20 يوليو 2020
أعلن صندوق McKnight Endowment for Neuroscience (MEFN) عن ثلاثة مستفيدين من $600،000 في تمويل المنح من خلال جوائز McKnight التكنولوجية للابتكارات العصبية لعام 2020 ، معترفةً بهذه المشاريع لقدرتهم على تغيير طريقة إجراء أبحاث علم الأعصاب بشكل أساسي. سيحصل كل مشروع على ما مجموعه $200،000 على مدى العامين المقبلين ، مما سيعزز تطوير هذه التقنيات الرائدة المستخدمة في رسم خريطة وظائف الدماغ ومراقبتها ونمذجتها. الفائزون لعام 2020 هم:
- إيفا داير ، دكتوراه ، من معهد جورجيا للتكنولوجيا وجامعة إيموري ، الذي ينشئ خوارزميات التعلم الآلي لمقارنة مجموعات البيانات الكبيرة للنشاط العصبي والعثور على أنماط على مستوى الكلي والعصبون تتوافق مع حالات وسلوكيات معينة في الحيوانات التي تتصرف بحرية.
- ريكي مولر ، دكتوراه ، من جامعة كاليفورنيا - بيركلي ، الذي يقوم بتصميم وبناء جهاز عرض ثلاثي الأبعاد عالي السرعة يمكنه عرض الضوء ثلاثي الأبعاد في الدماغ بسرعات عصبية ، أسرع بكثير من أجهزة العرض الحالية ، وبالتالي يعالج آلاف الخلايا العصبية التي يتم التحكم فيها ضوئيًا بدقة عالية.
- كاي زين ، دكتوراه ، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، الذي يطور وسيلة معيارية وفعالة من حيث التكلفة لبروتينات التشفير الوراثي مثل الأجسام المضادة ومستقبلات سطح الخلية العصبية حتى يتمكن الباحثون من تتبع تفاعلات البروتين باستخدام تسلسل الخلية الواحدة عالي الإنتاجية ، وهي أداة تحتوي على العديد من التطبيقات الممكنة لأبحاث علم الأعصاب.
(تعرف على المزيد حول كل مشروع من هذه المشاريع البحثية أدناه.)
حول الابتكارات التكنولوجية في جوائز علم الأعصاب
منذ تأسيس جائزة McKnight Innovations in Neuroscience في عام 1999 ، ساهمت MEFN بأكثر من $14.5 مليون في التقنيات المبتكرة لعلم الأعصاب من خلال آلية الجائزة هذه. إن MEFN مهتمة بشكل خاص بالعمل الذي يتخذ مناهج جديدة ومبتكرة لتعزيز القدرة على التعامل مع وظائف الدماغ وتحليلها. يجب في نهاية المطاف إتاحة التقنيات التي تم تطويرها بدعم McKnight لعلماء آخرين.
قال ماركوس مايستر ، رئيس لجنة الجوائز وأستاذة ب. وبنجامين بياجيني للعلوم البيولوجية: "مرة أخرى ، كان من المثير رؤية البراعة التي يجلبها المتقدمون لدينا في التقنيات العصبية الجديدة". في Caltech. "واجهنا هذا العام خيارًا صعبًا من بين العديد من التطورات المثيرة ، وجوائزنا تمتد على نطاق واسع ، من الأساليب الحسابية للبيانات الضخمة من الدماغ ، إلى البصريات الفاخرة للتحكم في أشعة الضوء ، إلى استراتيجية جزيئية ذكية لمسح البروتين التعبير في الخلايا العصبية ".
تضمنت لجنة الاختيار لهذا العام أيضًا Adrienne Fairhall و Timothy Holy و Loren Looger و Mala Murthy و Alice Ting و Hongkui Zeng ، الذين اختاروا الابتكارات التكنولوجية في جوائز علم الأعصاب لهذا العام من مجموعة تنافسية للغاية من 89 متقدمًا.
من المقرر إصدار خطابات النوايا لجوائز 2021 للابتكارات التكنولوجية في علم الأعصاب يوم الاثنين 7 ديسمبر 2020. وسيصدر إعلان حول عملية 2021 في سبتمبر. لمزيد من المعلومات حول الجوائز ، يرجى زيارة www.mcknight.org/programs/the-mcknight-endowment-fund-for-neuroscience/technology-awards
2020 ابتكارات McKnight التكنولوجية في جوائز علم الأعصاب
إيفا داير ، دكتوراه ، أستاذ مساعد ، والاس إتش كولتر ، قسم الهندسة الطبية الحيوية ، معهد جورجيا للتكنولوجيا وجامعة إيموري
"مقارنة مجموعات البيانات العصبية واسعة النطاق عبر الزمان والمكان والسلوك "
لقد أدت القدرة على مراقبة وتسجيل البيانات العصبية على أجزاء كبيرة من الدماغ إلى كميات هائلة من البيانات ، مما يجعل من الممكن العثور على أنماط في البيانات التي يمكن أن تفسر عدد الخلايا العصبية التي تعمل معًا لترميز معلومات حول العالم. حتى مع التقدم الجديد في العثور على أنماط منخفضة الأبعاد في مجموعات البيانات ، لا يزال من الصعب مقارنة العديد من التسجيلات واسعة النطاق ، سواء كانت على مدى فترات طويلة من الوقت ، أو عبر أفراد مختلفين لحل نفس المهام أو المهام المماثلة ، أو عبر حالات المرض. أدت تجربة د. داير في استخدام التعلم الآلي (ML) لفك تشفير نشاط الدماغ إلى حل جديد لتحديد الأنماط في العديد من مجموعات البيانات العصبية الكبيرة.
يتضمن عمل الدكتور داير إنشاء خوارزميات التعلم الآلي لاستخراج معلومات ذات مغزى من مجموعات البيانات العصبية ، والتي تم تصنيفها لتحديد ما إذا كان الحيوان نائمًا أو مستيقظًا أو يبحث عن الطعام أو ينخرط في حركات أو سلوكيات مختلفة. توجه القواعد الرياضية الجديدة المستوحاة من التشفير الخوارزميات لتحديد أنماط مماثلة في مجموعات بيانات منفصلة ، وتبحث على وجه التحديد لتتناسب مع النشاط العصبي الناتج عن حالات الدماغ المختلفة كنقطة بداية لجلب البيانات إلى المحاذاة. يمكن لمحاذاة النشاط العصبي أن تظهر كيف ترتبط الأنماط العصبية بسلوك وحالة الموضوع بالإضافة إلى منع الفساد عن طريق الضوضاء ، وتوفر نقطة انطلاق حاسمة لتقنيات تحليل أكثر قوة.
الهدف الثاني للدكتور داير سيساعد الباحثين على إعادة التركيز على الخلايا العصبية المفردة لفهم كيفية مساهمتها في التغيرات الشاملة في النشاط العصبي ، وما إذا كان يمكن استخدامها للتنبؤ بحالات دماغية معينة. سوف يستكشف البحث كذلك ما إذا كان يمكن إرجاع الاختلافات في السلوك إلى أنواع خلايا معينة ، وكيف يمكن استخدام الاختلافات التي تتم رؤيتها عبر مجموعات البيانات لتوصيف الاختلاف بين الحيوانات الفردية. إن القدرة على فك ومقارنة مجموعات البيانات العصبية الكبيرة ستثبت أنها لا تقدر بثمن في البحث العصبي من خلال الإشارة إلى كيفية تأثير المرض التنكسي العصبي على معالجة الدماغ للمعلومات.
ريكي مولر ، دكتوراه ، أستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ، جامعة كاليفورنيا - بيركلي
"جهاز التصوير المجسم عالي السرعة للتحكم البصري في آلاف الخلايا العصبية "
لقد أحدثت علم البصريات الوراثية - المعدلة وراثيا للخلايا العصبية لتكون حساسة للضوء حتى يتمكن الباحثون من تنشيطها أو إسكاتها حسب الرغبة - ثورة في أبحاث علم الأعصاب. مقترنًا بمعدلات الضوء المكاني التي تشكل الضوء إلى صور ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد ، يمكن للباحثين التحكم بشكل فردي في العديد من الخلايا العصبية الموزعة عبر منطقة ثلاثية الأبعاد من الدماغ في الجسم الحي. ولكن حتى الآن ، لم يكن هناك جهاز عرض ثلاثي الأبعاد قادر على التحكم في الخلايا العصبية بالسرعة الموجودة في الدماغ بشكل طبيعي.
يقوم الدكتور مولر بتصميم وبناء جهاز عرض ثلاثي الأبعاد لحل هذه المشكلة. سيقوم جهازها بدفق صور ضوئية ثلاثية الأبعاد بمعدلات 10000 إطار في الثانية (هرتز). تقوم العديد من أجهزة التلفاز من الجيل الحالي بتحديث 60 إطارًا في الثانية ، للمقارنة ، وأسرع أدوات التصوير المجسم المتاحة تجاريًا تصل إلى 500 هرتز. يعد معدل التحديث العالي هذا ضروريًا لتكرار الإشارات العصبية الطبيعية ، والتي تنطوي على أوقات عمل محتملة تبلغ حوالي 1/1000 من الثانية (ما يعادل 1000 هرتز عند النظر في معدلات التحديث.) بالإضافة إلى ذلك ، يهدف مولر إلى استهداف آلاف الخلايا العصبية بدقة بالغة ، ومثلما تؤدي المعدلات الأعلى في أجهزة التلفاز إلى صور أكثر وضوحًا ، سيقدم الهولوغرام الذي يبلغ 10000 هرتز دقة أكبر.
تتشاور الدكتورة مولر ، وهي مهندسة كهربائية تركز على التكنولوجيا العصبية ، مع علماء الأعصاب بشكل منتظم أثناء تصميمها واختبارها وتصنيعها للتأكد من أنها تلبي احتياجاتهم. سيستخدم الجهاز مصفوفة من الرقائق الدقيقة ، والتي ستنقش أنماط ثلاثية الأبعاد للضوء إلى مواقع وأعماق محددة من خلال التشغيل الكهربائي للمرايا المصغرة ؛ ثم يتم ترحيل الضوء من خلال سلسلة من العدسات. سيقوم المشروع أولاً بتصميم واختلاق مصفوفتين - مجموعة أصغر للاختبار وإثبات المفهوم ، ومجموعة تنسيق أكبر ، إلى جانب المحركات والضوابط المرتبطة التي سيتم استخدامها للقياس والمعايرة. أخيرًا ، سينتج فريق دكتور مولر معدِّل ضوء مكاني كامل الميزات. ومن المؤمل أن تمنح هذه الأداة الباحثين قدرة غير مسبوقة على التحكم في الاتصال العصبي واختباره.
كاي زين ، دكتوراه ، هوارد وجوين لوري سميتس أستاذ علم الأحياء ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
"وحدات الباركود الإنزيمي "
تتضمن العديد من تجارب علم الأعصاب تحليل الأجسام المضادة والمستقبلات المرتبطة بأسطح الخلايا. أيضا ، يتطلب فهم التطور العصبي والوظيفة معرفة في الجسم الحي التفاعلات بين بروتينات سطح الخلية. عادةً ما تستغرق التجارب عالية الإنتاجية التي تتضمن البروتينات وقتًا معقدًا ومعقدًا نظرًا لأن كل بروتين له خصائص كيميائية حيوية مختلفة. للمساعدة في فتح فرص جديدة لأبحاث علم الأعصاب ، يعمل د. زين وفريقه على تطوير طريقة معيارية لـ "تكوين الباركود" للبروتينات المختلفة ، وتزويد الباحثين بمجموعة أدوات مرنة.
يتضمن الرمز الشريطي في أبسط أشكاله إدخال علامة جينية في الجزيئات ثم البحث عن هذه العلامات بعد التجربة لتحديد الجزيئات المترجمة معًا. وقد تم استخدامه مع الأحماض النووية بنجاح كبير. ومع ذلك ، فإن البروتينات أكثر تعقيدًا ، ولم تكن هناك طريقة لوضع الباركود على آلاف البروتينات التي تهم الباحثين دون اللجوء إلى التشابك الكيميائي ، والذي غالبًا ما يغير وظيفة البروتين. يتغلب الدكتور زين على هذا التحدي من خلال استخدام بروتينات الاندماج التي تحتوي على وحدات ربط بروتين عالية التقارب ملحقة بإنزيمات "مجال HUH" ، والتي يمكن أن تتزاوج بشكل تساهمي مع قليل النوكليوتيدات الباركود. تسمح وحدات الربط بإرفاق الباركود بالأجسام المضادة وبروتينات البيوتينيلايتيد والبروتينات ذات علامات ربط تساهمية. وهذا يوفر الوصول إلى معظم البروتينات التي تهم علماء الأعصاب. يتضمن المشروع أيضًا بناء سقالات من الجسيمات النانوية مع 60 نقطة ربط يمكن إرفاقها في وقت واحد بالباركود والبروتينات ذات الأهمية. ستعزز هذه السقالات إمكانية ملاحظة التفاعلات - تصبح التفاعلات الضعيفة أقوى عندما تتفاعل بروتينات متعددة على كل بنية.
سوف يستلزم مشروع د. زين تطوير البروتوكولات والعمليات التي ينطوي عليها إجراء عدة أنواع من تجارب تسلسل الخلية الواحدة ذات الإنتاجية العالية والتي ستوفر معلومات عن البروتينات. وتشمل هذه التجارب استخدام الأجسام المضادة الباركود لمراقبة التعبير عن مستقبلات سطح معينة على الخلية ، ولملاحظة التغيرات في الخلايا عند تعرضها لبروتينات معينة ، وتصور أعداد كبيرة من المستضدات في أنسجة المخ ، ولرصد تفاعلات أعداد كبيرة من البروتينات ، ول تحديد مستقبلات البروتينات "اليتيمة". بفضل نمطيته وبساطته والقدرة على السماح لبروتينات متعددة بالتفاعل في وقت واحد ، يتوقع د. زين أن نظامه الشريطي سيمكن ويسرع هذه الأنواع الأخرى من تجارب علم الأعصاب.
