A lesão da medula espinhal pode desconectar a comunicação entre o cérebro e a região da medula espinhal que produz a marcha, o que pode levar à paralisia permanente. Para restaurar esta comunicação, a equipe desenvolveu uma interface cérebro-coluna, composta por dois sistemas implantáveis: um para registrar a atividade cortical e outro para estimular eletricamente a região da medula espinhal que controla o movimento das pernas.
Para monitorar os sinais do cérebro, uma grade de eletrodos de 64 canais é implantada no cérebro do participante em regiões que respondem à intenção de mover os membros inferiores. Um algoritmo baseado em inteligência artificial decodifica esses sinais cerebrais em tempo real, para prever as intenções motoras do usuário, e os converte em comandos de estimulação para ativar os músculos das pernas.
O segundo dispositivo é um neuroestimulador conectado a um conjunto de eletrodos, que é implantado na região da medula espinhal que controla o movimento das pernas. Este dispositivo fornece a estimulação elétrica necessária para ativar os músculos das pernas – essencialmente criando uma ponte digital entre o cérebro e a medula espinhal. Todo o sistema opera sem fio, permitindo que o usuário se mova de forma independente.
A equipe testou o sistema em um homem de 38 anos com lesão na medula espinhal causada por um acidente de bicicleta 10 anos antes. Após a cirurgia de implante, a ponte permitiu ao participante recuperar o controle intuitivo sobre os movimentos das pernas, permitindo-lhe ficar de pé, andar com muletas, subir escadas e atravessar terrenos complexos. A interface cérebro-coluna permaneceu confiável e estável por mais de um ano de uso, inclusive em casa sem supervisão.
Esta pesquisa traz esperança às pessoas com lesões na medula espinhal e é por isso que temos o prazer de chamá-la de Avanço do Ano para 2023.
Critério de seleção
A Mundo da física O Breakthrough of the Year de 2023 foi selecionado por um painel de Mundo da física editores, que examinaram centenas de atualizações de pesquisa e notícias publicadas no site este ano em todos os campos da física. Além de ter sido relatado em Mundo da física em 2023, o vencedor deve atender aos seguintes critérios:
- Avanço significativo no conhecimento ou compreensão
- Importância do trabalho para o progresso científico e/ou desenvolvimento de aplicações do mundo real
- De interesse geral para Mundo da física leitores
Os nove segundos classificados que completam o nosso Top 10 Breakthroughs para 2023 estão listados abaixo em ordem cronológica de quando foram relatados em Mundo da física.
Para Xenofon Strakosas, Hanne Biesmans, Magnus Berggren e colegas da Universidade de Linköping, da Universidade de Lund e da Universidade de Gotemburgo por desenvolverem uma maneira de criar circuitos eletrônicos diretamente dentro do tecido vivo. A interface do tecido neural com a eletrônica fornece uma maneira de estudar a complexa sinalização elétrica do sistema nervoso ou modular os circuitos neurais para tratar doenças. No entanto, a incompatibilidade entre a electrónica rígida e os tecidos moles corre o risco de danificar sistemas vivos delicados. Em vez disso, a equipe usou um gel injetável para criar eletrodos macios diretamente no corpo. Após a injeção no tecido vivo, as enzimas do gel decompõem os metabólitos endógenos do corpo, que desencadeiam a polimerização enzimática de monômeros orgânicos no gel, convertendo-os em eletrodos condutores macios e estáveis. Os pesquisadores validaram o processo injetando géis em peixes-zebra e sanguessugas medicinais, onde o gel polimerizou e fez crescer eletrodos dentro do tecido.
Para Tejin Cai na Universidade de Rochester, nos EUA, e na Universidade de York, no Canadá, e colegas que trabalham no Fermilab Minerva experimento para mostrar como informações sobre a estrutura interna do próton podem ser obtidas a partir do espalhamento de neutrinos de um alvo de plástico. Neutrinos são partículas subatômicas famosas por raramente interagirem com a matéria. Assim, surgiram dúvidas quando Cai, pesquisador de pós-doutorado, sugeriu que o espalhamento ocasional de neutrinos de prótons em plástico poderia ser observado. O grande desafio para a equipe foi observar o sinal dos neutrinos espalhados por prótons isolados (núcleos de hidrogênio) dentro de um fundo muito maior de neutrinos espalhados por prótons ligados a núcleos de carbono. Para resolver este problema, eles simularam o sinal de dispersão de carbono e subtraíram-no cuidadosamente dos dados experimentais. Além de fornecer informações sobre a estrutura do próton, a técnica também pode esclarecer como os neutrinos interagem com a matéria.
Para Célia Viermann e Markus Oberthaler da Universidade de Heidelberg, Alemanha, juntamente com Stefan Floerchinger da Universidade de Jena, Alemanha, e colegas da Universidad Complutense de Madrid, Espanha, Ruhr-Universität Bochum, Alemanha e da Université libre de Bruxelles, Bélgica, por usarem um condensado de Bose-Einstein (BEC) para simular um universo em expansão e os campos quânticos dentro dele. Neste sistema simulado, o condensado representava o universo, enquanto os fônons que se deslocavam através dele desempenhavam o papel dos campos quânticos. Ao alterar o comprimento de dispersão dos átomos no BEC, a equipe fez o “universo” se expandir em diferentes taxas e estudou como os fônons semearam flutuações de densidade dentro dele. As teorias da cosmologia prevêem que efeitos semelhantes foram responsáveis pela propagação de estruturas em grande escala no universo primitivo, pelo que o universo simulado pode produzir informações valiosas sobre como o universo real se tornou como é hoje.
Para Romain Tirol e Ricardo Sapienza no Imperial College London e colegas pela demonstração da interferência da dupla fenda de Young no tempo. A observação do século XIX da interferência das ondas de luz por Thomas Jovem é um dos experimentos mais icônicos da história da física e forneceu suporte fundamental à teoria ondulatória da luz. Embora esse experimento e outros semelhantes envolvam a difração da luz através de um par de fendas estreitas no espaço, pesquisadores no Reino Unido e em outros lugares mostraram que é possível obter o efeito equivalente usando fendas duplas no tempo. O análogo temporal envolve momento fixo, mas mudança de frequência. Um material no qual duas fendas aparecem rapidamente e depois desaparecem, uma após a outra, deveria fazer com que as ondas que chegam mantivessem seu caminho no espaço, mas se espalhassem em frequência. Os pesquisadores conseguiram isso ligando e desligando a refletividade de um espelho semicondutor duas vezes em rápida sucessão e registrando franjas de interferência ao longo do espectro de frequência da luz refletida no espelho. Eles viram que a interferência acontece entre ondas em frequências diferentes – e não em posições espaciais diferentes. O trabalho pode ter diversas aplicações, como interruptores ópticos para processamento e comunicação de sinais ou em computação óptica.
Para Ben Lanyon e colegas da Universidade de Innsbruck, Áustria, e da Universidade de Paris-Saclay, França, por construírem um repetidor quântico e usá-lo para transferir informações quânticas a uma distância de 50 km através de fibras de telecomunicações padrão, demonstrando assim todas as principais funcionalidades do uma rede quântica de longa distância em um único sistema. A equipe criou seu repetidor quântico a partir de um par de íons cálcio-40 presos que emitem fótons após serem iluminados com um pulso de laser. Esses fótons, cada um deles emaranhado com seu íon “pai”, são então convertidos em comprimentos de onda de telecomunicações e enviados por fibras ópticas separadas de 25 km de comprimento. Finalmente, o repetidor troca o emaranhamento dos dois íons, deixando dois fótons emaranhados separados por 50 km – aproximadamente a distância necessária para criar redes em grande escala com múltiplos nós.
Vi Wai Hla, Volker Rosa at Argonne National Laboratory nos EUA e colegas para gerar imagens de um único átomo com raios X síncrotron. Até recentemente, o menor tamanho de amostra que poderia ser analisado usando microscopia de tunelamento por varredura de raios X síncrotron era um attograma, que tem cerca de 10,000 átomos. Isto ocorre porque o sinal de raios X produzido por um único átomo é extremamente fraco e os detectores convencionais não são sensíveis o suficiente para detectá-lo. Para contornar isso, a equipe adicionou uma ponta metálica afiada a um detector convencional de raios X, que é colocado apenas 1 nm acima da amostra a ser estudada. À medida que a ponta afiada se move pela superfície de uma amostra, os elétrons atravessam o espaço entre a ponta e a amostra, criando uma corrente que detecta essencialmente “impressões digitais” que são exclusivas de cada elemento. Isso permitiu à equipe combinar a resolução espacial ultra-alta da microscopia de varredura por tunelamento com a sensibilidade química fornecida pela intensa iluminação de raios-X. A técnica pode levar a aplicações em design de materiais, bem como em ciências ambientais, através da capacidade de rastrear materiais tóxicos até níveis extremamente baixos.
Ao Colaboração EIGER por usar o Telescópio Espacial James Webb (JWST) para encontrar evidências convincentes de que as primeiras galáxias foram responsáveis pela reionização do universo primitivo. A reionização ocorreu cerca de 1 bilhão de anos após o Big Bang e envolveu a ionização do gás hidrogênio. Isso permitiu que a luz que teria sido absorvida pelo hidrogênio viajasse até os telescópios de hoje. A reionização parece ter começado como bolhas locais que cresceram e se fundiram. Estas bolhas teriam sido criadas por fontes de radiação, e uma possibilidade é que tenham vindo de estrelas em galáxias. Os pesquisadores do EIGER usaram a câmera infravermelha próxima do JWST para observar a luz de quasares antigos que passaram pelas bolhas ionizadas. Eles encontraram uma correlação entre a localização das galáxias e as bolhas, sugerindo que a luz destas primeiras galáxias foi de facto responsável pela reionização.
Para Meng Wang, Songlin Shi e Jay Fineberg da Universidade Hebraica de Jerusalém, Israel, por descobrir que rachaduras em certos materiais podem se espalhar mais rápido que a velocidade do som. O resultado contradiz resultados experimentais anteriores e previsões baseadas na teoria clássica, que afirmam que a propagação supersônica de fissuras não deveria ser possível porque a velocidade do som em um material reflete a rapidez com que a energia mecânica pode se mover através dele. As observações da equipe podem indicar a presença da chamada dinâmica de “supercisalhamento” regida por princípios diferentes daqueles que orientam as fissuras clássicas, conforme previsto por Michael Marder da Universidade do Texas em Austin, EUA, quase 20 anos antes.
Ao Colaboração ALFA por mostrar que a antimatéria responde à gravidade da mesma maneira que a matéria. Os físicos usaram a experiência ALPHA-g no CERN para fazer a primeira observação direta de átomos de antimatéria em queda livre – anti-hidrogénio que compreende um antipróton ligado a um antielétron. Isso foi feito em uma câmara de vácuo cilíndrica alta, na qual o anti-hidrogênio foi primeiramente mantido em uma armadilha magnética. O anti-hidrogênio foi liberado da armadilha e aniquilado nas paredes da câmara. A equipe descobriu que ocorreram mais aniquilação abaixo do ponto de lançamento do que acima dele. Depois de considerar o movimento térmico do anti-hidrogénio, a equipa concluiu que a antimatéria cai. De forma tentadora, a aceleração do anti-hidrogénio devido à gravidade foi cerca de 75% daquela experimentada pela matéria normal. Embora esta medição tenha uma significância estatística baixa, ela deixa a porta aberta para uma nova física além do Modelo Padrão.
Menção honrosa
Uma menção honrosa em nosso top 10 deste ano vai para os físicos que trabalham no setor de US$ 3.5 bilhões. Instalação Nacional de Ignição (NIF) nos EUA pelo trabalho realizado no laboratório no final do ano passado, depois que escolhemos nossos vencedores de 2022 (e, portanto, também perdemos nossa escolha inovadora de 2023). Em 13 de dezembro de 2022 o laboratório anunciou a geração de mais energia a partir de uma reação de fusão nuclear controlada do que a necessária para alimentar a reação. O disparo do laser, realizado em 5 de dezembro de 2022, liberou 3.15 milhões de joules (MJ) de energia de um minúsculo pellet contendo dois isótopos de hidrogênio – em comparação com os 2.05 MJ que esses lasers entregaram ao alvo. Esta demonstração do ganho líquido de energia marca um marco importante na fusão a laser.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/brain-computer-interface-that-allowed-a-paralysed-man-to-walk-is-the-physics-world-2023-breakthrough-of-the-year/
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