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Un astrophysicien dans un univers biomédical | Nouvelles du MIT

Pour beaucoup d’entre nous, la pandémie a déclenché des changements cruciaux. Et Magdelena S. Allen n’a pas fait exception.

Ayant grandi à Portland, Oregon, Allen voulait tout savoir. Elle aimait l’observation des étoiles et les sciences physiques, mais elle s’intéressait également au droit et à l’écriture. Ses parents, qui l’ont scolarisée à la maison avec sa sœur jusqu’au lycée, ont été extrêmement favorables à ses divers intérêts. “Mais ce à quoi je revenais toujours, c’était la science”, dit-elle.

Astrophysicienne de formation, Allen a obtenu son diplôme de premier cycle à l’Université de Californie à Berkeley. Elle a ensuite passé un an en stage dans des laboratoires de recherche en physique à travers le pays, notamment le Fermi National Accelerator Lab, le Brookhaven National Lab et le Marshall Space Flight Center de la NASA.

À l’automne 2019, Allen a commencé son doctorat dans la division des expériences nucléaires et de particules du département de physique du MIT, étudiant les rayons cosmiques avec le professeur Samuel CC Ting. Elle a passé son temps à analyser les données du spectromètre magnétique Alpha, un détecteur de rayons cosmiques qui se trouve sur la Station spatiale internationale.

À cette époque, Allen a également rejoint les services médicaux d’urgence (EMS) du MIT, après en avoir entendu parler par un ami impliqué quelques années auparavant. “Cela a commencé comme ce que je pensais être quelques heures par semaine et a rapidement pris le dessus sur ma vie de la meilleure façon possible”, dit-elle.

Lorsque la pandémie a frappé au printemps 2020 et que la communauté du MIT s’est précipitée pour se disperser du campus, Allen était l’un des rares ambulanciers du MIT à rester. Elle a aidé à maintenir l’ambulance en service 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, desservant le MIT ainsi que la communauté élargie de Cambridge et de Boston. “J’ai fini par consacrer plus de mille heures au service” cette seule année universitaire, dit-elle.

Passer autant de temps dans les soins aux patients a stimulé son intérêt pour les résultats des patients. Et cela l’a amenée à réfléchir à ses objectifs de carrière à long terme. “J’ai eu ma crise existentielle pendant cette période – comme nous l’avons tous fait”, dit-elle en riant. Alors qu’elle adorait ses recherches en physique fondamentale, elle voulait avoir un impact plus direct sur les gens.

Allen a commencé à chercher des groupes de recherche travaillant sur des dispositifs biomédicaux. En janvier 2021, elle a rejoint un nouveau projet de recherche pour construire du matériel d’imagerie cérébrale, qui utilise une technologie similaire à certaines expériences de physique fondamentale. Elle travaille maintenant à l’intersection de la physique et de la recherche médicale, co-dirigée par le professeur Ciprian Catana de l’Université de Harvard au laboratoire intégré MR-PET du Massachusetts General Hospital AA Martinos Center for Biomedical Imaging et le professeur MIT Or Hen au Laboratoire de science nucléaire. . “C’était un ajustement parfait”, dit-elle.

Découvrir les secrets du cerveau

Aujourd’hui, Allen et ses collaborateurs développent un scanner de tomographie par émission de positrons (TEP) cérébrale de nouvelle génération qui peut être utilisé simultanément avec l’imagerie par résonance magnétique (IRM) de 7 Tesla. Le scanner TEP sera un insert cylindrique qui s’adapte directement à l’intérieur d’un appareil IRM.

Chaque technologie d’imagerie offre une perspective différente du cerveau. Alors que l’IRM capture des images anatomiques, la TEP capture des processus biochimiques, tels que le métabolisme. En voyant deux perspectives synchronisées, les scientifiques disposent de données précieuses pour étudier les tumeurs cérébrales et les maladies neurologiques, comme la maladie d’Alzheimer.

Mais, les scans TEP prennent actuellement beaucoup de temps – généralement de 30 à 90 minutes – et les patients doivent rester immobiles pendant toute la durée pour obtenir des images claires. Dans le scanner TEP de nouvelle génération, Allen vise à rendre les scans beaucoup plus rapides, jusqu’à quelques minutes seulement. Cela ouvrira également des portes à la recherche en neurosciences. Avec des temps d’imagerie plus courts, le scanner peut fonctionner simultanément avec l’IRM fonctionnelle (IRMf) pour prendre des instantanés rapides des processus biologiques dynamiques. Par exemple, la TEP peut capturer le métabolisme du glucose dans le cerveau alors que l’IRMf capture simultanément le flux sanguin. « C’est vraiment excitant, dit Allen. “Cela n’a jamais été fait auparavant.”

La raison pour laquelle ces analyses prennent actuellement si longtemps réside dans le fonctionnement de la TEP. Avant le scanner, les patients reçoivent une injection d’un radiotraceur composé de composés biologiques que le corps utilise normalement, comme le glucose, qui sont légèrement modifiés pour être radioactifs. Lorsque le corps traite ces composés traceurs, des rayons gamma radioactifs sont émis. Le scanner TEP agit alors comme une caméra pour capter ces rayons gamma et former une image.

Le problème, cependant, est que seules de petites doses de radiotraceur sont injectées aux patients pour limiter les effets indésirables des rayonnements. Ainsi, les rayons gamma émis sont très faibles, ce qui rend difficile la formation d’images. « C’est comme une photo à longue exposition avec un appareil photo ordinaire où vous attendez juste que la lumière soit captée », explique Allen.

Pour réduire le temps d’exposition requis, le groupe d’Allen est en train de repenser le scanner TEP compatible MR pour qu’il soit 10 fois plus sensible aux rayons gamma que l’état de l’art actuel. Et pour y parvenir, une nouvelle forme de détecteur de rayons gamma sera utilisée à l’intérieur du scanner. Alors qu’un scanner typique utilise des réseaux de détecteurs disposés dans un tube cylindrique entourant la tête, les réseaux de détecteurs du nouveau scanner sont configurés davantage comme un casque de moto. “Vous pouvez augmenter la [scanner’s] beaucoup de sensibilité juste en obtenant plus de couverture », dit-elle.

Un autre élément clé pour la fabrication d’un scanner TEP à haute sensibilité est les modules de détection de rayons gamma individuels à l’intérieur du détecteur. Le détecteur est composé d’anneaux empilés du col vers le haut, et chaque anneau contient un cercle de modules détecteurs. “L’enquête la plus intéressante à ce jour est [figuring out] différentes géométries pour le détecteur afin d’en tirer des informations propres », dit-elle. L’un des défis consiste à trouver la méthodologie de profondeur d’interaction et l’épaisseur optimale pour le détecteur. Un détecteur plus épais peut piéger plus de rayons gamma pour plus d’informations d’imagerie. Mais un détecteur trop épais donne des images floues. Après quelques essais et erreurs, cependant, Allen est “très proche de clouer une conception finale”.

L’astrophysique au coeur

Alors qu’Allen s’est aventurée dans l’univers biomédical, elle n’a pas complètement abandonné la physique des particules. Il s’avère que le scanner TEP peut également être utilisé pour étudier des questions fondamentales de physique.

Une question qui intéresse Allen est la violation de symétrie. Alors que l’univers est composé de matière et d’anti-matière, ce n’est pas une division 50-50, ce qui nous donne un univers asymétrique. Mais, on ne sait pas d’où vient cette asymétrie. “Nous sommes toujours à la recherche de sources d’asymétrie dans l’univers”, déclare Allen.

Un indice potentiel pourrait être trouvé dans le cycle de vie du positronium, un atome instable composé d’un électron et de son antiparticule, un positron. Le positronium dure une très courte période de temps – moins d’un millionième de seconde – avant que l’électron et le positon ne s’annihilent, émettant des rayons gamma. Selon l’état initial du positronium, différentes distributions de rayons gamma sont émises.

“Le scanner TEP n’est fondamentalement qu’un détecteur de rayons gamma”, dit-elle, ce qui le rend “parfaitement réglé” pour observer les rayons gamma des désintégrations du positronium. Pour étudier la violation de symétrie, Allen prévoit d’observer comment l’action sur les états initiaux du positronium affecte l’orientation des rayons gamma émis. Si elle voit des asymétries, cela pourrait donner un aperçu de la violation de la symétrie.

Mais d’abord, Allen doit terminer la construction du scanner TEP. Après avoir finalisé la conception des modules détecteurs, elle commencera à les assembler en anneaux pour le casque cet été. En attendant, elle continuera à servir au MIT EMS, après avoir terminé son mandat de chef du MIT EMS l’année dernière. “C’est une chose très addictive à faire”, dit-elle.

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