Los investigadores de la EPFL han combinado los campos del diseño de chips de bajo consumo,[{» attribute=»»>machine learning algorithms, and soft implantable electrodes to create a neural interface capable of identifying and mitigating symptoms of various neurological disorders.
Mahsa Shoaran, from the Integrated Neurotechnologies Laboratory in the School of Engineering, worked together with Stéphanie Lacour from the Laboratory for Soft Bioelectronic Interfaces to create NeuralTree, a closed-loop neuromodulation system-on-chip that is capable of detecting and alleviating symptoms of disease.
The system boasts a 256-channel high-resolution sensing array and an energy-efficient machine learning processor, enabling it to effectively extract and categorize a wide range of biomarkers from real patient data and in-vivo animal models of disease. This results in a high level of accuracy in symptom prediction.
“NeuralTree benefits from the accuracy of a neural network and the hardware efficiency of a decision tree algorithm,” Shoaran says. “It’s the first time we’ve been able to integrate such a complex, yet energy-efficient neural interface for binary classification tasks, such as seizure or tremor detection, as well as multi-class tasks such as finger movement classification for neuroprosthetic applications.”
Their results were presented at the 2022 IEEE International Solid-State Circuits Conference and published in the IEEE Journal of Solid-State Circuits, the flagship journal of the integrated circuits community.
Efficiency, scalability, and versatility
NeuralTree functions by extracting neural biomarkers – patterns of electrical signals known to be associated with certain neurological disorders – from brain waves. It then classifies the signals and indicates whether they herald an impending epileptic seizure or Parkinsonian tremor, for example. If a symptom is detected, a neurostimulator – also located on the chip – is activated, sending an electrical pulse to block it.
Shoaran explains that NeuralTree’s unique design gives the system an unprecedented degree of efficiency and versatility compared to the state-of-the-art. The chip boasts 256 input channels, compared to 32 for previous machine-learning-embedded devices, allowing more high-resolution data to be processed on the implant. The chip’s area-efficient design means that it is also extremely small (3.48mm2), giving it great potential for scalability to more channels. The integration of an ‘energy-aware’ learning algorithm – which penalizes features that consume a lot of power – also makes NeuralTree highly energy efficient.
In addition to these advantages, the system can detect a broader range of symptoms than other devices, which until now have focused primarily on epileptic seizure detection. The chip’s machine learning algorithm was trained on datasets from both epilepsy and Parkinson’s disease patients and accurately classified pre-recorded neural signals from both categories.
“To the best of our knowledge, this is the first demonstration of Parkinsonian tremor detection with an on-chip classifier,” Shoaran says.
Self-updating algorithms
Shoaran is passionate about making neural interfaces more intelligent to enable more effective disease control, and she is already looking ahead to further innovations.
“Eventually, we can use neural interfaces for many different disorders, and we need algorithmic ideas and advances in chip design to make this happen. This work is very interdisciplinary, and so it also requires collaborating with labs like the Laboratory for Soft Bioelectronic Interfaces, which can develop state-of-the-art neural electrodes or labs with access to high-quality patient data.”
As a next step, she is interested in enabling on-chip algorithmic updates to keep up with the evolution of neural signals.
“Neural signals change, and so over time, the performance of a neural interface will decline. We are always trying to make algorithms more accurate and reliable, and one way to do that would be to enable on-chip updates or algorithms that can update themselves.”
References: “NeuralTree: A 256-Channel 0.227-μJ/Class Versatile Neural Activity Classification and Closed-Loop Neuromodulation SoC” by Uisub Shin, Cong Ding, Bingzhao Zhu, Yashwanth Vyza, Alix Trouillet, Emilie C. M. Revol, Stéphanie P. Lacour and Mahsa Shoaran, 29 September 2022, IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC). DOI: 10.1109/JSSC.2022.3204508
“A 256-Channel 0.227µJ/class Versatile Brain Activity Classification and Closed-Loop Neuromodulation SoC with 0.004mm2-1.51 µW/channel Fast-Settling Highly Multiplexed Mixed-Signal Front-End” by Uisub Shin, Laxmeesha Somappa, Cong Ding, Yashwanth Vyza, Bingzhao Zhu, Alix Trouillet, Stephanie P. Lacour and Mahsa Shoaran, 17 March 2022, IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). DOI: 10.1109/ISSCC42614.2022.9731776
¡El espacio puede ser un lugar maravilloso y tenemos las fotos para demostrarlo! Echa un vistazo a nuestras fotos espaciales favoritas aquí, y si te preguntas qué pasó hoy en la historia espacial, ¡no te pierdas nuestro video de En este día en el espacio aquí!
¡Día Nacional del Espacio!
(Crédito de la imagen: NASA)
Viernes 3 de mayo de 2024: ¡Feliz Día Nacional del Espacio EE. UU.! Celebrado el primer viernes de mayo, el Día Nacional del Espacio celebra los logros y beneficios de la historia de los vuelos espaciales. Este día se utiliza ampliamente para promover la educación STEM (ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas) e inspirar a las personas sobre el cosmos.
Aquí, el cosmonauta de la Expedición 71 de la ISS, Nikolai Chub, levanta el pulgar durante un EVA reciente. Durante la caminata espacial de cuatro horas y 36 minutos de Chub el 25 de abril, él y su colega cosmonauta Oleg Kononenko desplegaron un sistema de comunicaciones por radar sintético e instalaron experimentos para monitorear la corrosión externa de la estación.
Amanecer desde el espacio
(Crédito de la imagen: NASA)
Jueves 2 de mayo de 2024: El sol alcanza su punto máximo a través de la delgada capa de la atmósfera de la Tierra, capturada aquí desde la Estación Espacial Internacional (ISS). La EEI tiene aproximadamente el tamaño de un campo de fútbol americano y se encuentra sobre el planeta en órbita terrestre baja, a una altitud promedio de 408 kilómetros (254 millas). Gracias a esta órbita, los astronautas a bordo de la estación espacial pueden presenciar un amanecer como el que aquí se muestra cada 45 minutos.
A medida que el sol sale detrás de nuestro planeta de origen en esta foto, la tenue luz de nuestra estrella se refleja en la nave espacial NG-20 Cygnus de Northrup Grumman atracada en la estación. Cygnus se lanzó a la ISS el 30 de enero y entregó más de 8.000 libras (3.600 kilogramos) de suministros y equipos de investigación.
Galaxia espiral barrada
(Crédito de la imagen: ESA/Hubble y NASA, J. Dalcanton; Gracias: Judy Schmidt (Geckzilla))
Miércoles 1 de mayo de 2024: Una nueva imagen del Telescopio Espacial Hubble muestra la galaxia espiral barrada NGC 2217 (también conocida como AM 0619-271), girando en el espacio a 65 millones de años luz de distancia.
Llamadas galaxias «barradas» debido a la columna de luz que se extiende desde lados opuestos del centro galáctico, estas «barras» canalizan gas desde el disco de la galaxia hacia sus regiones medias. Estos gases pueden luego formar nuevas estrellas o servir como combustible para el agujero negro supermasivo de la galaxia. Según la NASANGC 2217 tiene aproximadamente el mismo tamaño que nuestra galaxia, la Vía Láctea, mide unos 100.000 años luz de diámetro y está situada en la constelación del Can Mayor.
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(Crédito de la imagen: Christina Koch/NASA)
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Una misión conjunta de telescopios de rayos X chinos y europeos llamada sonda einstein visualiza con éxito el universo en pantalla panorámica, con un diseño de telescopio que imita los ojos de una langosta.
La sonda Einstein, lanzada el 9 de enero a bordo de un cohete chino Gran Marcha, se encuentra actualmente en pruebas y calibración de sus instrumentos mientras orbita la Tierra a una altitud de 600 kilómetros (373 millas). Sus primeras observaciones fueron reveladas en un simposio en Beijing.
El problema de los rayos X es que tienen una energía tan alta que son difíciles de capturar con un detector estándar. Las lentes no funcionan porque los rayos X son demasiado potentes para refractarse fácilmente, y un rayo X que golpee un espejo de frente simplemente pasará a través de dicho espejo. La detección de rayos X sólo es posible cuando estos rayos inciden en una superficie reflectante en un ángulo bajo. Desde allí, los rayos pueden dirigirse a un detector de rayos X específico. Sin embargo, este mecanismo plantea un pequeño problema. Esto significa que un telescopio de rayos X generalmente sólo puede detectar rayos X en un campo de visión estrecho; fuera de este campo de visión, los rayos X incidirían en un ángulo demasiado grande.
Resulta que las langostas son la solución, es decir, la visión de la langosta. Además, los científicos retomaron esta idea básica a fines de la década de 1970, pero tomó décadas adaptarla con éxito para su uso en telescopios de rayos X en el espacio.
Los ojos humanos funcionan según el principio de refracción a través de una lente, llamada córnea. Las langostas, por el contrario, utilizan el reflejo. Sus ojos están formados por pequeños tubos dispuestos como poros cuadrados paralelos a la superficie de sus ojos, y cada tubo apunta en una dirección diferente. La luz ingresa a los tubos y se refleja de regreso a la retina. Mientras que la visión humana cubre un campo de unos 120 grados, las langostas tienen 180 grados de visión panorámica.
La visión de rayos X de ojo de langosta ya se ha implementado en misiones para estudiar el viento solar, en misiones interplanetarias y en una misión de demostración de tecnología llamada LEIA (Lobster Eye Imager for Astronomy) en 2022. Sin embargo, la sonda Einstein es la primera en Utilice la óptica de ojo de langosta en un telescopio espacial. Su Telescopio de Rayos X de Campo Amplio (WXT) toma prestado el diseño de un ojo de langosta, con cientos de miles de tubos dispuestos en 12 módulos colocados de manera que el WXT pueda cubrir un campo de visión de más de 3.600 grados cuadrados. , igual a una undécima parte del cielo, en un solo plano. En sólo tres órbitas, WXT puede obtener imágenes de todo el cielo en rayos X.
A la izquierda hay imágenes microscópicas del ojo de una langosta, con miles de pequeños poros cuadrados conectados a tubos que dirigen la luz a la retina de la langosta a través de la reflexión. El de la derecha es un diagrama del tamaño de estos poros cuadrados. (Crédito de la imagen: ESA/J. Camp)
WXT busca cosas que suceden durante la noche: los llamados transitorios de rayos X, que a menudo son eventos aleatorios o únicos, como el brillo de una estrella o un agujero negro inactivo que se enciende repentinamente con actividad al ingerir una pequeña partícula de material. . También incluye fenómenos como la explosión de estrellas y la fusión de estrellas de neutrones que provocan ondas gravitacionales que reverberan por todo el cosmos. Por lo tanto, este amplio campo de visión debería permitir a WXT aumentar considerablemente nuestro conocimiento de estos transitorios.
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Para complementar la vista panorámica del WXT, la sonda Einstein también lleva un segundo telescopio, conocido como Telescopio de Seguimiento de Rayos X (FXT), que es un detector de rayos X más tradicional con un campo de visión más estrecho. FXT proporciona observaciones más detalladas y cercanas de todos los transitorios descubiertos por WXT.
Aunque todavía se encuentra en fase de pruebas, WXT en particular ya está demostrando su valía. El simposio de Beijing reveló que WXT detectó su primer transitorio de rayos X el 19 de febrero, un evento asociado con una larga explosión de rayos gamma producida por la destrucción de una estrella masiva. Desde entonces, WXT ha descubierto 141 transitorios más, incluidas 127 estrellas que desencadenan erupciones de rayos X.
El cúmulo globular Omega Centauri, fotografiado por el telescopio de rayos X de seguimiento de la sonda Einstein. Los rayos X son emitidos por sistemas binarios en los que la materia de una estrella se acumula en una estrella de neutrones o en un agujero negro. (Crédito de la imagen: Academia China de Ciencias)
FXT también ha estado ocupado durante este período de pruebas rastreando un transitorio de rayos X descubierto el 20 de marzo, nada menos que por WXT, así como tomando imágenes de varios objetos de rayos X bien conocidos, incluido un remanente de supernova llamado Puppis A y el gigante cúmulo globular Omega Centauri.
«Estoy encantada de ver las primeras observaciones de la sonda Einstein, que demuestran la capacidad de la misión para estudiar grandes áreas del cielo en rayos X y descubrir rápidamente nuevas fuentes celestes», dijo Carole Mundell, directora científica de la sonda Einstein europea. Agencia Espacial. en un declaración. «Estos primeros datos nos dan una visión tentadora del universo dinámico y de alta energía que pronto estará al alcance de nuestras comunidades científicas».
Una ilustración de la sonda Einstein en el espacio. (Crédito de la imagen: Academia China de Ciencias)
«Es sorprendente que, aunque los instrumentos aún no estaban completamente calibrados, ya pudimos hacer una observación de seguimiento crítica utilizando el instrumento FXT de un transitorio rápido de rayos X detectado por primera vez por WXT», añadió Erik Kuulkers. Es científico del proyecto de la sonda Einstein de la Agencia Espacial Europea. «Esto muestra de lo que será capaz la sonda Einstein durante su investigación».
Esta investigación durará inicialmente tres años y se espera que comience el próximo mes de junio, una vez que finalicen oficialmente las pruebas. Los datos publicados en el reciente simposio son un adelanto de lo que podemos esperar.
El remanente de la supernova Puppis A, fotografiado por el telescopio de rayos X de seguimiento de la sonda Einstein. (Crédito de la imagen: Academia China de Ciencias)
Einstein Probe es una colaboración no solo entre la Academia de Ciencias de China y la Agencia Espacial Europea, sino también entre el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) en Alemania y el Centro Nacional de Estudios Espaciales (CNES) en Francia. Sus descubrimientos proporcionarán un amplio catálogo de objetos para la próxima misión europea NewAthena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics), actualmente en fase de estudio. Se espera que este instrumento sea el telescopio de rayos X más potente jamás construido y se lance alrededor de 2037.
Impresión artística de la vista a gran escala de FU~Ori. La imagen muestra los flujos producidos por la interacción entre los fuertes vientos estelares alimentados por la explosión y la envoltura residual a partir de la cual se formó la estrella. El viento estelar provoca un fuerte choque en la envoltura, y el gas CO arrastrado por el choque es lo que reveló el nuevo ALMA. Crédito: NSF/NRAO/S. Dagnello
ALMA Las observaciones de FU Orionis revelan cómo la acreción gravitacional de un flujo de gas pasado provoca un brillo repentino en estrellas jóvenes, arrojando luz sobre los procesos de formación de estrellas y planetas.
Un grupo inusual de estrellas en la constelación de Orión ha revelado sus secretos. FU Orionis, un sistema de estrellas dobles, atrajo por primera vez la atención de los astrónomos en 1936, cuando la estrella central de repente se volvió 1.000 veces más brillante de lo habitual. Este comportamiento, esperado en estrellas moribundas, nunca se había observado en una estrella joven como FU Orionis.
Este extraño fenómeno inspiró una nueva clasificación de estrellas que comparten el mismo nombre (FUo estrellas). Las estrellas FUor estallan repentinamente, alcanzando su brillo, antes de atenuarse nuevamente varios años después.
Ahora se entiende que este brillo se debe a que las estrellas absorben energía de su entorno a través de la acreción gravitacional, la fuerza principal que da forma a las estrellas y los planetas. Sin embargo, cómo y por qué sucede esto ha seguido siendo un misterio hasta ahora, gracias a que los astrónomos utilizan el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).
“FU Ori ha estado devorando materia durante casi 100 años para mantener su erupción. Finalmente hemos encontrado una respuesta a cómo estas estrellas jóvenes y brillantes reponen su masa”, dice Antonio Hales, subdirector del Centro Regional Norteamericano ALMA, científico del Observatorio Nacional de Radioastronomía y autor principal de la investigación, publicada el 29 de abril. . en el Revista de Astrofísica. «Por primera vez, tenemos evidencia de observación directa del material que alimenta las erupciones».
Acérquese al sistema binario FU Ori y al transmisor de acreción recientemente descubierto. Esta impresión artística muestra la serpentina recién descubierta alimentando constantemente la masa de la envoltura al sistema binario. Crédito: NSF/NRAO/S. Dagnello
Las observaciones de ALMA revelaron una larga y delgada corriente de monóxido de carbono cayendo sobre FU Orionis. Este gas no parecía contener suficiente combustible para sostener la explosión actual. En cambio, se cree que esta corriente de acreción es un remanente de una característica anterior, mucho más grande, que cayó en este joven sistema estelar.
«Es posible que la interacción con un flujo de gas más grande en el pasado haya hecho que el sistema sea inestable y haya provocado un aumento en el brillo», dice Hales.
Progresos en la comprensión de la formación estelar
Los astrónomos utilizaron varias configuraciones de antenas de ALMA para capturar los diferentes tipos de emisiones de FU Orionis y detectar flujos de masa en el sistema estelar. También combinaron nuevos métodos numéricos para modelar el flujo másico como una corriente de acreción y estimar sus propiedades.
«Comparamos la forma y la velocidad de la estructura observada con las que se esperaban de un rastro de gas entrante, y los números tenían sentido», dice Aashish Gupta, Ph.D. candidato al Observatorio Europeo Austral (ESO), y coautor de este trabajo, quien desarrolló los métodos utilizados para modelar el transmisor de acreción.
Acérquese al sistema binario FU Ori y al transmisor de acreción recientemente descubierto. Esta impresión artística muestra la serpentina recién descubierta alimentando constantemente la masa de la envoltura al sistema binario. Crédito: NSF/NRAO/S. Dagnello
“La gama de escalas angulares que podemos explorar con un solo instrumento es realmente notable. ALMA nos brinda una visión integral de la dinámica de la formación de estrellas y planetas, desde las grandes nubes moleculares en las que nacen cientos de estrellas hasta las escalas más familiares de los sistemas solares”, agrega Sebastián Pérez de la Universidad de Santiago de Chile (USACH) . ), director del Núcleo Milenio sobre Exoplanetas Jóvenes y sus Lunas (YEMS) en Chile, y coautor de esta investigación.
Estas observaciones también revelaron una lenta salida de monóxido de carbono de FU Orionis. Este gas no está asociado con la explosión más reciente. Más bien, es similar a los flujos observados alrededor de otros objetos protoestelares.
Hales añade: “Al comprender cómo se forman estas estrellas FUor en particular, confirmamos lo que sabemos sobre cómo se forman las diferentes estrellas y planetas. Creemos que todas las estrellas experimentan explosiones. Estas explosiones son importantes porque afectan la composición química de los discos de acreción alrededor de las estrellas nacientes y los planetas que eventualmente forman.
«Hemos estado estudiando FU Orionis desde las primeras observaciones de ALMA en 2012», añade Hales. Es fascinante tener finalmente respuestas.
Referencia: “Descubrimiento de una serpentina de acreción y un flujo lento de alto ángulo alrededor de FU Orionis” por AS Hales, A. Gupta, D. Ruíz-Rodríguez, JP Williams, S. Pérez, L. Cieza, C. González-Ruilova, JE Pineda, A. Santamaría-Miranda, J. Tobin, P. Weber, Z. Zhu y A. Zurlo, 29 de abril de 2024, La revista de astrofísica. DOI: 10.3847/1538-4357/ad31a1
