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La macchina che può leggere la tua mente

Tecnologia scientifica

Al Centro di ricerca sulla risonanza magnetica della Columbia, gli scienziati stanno svelando le basi neurali dei pensieri, dei ricordi e delle emozioni umane.

Di Bill Retherford '14JRN |Autunno 2019

Un'immagine RM 3-tesla del cervello evidenzia il sangue nel sistema vascolare. Foto di Dania Elder

Classifica il tuo pantheon personale di scienziati famosi - Copernico, Curie, Faraday, Fermi, Pauling, Pasteur - e Isidor Isaac Rabi '27GSAS, '68HON probabilmente non sarebbe al massimo livello. È ampiamente riconosciuto, tuttavia, presso l'edificio di fisica e astronomia della Columbia nel campus di Morningside Heights. Lì, nella stanza 809 di Pupin Hall, il suo ufficio di cinquant'anni è stato trasformato nella Rabi Room, una sala studio che funge anche da santuario per l'uomo. Una targa in suo onore è appesa al muro. Così sono più di venti foto di Rabi, insieme alla sua medaglia del Premio Nobel per la fisica, assegnata nel 1944. Due studenti nel salotto, sepolti nel lavoro, riconoscono prontamente di non aver mai sentito parlare di lui. Non ho nemmeno guardato le fotografie, dice uno. Quindi l'altro, controllando le immagini, si ferma per osservare il testo di accompagnamento che recita le realizzazioni di Rabi. Wow, è pazzesco, dice. Avrei dovuto saperlo.

Nato nell'attuale Rymanów, in Polonia, e cresciuto a New York City, Rabi ha conseguito il dottorato di ricerca alla Columbia nel 1927. Tre anni dopo, la Columbia lo ha assunto per $ 3.000 all'anno. Le sue lezioni di fisica teorica erano singolarmente orribili, dicevano i suoi studenti, ma le sue capacità di ricerca erano sbalorditive. Penso che i fisici siano i Peter Pan della razza umana, disse al Newyorkese nel 1975. Non crescono mai e mantengono la loro curiosità. Quel tratto è stato incoraggiato da sua madre, decenni prima; al suo ritorno da scuola, lei diceva: Izzy, hai fatto una bella domanda oggi?

Rabi non ha mai smesso di chiedere loro, e dopo essere arrivato alla Columbia, ha sicuramente risposto ad alcuni. Come ogni fisico della sua generazione, era determinato a svelare gli enigmi dell'atomo; particolarmente intriganti erano i protoni, particelle all'interno del nucleo dell'atomo. In parole povere, Rabi ha imparato che i protoni, se posti in un campo magnetico e colpiti da onde radio, generano un segnale energetico.

Il fisico della Columbia Isidor Isaac Rabi scoprì la risonanza magnetica nucleare negli anni '30. Foto: Immagini di storia della scienza / Alamy

L'applicazione medica di tale constatazione non era immediatamente evidente a Rabi. Nessuno immaginava che questo segnale potesse essere utilizzato per visualizzare l'interno del corpo umano e rilevare malattie cardiache o cancro. Ma la scoperta della risonanza magnetica nucleare, la risonanza magnetica nucleare, ha portato allo sviluppo della risonanza magnetica, l'imaging a risonanza magnetica. L'intuizione di Rabi, innegabilmente geniale, alla fine ha innescato una tecnologia multimiliardaria che potrebbe un giorno salvarti la vita. Forse lo è già.

Nel seminterrato del Jerome L. Greene Science Center nel campus di Manhattanville c'è l'armadio delle scope di Tommy Vaughan, una stanza con poco più di una scrivania, tre sedie e una lavagna. Sebbene non sia ufficialmente l'ufficio di Vaughan, lo spazio è il suo posto dove nascondersi, dice, requisito per fare un po' di lavoro. In qualità di direttore della ricerca sulla risonanza magnetica presso il Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute, ha molto da fare. I settantadue studi che supervisiona presso il nuovo Centro di ricerca sulla risonanza magnetica (MR) della scuola, frutto di un'idea, sono solo l'inizio, dice.

Vaughan è uno dei più importanti ingegneri di risonanza magnetica al mondo. Per trentacinque anni ha progettato, costruito e riorganizzato sistemi e applicazioni per la risonanza magnetica; detiene più di cinquanta brevetti. I produttori di biotecnologie e medicina autorizzano regolarmente le sue invenzioni. Eppure anche lui sembra essere solo all'inizio. Reclutato nel 2016 dall'Università del Minnesota, si prepara ad accelerare radicalmente la ricerca sulla risonanza magnetica alla Columbia. Siamo sulla soglia di rivoluzionare il modo in cui ci avviciniamo alla scienza e alla medicina, dice.

Tommy Vaughan è il direttore del Centro di ricerca sulla risonanza magnetica. Foto: John Abbott

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Oltre la soglia, in effetti. Composto principalmente da neurologi e ingegneri della Columbia, il Centro di ricerca MR è distribuito su quattro sedi che vantano otto macchine per la risonanza magnetica: tre allo Zuckerman Institute di Manhattanville, altre tre all'Irving Medical Center della Columbia University, una al New York State Psychiatric Institute e una al Nathan S. Kline Institute for Psychiatric Research a Orangeburg, una ventina di miglia a nord di New York City. Entro il prossimo anno circa, un'altra risonanza magnetica arriverà alla Fu Foundation School of Engineering and Applied Science. Alla fine, il centro avrà diciotto risonanza magnetica. Nessun istituto di ricerca al mondo ne ha attualmente così tanti. Piuttosto che diagnosticare i pazienti, le risonanze magnetiche cercheranno indizi che potrebbero portare a cure per disturbi e malattie del cervello: anoressia, alcolismo, Alzheimer, Parkinson, Huntington, schizofrenia, suicidio, ictus: l'elenco potrebbe continuare, così come i piani di Vaughan.

Possiamo costruire un magnete più piccolo ed economico che possiamo mettere ovunque, dice. Anche nel mezzo della Mongolia Interna. Ovunque sul pianeta.

Dopo la scoperta di Rabi, i laboratori di chimica hanno usato la risonanza magnetica nucleare per esaminare le molecole organiche. È così che sappiamo come sono gli zuccheri, le proteine ​​e il DNA, dice Vaughan. Quando i medici iniziarono a scansionare i pazienti nei primi anni ottanta, il nome era un problema; dal punto di vista delle pubbliche relazioni, NMR aveva un problema di immagine. I pazienti non potevano superare la N, come nel nucleare. Alcuni erano convinti che lo scanner li stesse inondando di radiazioni mortali. La risonanza magnetica è diventata risonanza magnetica, lo stesso concetto ma suona molto più benigno. (Più recentemente, alcuni ricercatori hanno iniziato a usare il termine MR.)

Le risonanze magnetiche non sono più considerate esotiche. Hanno analizzato i tuoi organi, tessuti e ossa per quasi quarant'anni. Possono vedere la pelle, i muscoli, i vasi sanguigni, i tendini, i tumori, le articolazioni e i legamenti con dettagli sorprendenti. Nonostante i loro orpelli spaventosi - il magnete da quindici tonnellate, quei forti colpi, quello spazio opprimente e angusto, gli avvertimenti intimidatori affissi ovunque - le risonanze magnetiche sono indolori e innocue.

L'imaging a risonanza magnetica è completamente privo di radiazioni, afferma Kathleen Durkin dello Zuckerman Institute. Puoi ottenere una risonanza magnetica ogni singolo giorno della tua vita ed essere perfettamente al sicuro. Al contrario, le macchine a raggi X emettono piccole dosi di radiazioni e non possono visualizzare tutto. Funzionano meglio sui tessuti duri, come denti e ossa. Odio questo cliché, dice Vaughan, ma la risonanza magnetica è uno sportello unico per la diagnostica e anche per la scienza, per cercare di capire come funzionano il corpo e la mente. Questo è lo strumento definitivo per osservare in modo non invasivo un sistema vivente.

Dei milioni di pazienti scansionati, pochi sanno come funziona la macchina. Eppure, nonostante tutta la loro inquietudine e raffinatezza, le risonanze magnetiche si basano completamente sul composto chimico più comune sulla Terra: l'acqua. Una risonanza magnetica è tutta una questione di acqua. E gli esseri umani sono sacchi d'acqua che camminano, dice Durkin. In effetti, il 60 percento di voi è acqua. E quell'acqua nel tuo corpo, dice, emette un segnale alla risonanza magnetica.

Ogni molecola d'acqua è composta da due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno. Ma solo i protoni negli atomi di idrogeno inviano il segnale. Entra nella stanza della risonanza magnetica ed entra nel campo magnetico della macchina e trilioni di protoni di idrogeno nel tuo corpo scattano sull'attenti. Non lo senti, dice Durkin. Ma la procedura è sostanzialmente iniziata. Come la limatura di ferro vicino a un magnete giocattolo, i protoni di idrogeno si allineano con il campo magnetico.

Il sessanta percento del corpo umano è acqua e gli atomi di idrogeno in quell'acqua inviano un segnale alla macchina per la risonanza magnetica. Foto: J. Thomas Vaughan / Zuckerman Institute della Columbia

Una volta sul letto per risonanza magnetica, il paziente viene spinto nel cilindro, che ospita il magnete. Nello scanner MRI c'è un'antenna. Trasmette onde radio. Invisibili e innocue, le onde radio squillano i tuoi protoni di idrogeno. Assorbono le onde radio. Girano in una direzione diversa. Momentaneamente scombussolati, hanno bisogno di tempo per raddrizzarsi.

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Mentre si riallineano, dice Durkin, restituiscono un segnale, un po' di energia. Quel segnale è un debole rimbalzo dell'onda radio che li ha colpiti. Una seconda antenna, un ricevitore, nascosto in una bobina vicino alla testa, intercetta il segnale. Proprio come funziona il tuo televisore, le unità di elaborazione della risonanza magnetica decodificano il segnale e riducono il rumore, tutto immediatamente. E ne ricaviamo un'immagine del cervello, dice Durkin. O una foto di un addome, o una caviglia, o qualsiasi cosa sul corpo. Da poco più che segnali subatomici, una risonanza magnetica può discernere un tumore canceroso.

È difficile capire la potenza di una macchina per la risonanza magnetica. Indossa o tieni qualcosa di metallico o elettronico all'interno del suo campo magnetico - errore grave - e lo scoprirai. Il telefono potrebbe sfuggirti di mano e schiantarsi contro la macchina. I pacemaker possono diventare irregolari. Grandi oggetti con parti metalliche, come sedie, sono stati raccolti e tirati nel cilindro.

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È anche difficile capire quanto siano sensibili le macchine. Perché la risonanza magnetica funzioni, il magnete deve essere sottoraffreddato a -452 gradi Fahrenheit, il bordo dello zero assoluto. Più caldo di così e il magnete si spegne. Ciò significa che non è più superconduttore, afferma Vaughan. Il danno alla macchina può essere notevole, se non irreversibile. L'elio liquido, il liquido di raffreddamento, è scarso e costoso, e la risonanza magnetica, con le sue decine di chilometri di filo arrotolato, non fa altro che sbuffarlo.

La risonanza magnetica domestica è una sfida. Occupano molto spazio: insieme alla macchina, ci sono le apparecchiature adiacenti e le sale console. E il magnete deve essere schermato dalle interferenze, afferma Vaughan, motivo per cui le pareti delle suite per la risonanza magnetica allo Zuckerman Institute sono rivestite con sottili fogli di rame. Bloccano le onde radio in entrata; in caso contrario, i segnali delle stazioni radio e televisive locali si mescolerebbero con la risonanza magnetica e distorcerebbero l'immagine.

La forza di un magnete per risonanza magnetica è misurata in unità di T, o tesla, in onore dello scienziato Nikola Tesla . Dice Durkin: Hai mai visto uno di quei grandi magneti nello sfasciacarrozze che prende un'auto e la porta a schiacciarla in un cubo? Questo è 1-tesla. Due delle risonanze magnetiche allo Zuckerman Institute (chiamate June ed Eve) sono 3-tesla, il triplo di quella forza.

Kathleen Durkin, responsabile dell'imaging a risonanza magnetica, aiuta a coordinare circa settantadue studi presso il centro di ricerca. Foto: Eileen Barroso / Zuckerman Institute della Columbia

Più forte è il magnete MRI, maggiore è la risoluzione, maggiore è il dettaglio, più utile l'immagine; la maggior parte degli ospedali va bene con un 1.5-tesla. La terza risonanza magnetica di Zuckerman, una 9.4-tesla (senza nome) è più di sei volte quella, ma con un compromesso. Più forte è il magnete, più piccolo è il foro - lo spazio in cui si sdraia il soggetto. Con un 9.4, dice Durkin, il foro è così piccolo che le persone non possono entrarci. Invece, il piccolo vassoio è abbastanza grande solo per contenere i topi. Entro il prossimo anno o due, tuttavia, a Zuckerman arriverà un 7-tesla. Le persone possono adattarsi a questo. Dice Durkin: Le immagini sono spettacolari.

In questo momento, Vaughan sta sviluppando una risonanza magnetica da 1,5 tesla che è un imager solo per la testa, dice. Sembra l'asciugacapelli sotto cui sedeva tua madre nel salone di bellezza. Dovrebbe essere pronto in tre anni. Invece di registrare l'attività cerebrale di qualcuno che giace immobile all'interno di un tubo, la risonanza magnetica solo alla testa di Vaughn consente ai soggetti di sedersi su una sedia con le braccia e le mani libere. Gli scienziati cattureranno il modo in cui il cervello interagisce con il corpo mentre qualcuno intreccia un cesto, solleva pesi, disegna un'immagine o suona il pianoforte.

Rendering di una macchina RM solo per la testa che sarà in grado di scansionare l'attività cerebrale mentre qualcuno disegna un'immagine, suona il piano o solleva pesi. Immagine: J. Thomas Vaughan / Zuckerman Institute della Columbia

La Columbia ha ufficialmente istituito il Centro di ricerca MR nel 2018 e molti degli studi sono appena iniziati. Sebbene produttori come Siemens, GE e Toshiba vendano MRI standard (il costo è di circa $ 1 milione per tesla), alcune macchine richiedono una riconfigurazione del loro hardware per ospitare la ricerca. Le modifiche possono richiedere mesi. Alcuni degli adattamenti non sono mai stati fatti prima.

Un esempio: Ray Lee, un ricercatore senior presso lo Zuckerman Institute, vuole vedere come reagisce il cervello quando le persone toccano, parlano e sorridono. Così ha progettato la prima bobina per risonanza magnetica a doppia testa al mondo, un modo per mettere due soggetti sotto un magnete e scansionare i loro cervelli contemporaneamente. Questo è fondamentalmente diverso da tutte le metodologie precedenti, dice. È un nuovo modo di studiare le persone che interagiscono tra loro.

Il vecchio modo richiedeva che i ricercatori mostrassero le fotografie della famiglia e degli amici di un soggetto su uno schermo all'interno del foro e chiedessero al soggetto di reagire a loro. Le interazioni reali - accarezzare il viso di un partner, tenersi per mano e condividere conversazioni tranquille - sono ovviamente precluse. Lee si aspetta differenze drammatiche con la sua invenzione. Quando due persone si guardano, c'è un vero scambio emotivo, dice. C'è molta più attività cerebrale rispetto a qualcuno che guarda solo un'immagine.

Yuval Neria , professore di psicologia medica al CUIMC, sta cercando di scoprire perché alcuni cervelli riaccendono traumi di lunga data invece di estinguerli. Ricerche precedenti mostrano che i sintomi del disturbo da stress post-traumatico - tra cui ansia, agitazione, depressione, flashback e incubi - possono svanire dopo un evento orribile, solo per riapparire decenni dopo, quando la vittima è nella tarda età di mezza età o più. L'invecchiamento è un grande promotore del disturbo da stress post-traumatico a esordio tardivo, afferma Neria. Può essere molto invalidante. Di solito il fattore scatenante è un nuovo fattore di stress, come la perdita del coniuge o un problema di salute. Tali ricadute non sono rare nei veterani di guerra. Per due o tre decenni dopo il combattimento, molti se la cavano bene; poi una perdita improvvisa cambia tutto.

La risonanza magnetica può vedere quei cambiamenti in tre regioni del cervello: l'ippocampo, dove è immagazzinata la memoria; la corteccia prefrontale, dove vengono prese le decisioni; e l'amigdala, il centro di allarme. Se le connessioni tra loro sono confuse e l'amigdala non funziona correttamente, il cervello non può discriminare tra ciò che è pericoloso e ciò che è sicuro, dice Neria. Gli eventi quotidiani possono innescare dei flashback.

Il ricercatore senior Ray Lee sta progettando una macchina in grado di ospitare due persone e catturare l'interazione umana. Foto: Eileen Barroso / Zuckerman Institute della Columbia

Ma le soluzioni esistono. Con una sovvenzione del National Institute of Mental Health, Neria ha confrontato le scansioni MRI dei pazienti prima e dopo dieci settimane di terapia del linguaggio. Raccontare la storia traumatica ancora e ancora sembra aiutare. La corteccia prefrontale smorza l'amigdala eccessivamente attiva, dice: Il cervello è meglio connesso. Ha una maggiore capacità di affrontare il trauma.

Senza la risonanza, Neria dovrebbe fare affidamento sull'autosegnalazione, che non è sempre definitiva. Sappiamo, dopo decenni di autovalutazioni, quanto siano di parte, dice. Ma con la risonanza magnetica, hai i dati.

Quasi tutti coloro che trascorrono diverse ore a un concerto rock o a una partita di calcio possono notare in seguito un fastidioso artefatto uditivo: un ronzio o un rombo all'interno dell'orecchio. Potrebbe essere acuto, come lo stridio dei grilli, o un rombo sordo, come un motore a reazione durante il volo. Aspetta qualche minuto o dormi bene la notte e il ronzio di solito scompare. Ma per alcuni, il suono non si ferma. Non ci sarà mai più un momento di vacanza dal rumore.

La diagnosi è acufene. Gli esperti medici raramente sono d'accordo su qualcosa al riguardo, anche sulla pronuncia (alcuni dicono tin-NIGH-tus; altri, TIN-uh-tus), ma milioni di persone ce l'hanno e non esiste una cura. La terapia cognitivo-comportamentale può essere d'aiuto, ma per alcuni il suono è così stridente che sono praticamente incapaci. Alcuni sono così devastati che si suicidano. La metà dei soldati statunitensi esposti agli IED sviluppa l'acufene e 1,5 milioni di veterani ricevono sussidi di invalidità per questo, al costo di $ 2 miliardi all'anno.

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Diana Martinez , un professore di psichiatria al CUIMC, ha avuto l'acufene sette anni fa dopo un volo dalle Hawaii a Newark. Era un ronzio acuto, ricorda. Mi sembrava di stare tutto il giorno nella stazione della metropolitana. Martinez è stato fortunato. L'acufene, un disturbo misterioso, di tanto in tanto scompare, e nel giro di una settimana, il suo lo ha fatto. Grazie al cielo, dice. È miserabile.

Scansioni di un cervello di topo. Quello a destra mostra il volume del sangue cerebrale. Foto: Jia Guo / Columbia University

Martinez non ha mai dimenticato quella terribile settimana. Il suo nuovo studio da 1,6 milioni di dollari, finanziato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, monitorerà quaranta volontari. Ricerche precedenti suggeriscono che il cervello dei pazienti con acufene ha bassi livelli di GABA, un amminoacido che si ritiene possa bloccare l'ansia (un freno al cervello, dice Martinez). Le iniezioni di ketamina, un anestetico comune, potrebbero aiutare; risultati precedenti mostrano che la ketamina aumenta il GABA nella corteccia prefrontale. Aumentare il GABA nella corteccia uditiva, la parte del cervello che elabora l'udito, e l'acufene può diminuire.

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Con la risonanza magnetica, è più facile dire se la ketamina funziona. Come con lo studio PTSD di Neria, Martinez può chiedere ai pazienti se si sentono meglio, ma le risposte al sondaggio sono soggettive. Con i pazienti nello scanner, la risonanza magnetica può visualizzare il cambiamento nei livelli di GABA dopo le iniezioni di ketamina. È il modo migliore per guardare, dice Martinez. Mezzo miliardo di persone in tutto il mondo possono trarre beneficio dalla sua ricerca.

Fare la ricerca è una cosa. Consegnare i dati al mondo è un altro. Vaughan ha pensato anche a questo.

Dal primo giorno, dice, abbiamo salvato tutti i nostri dati RM nel cloud.

Questo è il primo, almeno per la ricerca MRI. I laboratori, limitati dalla capacità di archiviazione, un tempo dovevano gettare i vecchi dati per fare spazio ad altri. Ma nell'ultimo anno e mezzo, lo Zuckerman Institute ha accumulato i suoi dati nel cloud su una piattaforma Google personalizzata. Alla fine, l'apprendimento automatico avanzato esaminerà i dati in una frazione del tempo che impiegherebbe un ricercatore. Questo sarà il futuro, dice Vaughan. Deve solo essere.

E sarà un altro inizio: Vaughan spera che la Columbia sarà il prototipo di una rete mondiale di dati basata su cloud. I consorzi di ricercatori potrebbero connettersi. Cerchi indizi per curare l'autismo, il disturbo da stress post-traumatico, l'acufene e mille altri disturbi? Basta accedere al cloud e analizzare i dati di milioni di persone con lo stesso problema. Se il set di dati è abbastanza grande, dice Vaughan, puoi porre una domanda, ottenere una correlazione e rispondere a qualsiasi domanda medica che potresti immaginare. La nuvola è come la tua mente. Più informazioni hai, più sei intelligente. Questo apre un mondo completamente nuovo.

Ma oggi, il 90% del mondo non ha accesso alla risonanza magnetica. Le macchine sono grandi, pesanti, fragili e costose, dice Vaughan. In gran parte dell'Asia, dell'Africa e del Sud America, non sono accessibili, consegnabili o mantenibili. Abbiamo bisogno di un tipo completamente diverso di magnete, dice. Uno che potremmo portare al mondo in via di sviluppo. Uno che può andare sul retro di un camion e rimbalzare su una strada sterrata accidentata fino a un villaggio in Guatemala.

Un sistema RM 3-tesla allo Zuckerman Institute. Foto: J. Thomas Vaughan / Zuckerman Institute della Columbia

Perché ciò accada, il magnete e lo scanner devono essere un quinto delle dimensioni e del peso dei modelli attuali, ma fornire un'immagine altrettanto buona. Vaughan ci sta lavorando. Con un'unità miniaturizzata, il costo è inferiore. La consegna è più facile. I sistemi di batterie solari o un generatore potrebbero fornire energia. Quella suite standard di tre stanze diventa una stanza singola. Per il refrigerante, il costoso elio liquido potrebbe essere sostituito con azoto, un gas inerte che compone quasi l'80% dell'atmosfera terrestre. Può essere liquefatto dall'aria, dice Vaughan. E il sistema RM di una clinica, non importa quanto remoto, potrebbe inviare dati tramite collegamento satellitare direttamente al cloud. Potresti gestire un laboratorio mondiale dalla tua scrivania, dice.

Immagina di avere accesso a miliardi di pazienti, raccogliendo e archiviando dati da tutti, afferma Vaughan. A quella scala, potresti studiare ogni malattia, comportamento o caratteristica nota all'uomo.

Un gruppo di investitori internazionali, con sede in Cina, Malesia, Corea, Taiwan e Stati Uniti, ha chiesto a Vaughan di sviluppare un sistema di risonanza magnetica più accessibile. Quel programma pilota, se vola, potrebbe espandersi in tutto il mondo. Negli Stati Uniti, una risonanza magnetica di nuova generazione potrebbe un giorno sedersi nell'angolo di uno studio medico a Manhattan. Le cliniche walk-in saranno nei centri commerciali. Quei dati andrebbero anche nel cloud.

Quanto tempo prima che tutto questo accada? Un decennio, dice. In un decennio, tutti lo vedranno in atto e si diffonderanno rapidamente ovunque. Anche in Mongolia? Sì, dice Vaughan. Anche la Mongolia.

Questo articolo appare nell'edizione cartacea dell'autunno 2019 di Rivista Columbia con il titolo 'I lettori della mente'.

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