For mange av oss utløste pandemien sentrale endringer. Og Magdelena S. Allen var intet unntak.
Allen vokste opp i Portland, Oregon, og ønsket å lære om alt. Hun elsket stjernekikking og naturvitenskap, men hun var også interessert i jus og skriving. Foreldrene hennes, som hjemmeunderviste henne og søsteren frem til videregående, var ekstremt støttende for hennes forskjellige interesser. “Men det jeg alltid kom tilbake til var vitenskap,” sier hun.
Allen var utdannet astrofysiker og fullførte sin lavere grad ved University of California i Berkeley. Hun tilbrakte deretter et år med internering ved fysikkforskningslaboratorier rundt om i landet, inkludert Fermi National Accelerator Lab, Brookhaven National Lab og Marshall Space Flight Center ved NASA.
Høsten 2019 startet Allen sin doktorgrad i Nuclear and Particle Experiment Division ved MITs fysikkavdeling, og studerte kosmiske stråler med professor Samuel CC Ting. Hun brukte tiden sin på å analysere data fra Alpha Magnetic Spectrometer, en kosmisk stråledetektor som sitter på den internasjonale romstasjonen.
Rundt den tiden begynte Allen også i MIT Emergency Medical Services (EMS), etter å ha hørt om det fra en venn som var involvert et par år tidligere. “Det startet som det jeg trodde ville være noen timer i uken og tok raskt over livet mitt på best mulig måte,” sier hun.
Da pandemien rammet våren 2020 og MIT-samfunnet forsøkte å spre seg fra campus, var Allen en av få MIT EMT-er som ble igjen. Hun hjalp til med å holde ambulansen i tjeneste 24/7, og betjente MIT så vel som det bredere Cambridge- og Boston-samfunnet. “Jeg endte opp med å bruke over tusen timer på tjenesten” bare dette studieåret, sier hun.
Å bruke så mye tid på pasientbehandling ansporet hennes interesse for pasientresultater. Og det fikk henne til å tenke på sine langsiktige karrieremål. “Jeg hadde min eksistensielle krise i den perioden – som vi alle gjorde,” sier hun med en latter. Mens hun elsket forskningen sin i grunnleggende fysikk, ønsket hun å ha en mer direkte innvirkning på mennesker.
Allen begynte å lete etter forskningsgrupper som jobber med biomedisinsk utstyr. I januar 2021 ble hun med i et nytt forskningsprosjekt for å bygge hjerneavbildningsmaskinvare, som bruker teknologi som ligner på noen grunnleggende fysikkeksperimenter. Hun jobber nå i skjæringspunktet mellom fysikk og medisinsk forskning, med veiledning av professor Ciprian Catana ved Harvard University ved Integrated MR-PET Laboratory ved Massachusetts General Hospital AA Martinos Center for Biomedical Imaging og MIT Professor Or Hen ved Laboratory for Nuclear Science . “Det passet perfekt,” sier hun.
Å avdekke hjernens hemmeligheter
I dag utvikler Allen og hennes samarbeidspartnere en neste generasjons hjerne positronemisjonstomografi (PET) skanner som kan brukes samtidig med 7-Tesla magnetisk resonans imaging (MRI). PET-skanneren vil være en sylindrisk innsats som passer direkte inne i en MR-maskin.
Hver bildeteknologi gir et annet perspektiv på hjernen. Mens MR fanger anatomiske bilder, fanger PET opp biokjemiske prosesser, som for eksempel metabolisme. Ved å se to synkroniserte perspektiver har forskerne verdifulle data for å studere hjernesvulster og nevrologiske sykdommer, som Alzheimers.
Men PET-skanninger tar for tiden lang tid – vanligvis 30 til 90 minutter – og pasienter må holde seg stille hele varigheten for å få klare bilder. I neste generasjons PET-skanner har Allen som mål å gjøre skanninger mye raskere, ned til bare et par minutter. Å gjøre det vil også åpne dører for nevrovitenskapelig forskning. Med kortere avbildningstider kan skanneren arbeide samtidig med funksjonell MR (fMRI) for å ta raske øyeblikksbilder av dynamiske biologiske prosesser. For eksempel kan PET fange opp glukosemetabolismen i hjernen ettersom fMRI fanger blodstrømmen samtidig. “Det er veldig spennende,” sier Allen. “Det har aldri blitt gjort før.”
Grunnen til at disse skanningene for tiden tar så lang tid ligger i hvordan PET fungerer. Før skanningen injiseres pasienter med en radiotracer laget av biologiske forbindelser som kroppen vanligvis bruker, for eksempel glukose, som er litt modifisert til å være radioaktiv. Når kroppen behandler disse sporstoffforbindelsene, sendes det ut radioaktive gammastråler. PET-skanneren fungerer da som et kamera for å fange disse gammastrålene og danne et bilde.
Problemet er imidlertid at bare små doser radiotracer injiseres i pasienter for å begrense uønskede strålingseffekter. Så de utsendte gammastrålene er veldig svake, noe som gjør det vanskelig for bilder å dannes. “Det er som et bilde med lang eksponering med et vanlig kamera hvor du bare venter på at lyset skal samles,” sier Allen.
For å redusere den nødvendige eksponeringstiden, redesigner Allens gruppe den MR-kompatible PET-skanneren til å være 10 ganger mer følsom for gammastråler enn den nåværende state-of-the-art. Og for å oppnå dette vil en ny form for gammastråledetektor brukes inne i skanneren. Mens en typisk skanner bruker detektorarrayer arrangert i et sylindrisk rør som omgir hodet, er detektorarrayene til den nye skanneren konfigurert mer som en motorsykkelhjelm. “Du kan øke [scanner’s] følsomhet mye bare ved å få mer dekning, sier hun.
En annen nøkkeldel for å lage en høyfølsom PET-skanner er de individuelle gammastråledetektormodulene inne i detektoren. Detektoren er sammensatt av ringer stablet fra halsen og opp, og hver ring inneholder en sirkel av detektormoduler. «Den mest interessante etterforskningen så langt er [figuring out] forskjellige geometrier for detektoren for å få ren informasjon ut av den, sier hun. En utfordring er å finne dybde-av-interaksjonsmetodikken og optimal tykkelse for detektoren. En tykkere detektor kan fange flere gammastråler for mer bildeinformasjon. Men en detektor som er for tykk gir uskarpe bilder. Etter litt prøving og feiling er Allen «veldig nær ved å finne et endelig design».
Astrofysikk i hjertet
Mens Allen har våget seg inn i det biomedisinske universet, har hun ikke helt lagt partikkelfysikken bak seg. Det viser seg at PET-skanneren også kan brukes til å undersøke grunnleggende fysikkspørsmål.
Et spørsmål som Allen er interessert i er symmetribrudd. Mens universet er sammensatt av materie og anti-materie, er det ikke en 50-50-deling, noe som gir oss et asymmetrisk univers. Men det er ikke klart hvor denne asymmetrien kommer fra. “Vi leter alltid etter kilder til asymmetri i universet,” sier Allen.
En potensiell ledetråd kan finnes i livssyklusen til positronium, et ustabilt atom som består av et elektron og dets antipartikkel, et positron. Positronium varer i en veldig kort periode – mindre enn en milliondels sekund – før elektronet og positronet tilintetgjør hverandre og sender ut gammastråler. Avhengig av starttilstanden til positronium, sendes det ut forskjellige fordelinger av gammastråler.
“PET-skanneren er i utgangspunktet bare en gammastråledetektor,” sier hun, og gjør den “perfekt innstilt” for å se på gammastråler fra positroniumforfall. For å undersøke symmetribrudd, planlegger Allen å observere hvordan å virke på de innledende tilstandene til positronium påvirker orienteringen til utsendte gammastråler. Hvis hun ser noen asymmetrier, kan dette gi innsikt i å forstå symmetribrudd.
Men først må Allen bygge ferdig PET-skanneren. Etter å ha fullført utformingen av detektormodulene, vil hun begynne å sette dem sammen til ringer til hjelmen denne sommeren. I mellomtiden vil hun fortsette å tjene i MIT EMS, etter å ha avsluttet sin periode som sjef for MIT EMS det siste året. “Det er en veldig avhengighetsskapende ting å gjøre,” sier hun.