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2022-06-10Un astrofísico en un universo biomédico

MIT |Magdelena Allen está desarrollando un escáner PET cerebral altamente sensible que puede ayudar a responder preguntas fundamentales en neurociencia y física de partículas.

Para muchos de nosotros, la pandemia provocó cambios fundamentales. Y Magdelena S. Allen no fue la excepción.

Al crecer en Portland, Oregón, Allen quería aprender sobre todo. Le encantaba observar las estrellas y las ciencias físicas, pero también le interesaban las leyes y la escritura. Sus padres, que la educaron en casa a ella y a su hermana hasta la escuela secundaria, la apoyaron mucho con sus diversos intereses. “Pero a lo que siempre volvía era a la ciencia”, dice.

Astrofísica de formación, Allen completó su licenciatura en la Universidad de California en Berkeley. Luego pasó un año como pasante en laboratorios de investigación de física en todo el país, incluido el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, el Laboratorio Nacional Brookhaven y el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA.

En el otoño de 2019, Allen comenzó su doctorado en la División de Experimentos Nucleares y de Partículas del departamento de física del MIT, estudiando los rayos cósmicos con el profesor Samuel CC Ting. Pasó su tiempo analizando datos del espectrómetro magnético Alpha, un detector de rayos cósmicos que se encuentra en la Estación Espacial Internacional.

Por esa época, Allen también se unió a los Servicios Médicos de Emergencia (EMS, por sus siglas en inglés) del MIT, después de enterarse de ello por un amigo que había estado involucrado un par de años antes. “Comenzó como lo que pensé que serían unas pocas horas a la semana y rápidamente se hizo cargo de mi vida de la mejor manera posible”, dice ella.

Cuando llegó la pandemia en la primavera de 2020 y la comunidad del MIT se apresuró a dispersarse del campus, Allen fue uno de los pocos técnicos de emergencias médicas del MIT que se quedó atrás. Ayudó a mantener la ambulancia en servicio las 24 horas del día, los 7 días de la semana, sirviendo al MIT, así como a la comunidad más amplia de Cambridge y Boston. “Terminé dedicando más de mil horas al servicio” solo este año académico, dice.

Pasar tanto tiempo en el cuidado de los pacientes estimuló su interés en los resultados de los pacientes. Y eso la hizo pensar en sus objetivos profesionales a largo plazo. “Tuve mi crisis existencial durante ese período, como todos”, dice riendo. Si bien amaba su investigación en física fundamental, quería tener un impacto más directo en las personas.

Allen comenzó a buscar grupos de investigación que trabajaran en dispositivos biomédicos. En enero de 2021, se unió a un nuevo proyecto de investigación para construir hardware de imágenes cerebrales, que utiliza tecnología similar a algunos experimentos de física fundamental. Ahora trabaja en la intersección de la física y la investigación médica, coasesorada por el profesor de la Universidad de Harvard Ciprian Catana en el Laboratorio Integrado MR-PET en el Centro AA Martinos de Imágenes Biomédicas del Hospital General de Massachusetts y el profesor Or Hen en el Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT . "Fue un ajuste perfecto", dice ella.

Descubriendo los secretos del cerebro

En la actualidad, Allen y sus colaboradores están desarrollando un escáner de tomografía por emisión de positrones (PET) cerebral de próxima generación que se puede usar simultáneamente con imágenes de resonancia magnética (IRM) de 7-Tesla. El escáner PET será un inserto cilíndrico que encaja directamente dentro de una máquina de resonancia magnética.

Cada tecnología de imágenes proporciona una perspectiva diferente del cerebro. Mientras que la resonancia magnética captura imágenes anatómicas, la PET captura procesos bioquímicos, como el metabolismo. Al ver dos perspectivas sincronizadas, los científicos tienen datos valiosos para estudiar tumores cerebrales y enfermedades neurológicas, como el Alzheimer.

Sin embargo, las exploraciones PET actualmente toman mucho tiempo, generalmente de 30 a 90 minutos, y los pacientes deben permanecer quietos durante todo el tiempo para obtener imágenes claras. En el escáner PET de próxima generación, Allen tiene como objetivo hacer que los escaneos sean mucho más rápidos, hasta un par de minutos. Hacerlo también abrirá puertas para la investigación en neurociencia. Con tiempos de imagen más cortos, el escáner puede funcionar simultáneamente con resonancia magnética funcional (fMRI) para tomar instantáneas rápidas de procesos biológicos dinámicos. Por ejemplo, la PET puede capturar el metabolismo de la glucosa en el cerebro mientras que la fMRI captura simultáneamente el flujo sanguíneo. “Es realmente emocionante”, dice Allen. “Nunca se ha hecho antes”.

La razón por la cual estos escaneos actualmente toman tanto tiempo radica en cómo funciona la PET. Antes de la exploración, a los pacientes se les inyecta una radiosonda hecha de compuestos biológicos que el cuerpo usa normalmente, como la glucosa, que se modifican levemente para que sean radiactivos. A medida que el cuerpo procesa estos compuestos trazadores, se emiten rayos gamma radiactivos. El escáner PET luego actúa como una cámara para capturar estos rayos gamma y formar una imagen.

Sin embargo, el problema es que solo se inyectan pequeñas dosis de radiosonda en los pacientes para limitar los efectos adversos de la radiación. Por lo tanto, los rayos gamma emitidos son muy débiles, lo que dificulta la formación de imágenes. “Es como una fotografía de larga exposición con una cámara normal en la que estás esperando a que se recoja la luz”, dice Allen.

Para reducir el tiempo de exposición requerido, el grupo de Allen está rediseñando el escáner PET compatible con MR para que sea 10 veces más sensible a los rayos gamma que el estado actual de la técnica. Y para lograr esto, se utilizará una nueva forma de detector de rayos gamma dentro del escáner. Mientras que un escáner típico utiliza conjuntos de detectores dispuestos en un tubo cilíndrico que rodea la cabeza, los conjuntos de detectores del nuevo escáner están configurados más como un casco de motocicleta. “Puede aumentar mucho la sensibilidad [del escáner] con solo obtener más cobertura”, dice.

Otra parte clave para hacer un escáner PET de alta sensibilidad son los módulos detectores de rayos gamma individuales dentro del detector. El detector se compone de anillos apilados desde el cuello hacia arriba y cada anillo contiene un círculo de módulos detectores. “La investigación más interesante hasta el momento es [descubrir] diferentes geometrías para el detector con el fin de obtener información limpia”, dice. Un desafío es encontrar la metodología de profundidad de interacción y el grosor óptimo para el detector. Un detector más grueso puede atrapar más rayos gamma para obtener más información de imágenes. Pero, un detector que es demasiado grueso produce imágenes borrosas. Sin embargo, después de algunas pruebas y errores, Allen está "muy cerca de concretar un diseño final".

Astrofísica en el corazón

Si bien Allen se ha aventurado en el universo biomédico, no ha dejado atrás por completo la física de partículas. Resulta que el escáner PET también se puede utilizar para investigar cuestiones físicas fundamentales.

Una cuestión que le interesa a Allen es la violación de la simetría. Si bien el universo está compuesto de materia y antimateria, no es una división 50-50, lo que nos da un universo asimétrico. Pero no está claro de dónde viene esta asimetría. “Siempre estamos buscando fuentes de asimetría en el universo”, dice Allen.

Se podría encontrar una pista potencial en el ciclo de vida del positronio, un átomo inestable compuesto por un electrón y su antipartícula, un positrón. El positronio dura un período de tiempo muy corto, menos de una millonésima de segundo, antes de que el electrón y el positrón se aniquilen entre sí, emitiendo rayos gamma. Dependiendo del estado inicial del positronio, se emiten diferentes distribuciones de rayos gamma.

“El escáner PET es básicamente un detector de rayos gamma”, dice, lo que lo hace “perfectamente sintonizado” para observar los rayos gamma de las desintegraciones de positronio. Para investigar la violación de la simetría, Allen planea observar cómo la actuación sobre los estados iniciales del positronio afecta la orientación de los rayos gamma emitidos. Si ve alguna asimetría, esto podría proporcionarle una idea para comprender la violación de la simetría.

Pero primero, Allen necesita terminar de construir el escáner PET. Después de finalizar el diseño de los módulos detectores, comenzará a ensamblarlos en anillos para el casco este verano. Mientras tanto, continuará sirviendo en MIT EMS, ya que acaba de concluir su mandato como jefa de MIT EMS el año pasado. “Es algo muy adictivo”, dice ella.

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