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DNA está en el aire, literalmente. Es transportado por todas las criaturas de la Tierra, y ahora los científicos han encontrado una manera de detectar estos rastros invisibles de material genético para poder identificar a los animales que los liberaron.

El descubrimiento, realizado de forma independiente por grupos de investigación británicos y daneses a principios de este año, abre una forma poderosa de identificar la presencia de vida silvestre rara en desiertos, selvas tropicales y otros entornos hostiles.

?Esto podría transformar la forma en que estudiamos la biodiversidad?, dijo la profesora Elizabeth Clare de la Universidad de York. ?Todas las demás técnicas que tenemos para rastrear animales (cámaras trampa, por ejemplo, o monitoreo acústico) se basan en que los animales estén físicamente presentes cerca o frente a usted.

?Atrapar su ADN del aire es mucho menos invasivo y mucho más flexible. Podrías detectar la presencia de criaturas en cuevas sin molestarlas, por ejemplo “.

En sus experimentos, Clare, entonces en la Universidad Queen Mary de Londres, y sus colegas utilizaron filtros sensibles instalados en bombas de vacío ubicadas en 20 ubicaciones en Hamerton Zoo Park en Cambridgeshire en diciembre pasado. ?Nos dimos cuenta de que un zoológico sería un lugar excelente para probar una técnica como esta porque los animales allí no son nativos y están confinados espacialmente en recintos?, dijo Clare. “Significaba que si teníamos éxito y podíamos detectar ADN en el aire, sabríamos exactamente de dónde venía y qué tan lejos había viajado”.

El ADN de los lémures rufos blancos y negros dominó en el parque zoológico de Hamerton. Fotografía: Arto Hakola / Alamy

El equipo recolectó un total de 72 muestras de aire, que utilizó la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar los diminutos fragmentos de ADN aislados en sus filtros. Secuenciaron este material genético y compararon los resultados con secuencias conocidas de animales, e identificaron 17 especies de animales de zoológico a partir de rastros invisibles de su ADN liberados al aire.

?Encontramos ADN de tigre, ADN de dingo y, sobre todo, ADN de lémures gordos blancos y negros?, dijo Clare. ?Su ADN fue el que se distribuyó más ampliamente. No estamos seguros de por qué, pero los lémures son ciertamente muy activos en comparación con otros animales. Estaban rebotando alrededor de sus jaulas, mostrando gran interés por la gente que pasaba junto a ellos. Por el contrario, muchos otros animales estaban escondidos ya que era invierno “.

Curiosamente, investigadores dirigidos por Christina Lynggaard y Kristine Bohmann de la Universidad de Copenhague hicieron descubrimientos similares al mismo tiempo. En su investigación, aspiraron aire de varios sitios en el zoológico de Copenhague y detectaron un total de 49 especies del ADN encontrado en sus filtros.

?Estábamos asombrados?, dijo Bohmann. ?Obtuvimos ADN de mamíferos, peces, aves y reptiles, de animales grandes y pequeños, de criaturas con plumas y otras con escamas. Incluso detectamos el ADN de peces guppy que nadan en un estanque en la casa tropical del zoológico ?.

En buena medida, ambos equipos descubrieron que también podían identificar la presencia de vida silvestre local, mascotas del vecindario y los animales que estaban allí como alimento para los animales del zoológico.

El ADN de 49 especies se encontró en el zoológico de Copenhague.
El ADN de 49 especies se encontró en el zoológico de Copenhague. Fotografía: Mads Claus Rasmussen / EPA

“Nos dimos cuenta de que estábamos detectando ADN de animales que estaban siendo alimentados a animales de zoológicos, por ejemplo peces”, dijo Bohmann. ?También estábamos recogiendo el ADN de perros y gatos locales y animales salvajes locales. Fue asombroso lo que pudimos detectar “.

Tanto los proyectos daneses como los británicos fueron financiados como parte de estrategias de alto riesgo y alta recompensa establecidas para respaldar proyectos de investigación especulativa que se considera que vale la pena financiar por sus beneficios potenciales generalizados.

“Hay todo tipo de cosas que tenemos que aclarar ahora sobre el seguimiento del ADN en el aire, pero los beneficios prácticos son muy interesantes”, añadió Bohmann.

Los usos futuros de los detectores de ADN en el aire podrían incluir el rastreo de plagas de insectos a partir de muestras de aire y la localización de animales que viven en madrigueras sin molestarlos. Sin embargo, ambos grupos de científicos reconocen que hay obstáculos que superar antes de que la tecnología se convierta en un método estándar para estudiar la biodiversidad.

?Puede que detectes un fragmento de ADN de tigre, pero en la actualidad no estamos seguros de cuándo pudo haber sido liberado por el animal. Podría ser hace minutos, horas o días ?, dijo Clare. ?En la actualidad, no tenemos forma de calcular cuánto tiempo sobrevive el ADN en el aire. Ese es uno de los muchos aspectos de esta técnica que tenemos que resolver.

?Sin embargo, ya tenemos una ventaja. Si fuéramos el único equipo que se le ocurrió esto, tendríamos que esperar a que otros replicaran nuestro trabajo. Nuestros colegas en Dinamarca ya lo han hecho de forma independiente, por lo que ambos sabemos que esta tecnología funciona y que debería tener un futuro realmente emocionante “.

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DNA está en el aire, literalmente. Es transportado por todas las criaturas de la Tierra, y ahora los científicos han encontrado una manera de detectar estos rastros invisibles de material genético para poder identificar a los animales que los liberaron.

El descubrimiento, realizado de forma independiente por grupos de investigación británicos y daneses a principios de este año, abre una forma poderosa de identificar la presencia de vida silvestre rara en desiertos, selvas tropicales y otros entornos hostiles.

?Esto podría transformar la forma en que estudiamos la biodiversidad?, dijo la profesora Elizabeth Clare de la Universidad de York. ?Todas las demás técnicas que tenemos para rastrear animales (cámaras trampa, por ejemplo, o monitoreo acústico) se basan en que los animales estén físicamente presentes cerca o frente a usted.

?Atrapar su ADN del aire es mucho menos invasivo y mucho más flexible. Podrías detectar la presencia de criaturas en cuevas sin molestarlas, por ejemplo “.

En sus experimentos, Clare, entonces en la Universidad Queen Mary de Londres, y sus colegas utilizaron filtros sensibles instalados en bombas de vacío ubicadas en 20 ubicaciones en Hamerton Zoo Park en Cambridgeshire en diciembre pasado. ?Nos dimos cuenta de que un zoológico sería un lugar excelente para probar una técnica como esta porque los animales allí no son nativos y están confinados espacialmente en recintos?, dijo Clare. “Significaba que si teníamos éxito y podíamos detectar ADN en el aire, sabríamos exactamente de dónde venía y qué tan lejos había viajado”.

El ADN de los lémures rufos blancos y negros dominó en el parque zoológico de Hamerton. Fotografía: Arto Hakola / Alamy

El equipo recolectó un total de 72 muestras de aire, que utilizó la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar los diminutos fragmentos de ADN aislados en sus filtros. Secuenciaron este material genético y compararon los resultados con secuencias conocidas de animales, e identificaron 17 especies de animales de zoológico a partir de rastros invisibles de su ADN liberados al aire.

?Encontramos ADN de tigre, ADN de dingo y, sobre todo, ADN de lémures gordos blancos y negros?, dijo Clare. ?Su ADN fue el que se distribuyó más ampliamente. No estamos seguros de por qué, pero los lémures son ciertamente muy activos en comparación con otros animales. Estaban rebotando alrededor de sus jaulas, mostrando gran interés por la gente que pasaba junto a ellos. Por el contrario, muchos otros animales estaban escondidos ya que era invierno “.

Curiosamente, investigadores dirigidos por Christina Lynggaard y Kristine Bohmann de la Universidad de Copenhague hicieron descubrimientos similares al mismo tiempo. En su investigación, aspiraron aire de varios sitios en el zoológico de Copenhague y detectaron un total de 49 especies del ADN encontrado en sus filtros.

?Estábamos asombrados?, dijo Bohmann. ?Obtuvimos ADN de mamíferos, peces, aves y reptiles, de animales grandes y pequeños, de criaturas con plumas y otras con escamas. Incluso detectamos el ADN de peces guppy que nadan en un estanque en la casa tropical del zoológico ?.

En buena medida, ambos equipos descubrieron que también podían identificar la presencia de vida silvestre local, mascotas del vecindario y los animales que estaban allí como alimento para los animales del zoológico.

El ADN de 49 especies se encontró en el zoológico de Copenhague.
El ADN de 49 especies se encontró en el zoológico de Copenhague. Fotografía: Mads Claus Rasmussen / EPA

“Nos dimos cuenta de que estábamos detectando ADN de animales que estaban siendo alimentados a animales de zoológicos, por ejemplo peces”, dijo Bohmann. ?También estábamos recogiendo el ADN de perros y gatos locales y animales salvajes locales. Fue asombroso lo que pudimos detectar “.

Tanto los proyectos daneses como los británicos fueron financiados como parte de estrategias de alto riesgo y alta recompensa establecidas para respaldar proyectos de investigación especulativa que se considera que vale la pena financiar por sus beneficios potenciales generalizados.

“Hay todo tipo de cosas que tenemos que aclarar ahora sobre el seguimiento del ADN en el aire, pero los beneficios prácticos son muy interesantes”, añadió Bohmann.

Los usos futuros de los detectores de ADN en el aire podrían incluir el rastreo de plagas de insectos a partir de muestras de aire y la localización de animales que viven en madrigueras sin molestarlos. Sin embargo, ambos grupos de científicos reconocen que hay obstáculos que superar antes de que la tecnología se convierta en un método estándar para estudiar la biodiversidad.

?Puede que detectes un fragmento de ADN de tigre, pero en la actualidad no estamos seguros de cuándo pudo haber sido liberado por el animal. Podría ser hace minutos, horas o días ?, dijo Clare. ?En la actualidad, no tenemos forma de calcular cuánto tiempo sobrevive el ADN en el aire. Ese es uno de los muchos aspectos de esta técnica que tenemos que resolver.

?Sin embargo, ya tenemos una ventaja. Si fuéramos el único equipo que se le ocurrió esto, tendríamos que esperar a que otros replicaran nuestro trabajo. Nuestros colegas en Dinamarca ya lo han hecho de forma independiente, por lo que ambos sabemos que esta tecnología funciona y que debería tener un futuro realmente emocionante “.

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DProfundamente bajo tierra, los científicos se están acercando a uno de los objetivos más esquivos de la ciencia moderna: la materia oscura. En laboratorios subterráneos de EE. UU. E Italia, han instalado enormes cubas de xenón líquido y las han revestido con detectores de alta sensibilidad con la esperanza de detectar colisiones subatómicas que revelen la presencia de este material elusivo.

Sin embargo, los investigadores reconocen que la generación actual de detectores está llegando al límite de su efectividad y advierten que si no detectan la materia oscura con este tipo de máquinas, podrían verse obligados a reevaluar por completo su comprensión del cosmos.

?La materia oscura representa alrededor del 85% de toda la masa del universo, pero hasta ahora no hemos podido detectarla, a pesar de haber construido detectores cada vez más potentes?, dijo el profesor físico Chamkaur Ghag del University College de Londres. “Ahora nos estamos acercando a los límites de nuestros detectores y si no encuentran materia oscura en los próximos años, es posible que tengamos que aceptar que hay algo muy mal en la forma en que pensamos sobre el universo y la gravedad”.

La búsqueda de materia oscura comenzó el siglo pasado cuando los astrónomos descubrieron que las galaxias parecían estar girando demasiado rápido para permanecer estables. Las observaciones indicaron que deben tener masas 10 veces mayores que su contenido visible (estrellas, planetas y nubes de polvo), de lo contrario se desgarrarían.

Profesor Chamkaur Ghag: ‘Podría ser que estemos buscando nuestras llaves debajo de la farola. La materia oscura podría ser mucho más extraña de lo que hemos asumido hasta ahora. Fotografía: John Gaffen / Alamy

El material faltante que genera la gravedad adicional necesaria para mantener unidas a las galaxias se denominó “materia oscura”. Los astrónomos inicialmente pensaron que podría estar formado por estrellas demasiado pequeñas o tenues para ser vistas desde la Tierra o por otros candidatos, como las estrellas de neutrones. Sin embargo, las nuevas generaciones de potentes telescopios mostraron que estas no eran posibilidades viables.

Entonces, los científicos pasaron de lo astronómicamente grande a lo increíblemente pequeño para explicar la masa faltante del universo. Un gran número de partículas no detectadas forman halos invisibles alrededor de las galaxias y aumentan sus campos gravitacionales, argumentaron. Estas partículas hipotéticas se denominan debiluchos, partículas masivas que interactúan débilmente, y durante dos décadas los investigadores se han esforzado por detectarlas.

Estos esfuerzos han involucrado la construcción de detectores en las profundidades del subsuelo donde están protegidos de las partículas subatómicas, desencadenadas por los rayos cósmicos que golpean la atmósfera superior que constantemente caen sobre la Tierra y que desencadenarían corrientes de lecturas falsas positivas en sus instrumentos.

?La expectativa ha sido que un debilucho golpeará un núcleo de xenón y el destello de luz resultante será detectado por un detector y así revelará la presencia de un debilucho de materia oscura?, dijo Ghag. ?Sin embargo, a pesar de años de esfuerzo, todavía tenemos que ver un solo destello como ese. Necesitamos una mayor sensibilidad “.

Ahora los investigadores están depositando sus esperanzas en los dos cazadores de debiluchos más sensibles jamás diseñados. Uno, construido debajo de las montañas del Gran Sasso de Italia, se conoce como XENONnT. El otro, Lux-Zeplin, se ha construido en una antigua mina de oro de Dakota del Sur. Ambos dispositivos se han llenado con varias toneladas de xenón, mucho más de lo que se ha colocado en cualquier dispositivo anterior, y eso debería aumentar las posibilidades de que un cobarde golpee un núcleo.

Ghag, miembro del equipo de Lux-Zeplin, dijo: ?Ambos dispositivos se están sometiendo ahora a pruebas operativas y en unos meses esas pruebas se completarán. Es posible que descubramos que hemos detectado materia oscura durante ese período, lo que sería una muy buena noticia. De lo contrario, ambos dispositivos se ejecutarán sin interrupción durante varios años. Esencialmente, cuanto más xenón tenemos en nuestras máquinas y cuanto más tiempo hacemos funcionar nuestros detectores, mejores son nuestras posibilidades de que se produzcan colisiones y de que la materia oscura revele su presencia “.

Sin embargo, ahora se acepta que existe la posibilidad de que esto no suceda y la materia oscura podría seguir siendo esquiva. Como dijo en la revista Mariangela Lisanti, física de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey Ciencia recientemente: “La hipótesis del debilucho enfrentará su verdadero ajuste de cuentas después de que se ejecuten estos detectores de próxima generación”.

El detector Lux-Zeplin
El detector Lux-Zeplin se sella antes de colocarlo bajo tierra.

Si Lux-Zeplin y XENONnT no logran encontrar Wimps, los dos equipos de científicos tendrán una última oportunidad de utilizar la tecnología actual para encontrarlos, uniendo fuerzas para crear un detector supergrande final que contendría decenas de toneladas de xenón, un gas raro y costoso de aislar, y que se haría funcionar durante varios años.

Y si ese detector de última oportunidad no logra encontrar materia oscura, los científicos se quedarían perplejos. Hacer que sus máquinas sean aún más sensibles resultaría en que se vean inundadas por señales desencadenadas por otro tipo de partícula subatómica, el neutrino, que llueve sobre la Tierra en billones cada segundo. Deberían adoptarse otros enfoques.

?Podría ser que al buscar débiles, estemos buscando nuestras llaves debajo de la farola?, agregó Ghag. ?La materia oscura podría ser mucho más extraña de lo que hemos asumido hasta ahora. Podría estar formado por pequeños agujeros negros. O podría estar hecho de algo que sea un millón de veces más liviano que un debilucho y detectarlo será muy difícil. Así que tendremos que ser mucho más sofisticados en nuestros intentos de detección “.

Tales esfuerzos para encontrar una forma de materia que apenas pueda interactuar con la materia normal pueden parecer innecesarios. Pero si no fuera por la penetrante influencia gravitacional de la materia oscura, las galaxias, las estrellas y los planetas no se habrían mantenido unidos en el universo temprano y la vida tal como la conocemos no habría evolucionado. De ahí que los científicos sigan esforzándose por descubrir su verdadera naturaleza.

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Sin embargo, los investigadores reconocen que la generación actual de detectores está llegando al límite de su efectividad y advierten que si no detectan la materia oscura con este tipo de máquinas, podrían verse obligados a reevaluar por completo su comprensión del cosmos.

?La materia oscura representa alrededor del 85% de toda la masa del universo, pero hasta ahora no hemos podido detectarla, a pesar de haber construido detectores cada vez más potentes?, dijo el profesor físico Chamkaur Ghag del University College de Londres. “Ahora nos estamos acercando a los límites de nuestros detectores y si no encuentran materia oscura en los próximos años, es posible que tengamos que aceptar que hay algo muy mal en la forma en que pensamos sobre el universo y la gravedad”.

La búsqueda de materia oscura comenzó el siglo pasado cuando los astrónomos descubrieron que las galaxias parecían estar girando demasiado rápido para permanecer estables. Las observaciones indicaron que deben tener masas 10 veces mayores que su contenido visible (estrellas, planetas y nubes de polvo), de lo contrario se desgarrarían.

Profesor Chamkaur Ghag: ‘Podría ser que estemos buscando nuestras llaves debajo de la farola. La materia oscura podría ser mucho más extraña de lo que hemos asumido hasta ahora. Fotografía: John Gaffen / Alamy

El material faltante que genera la gravedad adicional necesaria para mantener unidas a las galaxias se denominó “materia oscura”. Los astrónomos inicialmente pensaron que podría estar formado por estrellas demasiado pequeñas o tenues para ser vistas desde la Tierra o por otros candidatos, como las estrellas de neutrones. Sin embargo, las nuevas generaciones de potentes telescopios mostraron que estas no eran posibilidades viables.

Entonces, los científicos pasaron de lo astronómicamente grande a lo increíblemente pequeño para explicar la masa faltante del universo. Un gran número de partículas no detectadas forman halos invisibles alrededor de las galaxias y aumentan sus campos gravitacionales, argumentaron. Estas partículas hipotéticas se denominan debiluchos, partículas masivas que interactúan débilmente, y durante dos décadas los investigadores se han esforzado por detectarlas.

Estos esfuerzos han involucrado la construcción de detectores en las profundidades del subsuelo donde están protegidos de las partículas subatómicas, desencadenadas por los rayos cósmicos que golpean la atmósfera superior que constantemente caen sobre la Tierra y que desencadenarían corrientes de lecturas falsas positivas en sus instrumentos.

?La expectativa ha sido que un debilucho golpeará un núcleo de xenón y el destello de luz resultante será detectado por un detector y así revelará la presencia de un debilucho de materia oscura?, dijo Ghag. ?Sin embargo, a pesar de años de esfuerzo, todavía tenemos que ver un solo destello como ese. Necesitamos una mayor sensibilidad “.

Ahora los investigadores están depositando sus esperanzas en los dos cazadores de debiluchos más sensibles jamás diseñados. Uno, construido debajo de las montañas del Gran Sasso de Italia, se conoce como XENONnT. El otro, Lux-Zeplin, se ha construido en una antigua mina de oro de Dakota del Sur. Ambos dispositivos se han llenado con varias toneladas de xenón, mucho más de lo que se ha colocado en cualquier dispositivo anterior, y eso debería aumentar las posibilidades de que un cobarde golpee un núcleo.

Ghag, miembro del equipo de Lux-Zeplin, dijo: ?Ambos dispositivos se están sometiendo ahora a pruebas operativas y en unos meses esas pruebas se completarán. Es posible que descubramos que hemos detectado materia oscura durante ese período, lo que sería una muy buena noticia. De lo contrario, ambos dispositivos se ejecutarán sin interrupción durante varios años. Esencialmente, cuanto más xenón tenemos en nuestras máquinas y cuanto más tiempo hacemos funcionar nuestros detectores, mejores son nuestras posibilidades de que se produzcan colisiones y de que la materia oscura revele su presencia “.

Sin embargo, ahora se acepta que existe la posibilidad de que esto no suceda y la materia oscura podría seguir siendo esquiva. Como dijo en la revista Mariangela Lisanti, física de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey Ciencia recientemente: “La hipótesis del debilucho enfrentará su verdadero ajuste de cuentas después de que se ejecuten estos detectores de próxima generación”.

El detector Lux-Zeplin
El detector Lux-Zeplin se sella antes de colocarlo bajo tierra.

Si Lux-Zeplin y XENONnT no logran encontrar Wimps, los dos equipos de científicos tendrán una última oportunidad de utilizar la tecnología actual para encontrarlos, uniendo fuerzas para crear un detector supergrande final que contendría decenas de toneladas de xenón, un gas raro y costoso de aislar, y que se haría funcionar durante varios años.

Y si ese detector de última oportunidad no logra encontrar materia oscura, los científicos se quedarían perplejos. Hacer que sus máquinas sean aún más sensibles resultaría en que se vean inundadas por señales desencadenadas por otro tipo de partícula subatómica, el neutrino, que llueve sobre la Tierra en billones cada segundo. Deberían adoptarse otros enfoques.

?Podría ser que al buscar débiles, estemos buscando nuestras llaves debajo de la farola?, agregó Ghag. ?La materia oscura podría ser mucho más extraña de lo que hemos asumido hasta ahora. Podría estar formado por pequeños agujeros negros. O podría estar hecho de algo que sea un millón de veces más liviano que un debilucho y detectarlo será muy difícil. Así que tendremos que ser mucho más sofisticados en nuestros intentos de detección “.

Tales esfuerzos para encontrar una forma de materia que apenas pueda interactuar con la materia normal pueden parecer innecesarios. Pero si no fuera por la penetrante influencia gravitacional de la materia oscura, las galaxias, las estrellas y los planetas no se habrían mantenido unidos en el universo temprano y la vida tal como la conocemos no habría evolucionado. De ahí que los científicos sigan esforzándose por descubrir su verdadera naturaleza.

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ISe siente como temporada abierta en el profesor Neil Ferguson en este momento. Secciones de los medios de comunicación y varios columnistas se deleitan en castigar al epidemiólogo, o ?Professor Lockdown?, por ser el ?fatalista en jefe?, predecir constantemente la catástrofe y luego dar marcha atrás cuando los peores números no se materializan.

Los opositores a las restricciones de Covid culpan a Ferguson y su equipo en el Imperial College de Londres por persuadir a Boris Johnson para que se deshaga de sus instintos libertarios y nos encierre. Un presentador del nuevo canal GB News describió a Ferguson como un “numpty” en el aire, y la sola mención de su nombre atrae gemidos en algunos círculos.

Pero los ataques a Ferguson a menudo revelan un malentendido fundamental del modelado científico y, de hecho, de la forma en que funciona la ciencia.

Atacar a los epidemiólogos por cambiar de opinión no es el insulto que pudiera parecer. ?Todos los modelos son incorrectos pero algunos son útiles? es un dicho favorito de los modeladores. Pero no se sigue que la suposición de un modelista no sea mejor que la de cualquier otra persona. No están sentados mirando una bola de cristal; están analizando números y utilizándolos para elaborar posibles escenarios.

Si desea comprender los impactos relativos de un bloqueo de tres semanas ahora en comparación con un bloqueo de cinco semanas en un mes, solo hay una forma de hacerlo. No puedes hacer un experimento; solo puedes modelar. Sería imprudente por parte de los responsables de la formulación de políticas tomar esa decisión sin las mejores estimaciones científicas sobre qué elección resulta en más muertes.

El mundo real, por supuesto, es mucho más complejo de lo que se puede representar en un modelo, y el mayor desafío es adivinar cómo se comportarán los humanos. El azar siempre jugará un papel clave, pero estudios como este aún pueden resaltar las amenazas y ayudar al gobierno y a los sistemas de salud a trabajar a través de posibles estrategias de mitigación de riesgos.

Los críticos del modelado a menudo comparan un gran número de un modelo con el resultado del mundo real. Declaran que los modelos son incorrectos cuando estos dos números se ven diferentes. Pero si las personas observan la gran cantidad de modelos que han informado nuestra respuesta, verían que los científicos siempre han citado una amplia gama de resultados posibles y han enfatizado la incertidumbre.

Exigir un solo mensaje de estos modelos es peligroso porque es pedir a los expertos que finjan que tenemos certeza. Incluir las incertidumbres y la gama de posibles resultados es fundamental. Si los modelos muestran un rango de entre 40 y 4.000 muertes al día, la verdad probablemente estará en algún punto intermedio, pero es mejor mostrar el rango que decir ?2.320? o solo resaltar las 4.000, que los medios tienden a hacer. Ese fue el tipo de rango de números que los miembros del Grupo Asesor Científico para Emergencias (Sage) proporcionaron en noviembre. A principios de enero de 2021, vimos casi 2,000 muertes por día, en línea con el modelo de Sage.

La pandemia de Covid nos ha enseñado a no subestimar la capacidad del público para comprender este tipo de complejidad. Spi-M, el subgrupo de modelado de Sage, tuvo su primera reunión a fines de enero de 2020. En un momento en que ni una sola persona había muerto de Covid en el Reino Unido, estos científicos tuvieron que asesorar a los responsables políticos sobre lo que podría suceder. A principios de marzo de 2020, el consenso emergente entre los científicos era que Sars-CoV-2 circulaba ampliamente en el Reino Unido, podría causar hospitalizaciones y muertes sustanciales, y en ausencia de medidas drásticas de distanciamiento social, el sistema de salud se vería abrumado rápidamente. como vimos en el norte de Italia en ese momento. Aunque desde entonces han surgido nuevos estudios y datos, este consenso no ha cambiado.

Los críticos a menudo nos recuerdan que los peores escenarios en algunos de esos primeros modelos sugerían que podría haber hasta 500.000 muertes. Pero esos números eran razonables sin vacunas ni bloqueo. Al final, afortunadamente, el número de muertes fue menor que eso, no porque los modeladores lo estuvieran engañando o porque el virus fuera menos virulento de lo que se pensaba inicialmente, sino porque el público en general aceptó la necesidad de restricciones, lo que ganó tiempo para desarrollar vacunas.

Es menos probable que estos críticos recuerden cifras como la citada por el principal asesor científico del gobierno, Sir Patrick Vallance, antes del primer cierre, lo que sugiere que podría haber 20.000 muertes. Trágicamente, resultó ser una gran subestimación.

El otro mito perpetuado por aquellos a quienes no les gusta Ferguson es que él fue el “arquitecto del encierro”. Si bien es sin duda un científico influyente y muy querido por BBC Radio 4 Hoy dia programa, la realidad de cómo la ciencia ha informado la toma de decisiones es bastante diferente. Cualquier consejo científico al gobierno, incluido el que precedió al cierre, fue el resultado de cientos de investigadores en todo el Reino Unido que trabajaron en colaboración para reevaluar constantemente los datos, refinar la metodología, desafiar los supuestos y comparar y debatir los resultados para llegar a un consenso científicamente sólido.

El punto principal de Sage y el grupo asesor de Spi-MO es que no confiamos en modelos o puntos de vista individuales, sino que desarrollamos un consenso de lo que la ciencia nos dice que puede ser útil para los responsables de la formulación de políticas.

Es correcto que se analicen los científicos y las pruebas. El esfuerzo científico se basa en probar ideas y autocorrección, y los desafíos externos mejoran la ciencia. Pero llamar a los científicos con nombres groseros y alentar al público a no confiar en los expertos que revisan sus datos y se corrigen a sí mismos es anti-ciencia y anti-intelectual.

Fiona Fox es director ejecutivo del Science Media Center

El profesor Neil Ferguson fuera del St Mary’s Hospital de Londres. Fotografía: Antonio Olmos / The Observer

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ISe siente como temporada abierta en el profesor Neil Ferguson en este momento. Secciones de los medios de comunicación y varios columnistas se deleitan en castigar al epidemiólogo, o ?Professor Lockdown?, por ser el ?fatalista en jefe?, predecir constantemente la catástrofe y luego dar marcha atrás cuando los peores números no se materializan.

Los opositores a las restricciones de Covid culpan a Ferguson y su equipo en el Imperial College de Londres por persuadir a Boris Johnson para que se deshaga de sus instintos libertarios y nos encierre. Un presentador del nuevo canal GB News describió a Ferguson como un “numpty” en el aire, y la sola mención de su nombre atrae gemidos en algunos círculos.

Pero los ataques a Ferguson a menudo revelan un malentendido fundamental del modelado científico y, de hecho, de la forma en que funciona la ciencia.

Atacar a los epidemiólogos por cambiar de opinión no es el insulto que pudiera parecer. ?Todos los modelos son incorrectos pero algunos son útiles? es un dicho favorito de los modeladores. Pero no se sigue que la suposición de un modelista no sea mejor que la de cualquier otra persona. No están sentados mirando una bola de cristal; están analizando números y utilizándolos para elaborar posibles escenarios.

Si desea comprender los impactos relativos de un bloqueo de tres semanas ahora en comparación con un bloqueo de cinco semanas en un mes, solo hay una forma de hacerlo. No puedes hacer un experimento; solo puedes modelar. Sería imprudente por parte de los responsables de la formulación de políticas tomar esa decisión sin las mejores estimaciones científicas sobre qué elección resulta en más muertes.

El mundo real, por supuesto, es mucho más complejo de lo que se puede representar en un modelo, y el mayor desafío es adivinar cómo se comportarán los humanos. El azar siempre jugará un papel clave, pero estudios como este aún pueden resaltar las amenazas y ayudar al gobierno y a los sistemas de salud a trabajar a través de posibles estrategias de mitigación de riesgos.

Los críticos del modelado a menudo comparan un gran número de un modelo con el resultado del mundo real. Declaran que los modelos son incorrectos cuando estos dos números se ven diferentes. Pero si las personas observan la gran cantidad de modelos que han informado nuestra respuesta, verían que los científicos siempre han citado una amplia gama de resultados posibles y han enfatizado la incertidumbre.

Exigir un solo mensaje de estos modelos es peligroso porque es pedir a los expertos que finjan que tenemos certeza. Incluir las incertidumbres y la gama de posibles resultados es fundamental. Si los modelos muestran un rango de entre 40 y 4.000 muertes al día, la verdad probablemente estará en algún punto intermedio, pero es mejor mostrar el rango que decir ?2.320? o solo resaltar las 4.000, que los medios tienden a hacer. Ese fue el tipo de rango de números que los miembros del Grupo Asesor Científico para Emergencias (Sage) proporcionaron en noviembre. A principios de enero de 2021, vimos casi 2,000 muertes por día, en línea con el modelo de Sage.

La pandemia de Covid nos ha enseñado a no subestimar la capacidad del público para comprender este tipo de complejidad. Spi-M, el subgrupo de modelado de Sage, tuvo su primera reunión a fines de enero de 2020. En un momento en que ni una sola persona había muerto de Covid en el Reino Unido, estos científicos tuvieron que asesorar a los responsables políticos sobre lo que podría suceder. A principios de marzo de 2020, el consenso emergente entre los científicos era que Sars-CoV-2 circulaba ampliamente en el Reino Unido, podría causar hospitalizaciones y muertes sustanciales, y en ausencia de medidas drásticas de distanciamiento social, el sistema de salud se vería abrumado rápidamente. como vimos en el norte de Italia en ese momento. Aunque desde entonces han surgido nuevos estudios y datos, este consenso no ha cambiado.

Los críticos a menudo nos recuerdan que los peores escenarios en algunos de esos primeros modelos sugerían que podría haber hasta 500.000 muertes. Pero esos números eran razonables sin vacunas ni bloqueo. Al final, afortunadamente, el número de muertes fue menor que eso, no porque los modeladores lo estuvieran engañando o porque el virus fuera menos virulento de lo que se pensaba inicialmente, sino porque el público en general aceptó la necesidad de restricciones, lo que ganó tiempo para desarrollar vacunas.

Es menos probable que estos críticos recuerden cifras como la citada por el principal asesor científico del gobierno, Sir Patrick Vallance, antes del primer cierre, lo que sugiere que podría haber 20.000 muertes. Trágicamente, resultó ser una gran subestimación.

El otro mito perpetuado por aquellos a quienes no les gusta Ferguson es que él fue el “arquitecto del encierro”. Si bien es sin duda un científico influyente y muy querido por BBC Radio 4 Hoy dia programa, la realidad de cómo la ciencia ha informado la toma de decisiones es bastante diferente. Cualquier consejo científico al gobierno, incluido el que precedió al cierre, fue el resultado de cientos de investigadores en todo el Reino Unido que trabajaron en colaboración para reevaluar constantemente los datos, refinar la metodología, desafiar los supuestos y comparar y debatir los resultados para llegar a un consenso científicamente sólido.

El punto principal de Sage y el grupo asesor de Spi-MO es que no confiamos en modelos o puntos de vista individuales, sino que desarrollamos un consenso de lo que la ciencia nos dice que puede ser útil para los responsables de la formulación de políticas.

Es correcto que se analicen los científicos y las pruebas. El esfuerzo científico se basa en probar ideas y autocorrección, y los desafíos externos mejoran la ciencia. Pero llamar a los científicos con nombres groseros y alentar al público a no confiar en los expertos que revisan sus datos y se corrigen a sí mismos es anti-ciencia y anti-intelectual.

Fiona Fox es director ejecutivo del Science Media Center

El profesor Neil Ferguson fuera del St Mary’s Hospital de Londres. Fotografía: Antonio Olmos / The Observer

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El mundo pronto enfrentará una “catástrofe” por el colapso climático si no se toman medidas urgentes, advirtió el presidente británico de las vitales conversaciones climáticas de la ONU.

Alok Sharma, el ministro del Reino Unido a cargo de las conversaciones de la Cop26 que se celebrarán en Glasgow este noviembre, dijo al Observador que las consecuencias del fracaso serían ?catastróficas?: ?No creo que haya otra palabra para eso. Estás viendo a diario lo que está sucediendo en todo el mundo. El año pasado fue el más caluroso registrado, la última década la década más calurosa registrada “.

Pero Sharma también insistió en que el Reino Unido podría continuar con proyectos de combustibles fósiles, ante las crecientes críticas a los planes para otorgar licencias para nuevos campos de petróleo y gas. Defendió el historial del gobierno sobre los planes para alcanzar cero emisiones netas para 2050, que han sido fuertemente criticados por el Comité de Cambio Climático independiente del Reino Unido, y descartó las controversias sobre su horario de viaje.

El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), la principal autoridad mundial en ciencia del clima, publicará un informe completo el lunes que muestra cuán cerca está la humanidad al borde de un desastre potencialmente irreversible causado por el clima extremo.

?Esta va a ser la advertencia más severa hasta ahora de que el comportamiento humano está acelerando de manera alarmante el calentamiento global y es por eso que Cop26 tiene que ser el momento en que lo hagamos bien. No podemos darnos el lujo de esperar dos años, cinco años, 10 años, este es el momento ?, advirtió Sharma, en su primera entrevista importante desde que se hizo cargo de las conversaciones sobre el clima.

?No creo que estemos fuera de tiempo, pero creo que nos estamos acercando peligrosamente al momento en que podríamos estar fuera de tiempo. Veremos [from the IPCC] una advertencia muy, muy clara de que, a menos que actuemos ahora, lamentablemente estaremos fuera de tiempo “.

Un puente ferroviario cerca de Dernau en Alemania destruido por las inundaciones este mes. Fotografía: Action Press / Rex / Shutterstock

Las consecuencias del calentamiento global ya eran evidentes, dijo. ?Estamos viendo los impactos en todo el mundo, en el Reino Unido o las terribles inundaciones que hemos visto en Europa y China, o incendios forestales, las temperaturas récord que hemos visto en América del Norte. Todos los días verás que se registra un nuevo subidón de una forma u otra en todo el mundo “.

No se trataba de ciencia abstracta, sino de la vida de las personas, agregó. ?En última instancia, esto se reduce al impacto humano muy real que está teniendo en todo el mundo. He visitado comunidades que, como resultado del cambio climático, literalmente han tenido que huir de sus hogares y mudarse debido a una combinación de sequía e inundaciones ?.

Sharma habló exclusivamente con el Observador en vísperas del informe del IPCC para instar a los gobiernos, las empresas y las personas de todo el mundo a prestar atención y presionar para que se tomen medidas más firmes sobre las emisiones de gases de efecto invernadero en la conferencia Cop26, que dijo que sería casi la última oportunidad.

“Esta [IPCC report] va a ser una llamada de atención para cualquiera que aún no haya entendido por qué esta próxima década tiene que ser absolutamente decisiva en términos de acción climática. También obtendremos una comprensión bastante clara de que la actividad humana está impulsando el cambio climático a un ritmo alarmante ?, dijo.

El desastre aún no era inevitable, y las acciones ahora podrían salvar vidas en el futuro, agregó: ?Cada fracción de grado aumenta [in temperature] marca la diferencia y es por eso que los países tienen que actuar ahora “.

Como presidente de Cop26, Sharma enfrenta una tarea formidable: los planes nacionales actuales de muchos países para reducir las emisiones son inadecuados y llevarían al mundo mucho más allá de los 1,5 ° C de calentamiento que advierte el IPCC es el umbral de seguridad. Debe persuadir a países como China, India, Rusia, Australia y Brasil para que presenten compromisos y políticas creíbles para reducir las emisiones, así como para extraer promesas de efectivo de los EE. UU., La UE y otras naciones ricas para cumplir con un compromiso no cumplido de larga data de 100.000 millones de libras esterlinas al año en financiación climática para el mundo en desarrollo.

Los activistas ecológicos han advertido que el Reino Unido está perdiendo credibilidad en el escenario mundial en un momento vital. Los ministros enfrentan un desafío legal por su apoyo al nuevo campo petrolífero de Cambo, mientras que otras nuevas licencias de exploración del Mar del Norte se abrieron a principios de este año y no se ha descartado una posible nueva mina de carbón en Cumbria.

El campo Bozhong 13-2 en el mar de Bohai, donde China está abriendo un nuevo campo de petróleo y gas.
El campo Bozhong 13-2 en el mar de Bohai, donde China está abriendo un nuevo campo de petróleo y gas. Fotografía: Xinhua / Rex / Shutterstock

Estas decisiones se toman a pesar de una advertencia de la Agencia Internacional de Energía, el organismo de control mundial de la energía, en mayo de que toda la exploración y el desarrollo de nuevos combustibles fósiles en todo el mundo deben cesar este año para tener la posibilidad de limitar el calentamiento a 1,5 ° C.

“Futuro [fossil fuel] las licencias tendrán que cumplir con el hecho de que nos hemos comprometido a llegar a cero neto para 2050 en la legislación ?, dijo Sharma. “Habrá una verificación climática en todas las licencias”.

Rachel Kennerley, activista climática de Friends of the Earth, respondió: ?Este es un enfoque categóricamente equivocado, que lleva las cosas al cable innecesariamente [in reaching net zero emissions by 2050]. Cada año, cada mes, cada día que retrasamos hace que la crisis climática sea más peligrosa y costosa de resolver. Cuánto mejor si el ministro convenciera a todos de los méritos de invertir en cambio en empleos no contaminantes con un futuro a largo plazo ?.

Sharma también ha enfrentado críticas en los últimos días por su viaje aéreo a países de la lista roja, visitando al menos 30 países en los últimos siete meses sin cuarentena a su regreso. Estaba exento de los requisitos de aislamiento, al igual que otros muchos trabajadores bajo las reglas del gobierno. Ver a los ministros de otros países en persona había sido esencial, dijo, para generar confianza y llegar a acuerdos antes de la Cop26, cuando enfrentará la tarea de unir a 197 países en un consenso para mantener la meta de 1.5C, y cada uno debe establecer elabore planes detallados para hacerlo.

Sharma dijo que estaba “tirando por el fregadero de la cocina” en sus esfuerzos por llegar a un acuerdo. ?Cada semana tengo una gran cantidad de reuniones virtuales, pero puedo decirles que tener reuniones en persona con ministros individuales es increíblemente vital y realmente impactante?, dijo. ?Hace una diferencia vital construir esas relaciones personales que serán increíblemente importantes a medida que buscamos construir consenso?.

Boris Johnson, el primer ministro, también estaba profundamente comprometido, insistió Sharma, a pesar de las burlas del líder laborista Keir Starmer la semana pasada de que Johnson estaba “desaparecido en acción”, sin haber hecho ninguna intervención importante todavía en Cop26, y estaba ofreciendo “un cabaret de fragmentos de sonido”. ?En lugar de políticas. “El primer ministro está en primera línea, tengo un diálogo regular con él”, dijo Sharma. “Habla regularmente con los líderes mundiales, defendiendo más acciones climáticas”.

Varios conservadores prominentes también han atacado la postura ecológica del gobierno en las últimas semanas, rechazando medidas para prohibir las calderas de gas y quejándose del aumento de los precios de la energía. Sharma utilizó su primera entrevista importante mientras el reloj avanza hacia la Cop26 para pintar una imagen de un mundo más saludable al alcance de la mano, si las empresas y los inversores pudieran estar convencidos de aprovechar las oportunidades. “Si hacemos esto bien, podemos tener un planeta más saludable, un planeta más limpio y podemos tener un crecimiento económico con empleos de alto valor agregado”.

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El mundo pronto enfrentará una “catástrofe” por el colapso climático si no se toman medidas urgentes, advirtió el presidente británico de las vitales conversaciones climáticas de la ONU.

Alok Sharma, el ministro del Reino Unido a cargo de las conversaciones de la Cop26 que se celebrarán en Glasgow este noviembre, dijo al Observador que las consecuencias del fracaso serían ?catastróficas?: ?No creo que haya otra palabra para eso. Estás viendo a diario lo que está sucediendo en todo el mundo. El año pasado fue el más caluroso registrado, la última década la década más calurosa registrada “.

Pero Sharma también insistió en que el Reino Unido podría continuar con proyectos de combustibles fósiles, ante las crecientes críticas a los planes para otorgar licencias para nuevos campos de petróleo y gas. Defendió el historial del gobierno sobre los planes para alcanzar cero emisiones netas para 2050, que han sido fuertemente criticados por el Comité de Cambio Climático independiente del Reino Unido, y descartó las controversias sobre su horario de viaje.

El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), la principal autoridad mundial en ciencia del clima, publicará un informe completo el lunes que muestra cuán cerca está la humanidad al borde de un desastre potencialmente irreversible causado por el clima extremo.

?Esta va a ser la advertencia más severa hasta ahora de que el comportamiento humano está acelerando de manera alarmante el calentamiento global y es por eso que Cop26 tiene que ser el momento en que lo hagamos bien. No podemos darnos el lujo de esperar dos años, cinco años, 10 años, este es el momento ?, advirtió Sharma, en su primera entrevista importante desde que se hizo cargo de las conversaciones sobre el clima.

?No creo que estemos fuera de tiempo, pero creo que nos estamos acercando peligrosamente al momento en que podríamos estar fuera de tiempo. Veremos [from the IPCC] una advertencia muy, muy clara de que, a menos que actuemos ahora, lamentablemente estaremos fuera de tiempo “.

Un puente ferroviario cerca de Dernau en Alemania destruido por las inundaciones este mes. Fotografía: Action Press / Rex / Shutterstock

Las consecuencias del calentamiento global ya eran evidentes, dijo. ?Estamos viendo los impactos en todo el mundo, en el Reino Unido o las terribles inundaciones que hemos visto en Europa y China, o incendios forestales, las temperaturas récord que hemos visto en América del Norte. Todos los días verás que se registra un nuevo subidón de una forma u otra en todo el mundo “.

No se trataba de ciencia abstracta, sino de la vida de las personas, agregó. ?En última instancia, esto se reduce al impacto humano muy real que está teniendo en todo el mundo. He visitado comunidades que, como resultado del cambio climático, literalmente han tenido que huir de sus hogares y mudarse debido a una combinación de sequía e inundaciones ?.

Sharma habló exclusivamente con el Observador en vísperas del informe del IPCC para instar a los gobiernos, las empresas y las personas de todo el mundo a prestar atención y presionar para que se tomen medidas más firmes sobre las emisiones de gases de efecto invernadero en la conferencia Cop26, que dijo que sería casi la última oportunidad.

“Esta [IPCC report] va a ser una llamada de atención para cualquiera que aún no haya entendido por qué esta próxima década tiene que ser absolutamente decisiva en términos de acción climática. También obtendremos una comprensión bastante clara de que la actividad humana está impulsando el cambio climático a un ritmo alarmante ?, dijo.

El desastre aún no era inevitable, y las acciones ahora podrían salvar vidas en el futuro, agregó: ?Cada fracción de grado aumenta [in temperature] marca la diferencia y es por eso que los países tienen que actuar ahora “.

Como presidente de Cop26, Sharma enfrenta una tarea formidable: los planes nacionales actuales de muchos países para reducir las emisiones son inadecuados y llevarían al mundo mucho más allá de los 1,5 ° C de calentamiento que advierte el IPCC es el umbral de seguridad. Debe persuadir a países como China, India, Rusia, Australia y Brasil para que presenten compromisos y políticas creíbles para reducir las emisiones, así como para extraer promesas de efectivo de los EE. UU., La UE y otras naciones ricas para cumplir con un compromiso no cumplido de larga data de 100.000 millones de libras esterlinas al año en financiación climática para el mundo en desarrollo.

Los activistas ecológicos han advertido que el Reino Unido está perdiendo credibilidad en el escenario mundial en un momento vital. Los ministros enfrentan un desafío legal por su apoyo al nuevo campo petrolífero de Cambo, mientras que otras nuevas licencias de exploración del Mar del Norte se abrieron a principios de este año y no se ha descartado una posible nueva mina de carbón en Cumbria.

El campo Bozhong 13-2 en el mar de Bohai, donde China está abriendo un nuevo campo de petróleo y gas.
El campo Bozhong 13-2 en el mar de Bohai, donde China está abriendo un nuevo campo de petróleo y gas. Fotografía: Xinhua / Rex / Shutterstock

Estas decisiones se toman a pesar de una advertencia de la Agencia Internacional de Energía, el organismo de control mundial de la energía, en mayo de que toda la exploración y el desarrollo de nuevos combustibles fósiles en todo el mundo deben cesar este año para tener la posibilidad de limitar el calentamiento a 1,5 ° C.

“Futuro [fossil fuel] las licencias tendrán que cumplir con el hecho de que nos hemos comprometido a llegar a cero neto para 2050 en la legislación ?, dijo Sharma. “Habrá una verificación climática en todas las licencias”.

Rachel Kennerley, activista climática de Friends of the Earth, respondió: ?Este es un enfoque categóricamente equivocado, que lleva las cosas al cable innecesariamente [in reaching net zero emissions by 2050]. Cada año, cada mes, cada día que retrasamos hace que la crisis climática sea más peligrosa y costosa de resolver. Cuánto mejor si el ministro convenciera a todos de los méritos de invertir en cambio en empleos no contaminantes con un futuro a largo plazo ?.

Sharma también ha enfrentado críticas en los últimos días por su viaje aéreo a países de la lista roja, visitando al menos 30 países en los últimos siete meses sin cuarentena a su regreso. Estaba exento de los requisitos de aislamiento, al igual que otros muchos trabajadores bajo las reglas del gobierno. Ver a los ministros de otros países en persona había sido esencial, dijo, para generar confianza y llegar a acuerdos antes de la Cop26, cuando enfrentará la tarea de unir a 197 países en un consenso para mantener la meta de 1.5C, y cada uno debe establecer elabore planes detallados para hacerlo.

Sharma dijo que estaba “tirando por el fregadero de la cocina” en sus esfuerzos por llegar a un acuerdo. ?Cada semana tengo una gran cantidad de reuniones virtuales, pero puedo decirles que tener reuniones en persona con ministros individuales es increíblemente vital y realmente impactante?, dijo. ?Hace una diferencia vital construir esas relaciones personales que serán increíblemente importantes a medida que buscamos construir consenso?.

Boris Johnson, el primer ministro, también estaba profundamente comprometido, insistió Sharma, a pesar de las burlas del líder laborista Keir Starmer la semana pasada de que Johnson estaba “desaparecido en acción”, sin haber hecho ninguna intervención importante todavía en Cop26, y estaba ofreciendo “un cabaret de fragmentos de sonido”. ?En lugar de políticas. “El primer ministro está en primera línea, tengo un diálogo regular con él”, dijo Sharma. “Habla regularmente con los líderes mundiales, defendiendo más acciones climáticas”.

Varios conservadores prominentes también han atacado la postura ecológica del gobierno en las últimas semanas, rechazando medidas para prohibir las calderas de gas y quejándose del aumento de los precios de la energía. Sharma utilizó su primera entrevista importante mientras el reloj avanza hacia la Cop26 para pintar una imagen de un mundo más saludable al alcance de la mano, si las empresas y los inversores pudieran estar convencidos de aprovechar las oportunidades. “Si hacemos esto bien, podemos tener un planeta más saludable, un planeta más limpio y podemos tener un crecimiento económico con empleos de alto valor agregado”.

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El estado australiano de Victoria ha entrado en su sexto bloqueo para unirse a los otros dos estados más grandes del país bajo diversos grados de restricciones de coronavirus a medida que la variante Delta continúa extendiéndose.

Se han aplicado bloqueos en toda la costa este, incluidas las tres ciudades más grandes de Australia, Sydney, Melbourne y Brisbane, lo que pone a más del 60% de los 25 millones de habitantes del país bajo estrictas órdenes de quedarse en casa.

Victoria, que soportó uno de los bloqueos más largos del mundo en 2020, comenzó un bloqueo repentino de siete días el jueves en respuesta a un brote de nuevas infecciones no vinculadas.

La última ronda de restricciones incluye reglas que se han vuelto aburridas para los victorianos, que incluyen que solo se les permita salir de casa por cinco razones, un límite de viaje de 5 km para hacer ejercicio y compras, y máscaras obligatorias en interiores y exteriores, y solo 10 días después de la última. terminó el mini-bloqueo.

Horas antes de que las restricciones entraran en vigor el jueves por la noche, cientos de personas salieron a las calles de la capital del estado, Melbourne, para protestar, gritando ?no más cierres? y portando pancartas. La policía dijo que 15 personas fueron arrestadas.

El estado más poblado del país, Nueva Gales del Sur, que ya está bloqueado hasta al menos finales de agosto, informó el viernes de otro número récord de nuevos casos con un total de 291. Al menos 50 de ellos fueron infecciosos mientras estaban en la comunidad. un número que la primera ministra del estado, Gladys Berejiklian, dice que debe reducirse a cero antes de que el estado pueda salir del bloqueo. También se informó de una muerte, una mujer de unos 60 años que no había sido vacunada.

Una multitud de manifestantes antibloqueo durante una protesta instantánea en Melbourne. Fotografía: Michael Currie / Speed ??Media / Rex / Shutterstock

Sydney, hogar de alrededor de 5 millones de personas, es el área más afectada, con muchas áreas del gobierno local bajo estrictas órdenes de quedarse en casa monitoreadas por la policía y las tropas.

Los residentes de Newcastle, la segunda ciudad más grande de Nueva Gales del Sur, también estuvieron bajo un bloqueo de una semana desde el jueves después de que los nuevos casos probablemente estuvieran relacionados con una fiesta en la playa visitada por algunos residentes infecciosos de Sydney.

Aunque el estado se encuentra en su séptima semana de bloqueo, la cantidad de casos diarios y muertes relacionadas con el brote actual de Delta continúa aumentando.

Hablando en su conferencia de prensa diaria el viernes, Berejiklian, líder del gobierno de coalición Nacional Liberal de centroderecha del estado, dijo que la situación empeorará antes de mejorar y que la gente debería estar preparada para ver cifras más altas en los próximos días.

?Dado este alto número de casos, es probable que veamos que esta tendencia continúe durante los próximos días?, dijo. “Espero un mayor número de casos en los próximos días y quiero que la gente esté preparada para eso”.

El otro estado de la costa este, Queensland, ha estado cerrado desde el sábado pasado. Pero hay esperanzas de que las restricciones allí se levanten como estaba planeado el domingo, después de que solo se reportaron 10 nuevos casos del virus el viernes.

El rápido brote de Delta, que entró a través de un lapso de cuarentena en Nueva Gales del Sur, está poniendo a prueba el manejo en gran medida exitoso de Australia de la crisis del coronavirus que ha mantenido su exposición relativamente baja con poco más de 35,350 casos y 932 muertes.

Pero un lento lanzamiento de la vacuna, denominado el “paseo”, que ha sido responsabilidad del gobierno federal, ha dejado al país expuesto a la cepa Delta. Solo alrededor del 21% de las personas mayores de 16 años se han vacunado por completo, lo que deja a Australia en el puesto 36 de los 38 países de la OCDE.

El primer ministro, Scott Morrison, ha sido severamente criticado por las deficiencias. Él ha culpado del retraso al cambio de consejos médicos sobre las vacunas AstraZeneca producidas localmente por preocupaciones de coágulos de sangre raros y limitaciones de suministro sobre las inyecciones de Pfizer.

El gobierno fue atacado nuevamente el viernes después de que se supo que había endurecido las reglas de viaje para que los ciudadanos que normalmente residen en otro país no puedan salir de Australia si regresan a casa para una visita.

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El estado australiano de Victoria ha entrado en su sexto bloqueo para unirse a los otros dos estados más grandes del país bajo diversos grados de restricciones de coronavirus a medida que la variante Delta continúa extendiéndose.

Se han aplicado bloqueos en toda la costa este, incluidas las tres ciudades más grandes de Australia, Sydney, Melbourne y Brisbane, lo que pone a más del 60% de los 25 millones de habitantes del país bajo estrictas órdenes de quedarse en casa.

Victoria, que soportó uno de los bloqueos más largos del mundo en 2020, comenzó un bloqueo repentino de siete días el jueves en respuesta a un brote de nuevas infecciones no vinculadas.

La última ronda de restricciones incluye reglas que se han vuelto aburridas para los victorianos, que incluyen que solo se les permita salir de casa por cinco razones, un límite de viaje de 5 km para hacer ejercicio y compras, y máscaras obligatorias en interiores y exteriores, y solo 10 días después de la última. terminó el mini-bloqueo.

Horas antes de que las restricciones entraran en vigor el jueves por la noche, cientos de personas salieron a las calles de la capital del estado, Melbourne, para protestar, gritando ?no más cierres? y portando pancartas. La policía dijo que 15 personas fueron arrestadas.

El estado más poblado del país, Nueva Gales del Sur, que ya está bloqueado hasta al menos finales de agosto, informó el viernes de otro número récord de nuevos casos con un total de 291. Al menos 50 de ellos fueron infecciosos mientras estaban en la comunidad. un número que la primera ministra del estado, Gladys Berejiklian, dice que debe reducirse a cero antes de que el estado pueda salir del bloqueo. También se informó de una muerte, una mujer de unos 60 años que no había sido vacunada.

Una multitud de manifestantes antibloqueo durante una protesta instantánea en Melbourne. Fotografía: Michael Currie / Speed ??Media / Rex / Shutterstock

Sydney, hogar de alrededor de 5 millones de personas, es el área más afectada, con muchas áreas del gobierno local bajo estrictas órdenes de quedarse en casa monitoreadas por la policía y las tropas.

Los residentes de Newcastle, la segunda ciudad más grande de Nueva Gales del Sur, también estuvieron bajo un bloqueo de una semana desde el jueves después de que los nuevos casos probablemente estuvieran relacionados con una fiesta en la playa visitada por algunos residentes infecciosos de Sydney.

Aunque el estado se encuentra en su séptima semana de bloqueo, la cantidad de casos diarios y muertes relacionadas con el brote actual de Delta continúa aumentando.

Hablando en su conferencia de prensa diaria el viernes, Berejiklian, líder del gobierno de coalición Nacional Liberal de centroderecha del estado, dijo que la situación empeorará antes de mejorar y que la gente debería estar preparada para ver cifras más altas en los próximos días.

?Dado este alto número de casos, es probable que veamos que esta tendencia continúe durante los próximos días?, dijo. “Espero un mayor número de casos en los próximos días y quiero que la gente esté preparada para eso”.

El otro estado de la costa este, Queensland, ha estado cerrado desde el sábado pasado. Pero hay esperanzas de que las restricciones allí se levanten como estaba planeado el domingo, después de que solo se reportaron 10 nuevos casos del virus el viernes.

El rápido brote de Delta, que entró a través de un lapso de cuarentena en Nueva Gales del Sur, está poniendo a prueba el manejo en gran medida exitoso de Australia de la crisis del coronavirus que ha mantenido su exposición relativamente baja con poco más de 35,350 casos y 932 muertes.

Pero un lento lanzamiento de la vacuna, denominado el “paseo”, que ha sido responsabilidad del gobierno federal, ha dejado al país expuesto a la cepa Delta. Solo alrededor del 21% de las personas mayores de 16 años se han vacunado por completo, lo que deja a Australia en el puesto 36 de los 38 países de la OCDE.

El primer ministro, Scott Morrison, ha sido severamente criticado por las deficiencias. Él ha culpado del retraso al cambio de consejos médicos sobre las vacunas AstraZeneca producidas localmente por preocupaciones de coágulos de sangre raros y limitaciones de suministro sobre las inyecciones de Pfizer.

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FOTO: FRANCOIS MORI / AP / SHUTTERSTOCK

Cuando las Naciones Unidas publicaron su Evaluación mundial de los océanos en 2015, estaba claro que los océanos estaban gravemente degradados, y se proyectaba un aumento de los factores de estrés en estos entornos. La Evaluación 2021, publicada en abril, muestra que han disminuido aún más, acercándonos cada vez más a perder la estructura, función y beneficios de los sistemas marinos de la Tierra. Una forma de avanzar podría ser centrarse en los ecosistemas de “carbono azul” y los incentivos que ofrecen a través de créditos de carbono vinculados a la disminución de las emisiones de carbono.

Los ecosistemas de carbono azul incluyen praderas de pastos marinos, marismas y manglares, todos los cuales se encuentran entre los absorbedores y almacenadores de carbono a largo plazo más eficientes de la Tierra. Esta capacidad de almacenamiento de carbono también los convierte en fuentes de CO2 emisiones cuando se degradan o destruyen.

Como afirma el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente en su informe de abril de 2021 Hacer las paces con la naturaleza, “La restauración de ecosistemas puede mitigar simultáneamente el cambio climático, ralentizar y revertir el declive de la biodiversidad y aumentar los beneficios que las personas obtienen de la naturaleza”. La restauración de los ecosistemas de carbono azul podría eliminar aproximadamente el 0,5% de las emisiones globales actuales, con beneficios colaterales para los ecosistemas y los medios de vida locales. Estos incluyen una mejor calidad del agua; aumento de la biodiversidad marina y terrestre; preservación de los medios de vida, las prácticas culturales y los valores de las comunidades locales y tradicionales; y la protección de las costas y su resiliencia frente al cambio climático. Eso es un gran retorno de la inversión.

Podemos empezar por asegurarnos de que los ecosistemas de carbono azul ya identificados para su protección obtengan el apoyo que necesitan. Por ejemplo, los 50 sitios del Patrimonio Mundial marino de la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) representan solo el 1% de los océanos del mundo, pero albergan el 21% de los ecosistemas de carbono azul del mundo y el 15% del carbono azul almacenado en el mundo, en partes iguales. al 10% de las emisiones globales anuales de gases de efecto invernadero. La protección de esos ecosistemas de carbono azul mantendrá miles de millones de CO adicionales2 emisiones de entrar a la atmósfera. Sus reservas de carbono están nominalmente protegidas de la degradación por el compromiso legal de más de 190 países signatarios de la Convención del Patrimonio Mundial de la UNESCO de 1972. Pero la gestión local de estos sitios a menudo carece de fondos y personal, y los sitios enfrentan una variedad de amenazas de contaminación, desarrollo costero y cambio climático. Para el 79% de los ecosistemas de carbono azul fuera de la protección de la UNESCO, que albergan el 85% restante del carbono almacenado en el océano, las áreas marinas protegidas (AMP) pueden beneficiar la mitigación del clima al mantener miles de millones de CO adicionales2 emisiones de entrar a la atmósfera. Al mismo tiempo, también se ha demostrado que las AMP protegen la biodiversidad y aumentan los rendimientos pesqueros.

¿De dónde vendrán los fondos para apoyar la conservación? En parte, mediante el uso de créditos de carbono azul. Los ecosistemas de carbono azul pueden ayudar a las naciones a evitar la liberación de CO adicional2 y otros gases de efecto invernadero. El creciente mercado de créditos de carbono azul permite a las organizaciones y países que conservan y restauran los ecosistemas de carbono azul reclamar o vender créditos en los mercados mundiales de créditos de carbono. Por ejemplo, un país que protege las praderas de pastos marinos y, por lo tanto, reduce el riesgo de futuras emisiones de carbono, puede recibir créditos de carbono que financian su protección futura. También se pueden reclamar créditos de carbono para áreas dañadas por eventos naturales. Dondequiera que los hábitats de carbono azul hayan sufrido pérdidas, los créditos de carbono azul pueden ayudar a respaldar su restauración.

Hasta ahora, pocos países han incorporado estrategias de carbono azul en sus políticas de mitigación del cambio climático. La Iniciativa de Carbono Azul, creada por la Comisión Oceanográfica Intergubernamental de la UNESCO, la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza y Conservación Internacional, alienta a más países a desarrollar métodos integrales para evaluar las reservas y las emisiones de carbono azul.

Pero el impulso se está acumulando. Una de las restauraciones de pastos marinos más grandes hasta la fecha, en los Estados Unidos, ha solicitado la certificación de crédito de carbono azul. En el otro lado del mundo, las restauraciones de manglares de Tahiry Honko de Madagascar y Mikoko Pamoja de Kenia serán las primeras AMP financiadas con créditos de carbono azul. En Tahiry Honko, los ingresos generados a través de los créditos de carbono cubrirán los costos recurrentes del parque asociados con la protección de los manglares y respaldarán los proyectos de educación e infraestructura para la comunidad local.

A medida que el mundo apunta a la neutralidad de carbono en las próximas décadas, podemos tomar medidas hoy para ayudar a frenar el cambio climático. El retorno de la inversión en ecosistemas de carbono azul es claro, significativo e inmediato. No podemos permitirnos el lujo de esperar.

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Los ecosistemas de carbono azul incluyen praderas de pastos marinos, marismas y manglares, todos los cuales se encuentran entre los absorbedores y almacenadores de carbono a largo plazo más eficientes de la Tierra. Esta capacidad de almacenamiento de carbono también los convierte en fuentes de CO2 emisiones cuando se degradan o destruyen.

Como afirma el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente en su informe de abril de 2021 Hacer las paces con la naturaleza, “La restauración de ecosistemas puede mitigar simultáneamente el cambio climático, ralentizar y revertir el declive de la biodiversidad y aumentar los beneficios que las personas obtienen de la naturaleza”. La restauración de los ecosistemas de carbono azul podría eliminar aproximadamente el 0,5% de las emisiones globales actuales, con beneficios colaterales para los ecosistemas y los medios de vida locales. Estos incluyen una mejor calidad del agua; aumento de la biodiversidad marina y terrestre; preservación de los medios de vida, las prácticas culturales y los valores de las comunidades locales y tradicionales; y la protección de las costas y su resiliencia frente al cambio climático. Eso es un gran retorno de la inversión.

Podemos empezar por asegurarnos de que los ecosistemas de carbono azul ya identificados para su protección obtengan el apoyo que necesitan. Por ejemplo, los 50 sitios del Patrimonio Mundial marino de la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) representan solo el 1% de los océanos del mundo, pero albergan el 21% de los ecosistemas de carbono azul del mundo y el 15% del carbono azul almacenado en el mundo, en partes iguales. al 10% de las emisiones globales anuales de gases de efecto invernadero. La protección de esos ecosistemas de carbono azul mantendrá miles de millones de CO adicionales2 emisiones de entrar a la atmósfera. Sus reservas de carbono están nominalmente protegidas de la degradación por el compromiso legal de más de 190 países signatarios de la Convención del Patrimonio Mundial de la UNESCO de 1972. Pero la gestión local de estos sitios a menudo carece de fondos y personal, y los sitios enfrentan una variedad de amenazas de contaminación, desarrollo costero y cambio climático. Para el 79% de los ecosistemas de carbono azul fuera de la protección de la UNESCO, que albergan el 85% restante del carbono almacenado en el océano, las áreas marinas protegidas (AMP) pueden beneficiar la mitigación del clima al mantener miles de millones de CO adicionales2 emisiones de entrar a la atmósfera. Al mismo tiempo, también se ha demostrado que las AMP protegen la biodiversidad y aumentan los rendimientos pesqueros.

¿De dónde vendrán los fondos para apoyar la conservación? En parte, mediante el uso de créditos de carbono azul. Los ecosistemas de carbono azul pueden ayudar a las naciones a evitar la liberación de CO adicional2 y otros gases de efecto invernadero. El creciente mercado de créditos de carbono azul permite a las organizaciones y países que conservan y restauran los ecosistemas de carbono azul reclamar o vender créditos en los mercados mundiales de créditos de carbono. Por ejemplo, un país que protege las praderas de pastos marinos y, por lo tanto, reduce el riesgo de futuras emisiones de carbono, puede recibir créditos de carbono que financian su protección futura. También se pueden reclamar créditos de carbono para áreas dañadas por eventos naturales. Dondequiera que los hábitats de carbono azul hayan sufrido pérdidas, los créditos de carbono azul pueden ayudar a respaldar su restauración.

Hasta ahora, pocos países han incorporado estrategias de carbono azul en sus políticas de mitigación del cambio climático. La Iniciativa de Carbono Azul, creada por la Comisión Oceanográfica Intergubernamental de la UNESCO, la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza y Conservación Internacional, alienta a más países a desarrollar métodos integrales para evaluar las reservas y las emisiones de carbono azul.

Pero el impulso se está acumulando. Una de las restauraciones de pastos marinos más grandes hasta la fecha, en los Estados Unidos, ha solicitado la certificación de crédito de carbono azul. En el otro lado del mundo, las restauraciones de manglares de Tahiry Honko de Madagascar y Mikoko Pamoja de Kenia serán las primeras AMP financiadas con créditos de carbono azul. En Tahiry Honko, los ingresos generados a través de los créditos de carbono cubrirán los costos recurrentes del parque asociados con la protección de los manglares y respaldarán los proyectos de educación e infraestructura para la comunidad local.

A medida que el mundo apunta a la neutralidad de carbono en las próximas décadas, podemos tomar medidas hoy para ayudar a frenar el cambio climático. El retorno de la inversión en ecosistemas de carbono azul es claro, significativo e inmediato. No podemos permitirnos el lujo de esperar.

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Avances en puntos cuánticos coloidales

El confinamiento que se encuentra en los puntos cuánticos de semiconductores coloidales permite el diseño de materiales con propiedades ajustables. García de Arquer et al. revisar los avances recientes en los métodos de síntesis y funcionalización de superficies de puntos cuánticos que permiten un ajuste fino de sus propiedades ópticas, químicas y eléctricas. Estos importantes desarrollos han impulsado la comercialización de aplicaciones de visualización e iluminación y brindan desarrollos prometedores en los campos relacionados de la detección y el láser.

Ciencia, aaz8541, este número p. eaaz8541

Resumen estructurado

ANTECEDENTES

Los materiales semiconductores presentan propiedades ópticas y electrónicas que se pueden diseñar a través de su composición y estructura cristalina. El uso de semiconductores como el arseniuro de galio y silicio generó tecnologías desde computadoras y teléfonos móviles hasta láseres y satélites. Los puntos cuánticos semiconductores (QD) ofrecen una palanca adicional: debido a que su tamaño se reduce a la escala nanométrica en las tres dimensiones, el movimiento de electrones restringido conduce a una estructura electrónica discreta similar a un átomo y niveles de energía dependientes del tamaño. Esto permite el diseño de nanomateriales con absorción de luz ampliamente sintonizable, emisión brillante de colores puros, control sobre el transporte electrónico y una amplia sintonía de funciones químicas y físicas debido a su gran relación superficie-volumen.

AVANCES

La emisión de luz brillante y de banda estrecha de los semiconductores QD, sintonizable en el espectro visible e infrarrojo cercano, es atractiva para realizar pantallas más eficientes con colores más puros. Los QD están diseñados de forma composicional y estructural para manipular los estados de energía y las interacciones de carga, lo que genera ganancia óptica y láser, relevantes para la emisión de luz a través de longitudes de onda visibles e infrarrojas y comunicación de fibra óptica. Su química de superficie sintonizable permite la aplicación como etiquetas ópticas en bioimágenes, lo que es posible mediante la unión de QD con proteínas y anticuerpos. La manipulación de superficies QD con moléculas de remate que tienen diferentes funciones químicas y físicas se puede adaptar para programar su ensamblaje en sólidos semiconductores, aumentando la conductividad y permitiendo la transducción de estímulos fotónicos y químicos en señales eléctricas. Los dispositivos optoelectrónicos como transistores y fotodetectores conducen a cámaras sensibles a la luz visible e infrarroja. Los QD altamente cristalinos se pueden cultivar epitaxialmente en sustratos elegidos con criterio mediante el uso de condiciones de vacío y alta temperatura, y su uso ha llevado a láseres de alto rendimiento comercialmente viables. El advenimiento de los QD coloidales, que se pueden fabricar y procesar en solución en condiciones suaves, permitió la fabricación en grandes áreas y amplió el alcance de la aplicación QD a mercados como la electrónica de consumo y la energía fotovoltaica.

PANORAMA

Desde una perspectiva química, se necesitan más avances en la fabricación de QD para mantener y mejorar las propiedades químicas y optoelectrónicas deseadas y hacerlo con una alta reproducibilidad. Esto implica el uso de precursores y métodos de síntesis económicos que son capaces de conservar las propiedades QD a escala de laboratorio en volúmenes relevantes para el mercado. Se necesita una mejor comprensión de la imagen aún incompleta de las superficies QD, la disposición atómica y el carácter metaestable para impulsar un mayor progreso. Desde una perspectiva regulatoria, se necesita mayor atención para lograr materiales de alta calidad que no dependan de metales pesados ??como Cd, Pb y Hg. El papel de la nanoestructuración en el análisis de la toxicidad y el ciclo de vida de cada aplicación es cada vez más importante. Desde la perspectiva de los materiales y la fotofísica, siguen existiendo oportunidades interesantes en la comprensión y el aprovechamiento de los electrones en materiales altamente confinados, cerrando la brecha entre las QD epitaxiales maduras y las QD coloidales todavía emergentes. La calidad todavía imperfecta de estos últimos, un precio que se paga hoy a cambio de su facilidad de fabricación, sigue siendo un desafío central y debe abordarse para lograr un mayor rendimiento en los dispositivos. Desde la perspectiva del dispositivo, la fabricación QD coloidal debe avanzar para traducirse de aplicaciones a escala de laboratorio a aplicaciones de gran superficie, como la impresión de rollo a rollo y de inyección de tinta. La fotocatálisis, en la que se utiliza la luz para impulsar transformaciones químicas, es un campo emergente en el que las QD son de interés. Las tecnologías de la información cuántica, que se basan en la transducción de luz y electrones coherentes, plantean nuevos desafíos y oportunidades para aprovechar los efectos del confinamiento cuántico. En el futuro, las oportunidades permanecen en el diseño de nuevas arquitecturas de dispositivos habilitadas para QD.

Tecnologías de puntos cuánticos de semiconductores.

Los puntos cuánticos presentan propiedades ópticas, eléctricas, químicas y físicas ampliamente sintonizables y distintivas. Abarcan recolección de energía, iluminación, pantallas, cámaras, sensores, tecnología de la información y las comunicaciones, biología y medicina, entre otros. Estos se han explotado para realizar láseres, pantallas, biotags y dispositivos de captación solar eficientes disponibles en el mercado y están surgiendo en la información fotovoltaica, de detección y cuántica.

Abstracto

En nanoestructuras de semiconductores confinados cuánticamente, los electrones exhiben un comportamiento distintivo en comparación con el de los sólidos a granel. Esto permite el diseño de materiales con propiedades químicas, físicas, eléctricas y ópticas ajustables. Los puntos cuánticos (QD) semiconductores de dimensión cero ofrecen una fuerte absorción de luz y una emisión de banda estrecha brillante en las longitudes de onda visible e infrarroja y han sido diseñados para exhibir ganancia óptica y láser. Estas propiedades son de interés para la obtención de imágenes, la recolección de energía solar, las pantallas y las comunicaciones. Aquí, ofrecemos una descripción general de los avances en la síntesis y comprensión de nanomateriales QD, con un enfoque en QD coloidales, y discutimos sus perspectivas en tecnologías como pantallas e iluminación, láseres, sensores, electrónica, conversión de energía solar, fotocatálisis y cuántica. información.

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Avances en puntos cuánticos coloidales

El confinamiento que se encuentra en los puntos cuánticos de semiconductores coloidales permite el diseño de materiales con propiedades ajustables. García de Arquer et al. revisar los avances recientes en los métodos de síntesis y funcionalización de superficies de puntos cuánticos que permiten un ajuste fino de sus propiedades ópticas, químicas y eléctricas. Estos importantes desarrollos han impulsado la comercialización de aplicaciones de visualización e iluminación y brindan desarrollos prometedores en los campos relacionados de la detección y el láser.

Ciencia, aaz8541, este número p. eaaz8541

Resumen estructurado

ANTECEDENTES

Los materiales semiconductores presentan propiedades ópticas y electrónicas que se pueden diseñar a través de su composición y estructura cristalina. El uso de semiconductores como el arseniuro de galio y silicio generó tecnologías desde computadoras y teléfonos móviles hasta láseres y satélites. Los puntos cuánticos semiconductores (QD) ofrecen una palanca adicional: debido a que su tamaño se reduce a la escala nanométrica en las tres dimensiones, el movimiento de electrones restringido conduce a una estructura electrónica discreta similar a un átomo y niveles de energía dependientes del tamaño. Esto permite el diseño de nanomateriales con absorción de luz ampliamente sintonizable, emisión brillante de colores puros, control sobre el transporte electrónico y una amplia sintonía de funciones químicas y físicas debido a su gran relación superficie-volumen.

AVANCES

La emisión de luz brillante y de banda estrecha de los semiconductores QD, sintonizable en el espectro visible e infrarrojo cercano, es atractiva para realizar pantallas más eficientes con colores más puros. Los QD están diseñados de forma composicional y estructural para manipular los estados de energía y las interacciones de carga, lo que genera ganancia óptica y láser, relevantes para la emisión de luz a través de longitudes de onda visibles e infrarrojas y comunicación de fibra óptica. Su química de superficie sintonizable permite la aplicación como etiquetas ópticas en bioimágenes, lo que es posible mediante la unión de QD con proteínas y anticuerpos. La manipulación de superficies QD con moléculas de remate que tienen diferentes funciones químicas y físicas se puede adaptar para programar su ensamblaje en sólidos semiconductores, aumentando la conductividad y permitiendo la transducción de estímulos fotónicos y químicos en señales eléctricas. Los dispositivos optoelectrónicos como transistores y fotodetectores conducen a cámaras sensibles a la luz visible e infrarroja. Los QD altamente cristalinos se pueden cultivar epitaxialmente en sustratos elegidos con criterio mediante el uso de condiciones de vacío y alta temperatura, y su uso ha llevado a láseres de alto rendimiento comercialmente viables. El advenimiento de los QD coloidales, que se pueden fabricar y procesar en solución en condiciones suaves, permitió la fabricación en grandes áreas y amplió el alcance de la aplicación QD a mercados como la electrónica de consumo y la energía fotovoltaica.

PANORAMA

Desde una perspectiva química, se necesitan más avances en la fabricación de QD para mantener y mejorar las propiedades químicas y optoelectrónicas deseadas y hacerlo con una alta reproducibilidad. Esto implica el uso de precursores y métodos de síntesis económicos que son capaces de conservar las propiedades QD a escala de laboratorio en volúmenes relevantes para el mercado. Se necesita una mejor comprensión de la imagen aún incompleta de las superficies QD, la disposición atómica y el carácter metaestable para impulsar un mayor progreso. Desde una perspectiva regulatoria, se necesita mayor atención para lograr materiales de alta calidad que no dependan de metales pesados ??como Cd, Pb y Hg. El papel de la nanoestructuración en el análisis de la toxicidad y el ciclo de vida de cada aplicación es cada vez más importante. Desde la perspectiva de los materiales y la fotofísica, siguen existiendo oportunidades interesantes en la comprensión y el aprovechamiento de los electrones en materiales altamente confinados, cerrando la brecha entre las QD epitaxiales maduras y las QD coloidales todavía emergentes. La calidad todavía imperfecta de estos últimos, un precio que se paga hoy a cambio de su facilidad de fabricación, sigue siendo un desafío central y debe abordarse para lograr un mayor rendimiento en los dispositivos. Desde la perspectiva del dispositivo, la fabricación QD coloidal debe avanzar para traducirse de aplicaciones a escala de laboratorio a aplicaciones de gran superficie, como la impresión de rollo a rollo y de inyección de tinta. La fotocatálisis, en la que se utiliza la luz para impulsar transformaciones químicas, es un campo emergente en el que las QD son de interés. Las tecnologías de la información cuántica, que se basan en la transducción de luz y electrones coherentes, plantean nuevos desafíos y oportunidades para aprovechar los efectos del confinamiento cuántico. En el futuro, las oportunidades permanecen en el diseño de nuevas arquitecturas de dispositivos habilitadas para QD.

Tecnologías de puntos cuánticos de semiconductores.

Los puntos cuánticos presentan propiedades ópticas, eléctricas, químicas y físicas ampliamente sintonizables y distintivas. Abarcan recolección de energía, iluminación, pantallas, cámaras, sensores, tecnología de la información y las comunicaciones, biología y medicina, entre otros. Estos se han explotado para realizar láseres, pantallas, biotags y dispositivos de captación solar eficientes disponibles en el mercado y están surgiendo en la información fotovoltaica, de detección y cuántica.

Abstracto

En nanoestructuras de semiconductores confinados cuánticamente, los electrones exhiben un comportamiento distintivo en comparación con el de los sólidos a granel. Esto permite el diseño de materiales con propiedades químicas, físicas, eléctricas y ópticas ajustables. Los puntos cuánticos (QD) semiconductores de dimensión cero ofrecen una fuerte absorción de luz y una emisión de banda estrecha brillante en las longitudes de onda visible e infrarroja y han sido diseñados para exhibir ganancia óptica y láser. Estas propiedades son de interés para la obtención de imágenes, la recolección de energía solar, las pantallas y las comunicaciones. Aquí, ofrecemos una descripción general de los avances en la síntesis y comprensión de nanomateriales QD, con un enfoque en QD coloidales, y discutimos sus perspectivas en tecnologías como pantallas e iluminación, láseres, sensores, electrónica, conversión de energía solar, fotocatálisis y cuántica. información.

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“Bueno, al menos tengo seguridad laboral permanente ?, comentó mi tía casualmente el verano pasado, refiriéndose a mi papel en la respuesta COVID-19 del gobierno federal. Me estremecí. Poco sabía ella que acababa de enterarme de que los Institutos Nacionales de Salud (NIH) no renovarían mi contrato anual. En mis 12 años en los NIH, la seguridad laboral nunca había sido una prioridad; en cambio, yo apreciaba la independencia. Pero ahora, la nueva maternidad seguida por la pandemia parecía hundir mi carrera y tenía que encontrar un nuevo camino.

ILUSTRACIÓN: ROBERT NEUBECKER

“Estaba en peligro de repetir un error pasado de dejar de fumar prematuramente”.

Había esperado tener un bebé hasta que mi carrera estuviera bien establecida, pensando que eso me ayudaría a protegerme de algunos de los desafíos que sabía que enfrentan las madres científicas, pero aún así luché. Cuando nació mi hijo en 2018, no tenía licencia parental remunerada (los trabajadores del gobierno de EE. UU. Finalmente obtuvieron licencia parental remunerada en octubre de 2020), y mi esposo obtuvo solo 2 semanas de su pequeña empresa. Podía trabajar a distancia desde casa durante los primeros meses del bebé, y al principio aprecié la flexibilidad. Pero terminó siendo el peor de todos los mundos. No tenía licencia de tiempo completo para adaptarme a la maternidad ni una presencia en la oficina para influir en las decisiones relacionadas con mi trabajo.

Cuando volví a la oficina, mi supervisor me advirtió repetidamente que estaba sobre hielo delgado. Reconocí que adaptarme a ser una madre trabajadora fue una curva de aprendizaje empinada, pero estaba agotada tratando de manejar todas mis obligaciones y no sabía qué podía hacer de manera diferente. Cuando llegó el momento de renovar mi contrato anual, mi supervisor dijo que estaba dispuesto a no firmarlo. Lloré y lo convencí de renovarme por un año más. Pero 3 meses después, la pandemia golpeó y dediqué aún más tiempo al cuidado de mi hijo. La próxima vez, mi supervisor cumplió su amenaza.

Estaba destrozado. Mi fiesta virtual de despedida se sintió más como un funeral. Pero entonces mi hijo irrumpió en la sala de estar, agarrando triunfalmente su ukelele y llenando el espacio con su luz. Me di cuenta de que estaba preparado para hacer cualquier cosa para proteger a mi familia, incluido el cambio a una carrera profesional más segura y familiar.

Comencé a hablar con colegas en política científica y comunicación sobre alternativas. Pero cuando reuní a un grupo de mujeres de confianza en mi campo para un videochat, insistieron en que podía seguir investigando. Todo lo que necesitaba era un curso intensivo de supervivencia como mujer y madre científica.

Durante meses nos reunimos semanalmente para analizar las razones no científicas por las que mi trabajo se vino abajo y darme confianza para encontrar uno nuevo. Me sorprendió saber que los reveses que había enfrentado no eran inusuales para las mujeres científicas. Mis colegas también señalaron cómo mis propios prejuicios de género estaban paralizando mi búsqueda de trabajo. Mi esposo y yo estábamos decididos a ser padres muy involucrados. Aún así, rechazaba puestos con más horas o viajes diarios, temiendo que pudieran interferir con mis expectativas autoimpuestas para mi papel como madre en lugar de darme crédito por asegurar financieramente a mi familia mientras mi esposo lanzaba una nueva empresa.

También me di cuenta de que estaba en peligro de repetir un error pasado de dejar de fumar prematuramente en lugar de darme tiempo para adaptarme. Hace veinte años, era un corredor de fondo prometedor en la escuela secundaria, con un marco juvenil que me ayudó a capturar título tras título. Pero durante la pubertad temporalmente me volví más carnosa y más lenta. La dieta y los entrenamientos intensos solo aceleraron el agotamiento hasta que me di por vencido y lo dejé, sintiéndome roto. Años más tarde, me quité el polvo y comencé a correr por las montañas. Cuando finalmente me uní al equipo de atletismo de la universidad, corrí más rápido que nunca y demostré que no necesitaba ser un duendecillo de cuerpo plano, solo necesitaba tiempo y espacio para que mi cuerpo cambiante se adaptara. No he dejado de correr desde entonces.

He aprendido, dos veces ahora, a seguir atando los cordones. La pandemia fue mi punto de inflexión como madre trabajadora, pero sobreviví al acercarme a mujeres más inteligentes que me dieron perspectiva. Ahora he conseguido una mejor posición en otra rama de los NIH que mantiene mi independencia de investigación al tiempo que ofrece una mayor seguridad laboral. Este otoño me dirigiré a mi nueva oficina justo cuando mi niño pequeño comienza su primer día de preescolar. Otros niños seguramente lo empujarán hacia abajo y le arrebatarán sus juguetes. Pero le haré saber que le pasa lo mismo a su madre, y desempolvaremos, redirigiremos y nos embarcaremos en nuevas aventuras juntos.

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ILUSTRACIÓN: ROBERT NEUBECKER

“Estaba en peligro de repetir un error pasado de dejar de fumar prematuramente”.

Había esperado tener un bebé hasta que mi carrera estuviera bien establecida, pensando que eso me ayudaría a protegerme de algunos de los desafíos que sabía que enfrentan las madres científicas, pero aún así luché. Cuando nació mi hijo en 2018, no tenía licencia parental remunerada (los trabajadores del gobierno de EE. UU. Finalmente obtuvieron licencia parental remunerada en octubre de 2020), y mi esposo obtuvo solo 2 semanas de su pequeña empresa. Podía trabajar a distancia desde casa durante los primeros meses del bebé, y al principio aprecié la flexibilidad. Pero terminó siendo el peor de todos los mundos. No tenía licencia de tiempo completo para adaptarme a la maternidad ni una presencia en la oficina para influir en las decisiones relacionadas con mi trabajo.

Cuando volví a la oficina, mi supervisor me advirtió repetidamente que estaba sobre hielo delgado. Reconocí que adaptarme a ser una madre trabajadora fue una curva de aprendizaje empinada, pero estaba agotada tratando de manejar todas mis obligaciones y no sabía qué podía hacer de manera diferente. Cuando llegó el momento de renovar mi contrato anual, mi supervisor dijo que estaba dispuesto a no firmarlo. Lloré y lo convencí de renovarme por un año más. Pero 3 meses después, la pandemia golpeó y dediqué aún más tiempo al cuidado de mi hijo. La próxima vez, mi supervisor cumplió su amenaza.

Estaba destrozado. Mi fiesta virtual de despedida se sintió más como un funeral. Pero entonces mi hijo irrumpió en la sala de estar, agarrando triunfalmente su ukelele y llenando el espacio con su luz. Me di cuenta de que estaba preparado para hacer cualquier cosa para proteger a mi familia, incluido el cambio a una carrera profesional más segura y familiar.

Comencé a hablar con colegas en política científica y comunicación sobre alternativas. Pero cuando reuní a un grupo de mujeres de confianza en mi campo para un videochat, insistieron en que podía seguir investigando. Todo lo que necesitaba era un curso intensivo de supervivencia como mujer y madre científica.

Durante meses nos reunimos semanalmente para analizar las razones no científicas por las que mi trabajo se vino abajo y darme confianza para encontrar uno nuevo. Me sorprendió saber que los reveses que había enfrentado no eran inusuales para las mujeres científicas. Mis colegas también señalaron cómo mis propios prejuicios de género estaban paralizando mi búsqueda de trabajo. Mi esposo y yo estábamos decididos a ser padres muy involucrados. Aún así, rechazaba puestos con más horas o viajes diarios, temiendo que pudieran interferir con mis expectativas autoimpuestas para mi papel como madre en lugar de darme crédito por asegurar financieramente a mi familia mientras mi esposo lanzaba una nueva empresa.

También me di cuenta de que estaba en peligro de repetir un error pasado de dejar de fumar prematuramente en lugar de darme tiempo para adaptarme. Hace veinte años, era un corredor de fondo prometedor en la escuela secundaria, con un marco juvenil que me ayudó a capturar título tras título. Pero durante la pubertad temporalmente me volví más carnosa y más lenta. La dieta y los entrenamientos intensos solo aceleraron el agotamiento hasta que me di por vencido y lo dejé, sintiéndome roto. Años más tarde, me quité el polvo y comencé a correr por las montañas. Cuando finalmente me uní al equipo de atletismo de la universidad, corrí más rápido que nunca y demostré que no necesitaba ser un duendecillo de cuerpo plano, solo necesitaba tiempo y espacio para que mi cuerpo cambiante se adaptara. No he dejado de correr desde entonces.

He aprendido, dos veces ahora, a seguir atando los cordones. La pandemia fue mi punto de inflexión como madre trabajadora, pero sobreviví al acercarme a mujeres más inteligentes que me dieron perspectiva. Ahora he conseguido una mejor posición en otra rama de los NIH que mantiene mi independencia de investigación al tiempo que ofrece una mayor seguridad laboral. Este otoño me dirigiré a mi nueva oficina justo cuando mi niño pequeño comienza su primer día de preescolar. Otros niños seguramente lo empujarán hacia abajo y le arrebatarán sus juguetes. Pero le haré saber que le pasa lo mismo a su madre, y desempolvaremos, redirigiremos y nos embarcaremos en nuevas aventuras juntos.

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La percepción y el comportamiento surgen de la actividad coordinada y orquestada de las neuronas en los circuitos cerebrales. Las neuronas individuales y funcionalmente coherentes forman conjuntos, que se convierten en los componentes básicos de los circuitos a gran escala para impulsar la maquinaria cerebral (1). La capacidad de modular la actividad cerebral en un patrón espacio-temporal con alta especificidad (escala de tiempo de milisegundos y resolución celular) tiene grandes implicaciones para interactuar con esta sofisticada maquinaria. En la ciencia fundamental, proporciona una herramienta poderosa para diseccionar circuitos neuronales con gran detalle y estudiar la causalidad entre la actividad neuronal, la dinámica de los circuitos y el comportamiento (26). En la medicina traslacional, juega un papel importante en el tratamiento de trastornos cerebrales (7, 8) y promete convertirse en una nueva herramienta para la medicina de precisión.

La estimulación eléctrica es el método más maduro para modular la actividad cerebral. Sin embargo, los electrodos penetrantes son muy invasivos y hay una falta de especificidad espacial en las regiones cerebrales objetivo. Por lo tanto, las neuronas en un gran volumen cerebral se estimulan de forma indiscriminada de forma simultánea, independientemente de su función individual en el circuito cerebral y del vínculo resultante con la conducta. Esta baja especificidad espacial y los efectos asociados inespecíficos fuera del objetivo no solo limitan la aplicación de estos enfoques en el estudio de los circuitos cerebrales, sino que también plantean preocupaciones con respecto a la eficacia general y los efectos secundarios en la terapia clínica (9, 10).

Los métodos ópticos, particularmente cuando se combinan con optogenética (11, 12), ofrecen un nuevo enfoque para modular la actividad cerebral con especificidad de tipo celular. Aunque se puede lograr una alta especificidad espacial en muestras bidimensionales (2D), como cortes delgados de cerebro, el uso temprano de la optogenética en cerebros vivos enfrentó los mismos desafíos que la estimulación eléctrica: la luz dispersa no pudo distinguir las células individuales en un volumen 3D y en su lugar, estimuló todas las neuronas juntas. La luz de dos fotones resuelve el problema de la especificidad espacial y logra una resolución celular. Tomando prestada esta técnica de la microscopía de barrido láser, la optogenética de dos fotones estimula secuencialmente las neuronas una por una (13, 14). Aunque la especificidad es alta, la estimulación secuencial unicelular no logra imitar los patrones de actividad intrínseca en el cerebro, donde múltiples neuronas pueden disparar potenciales de acción simultáneamente.

Hablando metafóricamente, manipular neuronas en un circuito es similar a presionar las teclas de un teclado de piano. Fotoestimular las neuronas de una en una es como tocar el piano con un solo dedo, lo que no produciría una pieza de concierto rítmica y melodiosa. Para modular la actividad neuronal de manera coordinada, es necesario estimular simultáneamente un conjunto de neuronas, distribuidas en un volumen cerebral tridimensional, con resolución celular, como si se tocara el piano con los 10 dedos. Somos de los primeros en abordar este desafío in vivo (15) y demostrar el poder de la optogenética en el estudio del vínculo entre la actividad neuronal y el comportamiento (2) (ver la figura).

Optogenética holográfica de dos fotones

Aprovechando el holograma generado por computadora, codificamos la información espacial 3D de las neuronas objetivo en el holograma de fase utilizando un modulador de luz espacial, para desarrollar técnicas holográficas 3D de dos fotones para optogenética de precisión (15). Al proyectar un patrón de luz holográfica, que contiene haces enfocados en las neuronas objetivo en el cerebro de un ratón, podemos modular con precisión la actividad de los conjuntos neuronales. La excitación de dos fotones asegura que la luz pueda penetrar profundamente en el tejido de dispersión y estimular las neuronas diana distribuidas en un volumen 3D con excelente especificidad. Para maximizar el número de neuronas que se pueden estimular a la vez sin imponer altas dosis de luz (y por lo tanto calor) en el cerebro, aumentamos la eficiencia de excitación de dos fotones adaptando un láser de femtosegundos de baja tasa de repetición. Esto nos permitió estimular simultáneamente un gran grupo de neuronas (> 50) con una cantidad mínima de energía lumínica (unos pocos milivatios por neurona). Al cambiar rápidamente los hologramas (escala de tiempo de milisegundos), podemos estimular diferentes grupos de neuronas con alta especificidad temporal. Nuestro enfoque de optogenética holográfica de dos fotones permite modular la actividad neuronal en un patrón espacio-temporal deseado.

Interrogación totalmente óptica de la actividad neuronal

Para manipular de manera experta los circuitos cerebrales, necesitábamos un mapa neuronal 3D. Construimos un microscopio de ruta dual con dos láseres diferentes, integrando imágenes de calcio volumétricas de alta velocidad de dos fotones con optogenética holográfica de dos fotones (15). La ruta de imágenes estaba equipada con una lente sintonizable eléctricamente para obtener imágenes 3D rápidas (15, dieciséis), y la ruta optogenética se equipó con un modulador de luz espacial para generar el patrón de fotoestimulación 3D. Para evitar la interferencia entre la imagenología y la optogenética, seleccionamos indicadores y opsinas con distintos espectros de excitación de luz: indicador de calcio GCaMP6 (17) para imágenes y opsina C1V1 (18) para optogenética. Utilizando este microscopio de doble ruta, fuimos de los primeros en demostrar imágenes 3D simultáneas y fotoestimulación holográfica de la actividad cortical en ratones despiertos (ver figura). Esta configuración totalmente óptica nos permitió estimular con precisión un grupo arbitrario de neuronas mientras monitoreamos la respuesta del circuito y, por lo tanto, permitió el control de circuito cerrado de la actividad cerebral, todo con alta especificidad temporal y resolución celular en un gran volumen cerebral 3D.

Optogenética holográfica de dos fotones

(A) Esquemas de imágenes de calcio volumétricas simultáneas de dos fotones y fotoestimulación con patrones holográficos 3D de dos fotones en un cerebro de ratón. Un grupo de neuronas definido por el usuario puede estimularse simultáneamente con una alta especificidad espacio-temporal. (B) Control en circuito cerrado de la actividad y el comportamiento neuronales. El circuito neuronal captado durante el comportamiento animal proporciona un mapa para modular el cerebro a través de la optogenética holográfica de dos fotones. Demostramos que el rendimiento del ratón en una tarea de discriminación visual Go / No-Go puede mejorarse fotoactivando solo dos neuronas del conjunto central en la corteza visual (2).

GRÁFICO: H. OBISPO /CIENCIA BASADO EN W. YANG

Modulación del comportamiento activando la actividad del conjunto neuronal

Comprender el papel de los conjuntos neuronales podría conducir a una nueva comprensión de cómo surgen los comportamientos, así como a terapias innovadoras para las enfermedades cerebrales (8). Usando nuestro método alóptico, estudiamos el vínculo causal entre la actividad y el comportamiento del conjunto y demostramos un enfoque eficiente para modular el comportamiento (2) (ver la figura).

Diseñamos una tarea de discriminación visual Go / No-Go, en la que se mostraban aleatoriamente dos orientaciones de rejillas a la deriva y el ratón discriminaba entre ellas lamiendo una tromba de agua. Presumimos que la modulación de la actividad del conjunto podría afectar el comportamiento. Holográficamente fotoactivamos un grupo aleatorio de neuronas inespecíficas en la corteza visual del ratón durante la tarea. Como era de esperar, el “ruido” resultante en la corteza visual disminuyó el rendimiento de la tarea. Luego preguntamos si la modulación neuronal dirigida podría mejorar el resultado de la tarea. Utilizando un algoritmo de aprendizaje automático, extrajimos los conjuntos neuronales y las neuronas del conjunto central relacionadas con el “Go-cue” de los estímulos visuales en la corteza visual. Sorprendentemente, la fotoactivación holográfica de solo dos neuronas del conjunto central durante el Go-cue podría mejorar el rendimiento de la tarea (2).

A través de imágenes, observamos que la activación de las neuronas del conjunto central impulsó el reclutamiento generalizado de otras neuronas dentro del conjunto. Tal mecanismo de finalización de patrones, que potencialmente involucra redes neuronales recurrentes, eventualmente amplificó el efecto de activación de las neuronas del conjunto central y finalmente moduló el resultado conductual. Este efecto fue tan pronunciado que la activación holográfica podría provocar el lamido del ratón asociado con el Go-cue incluso cuando el Go-cue no se presentó físicamente (2).

En comparación con los enfoques anteriores en los que se estimulan grandes regiones del cerebro a la vez, ya sea eléctricamente o mediante optogenética de fotón único, nuestro enfoque holográfico proporciona una especificidad y eficiencia mucho mayores. Nuestro estudio no solo demuestra la relevancia funcional y conductual de los conjuntos neuronales y proporciona una ilustración directa de la finalización del patrón, sino que la capacidad de escribir información con precisión en el cerebro para desencadenar el comportamiento abre una nueva vía en la medicina de precisión para corregir la fisiopatología de los trastornos mentales. (8).

Una perspectiva de la optogenética de precisión

La invención de la optogenética ha proporcionado a los neurocientíficos una nueva herramienta para modular la actividad neuronal específica del tipo de célula. Nuestra técnica de holografía de dos fotones in vivo ha llevado la optogenética a una nueva era de precisión. Hoy y en el futuro cercano, los patrones de modulación espacio-temporal 4D, que son paralelos a la fisiología intrínseca del sistema neural, podrían aplicarse para provocar actividad recurrente y reclutar actividad y comportamiento aguas abajo.

Hemos demostrado la activación de un comportamiento guiado visualmente a través de la optogenética holográfica de dos fotones en la corteza visual del ratón (2), y otros han aplicado esta técnica al hipocampo del ratón (4), para impulsar el comportamiento espacial. En otros modelos animales como las larvas de pez cebra (6), el método se ha utilizado para provocar el comportamiento motor. En cada caso, la activación de solo un pequeño número de neuronas pudo modular el comportamiento animal.

Además de estudiar la causalidad del circuito, la optogenética holográfica de dos fotones es una herramienta ideal para inducir la plasticidad de la red a través de la plasticidad hebbiana (19). Al fotoestimular repetidamente un grupo de neuronas, demostramos que la conectividad funcional aumentaba en un subconjunto de estas neuronas (20). Al emparejar la fotoactivación holográfica de un conjunto conductualmente inespecífico con una recompensa conductual, se demostró que el animal podía aprender a asociar la activación del conjunto con el premio (3, 21, 22). Tales hallazgos sugieren que la optogenética holográfica de dos fotones podría usarse para reprogramar el cerebro y crear un vínculo artificial entre la actividad neuronal y los estados cognitivos. Este resultado tiene una enorme importancia traslacional y podría potencialmente usarse para restablecer las funciones cerebrales de una región dañada en una nueva región.

Los últimos 3 años han sido testigos de una nueva ola de hallazgos gracias a la optogenética holográfica de dos fotones en ratones despiertos. Se podría hacer mucho para aprovechar aún más su potencial, especialmente en la medicina traslacional. En nuestras demostraciones no invasivas, las neuronas diana se limitaron a las capas corticales. La capacidad de apuntar a regiones cerebrales profundas con un enfoque no invasivo o mínimamente invasivo ampliará enormemente su aplicación. El control de ciclo cerrado y en tiempo real de las imágenes, la optogenética y la monitorización del comportamiento podría potencialmente crear un nuevo tipo de interfaz cerebro-máquina. Como el primer tipo de modalidad de modulación cerebral precisa, imaginamos que la optogenética holográfica de dos fotones (15, 2327) seguirá desempeñando un papel fundamental tanto en la neurociencia fundamental como en la medicina traslacional.

Imagen incrustada

FOTO: CORTESÍA DE WEIJIAN YANG

FINALISTA

Weijian Yang

Weijian Yang recibió su licenciatura de la Universidad de Pekín y un doctorado de la Universidad de California, Berkeley. Después de completar su beca postdoctoral en la Universidad de Columbia, comenzó su laboratorio en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de California, Davis en 2017. Su investigación tiene como objetivo desarrollar métodos ópticos avanzados y neurotecnologías para interrogar y modular la actividad cerebral, con un El objetivo es comprender cómo se organizan y funcionan los circuitos neuronales y cómo surgen los comportamientos de la actividad neuronal. www.sciencemag.org/content/373/6555/635

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La estimulación eléctrica es el método más maduro para modular la actividad cerebral. Sin embargo, los electrodos penetrantes son muy invasivos y hay una falta de especificidad espacial en las regiones cerebrales objetivo. Por lo tanto, las neuronas en un gran volumen cerebral se estimulan de forma indiscriminada de forma simultánea, independientemente de su función individual en el circuito cerebral y del vínculo resultante con la conducta. Esta baja especificidad espacial y los efectos asociados inespecíficos fuera del objetivo no solo limitan la aplicación de estos enfoques en el estudio de los circuitos cerebrales, sino que también plantean preocupaciones con respecto a la eficacia general y los efectos secundarios en la terapia clínica (9, 10).

Los métodos ópticos, particularmente cuando se combinan con optogenética (11, 12), ofrecen un nuevo enfoque para modular la actividad cerebral con especificidad de tipo celular. Aunque se puede lograr una alta especificidad espacial en muestras bidimensionales (2D), como cortes delgados de cerebro, el uso temprano de la optogenética en cerebros vivos enfrentó los mismos desafíos que la estimulación eléctrica: la luz dispersa no pudo distinguir las células individuales en un volumen 3D y en su lugar, estimuló todas las neuronas juntas. La luz de dos fotones resuelve el problema de la especificidad espacial y logra una resolución celular. Tomando prestada esta técnica de la microscopía de barrido láser, la optogenética de dos fotones estimula secuencialmente las neuronas una por una (13, 14). Aunque la especificidad es alta, la estimulación secuencial unicelular no logra imitar los patrones de actividad intrínseca en el cerebro, donde múltiples neuronas pueden disparar potenciales de acción simultáneamente.

Hablando metafóricamente, manipular neuronas en un circuito es similar a presionar las teclas de un teclado de piano. Fotoestimular las neuronas de una en una es como tocar el piano con un solo dedo, lo que no produciría una pieza de concierto rítmica y melodiosa. Para modular la actividad neuronal de manera coordinada, es necesario estimular simultáneamente un conjunto de neuronas, distribuidas en un volumen cerebral tridimensional, con resolución celular, como si se tocara el piano con los 10 dedos. Somos de los primeros en abordar este desafío in vivo (15) y demostrar el poder de la optogenética en el estudio del vínculo entre la actividad neuronal y el comportamiento (2) (ver la figura).

Optogenética holográfica de dos fotones

Aprovechando el holograma generado por computadora, codificamos la información espacial 3D de las neuronas objetivo en el holograma de fase utilizando un modulador de luz espacial, para desarrollar técnicas holográficas 3D de dos fotones para optogenética de precisión (15). Al proyectar un patrón de luz holográfica, que contiene haces enfocados en las neuronas objetivo en el cerebro de un ratón, podemos modular con precisión la actividad de los conjuntos neuronales. La excitación de dos fotones asegura que la luz pueda penetrar profundamente en el tejido de dispersión y estimular las neuronas diana distribuidas en un volumen 3D con excelente especificidad. Para maximizar el número de neuronas que se pueden estimular a la vez sin imponer altas dosis de luz (y por lo tanto calor) en el cerebro, aumentamos la eficiencia de excitación de dos fotones adaptando un láser de femtosegundos de baja tasa de repetición. Esto nos permitió estimular simultáneamente un gran grupo de neuronas (> 50) con una cantidad mínima de energía lumínica (unos pocos milivatios por neurona). Al cambiar rápidamente los hologramas (escala de tiempo de milisegundos), podemos estimular diferentes grupos de neuronas con alta especificidad temporal. Nuestro enfoque de optogenética holográfica de dos fotones permite modular la actividad neuronal en un patrón espacio-temporal deseado.

Interrogación totalmente óptica de la actividad neuronal

Para manipular de manera experta los circuitos cerebrales, necesitábamos un mapa neuronal 3D. Construimos un microscopio de ruta dual con dos láseres diferentes, integrando imágenes de calcio volumétricas de alta velocidad de dos fotones con optogenética holográfica de dos fotones (15). La ruta de imágenes estaba equipada con una lente sintonizable eléctricamente para obtener imágenes 3D rápidas (15, dieciséis), y la ruta optogenética se equipó con un modulador de luz espacial para generar el patrón de fotoestimulación 3D. Para evitar la interferencia entre la imagenología y la optogenética, seleccionamos indicadores y opsinas con distintos espectros de excitación de luz: indicador de calcio GCaMP6 (17) para imágenes y opsina C1V1 (18) para optogenética. Utilizando este microscopio de doble ruta, fuimos de los primeros en demostrar imágenes 3D simultáneas y fotoestimulación holográfica de la actividad cortical en ratones despiertos (ver figura). Esta configuración totalmente óptica nos permitió estimular con precisión un grupo arbitrario de neuronas mientras monitoreamos la respuesta del circuito y, por lo tanto, permitió el control de circuito cerrado de la actividad cerebral, todo con alta especificidad temporal y resolución celular en un gran volumen cerebral 3D.

Optogenética holográfica de dos fotones

(A) Esquemas de imágenes de calcio volumétricas simultáneas de dos fotones y fotoestimulación con patrones holográficos 3D de dos fotones en un cerebro de ratón. Un grupo de neuronas definido por el usuario puede estimularse simultáneamente con una alta especificidad espacio-temporal. (B) Control en circuito cerrado de la actividad y el comportamiento neuronales. El circuito neuronal captado durante el comportamiento animal proporciona un mapa para modular el cerebro a través de la optogenética holográfica de dos fotones. Demostramos que el rendimiento del ratón en una tarea de discriminación visual Go / No-Go puede mejorarse fotoactivando solo dos neuronas del conjunto central en la corteza visual (2).

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Modulación del comportamiento activando la actividad del conjunto neuronal

Comprender el papel de los conjuntos neuronales podría conducir a una nueva comprensión de cómo surgen los comportamientos, así como a terapias innovadoras para las enfermedades cerebrales (8). Usando nuestro método alóptico, estudiamos el vínculo causal entre la actividad y el comportamiento del conjunto y demostramos un enfoque eficiente para modular el comportamiento (2) (ver la figura).

Diseñamos una tarea de discriminación visual Go / No-Go, en la que se mostraban aleatoriamente dos orientaciones de rejillas a la deriva y el ratón discriminaba entre ellas lamiendo una tromba de agua. Presumimos que la modulación de la actividad del conjunto podría afectar el comportamiento. Holográficamente fotoactivamos un grupo aleatorio de neuronas inespecíficas en la corteza visual del ratón durante la tarea. Como era de esperar, el “ruido” resultante en la corteza visual disminuyó el rendimiento de la tarea. Luego preguntamos si la modulación neuronal dirigida podría mejorar el resultado de la tarea. Utilizando un algoritmo de aprendizaje automático, extrajimos los conjuntos neuronales y las neuronas del conjunto central relacionadas con el “Go-cue” de los estímulos visuales en la corteza visual. Sorprendentemente, la fotoactivación holográfica de solo dos neuronas del conjunto central durante el Go-cue podría mejorar el rendimiento de la tarea (2).

A través de imágenes, observamos que la activación de las neuronas del conjunto central impulsó el reclutamiento generalizado de otras neuronas dentro del conjunto. Tal mecanismo de finalización de patrones, que potencialmente involucra redes neuronales recurrentes, eventualmente amplificó el efecto de activación de las neuronas del conjunto central y finalmente moduló el resultado conductual. Este efecto fue tan pronunciado que la activación holográfica podría provocar el lamido del ratón asociado con el Go-cue incluso cuando el Go-cue no se presentó físicamente (2).

En comparación con los enfoques anteriores en los que se estimulan grandes regiones del cerebro a la vez, ya sea eléctricamente o mediante optogenética de fotón único, nuestro enfoque holográfico proporciona una especificidad y eficiencia mucho mayores. Nuestro estudio no solo demuestra la relevancia funcional y conductual de los conjuntos neuronales y proporciona una ilustración directa de la finalización del patrón, sino que la capacidad de escribir información con precisión en el cerebro para desencadenar el comportamiento abre una nueva vía en la medicina de precisión para corregir la fisiopatología de los trastornos mentales. (8).

Una perspectiva de la optogenética de precisión

La invención de la optogenética ha proporcionado a los neurocientíficos una nueva herramienta para modular la actividad neuronal específica del tipo de célula. Nuestra técnica de holografía de dos fotones in vivo ha llevado la optogenética a una nueva era de precisión. Hoy y en el futuro cercano, los patrones de modulación espacio-temporal 4D, que son paralelos a la fisiología intrínseca del sistema neural, podrían aplicarse para provocar actividad recurrente y reclutar actividad y comportamiento aguas abajo.

Hemos demostrado la activación de un comportamiento guiado visualmente a través de la optogenética holográfica de dos fotones en la corteza visual del ratón (2), y otros han aplicado esta técnica al hipocampo del ratón (4), para impulsar el comportamiento espacial. En otros modelos animales como las larvas de pez cebra (6), el método se ha utilizado para provocar el comportamiento motor. En cada caso, la activación de solo un pequeño número de neuronas pudo modular el comportamiento animal.

Además de estudiar la causalidad del circuito, la optogenética holográfica de dos fotones es una herramienta ideal para inducir la plasticidad de la red a través de la plasticidad hebbiana (19). Al fotoestimular repetidamente un grupo de neuronas, demostramos que la conectividad funcional aumentaba en un subconjunto de estas neuronas (20). Al emparejar la fotoactivación holográfica de un conjunto conductualmente inespecífico con una recompensa conductual, se demostró que el animal podía aprender a asociar la activación del conjunto con el premio (3, 21, 22). Tales hallazgos sugieren que la optogenética holográfica de dos fotones podría usarse para reprogramar el cerebro y crear un vínculo artificial entre la actividad neuronal y los estados cognitivos. Este resultado tiene una enorme importancia traslacional y podría potencialmente usarse para restablecer las funciones cerebrales de una región dañada en una nueva región.

Los últimos 3 años han sido testigos de una nueva ola de hallazgos gracias a la optogenética holográfica de dos fotones en ratones despiertos. Se podría hacer mucho para aprovechar aún más su potencial, especialmente en la medicina traslacional. En nuestras demostraciones no invasivas, las neuronas diana se limitaron a las capas corticales. La capacidad de apuntar a regiones cerebrales profundas con un enfoque no invasivo o mínimamente invasivo ampliará enormemente su aplicación. El control de ciclo cerrado y en tiempo real de las imágenes, la optogenética y la monitorización del comportamiento podría potencialmente crear un nuevo tipo de interfaz cerebro-máquina. Como el primer tipo de modalidad de modulación cerebral precisa, imaginamos que la optogenética holográfica de dos fotones (15, 2327) seguirá desempeñando un papel fundamental tanto en la neurociencia fundamental como en la medicina traslacional.

Imagen incrustada

FOTO: CORTESÍA DE WEIJIAN YANG

FINALISTA

Weijian Yang

Weijian Yang recibió su licenciatura de la Universidad de Pekín y un doctorado de la Universidad de California, Berkeley. Después de completar su beca postdoctoral en la Universidad de Columbia, comenzó su laboratorio en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de California, Davis en 2017. Su investigación tiene como objetivo desarrollar métodos ópticos avanzados y neurotecnologías para interrogar y modular la actividad cerebral, con un El objetivo es comprender cómo se organizan y funcionan los circuitos neuronales y cómo surgen los comportamientos de la actividad neuronal. www.sciencemag.org/content/373/6555/635

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