1 أغسطس 2022
أعلن صندوق McKnight Endowment for Neuroscience (MEFN) عن المستفيدين الثلاثة من $600،000 في تمويل المنح من خلال 2022 McKnight الابتكارات التكنولوجية في جوائز العلوم العصبية ، تقديراً لهذه المشاريع لقدرتها على تغيير طريقة إجراء أبحاث علم الأعصاب بشكل جذري. سيتلقى كل مشروع ما مجموعه $200،000 على مدى العامين المقبلين ، مما يعزز تطوير هذه التقنيات الرائدة المستخدمة في رسم خريطة لوظائف الدماغ ومراقبتها ونمذجةها. الفائزون بجائزة 2022 ومشاريعهم:
- أندريه بيرندت ، دكتوراه من جامعة واشنطن ، تقوم بتطوير نظام لإنشاء وفحص أعداد كبيرة جدًا من أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية بسرعة كبيرة ، بحيث يمكن للباحثين تحديد وتنقيح هذه المستشعرات الحيوية بشكل أكثر دقة لتجاربهم. تقيد قيود التكنولوجيا والموارد الحالية الباحثين على استكشاف العشرات أو المئات من أجهزة الاستشعار الحيوية ، ويعني حجم العينة الصغير أنهم لا يستطيعون التأكد من أنهم وجدوا الخيار الأفضل. مع القدرة على إنشاء وشاشة عشرات الآلاف ، ستتوسع خياراتهم بشكل كبير.
- رويكسوان جاو ، دكتوراه ، جامعة إلينوي شيكاغو ، هو هندسة كيميائية لنوع جديد من الهيدروجيل لاستخدامه في ممارسة جديدة من الفحص المجهري للتوسع - بشكل أساسي توسيع عينات الأنسجة والخلايا المكونة لها إلى عدة أضعاف حجمها الأصلي لتسهيل دراستها. إن جزيئاته "التيترا-جل" الجديدة والجزيئات المتخصصة التي تثبت العينة في الهلام ستسمح لها بالتوسع بدقة عالية وتظل مستقرة بحيث يمكن التقاط الصورة الجزيئية لأنسجة المخ بشكل أفضل.
- ميرنا ميهوفيلوفيتش سكاناتا ، دكتوراه ، جامعة سيراكيوز ، يطور تطبيقًا جديدًا عالي الدقة للفوتون المجهري الذي سيسمح للباحثين بتتبع النشاط العصبي بدقة والتعامل معه بصريًا على مساحة كبيرة في ذباب الفاكهة اليرقي الذي يتحرك بحرية ويتحرك بحرية. النظام غير جائر تمامًا ، باستخدام خوارزمية لضبط حركة اليرقات وتتبع العديد من الخلايا الفردية في وقت واحد عن طريق حساب وتصحيح الحركة وتشوه الدماغ أثناء تحرك الحيوان.
تعرف على المزيد حول كل من هذه المشاريع البحثية أدناه.
حول الابتكارات التكنولوجية في جوائز علم الأعصاب
منذ أن تم إنشاء جائزة McKnight للابتكارات التكنولوجية في علم الأعصاب في عام 1999 ، ساهمت MEFN بأكثر من 1 تيرابايت 3 تيرابايت 16 مليون في التقنيات المبتكرة لعلم الأعصاب من خلال آلية الجائزة هذه. تهتم MEFN بشكل خاص بالعمل الذي يتخذ مناهج جديدة ومبتكرة لتطوير القدرة على معالجة وتحليل وظائف الدماغ. يجب أن تكون التقنيات التي تم تطويرها بدعم McKnight متاحة في النهاية للعلماء الآخرين.
قال ماركوس مايستر ، دكتوراه ، رئيس لجنة الجوائز وأستاذ العلوم البيولوجية في آن ب. وبنجامين ف. في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. "تمتد جوائزنا إلى نطاق واسع ، بدءًا من أجهزة الاستشعار الحيوية الجديدة لإرسال إشارات الجزيئات إلى الأساليب الذكية التي تعمل على توسيع الأنسجة العصبية قبل الفحص المجهري عالي الدقة."
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 جوائز الابتكارات التكنولوجية في علم الأعصاب لهذا العام من مجموعة تنافسية للغاية من 90 متقدمًا.
لمزيد من المعلومات حول الجوائز ، من فضلك زيارة موقعنا على الانترنت.
2022 McKnight الابتكارات التكنولوجية في جوائز علم الأعصاب
أندريه بيرندت ، دكتوراه ، أستاذ مساعد ، قسم الهندسة الحيوية ، جامعة واشنطن
هندسة موازية بشكل كبير ، إنتاجية عالية من أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية للإشارات العصبية
أحدثت البروتينات الفلورية المشفرة وراثيًا ثورة في دراسة خلايا الدماغ والدوائر العصبية. من خلال الإضاءة حرفيًا في وجود نشاط عصبي معين ، والذي يمكن تسجيله بعد ذلك بواسطة المجاهر والألياف الضوئية في الأدمغة الحية ، كشفت هذه الأداة عن العديد من الألغاز وسمحت للباحثين بتصور نشاط الدماغ والمسارات العصبية. ولكن كان هناك عنق زجاجة: تطوير وتحديد أفضل جهاز استشعار لكل تجربة. تحتاج هذه البروتينات المشفرة إلى التفاعل في وجود محفزات محددة فقط ، وفي بعض الحالات قد تحتاج إلى أن تكون شديدة الحساسية ، وفي حالات أخرى قد تحتاج إلى التألق لفترة أطول من الوقت ، أو قد تحتاج التجربة إلى مستشعرين لمعرفة مدى تعدد النواقل العصبية تفاعل.
في الماضي ، كان يجب تعديل كل جهاز استشعار وإنتاجه واختباره على حدة. ربما يمكن مقارنة بضع عشرات أو مئات فقط ، واختار الباحثون الخيار الأفضل من عينة صغيرة - لا يعرفون ما إذا كان هناك خيار أفضل وأكثر دقة متاحًا. طور الدكتور بيرندت عملية لتطوير واختبار أعداد كبيرة جدًا من أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية في وقت واحد ، بهدف فحص أكثر من 10000 يوميًا وبناء مكتبة ضخمة من أجهزة الاستشعار الحيوية التي يمكن أن تمنح الباحثين إمكانية الوصول إلى البروتينات المصممة بدقة التي يمكنهم استخدامها للتشغيل على الإطلاق- تجارب أكثر تحديدًا.
تستخدم التكنولوجيا الهندسة الوراثية السريعة لإنشاء أعداد كبيرة من المتغيرات لجهاز الاستشعار الحيوي ، ثم تضع المتغيرات الفردية في مصفوفة ميكروويل. تتعرض المستشعرات إلى الببتيدات العصبية - يركز الدكتور بيرندت حاليًا على المستشعرات الأفيونية الخاصة بالربيطة - والمستشعرات الضوئية ثم تقرأ المصفوفة الدقيقة ، وتكتشف السطوع والمتغيرات الأخرى لكل متغير ، واختيار أفضل الخيارات لمزيد من الاختبار. على مدار عامين ، سيتم اختبار حوالي 750.000 مستشعر حيوي وسيتم تحسين عملية فحصهم ، مما يؤدي إلى تطوير البحث في الإجراءات الأفيونية في الدماغ وتوفير نهج متعدد الاستخدامات يمكن للباحثين الآخرين استخدامه في تجاربهم.
رويكسوان جاو ، دكتوراه ، أستاذ مساعد ، قسم الكيمياء وقسم العلوم البيولوجية ، جامعة إلينوي شيكاغو
التنميط المكاني دون 10 نانومتر للبروتينات المشبكية ونصوص الحمض النووي الريبي مع مجهر توسع متناحي عالي باستخدام هيدروجيل متجانس للغاية مبني من مونومرات تشبه رباعي الأسطح
لفحص الأشياء الصغيرة جدًا - مثل الخلايا العصبية ونقاط الاشتباك العصبي في الدماغ - يستخدم الباحثون مجاهرًا قوية. ولكن هناك طريقة أخرى يمكن أن تسفر عن نتائج مبهرة: توسيع عينة الأنسجة والخلايا الموجودة بداخلها حرفيًا باستخدام هيدروجيل خاص منتفخ من خلال عملية تسمى الفحص المجهري للتوسع. يرتبط الهيدروجيل بالمكونات الجزيئية المختلفة للخلايا ويتوسع ، مما يؤدي بشكل مثالي إلى تثبيت جميع الأجزاء المكونة في نفس الموضع النسبي لبعضها البعض ، مما يخلق عينة أكبر وأكثر سهولة للدراسة - من حيث المبدأ ، على غرار الكتابة على البالون ، ثم تضخيمها .
ومع ذلك ، فإن الهلاميات المائية الحالية المستخدمة في هذه العملية لها بعض العيوب عندما يتعلق الأمر بدراسة الهياكل الدقيقة في الدماغ. هامش الخطأ في الاحتفاظ بالموضع النسبي للجزيئات ليس دقيقًا كما هو مطلوب. يتفاعل الجل الجديد الذي يحتمل أن يتغلب على هذه المشكلة بشكل سيئ مع الحرارة المستخدمة في تغيير طبيعة عينات الأنسجة ومعالجتها. ويمكن أن يحد من استخدام المؤشرات الحيوية الفلورية. يهدف الدكتور جاو إلى تحسين التكنولوجيا من خلال تطوير نوع جديد من "رباعي الهلام" ، والذي تم تصميمه كيميائيًا ليكون له مونومر على شكل رباعي السطوح يكون متجانسًا للغاية أثناء تمدده ومقاومته للحرارة ويسمح باستخدام علامات مضيئة بيولوجيًا. كما سيطور روابط كيميائية ، وهي جزيئات متخصصة من شأنها أن تربط المكونات الجزيئية المختلفة للعينة بالهلام. الهدف هو الحصول على عينة موسعة تطابق دقة الصورة الأصلية في حدود 10 نانومتر ، مطابقة لدقة المجاهر القوية.
لقد حددت أبحاث الدكتور جاو بالفعل مركبات واعدة لتطوير هذا الجل الرباعي. أثناء تطوير مختبره وتنقيحه ، سيطبق قدراته على دراسة ، على سبيل المثال ، الدماغ المصاب بمرض باركنسون المبكر. كانت دراسة البنية الدقيقة لهذه الأدمغة تمثل تحديًا للطرق التقليدية ، والهدف هو تحديد البروتينات المشبكية بدقة ونصوص الجينات المرتبطة بها ، مما يساعد على الكشف عن كيفية تكوين دماغ PD مبكرًا جزيئيًا.
ميرنا ميهوفيلوفيتش سكاناتا ، دكتوراه ، أستاذ مساعد ، قسم الفيزياء ، جامعة سيراكيوز
تقنية التتبع ثنائي الفوتون لقراءة الأنماط العصبية ومعالجتها في الحيوانات التي تتحرك بحرية
المعيار الذهبي لعلماء الأعصاب هو أن يكونوا قادرين على تسجيل ومعالجة ما يحدث في الدماغ بمستوى عالٍ من الدقة ، على مساحة كبيرة ، بينما يتصرف الحيوان الحي بحرية وبشكل طبيعي. على مر السنين ، سمحت التكنولوجيا للباحثين بالتحرك نحو هذا المثل الأعلى ، ولكن مع بعض التنازلات دائمًا. في كثير من الأحيان ، كانت الحيوانات بحاجة إلى أن تكون مثبتة الرأس ، و / أو لديها أجهزة استشعار متطفلة أو بصريات مزروعة في أدمغتها ، وغالبًا ما كان التسجيل أو التلاعب عالي الدقة يقتصر على منطقة صغيرة نسبيًا من الدماغ ، في حين أن التسجيلات واسعة النطاق والتلاعب كان أقل دقة.
أحد التحديات الرئيسية هو ببساطة حركة وتشويه الدماغ والخلايا العصبية في حيوان يتحرك بحرية. لكن الدكتورة سكاناتا تعمل على تطوير تقنية جديدة لتتبع الفوتونين تسمح لها بتتبع العديد من الخلايا العصبية الفردية في حيوان متحرك دون أي غرسات باضعة ، وتنشيط هذه الخلايا العصبية أو معالجتها بصريًا. النموذج المستخدم هو يرقات ذبابة الفاكهة ، وهي شفافة بشكل طبيعي ، وسيواصل الدكتور سكاناتا تطوير استخدام مجهر ثنائي الفوتون (مما يسمح باستهداف دقيق للغاية) إلى جانب خوارزمية بارعة يمكنها الكشف بسرعة عن حركة الخلايا العصبية الفردية و اضبط موضع الموضوع في مرحلة متحركة لإبقائه في المنتصف تحت المجهر. يحسب النظام المواضع النسبية للعديد من الخلايا العصبية ، ويتكيف مع حركة وتشوه الدماغ أثناء الحركة ، ويتتبع النشاط العصبي عبر منطقة كبيرة.
عند تتبع حيوان تم تعديله بحيث يمكن تنشيط الخلايا العصبية عند تعرضها للضوء البصري ، يتيح النظام للباحثين تشغيل الخلايا العصبية بدقة عالية أثناء النشاط الطبيعي. الأهم من ذلك ، أن النظام الذي يطوره الدكتور سكاناتا لديه القدرة على التحكم بشكل مستقل في حزمتين من أشعة الليزر ، بحيث يمكنه تتبع مناطق متعددة في وقت واحد ، وسيسمح حتى بتتبع النشاط بين الأفراد ، مما يسمح بإلقاء نظرة ثاقبة على النشاط العصبي أثناء اللقاءات الجماعية.
