En 2023, un nuevo amanecer se enciende en el horizonte de la ciencia. Desde electrodos en cuerpos vivos hasta el "canto" de ondas gravitacionales; desde la exploración a nivel de un solo átomo hasta los propios laboratorios chinos en el vasto espacio; desde la comprensión del ser humano de su propio nivel celular hasta la inteligencia artificial que realmente entra en nuestras vidas... 2024 está a punto de comenzar, y los científicos que avanzan constantemente se acercan paso a paso a la puerta de una nueva era de ciencia y tecnología.

1. Los electrodos “crecen” a partir de tejido vivo


Gel inyectable testado en circuitos microfabricados. Fuente de la imagen: Thor Bakshid/Science.com

Los límites físicos entre los organismos y la tecnología se están desdibujando.

Investigadores suecos han conseguido por primera vez desarrollar electrodos en tejido vivo inyectando un gel con enzimas como "moléculas de ensamblaje" y utilizando moléculas humanas como desencadenantes. Los resultados, publicados en la revista Science en febrero, allanan el camino para circuitos electrónicos totalmente integrados en organismos vivos.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Linköping, la Universidad de Lund y la Universidad de Gotemburgo en Suecia han conectado tejido neuronal con dispositivos electrónicos. A menudo, una falta de coincidencia entre los componentes electrónicos rígidos y los tejidos blandos puede dañar los frágiles sistemas vivos. Pero el equipo utilizó un gel inyectable para crear electrodos blandos directamente dentro del cuerpo. Después de la inyección en tejido vivo, las enzimas del gel descomponen los metabolitos endógenos del cuerpo, lo que desencadena la polimerización enzimática de los monómeros orgánicos del gel y los convierte en electrodos conductores estables, suaves. Los investigadores demostraron este proceso inyectando el gel en peces cebra y sanguijuelas medicinales. El gel se polimerizó en ambos organismos y "hizo crecer" los electrodos dentro del tejido.

Este método de crear circuitos electrónicos directamente dentro del tejido vivo proporciona una forma de tratar enfermedades mediante señales eléctricas en el sistema nervioso o modulando circuitos neuronales.

2. Los ratones macho producen óvulos funcionales


Los ratones macho producen óvulos funcionales. Fuente de la imagen: sitio web "Naturaleza"

Esta es una investigación que podría inspirar o promover la fertilidad futura.

Un artículo publicado en la revista Nature en marzo informó sobre un resultado de gran éxito en la investigación con células madre: convertir células madre de ratón macho en células femeninas y producir óvulos funcionales. Aproximadamente el 1% de los embriones obtenidos después de la fertilización de estos óvulos pueden producir descendencia sana.

Los gametos masculinos y femeninos (esperma y ovocito (óvulo), respectivamente) se producen a partir de un tipo de células madre llamadas células germinales primordiales. Estas células madre se diferencian en gametos, que requieren cromosomas sexuales para funcionar correctamente.

Estudios anteriores han explorado la posibilidad de cambiar el sexo de las células germinales primordiales y han descubierto que la producción de gametos puede reducirse y sólo se pueden producir células con baja fertilidad. Pero esta vez, el equipo de Lin Katsuhiko de la Universidad Kyushu de Japón informó que es posible utilizar células madre pluripotentes para producir óvulos más sanos. El equipo utilizó células de la piel de las colas de ratones machos maduros (que portan cromosomas XY) y transformó estas células en células madre pluripotentes inducidas. Cultivaron estas células madre in vitro y este proceso produjo un raro subconjunto de células (que representan aproximadamente el 6% de las células cultivadas) que carecían del cromosoma Y, conocidas como células XO.

El desarrollo continuo de estas células XO en medios de cultivo induce la replicación del cromosoma X. El tratamiento de las células con fármacos de reversina que interfieren con la división celular puede mejorar la eficiencia de replicación del cromosoma X. El doble resultante

Aunque aún es necesario evaluar más rigurosamente el impacto de la transformación de células masculinas en células femeninas en la estabilidad del genoma, este importante hallazgo es importante para futuras investigaciones y aplicaciones.

3. Reconstrucción del experimento de la doble rendija en la dimensión temporal


Dibujo original de arte experimental de doble rendija. Fuente de la imagen: sitio web "Naturaleza"

La observación de la interferencia de ondas de luz realizada por el científico británico Thomas Young en el siglo XIX es uno de los experimentos más emblemáticos de la historia de la física y tuvo un profundo impacto en la física cuántica. Ahora tiene una nueva novedad.

En abril de este año, científicos británicos utilizaron un "metamaterial" que puede cambiar propiedades en un femtosegundo (una billonésima de segundo) para recrear el famoso experimento de la doble rendija en la dimensión del tiempo en lugar de la espacial. Los últimos experimentos revelan más sobre las propiedades fundamentales de la luz y sientan las bases para crear el material definitivo que puede controlar con precisión la luz en escalas espaciales y temporales.

Este experimento implicaba originalmente la difracción de la luz a través de un par de "rendijas" en el espacio, pero el nuevo estudio muestra que es posible lograr el efecto equivalente en el tiempo utilizando rendijas dobles. El equipo de investigación del Imperial College de Londres utilizó una fina película de óxido de indio y estaño en el experimento. En una escala de tiempo ultrarrápida, como los femtosegundos, la reflectividad de este material se cambiará mediante láser, creando "rendijas" para la luz. Los investigadores lograron esto activando y desactivando la reflectividad de un espejo semiconductor dos veces en rápida sucesión y registrando franjas de interferencia a lo largo del espectro de la luz reflejada por el espejo. Sus experimentos encontraron que la interferencia ocurre entre ondas de diferentes frecuencias, en lugar de entre diferentes lugares en el espacio.

Este resultado puede tener una variedad de aplicaciones futuras, como interruptores ópticos para procesamiento de señales y comunicaciones o computación óptica.

4. Un equipo internacional anuncia un descubrimiento trascendental de la radiación de fondo de ondas gravitacionales


Un par de agujeros negros supermasivos (arriba a la izquierda) emiten ondas gravitacionales que ondulan a través del tejido del espacio-tiempo (impresión artística). Fuente de la imagen: Observatorio de Ondas Gravitacionales de Nanohercios de América del Norte

Si se compara el fondo de ondas gravitacionales con una canción antigua y misteriosa, entonces el "coro" actúa en diferentes frecuencias todos los días. Ahora, a través del seguimiento de los púlsares, los científicos finalmente han escuchado la canción. En otras palabras, han obtenido la primera evidencia del fondo de ondas gravitacionales.

Después de 15 años de recopilación de datos, en junio de este año, los científicos "escucharon" por primera vez el coro eterno de ondas gravitacionales que se propagan en el universo, y el sonido fue mucho más fuerte de lo esperado. Este es un descubrimiento trascendental del fondo de las ondas gravitacionales.

La radiación de fondo de ondas gravitacionales es la superposición de muchas fuentes de ondas gravitacionales diferentes. Sus frecuencias e intensidades son diferentes, pero todas son muy bajas. Deberían existir a nuestro alrededor y pueden decirnos la información importante que han ocultado desde siempre. Pero lamentablemente su existencia y composición siempre han sido producto de la teorización.

Los científicos informan sus resultados en una serie de nuevos artículos publicados en junio en The Astrophysical Journal Letters. La fuente más probable del fondo de ondas gravitacionales detectada esta vez es un par de agujeros negros supermasivos atrapados en una "espiral de la muerte". Estos agujeros negros son tan masivos que pueden alcanzar miles de millones de masas solares. Porque casi todas las galaxias, incluido el centro de la Vía Láctea, tienen un monstruo de agujero negro así. Entonces, cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros supermasivos se encuentran y comienzan a orbitar entre sí. Una vez que dos agujeros negros estén lo suficientemente cerca, podrán ser observados mediante una matriz de sincronización de púlsares.

El equipo del Observatorio Norteamericano de Ondas Gravitacionales de Nanohercios afirmó que actualmente sólo pueden medir el fondo general de ondas gravitacionales, pero no pueden medir la radiación de un solo "cantante" o "instrumento". Aun así, fue suficiente para sorprender a toda la comunidad astrofísica, porque "el fondo de ondas gravitacionales es aproximadamente el doble de fuerte de lo esperado". Mingarelli, profesor asistente de la Universidad de Yale en Estados Unidos, dijo que este es el límite superior de los modelos que la gente puede crear a partir de agujeros negros supermasivos.

Los científicos también están entusiasmados porque esta investigación abre un territorio desconocido. Debido a las limitaciones experimentales actuales, no pueden estimar si hay algo más que también produce poderosas ondas gravitacionales. Si es así, entonces puede haber otras explicaciones para los mecanismos predichos por la teoría de cuerdas e incluso para el nacimiento del universo.

5. Señal de rayos X de un solo átomo detectada por primera vez


Diagrama esquemático del experimento que detectó por primera vez rayos X de un solo átomo. Fuente de la imagen: Red de organizaciones físicas

Para lograr un avance histórico en los métodos de detección de materiales, no basta con depender únicamente de las actualizaciones de los equipos. Los científicos necesitan innovar desde el nivel atómico.

En junio, científicos de la Universidad de Ohio, el Laboratorio Nacional Argonne, la Universidad de Illinois en Chicago y otros capturaron señales de rayos X de un solo átomo por primera vez. Se espera que este gran logro cambie por completo la forma en que las personas detectan materiales.

El equipo de investigación utilizó rayos X sincrotrón para obtener imágenes de átomos individuales. El tamaño mínimo de muestra que se puede analizar mediante microscopía de efecto túnel de barrido de rayos X sincrotrón es el attogramo, que equivale aproximadamente a 10.000 átomos. Esto se debe a que la señal de rayos X producida por un solo átomo es tan débil que los detectores tradicionales no son lo suficientemente sensibles para detectarla. Para resolver este problema, el equipo añadió una punta metálica afilada a un detector de rayos X tradicional, que se coloca a sólo 1 nanómetro por encima de la muestra a estudiar. A medida que la punta afilada se mueve por la superficie de la muestra, los electrones pasan a través del espacio entre la punta y la muestra, creando una corriente eléctrica. Básicamente, esto detecta la "huella digital" única de cada elemento, lo que permite a los investigadores combinar la resolución espacial ultra alta de la microscopía de efecto túnel con la sensibilidad química proporcionada por la intensa iluminación de rayos X.

La tecnología puede rastrear materiales tóxicos hasta niveles extremadamente bajos, lo que permite aplicaciones en diseño de materiales y ciencias ambientales.

6. Se completó el ensamblaje y análisis del cromosoma Y humano.


El cromosoma Y es el último de los 24 cromosomas humanos en ser secuenciado. Fuente de la imagen: Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano

Esta es la primera secuencia verdaderamente completa del cromosoma Y humano y el último cromosoma humano secuenciado por completo.

Dos artículos publicados en Nature en agosto anunciaron el ensamblaje y análisis del cromosoma Y humano. Este estudio, en el que participan más de 100 científicos de todo el mundo, llena muchos vacíos en la referencia actual del cromosoma Y y aporta información sobre la evolución y variación de diferentes poblaciones.

El cromosoma Y humano ha sido difícil de secuenciar y ensamblar debido a su compleja estructura. Más de la mitad del cromosoma Y falta en el conjunto actual del genoma humano de referencia, lo que da como resultado una comprensión incompleta del cromosoma Y y limita la comprensión de su composición, complejidad y diferencias entre diferentes poblaciones. Como parte del consorcio "Telomere to Telomere", liderado por el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano y que incluye a científicos de la Universidad Johns Hopkins, la Universidad de California, Santa Cruz y otras instituciones, esta vez informó la secuencia completa de 62.460.029 pares de bases del cromosoma Y humano. Este ensamblaje corrigió múltiples errores relacionados con el cromosoma Y en el ensamblaje actual del genoma humano de referencia. También añadió más de 30 millones de pares de bases al genoma de referencia, reveló la estructura completa de múltiples familias de genes y confirmó 41 nuevos genes codificadores de proteínas.

En un artículo separado, el equipo conjunto reunió cromosomas Y humanos de 43 hombres que representan 21 poblaciones diferentes de todo el mundo. Estos resultados del ensamblaje explican con más detalle las diferencias genéticas del cromosoma Y en los 183.000 años de historia de la evolución humana. Los investigadores integrarán esta nueva visión en estudios con primates para profundizar en la evolución del cromosoma Y y analizar genes clínicamente relevantes que pueden influir en el cáncer y una variedad de otras enfermedades, ayudando así a la medicina personalizada.

7. Las redes neuronales diseñan nuevas proteínas.


Ejemplo visual de diseño de biomateriales proteicos. Crédito de la imagen: Marcus Buehler/Revista de Física Aplicada

Las proteínas siempre han sido difíciles de modelar, especialmente cuando la gente quiere "operar al revés", convirtiendo la función deseada en una estructura proteica, lo cual es un desafío difícil.

Un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts anunció en agosto que combinaría redes neuronales de atención con redes neuronales de gráficos para comprender y diseñar mejor las proteínas. El método combina lo mejor de ambos mundos, el aprendizaje profundo geométrico y los modelos de lenguaje, no sólo para predecir las propiedades de las proteínas existentes sino también para imaginar nuevas proteínas que la naturaleza aún no ha diseñado. Este nuevo modelo vuelve a ensamblar estos bloques de construcción naturales modelando los principios fundamentales que sirven como base para todo lo que la naturaleza ha inventado. Cuando el equipo entrenó el modelo, predijo la secuencia, la solubilidad y la composición de aminoácidos de diferentes proteínas en función de sus funciones. Luego, después de recibir los parámetros iniciales para la función de la nueva proteína, el modelo se volvió creativo y generó una estructura completamente nueva.

Casualmente, la empresa "Deep Thinking" también anunció este año una nueva generación de "Alpha Folding", que no sólo mejoró significativamente su precisión, sino que también amplió su alcance de predicción de proteínas a otras moléculas biológicas, incluidos los ligandos. El modelo puede predecir casi todas las moléculas del Banco de datos de proteínas (PDB) con precisión a nivel atómico.

8. El Laboratorio Espacial Nacional de China está oficialmente operativo.


El módulo experimental Wentian del módulo de visualización del ensamblaje de la estación espacial china tomado en el 14º Salón Aeronáutico de China. Foto del reportero de la agencia de noticias Xinhua, Liu Dawei.

Este año se cumple el vigésimo aniversario del éxito de la primera misión tripulada de China. El 18 de agosto, llegaron buenas noticias de la Oficina de Ingeniería Espacial Tripulada de China: el Laboratorio Espacial Nacional de China estaba oficialmente operativo y las aplicaciones espaciales se estaban llevando a cabo de manera ordenada con resultados frecuentes.

Lin Xiqiang, portavoz de China Manned Space Engineering y subdirector de la Oficina de Ingeniería Espacial Tripulada de China, dijo que las actuales instalaciones científicas experimentales de la estación espacial básicamente han completado las pruebas en órbita, la operación en órbita es estable y confiable y tiene la capacidad de llevar a cabo investigaciones científicas espaciales a gran escala. Hasta ahora, la estación espacial ha llevado a cabo más de 60 proyectos experimentales, decenas de miles de experimentos en órbita, ha obtenido casi 60 TB de datos experimentales originales y ha descargado más de 300 muestras de experimentos científicos.

Como la plataforma de experimentos espaciales tripulados más grande y de largo plazo en la historia aeroespacial de China, el Laboratorio Espacial Nacional aprovechará el entorno espacial para llevar a cabo investigaciones científicas, la mayoría de las cuales no pueden simularse en la Tierra. Los múltiples gabinetes experimentales desplegados en el Módulo Experimental Wentian, el Módulo Experimental Mengtian y el Módulo Central Tianhe llevarán a cabo miles de experimentos científicos, explorarán los misterios del universo y transformarán los logros científicos y tecnológicos incubados en aplicaciones reales para beneficiar las vidas de la gente común en la Tierra.

9. El atlas de células cerebrales humanas más completo publicado hasta la fecha


Artículo de portada de la revista "Science". Fuente de la imagen: sitio web "Science"

Con el desarrollo de la biomedicina hasta ahora, ¿en qué podemos confiar para obtener una nueva comprensión de la identidad de la especie humana? Una respuesta es la ciencia del cerebro.

En octubre, se publicaron simultáneamente 21 artículos en las revistas estadounidenses "Science", "Science Advances" y "Science Translational Medicine", anunciando y explicando el mapa de células cerebrales humanas más completo hasta la fecha. Esta serie de estudios en los que participan científicos de muchos países ha revelado las características de más de 3.000 tipos de células cerebrales, lo que ayudará a comprender en profundidad la singularidad del cerebro humano y avanzar en la investigación sobre enfermedades cerebrales y capacidades cognitivas. El sitio web "Nature" citó a Anthony Hannan, un experto del Instituto Florey de Neurociencia y Salud Mental de Australia, diciendo que esta serie de estudios ha mapeado el cerebro humano a nivel unicelular por primera vez, mostrando sus complejas interacciones moleculares y sentando las bases para una mejor comprensión del cerebro humano.

Entre ellos, el equipo de la neurocientífica Kimberly Siletti del Centro Médico de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos realizó una secuenciación de ARN (ácido ribonucleico) en más de 3 millones de células que cubren 106 ubicaciones del cerebro humano. El análisis registró 461 categorías principales de células cerebrales, incluidos más de 3.000 subtipos. Las investigaciones han demostrado que las neuronas, las células que envían y reciben señales en el cerebro y el sistema nervioso, varían mucho en diferentes partes del cerebro. En particular, la región del tronco encefálico que conecta el cerebro con la médula espinal contiene una cantidad particularmente grande de tipos de neuronas. Esta diferencia revela diferentes funciones e historias de desarrollo. Se trata de un análisis granular sin precedentes de la estructura organizativa del cerebro humano desde el nivel de una sola célula, incluido el cerebro adulto y el cerebro humano en desarrollo durante la etapa embrionaria. Identifica y representa la asombrosa diversidad de tipos de células cerebrales humanas y proporciona pistas para comprender los mecanismos de las enfermedades mentales y neurológicas humanas.

10. Los modelos de lenguaje a gran escala se actualizan continuamente de forma iterativa.


Gemini puede manejar texto, audio y video. Fuente de la imagen: Google Inc.

2023 es el “Año de la Inteligencia Artificial Generativa”.

Este año, el rendimiento de GPT-4 se consideró "comparable al de los humanos". Aproximadamente cuatro meses después del lanzamiento del chatbot ChatGPT, OpenAI, la compañía detrás de ChatGPT, anunció el lanzamiento oficial de GPT-4, una tecnología de próxima generación más potente que admite ChatGPT. Tiene capacidades de reconocimiento de imágenes, habilidades de razonamiento avanzadas y la capacidad de procesar 25.000 palabras, y su rendimiento no es menor que el de los humanos en algunas pruebas.

El 6 de diciembre, Google anunció el lanzamiento de un nuevo modelo de inteligencia artificial llamado Gemini, afirmando que el modelo funcionó mejor que el modelo GPT-4 y los humanos de "nivel experto" en una serie de pruebas de inteligencia. Google afirma que la versión Pro de gama media de Gemini supera a otros modelos, como el GPT3.5 de OpenAI, pero el Ultra, más potente, supera las capacidades de todos los modelos de IA existentes. Obtiene una puntuación del 90% en el punto de referencia MMLU estándar de la industria, mientras que se espera que los humanos "expertos" alcancen el 89,8%. Es la primera vez que una inteligencia artificial supera a los humanos en la prueba y es la puntuación más alta entre los modelos existentes.

La prueba implica una serie de preguntas difíciles que incluyen falacias lógicas, cuestiones éticas en escenarios cotidianos, cuestiones médicas, económicas y geográficas. En la misma prueba, GPT-4 obtuvo una puntuación del 87%, LLAMA-2 obtuvo una puntuación del 68% y Claude2 obtuvo una puntuación del 78,5%. Gemini superó a todos estos modelos en 8 de 9 otros puntos de referencia comunes.