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Caltech Remembers Frank Press (1924–2020)

加州理工学院地震实验室前主任Frank Press于1月29日去世,享年95岁。

普莱斯从1955年开始担任加州理工学院地球物理学教授10年,从1957年到1965年管理地震实验室,后来担任吉米·卡特总统的首席科学顾问,然后担任美国国家科学院(NAS)主席12年。他帮助开发了创新的地震学定量方法,将计算机技术引入该领域,帮助监测和测量地震。

普莱斯1924年出生于布鲁克林。1944年,他在纽约城市学院获得学士学位;1946年获哥伦比亚大学硕士学位,1949年获哥伦比亚大学博士学位;然后在哥伦比亚大学任教。1955年,普莱斯被罗伯特·p·夏普(Robert P. Sharp,理科学士,理科硕士,35岁)聘为加州理工学院地质科学部主任。

在同事们的印象中,Press是一位认真、杰出的研究人员,他积极推动新项目和新方法。他来到加州理工学院的时候,地震学实验室正被三个地震学巨匠统治着:查尔斯·里克特(Charles Richter,博士,’ 28年),伯诺·古登堡(Beno Gutenberg),雨果·贝尼奥夫(Hugo Benioff,博士,’ 35年)。自1946年以来,古登堡一直是该实验室的主任,他与里希特一起创建了一个描述地震强度的对数尺度。雨果·贝尼奥夫设计了一个简单、可靠、灵敏的应变地震仪,它可以测量地球非常细微的长周期运动,后来成为普雷斯在加州理工学院的贡献的关键。

"是加州理工学院的地震实验室,在Frank加入该实验室时,它已经成为地震研究领域无可争议的领导者。

Seismo Lab地震实验室,1956年。从左至右:Frank Press, Beno Gutenberg, Hugo Benioff, Charles Richter。从左至右:Frank Press, Beno Gutenberg, Hugo Benioff, Charles Richter

在哥伦比亚大学,出版社和地球物理学家莫里斯·尤因(Maurice Ewing)开发了Press-Ewing地震仪,该地震仪的设计出版社后来在加州理工学院得到改进。它最终在他对超长周期地幔波和自由振荡的开创性研究中起到了关键作用。

" Press在1983年的一次采访中说,在他来到加州理工学院的两年内,他被任命为古登堡的继任者,担任地震学实验室的主任。":科学在进步,而我只是简单地利用实验室的资源和我在政府部门开发的资源,引进新的人和新的技术。这意味着计算机;这意味着新型地震仪的出现;这意味着更多的野外勘探。我必须说,我对研究生的态度是不同的。我把研究生当作同事:我把最好的问题给他们做,并鼓励他们

加州大学洛杉矶分校地球物理学荣誉退休教授David Jackson (BS ‘ 65)说,"Frank非常乐于助人,几乎总是对我和其他学生敞开大门。1961年,他还是加州理工学院的一名新生时就认识了Press。"当时我就像我的许多同学一样不知所措,我需要很多建议,从如何在没有车的情况下去地震实验室,到如何处理加州理工学院的压力和科学事业,再到如何减少世界各地的痛苦。我向弗兰克提出任何问题,他都能提供深刻的建议

当Press在地震实验室工作的时候,两次有记录以来最大的地震发生了:1960年智利的9.4-9.6级瓦尔迪维亚地震和1964年阿拉斯加的9.2级地震。

瓦尔迪维亚地震允许贝尼奥夫、新闻和斯图尔特•史密斯(博士& # x27; 61)明确观察和测量地球的"ringing",所谓的自由振荡,第一次理论大地震可能导致地球像一个铃已经存在自19世纪以来,但瓦尔迪维亚地震提供了第一个明确测量的现象。

古尼斯说,这是地球物理学最具开创性的成就之一,可以用来观测地球的大规模结构。这一发现使我们首次直接限制了我们这个星球的核心和地幔的密度变化,从而使地球物理学家能够更精确地确定这个星球的构成

Frank Press学分:提供加州理工学院档案图像Lightbox Frank Press学分:提供加州理工学院档案下载完整图像

Press和他的同事们还通过研究铃声作为时间的函数,确定了地震的能量是如何通过地球消散的。除了1964年的阿拉斯加地震,1960年的智利地震也使科学家们更好地了解了后来被称为大地震的地震的性质

在20世纪50年代和60年代,随着冷战达到白热化,像Press这样的地震学家开始使用地震检波器来探测和测量核爆炸。1960年,普莱斯率领美国代表团参加了在日内瓦举行的禁止核试验会谈。

在帕萨迪纳呆了10年后,Press离开加州理工学院去了麻省理工学院。他离开加州理工学院的时候,正好赶上了当时的研究员金森博夫(Hiroo Kanamori)的到来。金森博夫从1990年到1998年担任地震实验室的主任。

"“相当有趣的是,当我到达加州理工学院的时候,我拿到了Press在北马德大楼的办公室,门上还挂着他的名牌。”虽然弗兰克已不在地震实验室,但他对研究气氛的影响是相当明显的

从1977年到1981年,普莱斯担任吉米·卡特总统的科学和技术政策办公室主任,促进国际科学合作,然后成为美国国家科学院院长,直到1993年。1994年获国家科学奖章。那一年,他还碰巧以仙童奖学金(Fairchild Scholar)的身份回到了加州理工学院的校园,正好赶上了北岭6.6级地震。他告诉我,在他担任地震学实验室主任期间,他没有感觉到任何强烈的震动,这可能是他第一次体验强烈的地面震动。

普莱斯获得了30个荣誉学位,在南极洲有一座山以他的名字命名。他有两个孩子,两个孙子,两个曾孙。

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Kornfield and Vahala Inducted into National Academy of Engineering

Julia Kornfield (BS '83), Elizabeth W. Gilloon化学工程教授,和Kerry Vahala (BS '80, MS '81, PhD '85), Ted和Ginger Jenkins信息科学技术和应用物理学教授,被选为国家工程学院(NAE)。NAE的会员资格被认为是工程师的最高职业荣誉之一。

科恩菲尔德的研究重点是了解聚合物的分子结构是如何产生聚合物的。宏观性质。她的研究开发出了一种喷气燃料添加剂,可以降低事故或恐怖活动中爆炸的强度。她是美国科学促进会和美国物理学会的会员,并获得了流变学会的宾厄姆奖章和美国物理学会的狄龙奖章。

瓦哈拉研究光学微谐振器,这是一种小型设备,可以捕获光波并使其像在跑道上一样循环。这些微谐振器在频率测量、光谱学、天文学和通信领域都有应用。瓦哈拉还参与了现代通信激光技术的研究和开发。他是美国光学学会和电子电气工程师学会的会员。他还因为在量子阱半导体激光器方面的工作获得了IEEE David Sarnoff奖。

NAE今年选举了87名成员和18名国际成员。新成员包括加州理工学院校友、斯坦福大学计算机科学教授李菲菲(MS ‘ 02, PhD ‘ 05);麻省理工学院应用数学教授、加州理工学院杰出校友Peter W. Shor (BS ‘ 81);马克·e·汤普森(1986年博士),南加州大学化学与材料教授。国际成员包括Verity Studios首席执行官Raffaello D ‘ andrea(92年毕业,97年获得博士学位)和新加坡南洋理工大学名誉校长苏冠宁(72年毕业)。

新当选的班级将于10月4日在华盛顿特区举行的学术年会上正式加入NAE。

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Charles Elachi to Receive National Air and Space Museum Trophy

查尔斯Elachi(博士& # x27; 71),电气工程和行星科学教授,名誉,加州理工学院,已经选择接受终身成就奖的2020年迈克尔·柯林斯奖杯,奖杯的史密森# x27;年代国家航空航天博物馆"outstanding航天科技领域的成就和他们的历史。"今年为阿波罗11号指挥舱飞行员迈克尔·柯林斯重新命名。

从2001年到2016年,Elachi担任喷气推进实验室(JPL)主任,监督了20多个任务,包括几个地球勘测任务;卡西尼号的土星之旅和朱诺号的木星之旅;黎明小行星探测任务;还有三架火星漫游者:精神号、机遇号和好奇号,好奇号目前仍在火星上漫游。

"是一个有灵感的选择,加州理工学院院长托马斯·罗森鲍姆说。他的贡献从有影响力的技术发展到喷气推进实验室无与伦比的领导地位,再到太空探索在国际舞台上的体现。我们和史密森尼学会一起庆祝查尔斯的成就

出生于黎巴嫩的埃拉奇拥有许多工程和科学学位。1968年,他在法国格勒诺布尔大学获得了物理学学士学位,并在同年在格勒诺布尔理工学院获得了工程学硕士学位。他分别于1969年和1971年在加州理工学院获得了电子科学硕士和博士学位,并于1978年在南加州大学获得了工商管理硕士学位,1983年在加州大学洛杉矶分校获得了地质学硕士学位。

1971年,他开始在加州理工学院任教,同时还在喷气推进实验室(JPL)担任多个管理职位。在Elachi成为喷气推进实验室主任之前,他领导了一个团队,率先使用太空雷达成像地球和行星,并担任美国宇航局的一些研究和飞行项目的首席研究员。1994年,他成为喷气推进实验室空间与地球科学项目的主任。

Elachi其他奖项的获得者,包括航空周刊终身成就奖(2016),贝鲁特美国大学荣誉博士学位(2013),美国国家工程院Arthur m . Bueche奖(2011),骑士de la军团d # x27; Honneur从法兰西共和国(2011年),美国航空航天研究所卡尔·萨根奖(2011)、英国伦敦皇家学会梅西奖(2006),在黎巴嫩的香柏树(2006和2012),国际冯·卡门翼奖(2007年)、美国宇航学会太空飞行奖(2005年)、美国航空航天局杰出领导奖章(2004年、2002年、1994年)和美国航空航天局杰出服务奖章(1999年)。

他还参加了几次在埃及沙漠、阿拉伯半岛和中国西部沙漠的考古探险,利用卫星数据寻找古老的贸易路线和被掩埋的城市。

Elachi将于3月26日在博物馆举行的仪式上被授予迈克尔·柯林斯奖杯。

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Poop Matters: Making the Mouse Gut Microbiome More Human-Like

越来越多的人认为,肠道菌群与生理和心理健康的许多方面有关,包括帕金森病、多发性硬化症,甚至一些行为。特别是小肠的微生物群可能对人体健康产生重要影响,因为大多数营养物质和药物都是在这个部位被人体吸收的。为了研究肠道微生物,研究人员通常使用小鼠和大鼠,因为这些动物很容易照顾,繁殖速度快,而且与人类有许多生物学上的相似之处。但是人类和这些动物之间有很大的区别。一个这样的区别——实验室啮齿动物吃自己粪便的倾向——可能会对小肠微生物组的研究产生重大影响。

在发表在《微生物》杂志上的一项研究中,研究人员在实验室的Rustem Ismagilov,加州理工学院# x27; s埃塞尔威尔逊鲍尔斯和罗伯特·鲍尔斯教授化学和化学工程与雅各布斯分子工程研究所主任医学表明,标准实验室老鼠(使用它们的排泄物)可能有重要的差异在小肠微生物群与人类。

研究社区已经知道了几十年,实验室啮齿动物粪便消费,这种做法被称为粪食性,但是没有理解的是,这个活动如何影响条件在小肠内,说Bogatyrev说,加州理工学院博士后学者在化学工程和该研究的第一作者。

":大多数研究人员还认为,把老鼠安置在铁丝地板上,让粪便排出体外,可以解决食粪问题。然而,老鼠很擅长吃便便,他说,所以我们怀疑金属地板可能不是那么有效

在这项研究中,Bogatyrev和他的同事研究了实验室小鼠小肠内的微生物群落,看看当这些小鼠被阻止食用自己的粪便时,微生物群落和它的功能是否不同,以及这样做是否会使这些实验室小鼠更像人类。

为了找到答案,研究小组给老鼠安装了"尾巴杯,也就是6035型的老鼠尿布。并防止他们食用它。当研究人员分析这些换尿布小鼠的肠道内容物和微生物群落时,他们发现这些小鼠的小肠与标准小鼠相比有显著差异。

可以预料,与换尿布的老鼠相比,吃便便的老鼠有更高的微生物量(大约100倍),大肠(和粪便)的微生物群,以及小肠中不同的胆汁酸。然而,他们的肠道与那些患有微生物过度生长疾病的人的肠道相似,比如小肠细菌过度生长(SIBO),它会导致腹泻和体重下降。相比之下,不吃自己粪便的小鼠小肠内的情况与健康人小肠内的情况更为相似。

Bogatyrev将粪便细菌通过coprophagy "self-reinoculation带入小肠的过程称为coprophagy "self-reinoculation。"通过食用自己的粪便,小鼠将大肠中的细菌重新引入小肠,改变了上消化道的条件和微生物群落。

Bogatyrev和他的同事们并没有试图去确定自我再调节是如何影响涉及老鼠的研究的,但是他们怀疑如果老鼠模型的消化系统表现得不像人类,那么这将会对许多研究领域产生广泛的影响。

其中一个领域可能是饮食研究,他说。"如果你的小肠里有更多的微生物,这反过来又会影响那里的胆汁酸成分,饮食中的营养物质可能会被不同的人吸收。例如,脂肪。另一个领域可能涉及益生菌和肠道微生物生态学。因为你不知道益生菌是如何被动物自己重新引入肠道的,所以在控制给药方案中,自我再调节可能会导致不一致的结果

Bogatyrev补充说,coprophagy的另一个重要领域可能是药物研究。研究人员在临床前的模型中使用了啮齿类动物,给药的药物通常被小肠吸收,在那里它们可能受到小肠微生物群的影响。

"虽然有一种认识,即粪便菌群和代谢物的自我重新调节可能是一个问题,它可能会影响一些研究结果,但我们还不知道它有多重要。Bogatyrev说,这项工作表明,自我再调节的影响需要经过严格的测试,这为未来的研究提供了大量的机会。

这项名为“"与粪便菌群的自我再融合改变了小鼠小肠内的微生物群密度和组成,从而改变了小鼠小肠内的胆汁酸分布”的研究发表在2月12日的《微生物组》杂志上。合著者包括Ismagilov和化学工程博士后学者Justin Rolando。

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Four Faculty Members Receive Sloan Research Fellowships

四名加州理工学院的教员获得了著名的斯隆2020年研究奖学金:应用物理与材料科学助理教授史蒂夫•纳德-佩尔奇;生物学助理教授、陈学者;生物学和生物工程助理教授约瑟夫·帕克;还有经济学和数学教授欧默·塔慕斯。

斯隆基金会(Alfred P. Sloan Foundation)颁发的"奖学金旨在鼓励早期有杰出前途的职业科学家和学者进行基础研究。每年,斯隆基金会都会向126名研究人员提供奖学金;今年,获奖者将获得7.5万美元的奖金。

Stevan Nadj-Perge研究由只有几个原子厚度的新材料制成的纳米器件的量子电子特性。这种装置为探索亚纳米尺度的奇异电子态提供了一个平台,将来可能用于存储量子信息。在他的研究中,他使用了扫描、隧道显微镜和低温下的电输运测量技术。最近,Nadj-Perge和他的团队在"magic angle"处对石墨烯双分子层进行了成像,两个单原子厚度的碳片被放置在一个特定的方向上,产生了不同寻常的电特性,比如相关的绝缘状态和超导性。

Nadj-Perge博士毕业于代尔夫特理工大学。他于2016年加入加州理工学院。

Yuki Oka研究大脑和身体如何协同工作来维持身体内部环境,这一过程被称为体内平衡。Oka实验室最近发表了一系列论文,以老鼠为模型生物,描述了哺乳动物的大脑如何检测内部脱水并驱动口渴,大脑中口渴处理的神经基础,以及盐的欲望和饱足的神经机制。

冈冈在东京大学获得博士学位,并于2014年加入加州理工学院。奥卡是加州理工学院天桥和Chrissy Chen神经科学研究所的附属教员,也是纽约干细胞基金会罗伯逊研究员。

约瑟夫·帕克利用甲虫(葡萄虫科)和它们与蚂蚁的关系作为一个独特的模型系统,来了解不同生物之间相互作用的机制。他的工作揭示了分子和细胞现象,这些现象决定了动物如何感知和与其他生物交流,并进化形成新的社会关系。他和他的团队发现,蚁甲虫共生关系在葡萄球菌科中进化了不止一次,而是多次独立进化,往往导致在广泛分离的谱系中出现极为相似的适应性变化。帕克的实验室正在探索这个戏剧性的趋同进化的例子,以理解复杂的进化变化是如何在生命之树中反复出现和可预见的。

帕克在剑桥大学获得博士学位。他于2017年加入加州理工学院。帕克是加州理工学院天桥和Chrissy Chen神经科学研究所的附属教员。

欧默·塔慕斯研究概率、动力学和群体理论,以及它们在微观经济理论中的应用,包括信息、风险和不确定性。最近,他和合作者发表了一项研究,描述了在考虑背景不确定性时的风险评估。

Tamuz在魏茨曼科学研究所获得博士学位。他于2015年加入加州理工学院。

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Inspired by Science Fiction and Symmetry

2月4日,Sylvester James "Jim" Gates, Jr.,一个理论物理学家,作家,教师,前加州理工学院博士后学者,在校园里做了一个关于多样性,科幻灵感,以及他对超对称性的长期热情的演讲,超对称性是一种描述自然基本运作的理论。

盖茨目前是布朗大学的福特基金会物理学教授。他以前曾在总统# x27;科学技术顾问委员会,在巴拉克•奥巴马# x27;总统,,从1984年到2017年,举办教师和马里兰大学的董事职位,大学公园,在那里,1998年,他成为第一个非裔美国人举行赋予椅子主要大学物理。他在麻省理工学院获得了两个学士学位(数学和物理)和物理学博士学位,从1980年到1982年,他是加州理工学院物理、数学和天文学部门的博士后学者(他是该部门的第一个黑人博士后)。2001年至2002年,他还担任加州理工学院的客座教授。

在他题为"From SyFy &从惊奇到超弦理论、进化论CMB,"盖茨谈到了他的童年,以及是什么激发了他对科学的兴趣,也就是像《星际迷航》这样的科幻系列电影,还有电影《太空之路》,他说自己在四岁的时候就受到了启发,尽管这部电影实际上是",非常糟糕

盖茨就读于佛罗里达州一所实行种族隔离的高中,他说,在那个时代,黑人孩子是不允许进入科学大学的。他说:“尽管我14岁时就梦想着去麻省理工学院……但我觉得自己永远都不会有这样的机会了。”最终,他意识到自己的命运已经发生了转变,他解释说,"1969年是大多数机构开始认为像我这样的人来他们学校上学是可以的第一年

在他的演讲中,盖茨强调了科学多样性的价值:如果你允许一个多样化的委员会从事严谨的学术和智力研究,他说,他们中的一些人将会在他们的观点中成为局外人。它们很可能产生独特的解决方案。并不是说他们一定更聪明,只是他们会变得不同。从这些广泛的可能的解决方案中,你有更好的机会解决问题。这就是为什么多样化很重要

盖茨回忆说,在来加州理工学院之前不久,他曾申请成为美国国家航空航天局(NASA)的宇航员。尽管他没有得到这份工作,但结果证明这是件好事,因为他在加州理工学院获得了一个职位,与诺贝尔奖得主理查德•费曼(Richard Feynman)和默里•盖尔曼(Murray Gell-Mann)在同一个团队工作。他在加州理工学院最大的支持者是约翰•施瓦茨(John Schwarz),他是哈罗德•布朗(Harold Brown)理论物理学教授,退休后成为超对称性的先驱,超对称性是现代弦理论的基础。弦理论的目标是将微观的量子领域与宏观的引力世界结合起来。

时至今日,盖茨仍在试图回答施瓦茨和其他人提出的关于空间和时间基本结构的相同问题。他和同事迈克尔•福克斯(Michael Faux)开发了超对称方程的图形表示(他们称之为"Adinkra,即以西非符号命名的")。他和他的同事们也在研究超对称性可能在宇宙微波背景中留下印记的方式,或者是大爆炸遗留下来的辐射。

盖茨写过几本书,包括最近出版的《证明爱因斯坦是正确的:改变我们看待宇宙方式的大胆探险》(Einstein Right: the Daring that Changed How We Look at the Universe)。

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Hidden Donors Play Significant Role in Political Campaigns

加州理工学院的一项新研究表明,在政治竞选活动中,所谓的“隐形捐款人”——那些捐款少于200美元的捐款人——可以构成候选人竞选资金的相当一部分。

这项研究发表在《选举法杂志》(Election Law Journal)上,专门研究了伯尼·桑德斯(Bernie Sanders) 2016年的总统竞选活动。与当时的许多竞选活动不同,桑德斯使用了一种名为ActBlue的中间网络筹款服务,这意味着小额捐款必须上报给联邦选举委员会(Federal Election Commission,简称FEC)。一般来说,单个捐赠者的捐款总额不超过200美元就不需要申报,但对于中间的筹款服务,规定更为严格。

加州理工学院政治学教授、这项新研究的主要作者迈克·阿尔瓦雷斯(Mike Alvarez)说:“这个数字可能看起来很小,但我们一直想知道加起来是多少。”直到最近,我们还没有数据来问这个问题

在这项研究中,研究人员筛选并分析了超过1亿份捐款记录,结果显示,2016年桑德斯竞选活动的全部资金中,小额捐款占33%。更重要的是,隐藏的捐赠者比可见的多七倍。

":奥瓦雷兹说,这句话的意思是,草根阶层努力从成千上万的人那里筹集资金是政治家竞选活动的重要组成部分。

即将成为美国大学(American University)教授的加州理工学院(Caltech)研究生金绍荣(Seo-young Silvia Kim)负责数据分析,从联邦选举委员会的数据库中下载了大量个人捐款记录。起初,她开始关注许多竞选活动,但后来她意识到,ActBlue捐赠的不同规则导致报告的捐款较少。

仅在2016年的选举周期中,所有竞选活动的个人捐款记录就超过了113.3万份,超过1亿份。但是要理解这些数据,你必须深入挖掘原始数据,而不仅仅是它的摘要。就在那时,我注意到中介委员会报告捐款的方式与通常的委员会不同

很难把所有这些信息拼凑在一起,阿尔瓦雷斯说。这些数据不是没有就是很难获得。西尔维娅是一位才华横溢的数据科学家。她把许多数据集连接在一起,这不是件容易的事

结果还表明,隐藏的捐款人对竞选活动的捐助相对较晚,而且他们往往是学生、女性和少数民族。

研究人员计划对2020年的选举进行类似的研究,随着在线筹款平台的使用越来越多,他们将能够追踪桑德斯和其他候选人的小额竞选捐款。

"的作者之一、加州理工学院社会科学和统计学教授乔纳森·卡茨说:“"在政治中非常重要,但之前所有关于竞选资金的研究都局限于相对较大的捐款人,这导致了对这一重要政治活动的歪曲。”考虑到技术上的变化,这些较小的捐助者变得越来越多,也越来越重要了

《选举法》杂志的这项研究题为《"隐藏的捐助者:美国联邦竞选资金数据的审查问题》

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Vilcek Foundation Prize Awarded to Viviana Gradinaru

神经科学和生物工程教授Viviana Gradinaru (BS ‘ 05)被提名为2020年维尔切克基金会生物医学科学创新承诺奖的获得者之一,这是一个表彰杰出的早期到中期职业移民生物医学科学家的奖项。格拉迪纳鲁是美国传统医学研究所研究员,加州理工学院天桥和Chrissy Chen神经科学研究所分子和细胞神经科学中心主任。

点击这里查看Vilcek基金会关于Gradinaru职业生涯的简介:https://vilcek.org/prizes/ents/viviana -gradinaru/

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Lecture: “More Than Pretty Pictures”

Felice Frankel是一位获奖的科学摄影师和研究科学家,他的照片曾出现在《科学美国人》、《自然》和《今日物理学》的封面上。弗兰克尔是麻省理工学院化学工程系的一名研究科学家。她于1994年加入麻省理工学院。

在她的演讲中,"More Than Pretty Pictures, "frankel将描述科学的视觉表征如何以文字无法表达的方式进行交流。她将讨论她创作科学和工程作品的方法——包括成功和失败——还将考虑当"增强"的科学图像时一个人能走多远。

该活动由地质与行星科学部主办,是Caltech-Huntington视觉文化项目的一部分,该项目由Andrew W. Mellon基金会资助,并设人文与社会科学部。

有关演讲的更多信息可以在活动日历页面中找到。

访问Felice Frankel的网站,了解更多关于她的信息,以及她的图片画廊。

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Ultrasound Can Selectively Kill Cancer Cells

一项新技术可能为对抗癌症提供一种有针对性的方法:低强度的超声波脉冲已被证明可以选择性地杀死癌细胞,同时不伤害正常细胞。

超声波——一种频率比人类所能听到的频率还高的声波——以前曾被用作癌症治疗,尽管是一种宽泛的方法:高强度的超声波可以加热组织,杀死目标区域的癌症和正常细胞。现在,科学家和工程师们正在探索使用低强度脉冲超声(LIPUS)来创造一种更有选择性的治疗方法。

1月7日发表在《应用物理快报》上的一项研究描述了这种新方法在细胞模型中的有效性。这项工作背后的研究人员提醒说,这项研究还处于初级阶段,还没有在活体动物身上进行测试,更不用说在人类身上了,还有几个关键的挑战有待解决,但迄今为止的结果是有希望的。

研究始于五年前当加州理工学院# x27;迈克尔·奥尔蒂斯,弗兰克和奥拉李大理石航空机械工程教授,发现自己考虑是否癌细胞和健康之间的物理差异cells-things像大小、细胞壁厚度和大小可能某内细胞器的影响当受到声波振动和振动可能引发癌症细胞死亡。":我有灵感的时刻," Ortiz苦笑着说。

Gharib-Ortiz-Shapiro(左至右)加州理工学院首席研究员莫里·加里布,迈克尔·奥尔蒂斯,和米克尔·夏皮罗Mikail Shapiro下载完整图片

因此Ortiz建立了一个数学模型来观察细胞对不同频率和声波脉冲的反应。2016年,Ortiz和当时的研究生Stefanie Heyden(博士,14岁)一起在《固体力学和物理杂志》上发表了一篇论文,指出所谓的癌症细胞和健康细胞的共振增长率存在差距。这一差距意味着,从理论上讲,一种经过精心调音的声波可以导致癌细胞的细胞膜振动到破裂的程度,而健康细胞却毫发无损。Ortiz将这一过程命名为"oncotripsy",源于希腊语oncos(表示肿瘤)和tripsy(表示破坏)。

结果令Ortiz兴奋不已,他通过加州理工学院的Rothenberg创新计划(RI2)申请并获得了继续研究的资金。RI2是由已故加州理工学院受托人Jim Rothenberg和他的妻子Anne Rothenberg发起的捐赠项目,用于支持具有高商业潜力的研究项目。Ortiz还招募了博士生Erika F. Schibber (MS ‘ 16, PhD ‘ 19)参与这个项目,她的研究涉及到卫星振动的研究。

奥尔蒂斯随后邀请了航空和生物工程教授莫里·加里布(Mory Gharib, 1983年博士)参加他的研究小组会议。Gharib是一位多产的发明家,他领导了从实验室到市场的无数研究发展。例如,今年7月,他设计的一款人造聚合物心脏瓣膜首次植入人体,他还开发了一款监测心脏健康的智能手机应用;自2012年以来,他设计的用于预防青光眼相关失明的眼部植入物已经植入了50多万患者的眼睛。

出于对这个项目的兴趣,Gharib向他的一个顾问David Mittelstein提出了这个想法。作为加州理工学院和南加州大学凯克医学院(Keck School of Medicine of USC)的医学博士项目的一名研究生,Mittelstein已经在与Gharib合作研究上述的假体聚合物瓣膜。但是,在oncotripsy项目中,他看到了参与研究从理论概念到概念证明的机会。

Mittelstein David Mittlestein图像灯箱Mittelstein David Mittlestein下载完整图像

"Mory和Michael真的让我在这个项目中起了带头作用,设计和建造方法来在现实世界中测试Michael的理论,"说,他将在2月中旬在加州理工学院为他的论文答辩,然后回到南加州大学完成他的医学学位。

Mittelstein组建了一个团队来处理这个项目,聘请了加州理工学院化学工程教授、超声波专家米哈伊尔·夏皮罗。夏皮罗最近设计了一套系统,使超声波可以揭示体内的基因表达,还设计了一种可以反射声波的细菌,这样人们就可以通过超声波来追踪声波在体内的传播。

在夏皮罗的实验室里,Mittelstein开始对一种常见的肝癌——肝细胞癌进行各种频率和脉冲的超声波检测,并测量结果。

与此同时,加州理工学院理事Eduardo a . Repetto(98年博士)将Ortiz介绍给Peter P. Lee,他是Duarte市癌症和研究中心“希望之城”免疫肿瘤学系主任。作为一名医生兼科学家,李热衷于为病人提供新的治疗方法。当我听说它的时候,我觉得它很有趣,如果它成功了,那将是治疗癌症的革命性方法。其他“希望之城”的研究人员,包括博士后叶建(音)和肿瘤学家m·霍曼·费克拉扎德(M. Houman Fekrazad)也加入了这个项目。

Ye and Lee/City of Hope(从左至右)建业和希望之城的彼得·p·李:Eliza Barragan博士/希望之城影像灯箱Ye and Lee/City of Hope(从左至右)建业和希望之城的彼得·p·李:Eliza Barragan博士/希望之城下载完整图像

在安进公司和加州希望城生物医学研究计划的额外资助下,Mittelstein在希望城建立了一个试验性的仪器,以模仿加州理工学院的仪器,使他的同事不必在杜阿尔特和帕萨迪纳之间来回运送样品,就可以测试样品。随着时间的推移,Lee和他在希望之城的团队扩大了正在测试的癌细胞系的范围,从人类和老鼠身上提取的样本包括结肠癌和乳腺癌。他们还测试了多种健康的人体细胞,包括免疫细胞,以检查治疗如何影响这些细胞。

李博士说,他们希望超声波能以一种特殊的方式杀死癌细胞,同时激活免疫系统,让它攻击治疗后残留的癌细胞。

"癌症细胞是很不均匀的,即使在一个单一的肿瘤内," Lee解释说,所以几乎不可能找到一个范围的超声波设置,可以杀死每一个癌细胞。这将留下可导致肿瘤再生的存活细胞

人体每天有超过5000万个细胞死亡。这些死亡大多发生在细胞衰老并通过凋亡自然死亡的过程中。然而,有时细胞会因感染或损伤而死亡。一个健康的免疫系统可以区分细胞凋亡和损伤之间的区别,忽略前者,而冲向后者,攻击任何入侵的病原体。

如果超声波可以被用来造成细胞死亡,而不是被身体的免疫系统识别为损伤,而不是凋亡,这可能会导致肿瘤部位充满了白细胞,从而攻击剩余的癌细胞。

Schibber Erika F. Schibber图像灯箱

到目前为止,所有的测试都是在培养皿的细胞培养中进行的,但是加州理工希望之城的团队计划将测试扩展到实体肿瘤,并最终扩展到活体动物。回到Ortiz实验室,Schibber利用实验室测试的结果来完善数学模型,更深入地挖掘以确保研究人员确切地了解声波是如何杀死癌细胞的。

"说:“我们对不同的癌细胞如何在许多次的失调周期中振动和维持损伤有了更多的了解,这个过程我们称之为‘细胞疲劳’。”在夏皮罗的实验室里,Mittelstein发现微小气泡的形成(一种称为空化的过程)也会造成一些损害。总之,这些发展为理解实验中观察到的趋势提供了概念基础。

Mittelstein希望在他的论文答辩后继续参与这个项目,但最重要的是,他渴望看到研究的继续,希望有一天能找到有效的癌症治疗方法。

"这是一种令人兴奋的新癌症治疗的概念证明,它不需要癌症有独特的分子标记或与健康细胞分开定位作为目标。相反,我们可以根据癌细胞独特的物理特性来定位它们,",他说。

《应用物理快报》的论文题为"低强度脉冲超声选择性消融癌细胞。"的合著者包括加州理工学院本科生Ankita Roychoudhury和Leyre Troyas Martinez,后者是加州理工学院夏季本科生研究奖学金(SURF)的本科生。

上图:一个死亡的癌细胞(红色)旁边是健康的非癌细胞(绿色)。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.caltech.edu/about/news/ultrasound-can-selectively-kill-cancer-cells