, Norris buscó consuelo al hablar. Se convirtió en un defensor de los que padecían dolor crónico y comenzó un grupo de apoyo. Y durante 30 años ha buscado alivio. Durante muchos de esos años estuvo tomando fentanilo, un poderoso opioide que, según él, cubría su dolor "como una manta gruesa", pero lo mantenía "básicamente horizontal y dividido en zonas". Ha probado la acupuntura, que fue algo útil, así como las picaduras de abejas, la magnetoterapia y la curación por la fe, que no lo fueron. Norris ahora maneja su dolor con fisioterapia, que mejora su movilidad, y esteroides inyectados en su columna, que calman sus nervios inflamados.

Al igual que Norris, casi 50 millones de personas en los Estados Unidos y millones más en todo el mundo viven con dolor crónico. Las causas son diversas, desde el cáncer hasta la diabetes, pasando por enfermedades neurológicas y otras dolencias. Pero comparten una fuente común de sufrimiento: la agonía física que interrumpe sus vidas, de manera intermitente o todo el tiempo. No es raro que los pacientes con cáncer que experimentan un dolor severo e implacable después de la quimioterapia opten por no recibir tratamiento en favor del último bálsamo de la muerte.

El precio que ocasiona el dolor crónico se ha vuelto cada vez más visible en los últimos años. Después de que, a fines de la década de 1990, los médicos comenzaran a recetar medicamentos opioides como la oxicodona para aliviar el dolor persistente, cientos de miles de estadounidenses desarrollaron una adicción a estos medicamentos, que a veces producen sentimientos de placer además de aliviar el dolor. Incluso después de que los riesgos se hicieron evidentes, la dependencia de los opioides continuó, en parte porque había pocas alternativas. No se han desarrollado analgésicos novedosos de gran éxito en las últimas dos décadas. (Lea cómo la ciencia está descubriendo los secretos de la adicción).

El uso indebido de analgésicos opioides, que son ideales para el tratamiento a corto plazo del dolor agudo, se ha vuelto desenfrenado en los Estados Unidos. En 2017, se estima que 1,7 millones de estadounidenses tenían un trastorno por abuso de sustancias debido a que se les recetaron opioides, según la Encuesta Nacional sobre el Uso de Drogas y la Salud. Todos los días en los EE. UU., Alrededor de 130 personas mueren por sobredosis de opioides, una estadística desalentadora que incluye muertes por analgésicos recetados y narcóticos como la heroína. (Vea el número de víctimas de la crisis de opioides en una calle de Filadelfia).

La búsqueda para comprender la biología del dolor y encontrar formas más efectivas de manejar el dolor crónico ha adquirido una nueva urgencia. Los investigadores están logrando avances significativos al detallar cómo se comunican las señales de dolor desde los nervios sensoriales al cerebro y cómo el cerebro percibe la sensación de dolor. Scientists also are uncovering the roles that specific genes play in regulating pain, which is helping to explain why the perception and tolerance of pain vary so widely.

These advances are radically altering how clinicians and scientists view pain—specifically chronic pain, defined as pain that lasts more than three months. Medical science traditionally regarded pain as a consequence of injury or disease, secondary to its root cause. In many patients, it turns out, pain originating from an injury or ailment persists long after the underlying cause has been resolved. Pain—in such cases—becomes the disease.

The hope is that this insight, coupled with the steadily advancing understanding of pain, will lead to new therapies for chronic pain, including nonaddictive alternatives to opioids. Norris and other patients are keen to see those breakthroughs happen. Researchers, meanwhile, are testing promising alternative strategies, such as stimulating the brain with mild electric shocks to alter its pain perception and harnessing the body’s intrinsic capacity to soothe its own pain.

Clifford Woolf, a neurobiologist at Children’s Hospital in Boston who’s studied pain for more than four decades, says it’s tragic it has taken a “societal catastrophe” for pain to get the attention it deserves from scientists and physicians, but the impetus this has given to pain research is a silver lining. “I think we have the potential in the next few years of really making an enormous impact in our understanding of pain,” he says, “and that will definitely contribute to new treatment options.”

The capacity to feel pain is one of nature’s gifts to humankind and the rest of the animal kingdom. Without it, we wouldn’t reflexively recoil our hand upon touching a hot stove or know to avoid walking barefoot over broken glass. Those actions, motivated by an immediate or remembered experience of pain, help us minimize the risk of bodily injury. We evolved to feel pain because the sensation serves as an alarm system that is key to self-preservation.

Zoltan Takacs, a biomedical scientist and National Geographic explorer, and Nguyen Thien Tao, a herpetologist with the Vietnam National Museum of Nature, searched for toxic creatures in Chu Yang Sin National Park in Vietnam’s Central Highlands. Hoping to identify compounds that could lead to new pain medications, the two scientists captured scorpions, snakes, snails, frogs, centipedes, and spiders.

The sentries in this system are a special class of sensory neurons called nociceptors, which sit close to the spine, with their fibers extending into the skin, the lungs, the gut, and other parts of the body. They’re equipped to sense different kinds of harmful stimuli: a knife’s cut, the heat of molten wax, the burn of acid. When nociceptors detect any of these threats, they send electrical signals to the spinal cord, which transmits them via other neurons to the brain. Higher order neurons in the cortex—the final destination of this ascending pain pathway—translate this input into the perception of pain.

Upon registering the pain, the brain attempts to counteract it. Neural networks in the brain send electrical signals down the spinal cord along what’s known as the descending pain pathway, triggering the release of endorphins and other natural opioids. These biochemicals inhibit ascending pain signals, effectively reducing the amount of pain perceived.

Scientists had sketched out this basic schematic of ascending and descending pain pathways when Woolf began working in the field in the 1980s. A soft-spoken man with eyes that seem to brim with kindness, Woolf was struck by the plight of patients he saw in the surgery ward when he was pursuing his medical degree.

“It was clear that all were suffering from severe pain,” he says. Woolf felt the senior resident surgeon seemed almost resentful that they were complaining. “I said to the surgeon, ‘Why aren’t you doing anything?’ ” Woolf recalls. “And the surgeon said, ‘Well, what do you expect? They just had an operation. They’ll get better.’ ”

“Pain was a problem the medical profession downplayed—to a substantial extent because there were no safe and effective interventions,” Woolf says. This realization kindled his desire to understand the nature of pain.

Using rats as a model, he set out to learn more about how pain is transmitted. In his experiments, Woolf recorded the activity of neurons in the animals’ spinal cords in response to a brief application of heat to their skin. As he expected, he observed these neurons firing excitedly when signals arrived from the nociceptive neurons. But Woolf made an unexpected finding. After a patch of skin subjected to heat a few times became inflamed, the neurons in the spinal cord attained a heightened state of sensitivity. Merely stroking the area surrounding the previously injured patch caused them to fire.

This showed that the injury to the skin had sensitized the central nervous system, causing neurons in the spinal cord to transmit pain signals to the brain even when the input from peripheral nerves was innocuous. Other researchers have since demonstrated this phenomenon—called central sensitization—in humans and shown that it drives various types of pain, such as when the area around a cut or a burn hurts at the slightest touch.

A startling conclusion from Woolf’s work and subsequent research was that pain could be generated in the absence of a triggering injury. This challenged the view held by some doctors that patients who complained of pain that couldn’t be explained by any obvious pathology were likely lying for one reason or another—to get painkillers they didn’t need, perhaps, or to gain sympathy. The pain transmission system can become hypersensitive in the wake of an injury—which is what happened in the rats—but it also can go haywire on its own or stay in a sensitized state well after an injury has healed. This is what happens in patients with neuropathic pain, fibromyalgia, irritable bowel syndrome, and certain other conditions. Their pain is not a symptom it’s a disease—one caused by a malfunctioning nervous system.

With advances in growing human stem cells in the lab, Woolf and his colleagues are now creating different types of human neurons, including nociceptors. This breakthrough is allowing them to study neurons in greater detail than was previously possible to determine the circumstances where they become “pathologically excitable,” Woolf says, and fire spontaneously.

Woolf and his colleagues have used lab-grown nociceptors to investigate why chemotherapy drugs cause neuropathic pain. When the nociceptors are exposed to these drugs, they become more easily triggered and begin to degenerate. This likely contributes to the neuropathies that 40 percent of chemotherapy patients endure.

While scientists like Woolf are advancing the understanding of how pain is transmitted, other scientists have discovered that these signals are just one factor in how the brain perceives pain. Pain, it turns out, is a complex, subjective phenomenon that is shaped by the particular brain that’s experiencing it. How pain signals are ultimately translated into painful sensations can be influenced by a person’s emotional state. The context in which the pain is being perceived also can alter how it feels, as evidenced by the pleasantness of the aches that follow a strenuous workout or the desire for a second helping of a spicy dish despite the punishing sting it delivers to the tongue.

“You’ve got this incredible capability of altering how those signals are processed when they do arrive,” says Irene Tracey, a neuroscientist at the University of Oxford.

A skilled communicator who speaks in rapid-fire sentences, Tracey has spent much of her career trying to bridge the mysterious link between injury and pain. “This is a highly nonlinear relationship, and many things can make it worse or can make it better or could make it very different,” she says.

In experiments, Tracey and her colleagues have imaged the brains of human volunteers while subjecting their skin to pinpricks or bursts of heat or smears of cream laced with capsaicin, the chemical compound that makes chili peppers spicy. What the researchers have found has led them to discover a much more complex picture of pain perception than had been previously envisioned. There’s no single pain center in the brain. Instead, multiple regions are activated in response to painful stimuli, including networks that also are involved in emotion, cognition, memory, and decision-making.

They also learned that the same stimulus doesn’t produce the same activation pattern every time, indicating that a person’s experience of pain can vary even when the injuries are similar. This flexibility serves us well, raising our pain tolerance in situations that demand it—for instance, when carrying a scorching bowl of soup from the microwave to the kitchen counter. The mind knows that dropping the bowl midway would result in greater misery than the brief anguish caused by holding the bowl, so it tolerates the momentary suffering.

Tracey and her colleagues have shown that fear, anxiety, and sadness can make pain feel worse. In one of their experiments, healthy student volunteers listened to Prokofiev’s deeply melancholic “Russia Under the Mongolian Yoke,” slowed to half speed, and read negative statements such as “My life is a failure.” At the same time, they received a burst of heat on a patch on their left forearm, which had been rubbed with capsaicin. Later the students received the same stimulus as they listened to happier music and read neutral statements such as “Cherries are fruits.” In the sad condition, they reported finding the pain “more unpleasant.”

Comparing scans of the students’ brains in the two moods, the researchers found that sadness influenced more than just the emotion-regulation circuitry. It led to increased activation in other brain regions, indicating that sadness was physiologically dialing up the pain. “We’ve made people anxious and threatened and fearful,” Tracey says, “and we’ve shown that that makes the actual processing of those signals amplified.”

Strong medication would be needed to dull the pain after surgery for arthritis in her hand, Jo Cameron was informed by her anesthesiologist. But the 66-year-old Scottish woman doubted it. “I bet you any money I will not take any painkillers,” she told him.

The anesthesiologist looked at her as if she were not fully sane. He knew from experience that the postoperative pain was excruciating. When he came by to check on her after surgery, he was astonished to find that she hadn’t requested so much as the mild analgesic he’d prescribed. “You haven’t even taken paracetamol, have you?” preguntó.

“No,” Cameron recalls having replied cheerfully. “I told you I wouldn’t.”

Growing up, Cameron says, she was frequently surprised to discover bruises whose origins were a mystery. When she was nine, she broke her arm in a roller-skating accident, but three days passed before her mother noticed that it was swollen and discolored. Years later, Cameron gave birth to her two children without any pain during delivery.

“I don’t really know what pain is,” she says. “I see people in pain, and I see the grimace, the strain on their faces, and the stress, and I have none of that.”

Cameron’s inability to sense physical hurt may be unremarkable to her, but it places her in a rarefied group of individuals who are helping scientists unravel the genetics underlying our ability to feel pain. Her amazed anesthesiologist put her in touch with James Cox, a geneticist at University College London. Cox and his colleagues studied her DNA and found she had two mutations in two neighboring genes, called FAAH y FAAH-OUT. They determined that the mutations reduce the breakdown of a neurotransmitter called anandamide, which helps provide pain relief. Cameron has an excess of the biochemical, insulating her against pain.

Cox has been studying people like Cameron since he was a postdoc at Cambridge in the mid-2000s, when his supervisor, Geoffrey Woods, learned about a 10-year-old street performer in Pakistan who could walk barefoot over hot coals and stick daggers into his arms without so much as a whimper. The boy would earn money from these stunts and then go to the hospital to be treated for his wounds. He was never the subject of a study—he died from head injuries after falling off a roof while playing with friends—but Cox and his colleagues were able to analyze the DNA of six children from the same clan, who showed similar insensitivity to pain. The children each had a mutation in a gene called SCN9A, known to be involved in pain signaling.

The gene makes a protein that is instrumental in the transmission of pain messages from nociceptive neurons to the spinal cord. The protein, christened Nav1.7, sits on the surface of the neuron and serves as a channel for sodium ions to pass into the cell, which enables electrical impulses constituting the pain signal to propagate along the threadlike axon that connects to another neuron in the spinal cord.

The mutations the researchers discovered in the SCN9A gene yield malformed versions of the Nav1.7 protein that don’t allow sodium ions to pass into nociceptive neurons. With their nociceptors incapable of conducting pain signals, the children were oblivious when they chewed their tongues or scalded themselves. “The beauty of working with these extremely rare families is that you can identify single genes which have the mutation and essentially are human-validated analgesic drug targets,” Cox says.


IRA FLATOW: Este es el viernes de ciencia. Yo & # 8217m Ira Flatow. Later in the hour, the fifth generation of wireless is on its way. But how soon will your phone actually be using 5G? Plus, why some people, including several lawmakers, are opposing the rollout over potential health concerns.

But first this week, a story that sounds like something out of science fiction. Scientists report in the journal Nature that they have been able to restore some of the cellular and circulatory function in pig brains hours after death. Here to talk about and other selected short subjects in science is Washington Post science reporter Sarah Kaplan. Happily to see you in our studio–

SARAH KAPLAN: Great to be here

IRA FLATOW: –this week. All right. Let’s talk about this. It almost sounds like– some of the headlines are making it sound like a Franken brain. At least that’s what they’ve claimed. But it’s not what they have done, right?

SARAH KAPLAN: Yeah. We’re not quite at the zombie apocalypse yet. Basically, researchers from the Yale School of Medicine were able to take some brains from pigs that had been previously killed at a slaughterhouse hours before, take them out of the heads, and then infuse them with a sort of cocktail of synthetic fluids that prevent the cells from degenerating and actually help restore some of the functions, like the metabolic activity consuming sugar and oxygen in order to function, and even some of the electrical activity. If they stimulated the cells, they were able to fire some synapses. But it was really, really far from actually getting the brain to work.

IRA FLATOW: So it wasn’t really functioning. It was functioning on a very basic level. But it was not brain waves or any of that stuff going on.

SARAH KAPLAN: Yeah, it’s individual cells but no signs of consciousness or global mental activity. But it does raise these questions about what is death? What is cell death? Because we think of death as this on or off switch. But really, as this study demonstrates, it’s a step-by-step process.

First, the function of the cell stops working. And then, the cell stops consuming sugar. And then, eventually, the physical structure of the cell degenerates. And you can actually reverse some of those processes, these scientists have revealed. And so that, potentially, raises questions about if people have brain damage what kind of treatments might be available to them.

IRA FLATOW: So they could study these pig brains and learn what kinds of treatments might work that they hadn’t thought about.

SARAH KAPLAN: Yeah, those are the potential medical applications. But those are still a long way off. This is pretty basic research, even though it’s really interesting to start with.

IRA FLATOW: Yeah, but they’re not trying to restore the thinking part of the brain? That’s not what they’re interested in?

SARAH KAPLAN: No. And they actually had an anesthetic ready, just in case they saw any signs of consciousness, which they didn’t expect to. But the goal was never to actually get the brain functioning again. It was just to see, what can we do if we restore individual cells?

IRA FLATOW: Mm-hmm. So that won’t continue. It’s interesting. Let’s move on to you just got back from Alaska, you were telling me, where there’s very much spring in the air, right?

SARAH KAPLAN: Yeah, yeah. I was in Utqiagvik, which is the northernmost city in the US. It’s right up there at the top.

IRA FLATOW: Could you see Russia from there?

SARAH KAPLAN: Not quite. I saw a lot of ice. But actually, I saw a lot less ice than people are expecting. Alaska has had this extraordinarily warm spring. Where I was, temperatures in March were 18.5 degrees above normal.

SARAH KAPLAN: And it was pretty cold. But by their standards, it was a heat wave. At the grocery store, people were talking, and they were saying how nice the weather was. And the checkout person was like, yeah, nice for May, not nice for March.

And the repercussions are being felt all over the state. Snow is melting a lot sooner than it usually does. And ice roads that people use on frozen rivers to get around are also melting. And several people have fallen through the ice and died as a consequence.

IRA FLATOW: Mm-hmm. And of course, there’s ice. You can’t use ice to cut it up and store it, right? The ice is not there.

SARAH KAPLAN: Yeah. Sea ice in the Bering and Chukchi Seas is a lot lower this winter than it has been. And that’s actually partly responsible for why the weather has been so warm in the state. And Alaska is the fastest warming state in the US. So they’re really feeling the consequences of climate change firsthand.

IRA FLATOW: So you have the frozen tundra that’s not frozen.

IRA FLATOW: You have methane escaping when you didn’t think it’s going to be escaping– all kinds of stuff like that. You have a new story just out today about the USDA and science journals.

SARAH KAPLAN: Yeah. So scientists at the USDA, which has a bunch of research services that look at agriculture and soil and all kinds of things were instructed last year that when their papers get published in a journal, that’s not the end of the process. They need to append a note to the publication saying that the research is preliminary and have not been formally disseminated by the USDA.

And that is pretty surprising for scientists. Because traditionally, getting your paper published in a peer-reviewed journal that’s been vetted by your colleagues and experts in the field, that’s not preliminary. That’s science.

IRA FLATOW: It’s the gold standard.

SARAH KAPLAN: Yeah. It’s the gold standard for how research is traditionally done. And so lots of folks, including people who ran research services at the USDA under previous presidents, have said that this raises questions about the scientific integrity policies that the USDA has. Scientists traditionally don’t have to get something reviewed by a politician in order to have their results be presented as valid.

IRA FLATOW: So the idea here is you can publish it, but we’ll call it preliminary because our political officer hasn’t reviewed it yet.

SARAH KAPLAN: Yeah. The idea is this is a way of making the results get out before research has undergone internal review. But for scientists, calling it preliminary when the research is objectively thorough raises some questions.

IRA FLATOW: Vaya. Let’s hope that doesn’t spread to other divisions in the government. Sí. Finally, a naming contest for some new moons of Jupiter.

SARAH KAPLAN: Yeah. So last year, a bunch of new moons of Jupiter were discovered by researchers at the Carnegie Institution for Science. And this past few months, they have been holding a contest to come up with names for these new moons. But there are a lot of rules because the International Astronomical Union, which oversees the naming of things in the solar system and beyond it, has these really strict guidelines in place.

So if you want to name a moon of Jupiter, it has to be a character from Greek or Roman mythology. It has to be a descendant or lover of the god known as Zeus, or Jupiter. It has to be 16 characters or fewer. It can’t be offensive or commercial or political.

And it even has rules about what letters there can be. So if the moon circles Jupiter in the same direction that Jupiter rotates, the name has to end in an A. And if it’s the opposite, the name has to end in an E.

But the reason they have all these rules is because prior to IAU forming– which, actually, it’s celebrating its 100th birthday this year– the solar system was just like a huge mess. People would name things whatever they wanted.

SARAH KAPLAN: And there were international fights, actually, between different countries. So this is a way of keeping everything in order.

IRA FLATOW: Well, Vulcan doesn’t make it again. Thank you very much for taking time to be with us today. Sarah Kaplan, science reporter with The Washington Post. And happy holiday to you.

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Ultrasound Fires Up the Auditory Cortex—Even Though Animals Can’t Hear It

Abby Olena
May 24, 2018

Ultrasound activates auditory pathways in the rodent brain (red arrows) regardless of where in the brain the ultrasound-generating transducer is placed. COURTESY OF HONGSUN GUO AND HUBERT LIM A ctivating or suppressing neuronal activity with ultrasound has shown promise both in the lab and the clinic, based on the ability to focus noninvasive, high-frequency sound waves on specific brain areas. But in mice and guinea pigs, it appears that the technique has effects that scientists didn&rsquot expect. In two studies published today (May 24) in Neuron, researchers demonstrate that ultrasound activates the brains of rodents by stimulating an auditory response&mdashnot, as researchers had presumed, only the specific neurons where the ultrasound is focused.

&ldquoThese papers are a very good warning to folks who are trying to use ultrasound as a tool to manipulate brain activity,&rdquo says Raag Airan, a neuroradiologist and researcher at Stanford University Medical Center who did.

Over the past decade, researchers have used ultrasound to elicit electrical responses from cells in culture and motor and sensory responses from the brains of rodents and primates. Clinicians have also used so-called ultrasonic neuromodulation to treat movement disorders. But the mechanism by which high frequency sound waves work to exert their influence is not well understood.

We’re very optimistic that now that we know that it’s there, we will be able to design ways to get around it and still be able to use this technology scientifically. —Mikhail Shapiro,
Caltech

The University of Minnesota’s Hubert Lim studies ways to restore hearing, but many of the strategies that his group uses are invasive, such as cochlear implants, which require surgery to insert a device inside the ear. He says that he and his colleagues were excited by the prospect of using noninvasive and precise ultrasound to activate the parts of the brain responsible for hearing.

Lim’s team started by stimulating the brains of guinea pigs with audible noise or with pulsed ultrasound directly over the auditory cortex. They were surprised to observe similar neuronal responses to the two different stimuli because ultrasound is outside the spectrum that the guinea pigs—and humans—can hear. The researchers also found that the rodents’ neurons showed comparable electrical activity in the auditory cortex regardless of where in the brain the researchers directed the ultrasound. This raised the question: are the animals’ brains responding directly to the ultrasound or to responses of the auditory system?

When the authors cut the guinea pigs’ auditory nerves or removed their cochlear fluid, the guinea pigs stopped responding to the ultrasound and to audible noise. Lim’s team concluded that what must be happening is ultrasound moves through brain tissue and vibrates the cochlear fluid. This vibration then triggers auditory signaling and indirectly activates the auditory cortex and other brain regions, rather than ultrasound having a direct effect on the activity of the neurons.

“I am actually very hopeful that ultrasound can be a powerful tool that can not only modulate but also treat different neurologic and psychiatric disorders, and that it can achieve a noninvasive yet localized activation,” says Lim. “But what we’re trying to show in this paper is that there are many confounding effects that are actually happening with ultrasound, and we have to remove those effects to really see how it’s activating the brain.”

A coauthor on the companion study, Mikhail Shapiro of Caltech, says that previous work showing that it is possible to apply ultrasound to the brains of mice and rats to elicit electrical activity and movement in their limbs left him and his colleagues curious about how it works. To determine where and when neural activation happens, they applied ultrasonic pulses to the brains of transgenic mice that have neurons that light up when stimulated. As with guinea pigs, ultrasound is inaudible to mice.

“To our surprise, we found that the main activation pattern that we were seeing was not in the region where we were applying the ultrasound directly, but actually in the auditory areas of the brain, those responsible for processing information about sound,” Shapiro tells The Scientist.

Consistent with the findings of Lim and colleagues, Shapiro and his coauthors determined that the mouse brains lit up across the cortex, starting from the auditory cortex. And as in the guinea pigs, the mouse neurons responded similarly to ultrasound and audible sounds. The researchers also showed that both ultrasound and audible noise elicited motor movements that decreased when they used chemicals to deafen the mice.

“We’re not trying to imply that [the effects of ultrasound observed in previous studies are] due to this auditory side effect,” says Shapiro. “We’re very optimistic that now that we know that it’s there, we will be able to design ways to get around it and still be able to use this technology scientifically.”

Shy Shoham, a neuroscientist and biomedical engineer at New York University Langone Medical Center who did not participate in the studies, tells The Scientist that these papers highlight how careful researchers must be in the future when using ultrasound to modify neuronal function. “In the field of neural stimulation in general, we should always be very concerned about off-target effects,” he says. We must “delineate what is real and what isn’t.”

“The big take home point here is that we need to take care of the auditory effects,” says Kim Butts Pauly, who studies ultrasound neuromodulation at Stanford University Medical Center and who coauthored the accompanying commentary with Airan. “There’s been very compelling data from other studies that ultrasound can stimulate the brain and change recordings from the brain that are completely separate from any auditory effects. As we get rid of the auditory effects, then the more subtle effects may become apparent.”


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It worked: The brains continued to consume oxygen and glucose. Many brain cells, including neurons, which send messages within the brain and to the rest of the body, ceased decaying and appear to have been revived in dramatic and detectable ways.

The scientists detected "spontaneous synaptic activity," which means the neurons were capable of sending out signals, and the cells responded to external electrical stimulation.

Cells removed from the treated brains and examined under a microscope had regained the shape of living cells, noted lead author Zvonimir Vrselja, a Yale neuroscientist.

The pig brains remained, by any traditional definition, dead. The researchers detected no signs of consciousness or any other "global" mental activity.

But the study suggests that brain cells are hardier than previously thought, said study co-author and Yale neuroscientist Nenad Sestan.

"The death of a cell, or in this case, organ, is a gradual, stepwise process," Sestan said.

He stressed that the revivifying system the researchers developed, which they dubbed BrainEx, may not reverse cell death and restore brains to what would be considered a stable, living state. It's possible, he said, that "we are just postponing the inevitable."

The researchers are mindful that this is controversial territory with great potential to stoke outrage, or simply the heebie-jeebies. Such a head-snapping experiment inevitably generates nightmarish scenarios involving live brains in vats, brain transplants, the Zombie Apocalypse, and other mad-scientist story lines (brilliantly crafted, somehow, by neurons firing away inside the skulls of conventionally living human beings).

The findings also lead to ethical quandaries, some of which are outlined in two commentaries simultaneously published by Nature. The ethicists say this research can blur the line between life and death, and could complicate the protocols for organ donation, which rely on a clear determination of when a person is dead and beyond resuscitation.

HOPE FOR THERAPEUTIC INNOVATIONS

This startling research provides the latest reminder that science and medicine continuously create innovations that offer hope for treating dreaded diseases (such as Alzheimer's or other brain disorders) while simultaneously raising head-scratching issues about how to apply transformative technologies and procedures.

The National Institutes of Health helped fund this research as part of the BRAIN Initiative, a major research effort started during the Obama administration. The human brain is often described by scientists as the most complex object known to exist in the universe, and brains in general remain rather mysterious. Many basic questions - how does a brain create a thought? - are hard to answer.

The researchers knew they were on delicate ground. A presentation they made at the National Institutes of Health in 2018 so astonished their colleagues that word of the experiment leaked to a journalist at MIT Technology Review, and the ensuing story generated a great deal of controversy. Animal rights activists protested. Other researchers wondered why the Yale team was venturing into this edgy territory.

Speaking to reporters on Tuesday in advance of publication, the Yale researchers addressed some of the objections. They pointed out that the experiment did not use live animals. These were pigs slaughtered as part of food production. They were completely dead, for hours, before their brains - drained of blood and largely removed from their skulls - were treated with the fluids.

Moreover, the experiment employed a chemical that inhibited overall brain activity. The scientists say that helped brain cells avoid stress. But the blocker also ensured the pig brain would not have any risk of awareness.

As an additional cautionary procedure, the researchers monitored the brains continuously for electrical activity that would indicate global mental operations and were prepared to chill the brains and apply anesthetic if they saw such activity. Ellos no.

"This is a clinically dead brain," Sestan said.

He told reporters that it is premature to conjure scenarios of reviving dead people or using this technique on people who have paid to have their heads cryogenically preserved.

"I don't think it's changing anything at the moment," he said.

But this is still a big deal, to judge by the reaction of the scientific community.

"This is a huge breakthrough," said Nita Farahany, a professor of law and philosophy at Duke University and co-author of one of the commentaries in Nature warning of the ethical complications from such research. She also has served on a bioethics advisory panel for NIH. She said the research offers hope for therapeutic innovations but also raises ethical and legal challenges.

"We've built our assumptions on something that's proven to be false," she said. "Our belief was there's a point of no return. Certainly we would have believed that four hours after being decapitated, that was a point of no return. It turns out it's not."

A SIGNIFICANT BREAKTHROUGH

The alive/dead divide is never simple or abrupt at the cellular level. What a molecular biologist sees is a halt in the normal flow of oxygen and other molecules that drive metabolism. Soon the whole carnival of biochemistry shuts down, and the cell loses its normal shape. But it's not like throwing an on-off switch.

Farahany said the research field needs to be careful going forward to ensure that animals studied in laboratories - even dead animals by traditional definitions - do not suffer: "Given that there's this gray zone between dead and alive we need to divine what is the appropriate use of animals in that context, to ensure that there isn't pain or distress."

Stuart Youngner, a professor of bioethics and psychiatry at Case Western Reserve University and co-author of another one of the ethics commentaries in Nature, agrees with Farahany that this is a significant breakthrough.

"What's unnerving about it is, it has really challenged assumptions that I was raised with as a physician about the fragility of the brain. It appears from this study that it's not as fragile as we thought it was," Youngner said.

He brought up the possibility of brain transplants someday: "This is certainly not about to happen. But this study brings up possibilities that we didn't think about before except in the most wild Sci-Fi imagination. This is a breakthrough in understanding preservation of the brain."

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When you die you KNOW you’re dead, terrifying study reveals

You've probably heard those who have died and been brought back to life say that they saw light at the end of a tunnel.

Or that they floated above their bodies, watching as doctors frantically worked to keep them alive.

But until now it was not known if the mind kept working after the body had died.

Just like the re-make of the 90s cult horror Flatliners, starring Ellen Page, scientists have discovered that a person's consciousness continues to work after they have died.

In the film a group of young doctors conduct a dangerous experiment to see what happens in the afterlife by taking turns to stop their hearts.

Dr Sam Parnia and her team from New York University Langone School of Medicine had the same question.

They set out to find the answer in a much less dangerous fashion, looking at studies in Europe and the US on people who have suffered a cardiac arrest and "come back to life".

"They'll describe watching doctors and nurses working and they'll describe having awareness of full conversations, of visual things that were going on, that would otherwise not be known to them," he told Live Science.

Their recollections were also verified by medical staff who reported their patients could remember the details.

Death, in a medical sense, is when the heart stops beating and cuts off blood supply to the brain.

This means the brain's functions also stop and can no longer keep the body alive.

Dr Parnia explained that the brain's cerebral cortex — the so-called "thinking part" of the brain — also slows down instantly, and flatlines, meaning that no brainwaves are visible on an electric monitor, within two to 20 seconds.

This eventually results in the death of the brain.

SOUL SEARCHING Researchers claim that humans have souls which can live on after death

Dr Parnia and his colleagues are also observing how the brain reacts during a cardiac arrest to determine how much of these experiences relate to brain activity.

"At the same time, we also study the human mind and consciousness in the context of death, to understand whether consciousness becomes annihilated or whether it continues after you've died for some period of time — and how that relates to what's happening inside the brain in real time," he said.

It is not the first time brain activity after death has been recorded.

In March, doctors at a Canadian intensive care unit discovered that one person had persistent brain activity for up to 10 minutes after they turned off their life support machine, but three others did not.

For more than 10 minutes after the medics declared the person clinically dead, brain waves, like those we experience in our sleep, continued to occur.

The researchers also found the experience of death can be very different for individual patients.

Each patient recorded different electroencephalographic (EEG) measures - the electrical activity in the brain - both before and after death.


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