المكرمات

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.

تيموثي دن ، دكتوراه ، أستاذ مساعد ، قسم الهندسة الطبية الحيوية ، جامعة ديوك

القياس الكمي السلوكي ثلاثي الأبعاد متعدد المقاييس في الأفراد والمجموعات الاجتماعية

الأساليب الحالية لقياس حركة الحيوانات التي تتصرف بحرية لها قيود: تتطلب الملاحظات التفصيلية للغاية للحركات الصغيرة للحيوان (رقم واحد ، على سبيل المثال) نطاقات محدودة من الحركة. غالبًا ما تعني دراسة السلوك المتحرك بحرية في الفضاء ثلاثي الأبعاد تحديد الدقة ، وربما تتبع الموضع الكلي فقط ، أو الاعتماد على وصف المراقب. يتطلب التتبع التلقائي للفيديو في الحيوانات عادةً بيئة غير طبيعية وبسيطة ، ولا يتم تعقب أجزاء الجسم غير المرئية للكاميرات بدقة. تتطلب تنبؤات الذكاء الاصطناعي عالية الدقة (AI) على مساحات كبيرة ثلاثية الأبعاد باستخدام التمثيل المكاني الحجمي ، وهي تقنية تم تطويرها مؤخرًا للتغلب على هذه المشكلات ، قوة حوسبة هائلة. تقدم إضافة حيوانات متعددة للملاحظات الاجتماعية مشكلات إضافية.

نتيجة لذلك ، هناك ضعف في توافر البيانات المطلوبة: التتبع التلقائي عالي الدقة للحيوانات في مساحة ثلاثية الأبعاد تؤدي سلوكيات طبيعية ، بمفردها أو في مجموعات ، وتقدير هذه الحركة بتنسيق موحد. يعمل الدكتور دن على نهج جديد يهدف إلى تقريب هذا النموذج المثالي. بناءً على ما تم تعلمه من خوارزمية التعلم الآلي الهندسية ثلاثية الأبعاد التي استخدمها فريقه لتحسين دقة التنبؤات بشكل كبير ، يعمل الدكتور دن وفريقه الآن على أخذ عينات الصور المتكررة التكيفية (ARIS) التي تجمع بين الصور من كاميرات متعددة لبناء نموذج يمكنه قياس موضع الجسم والتنبؤ به على العديد من المقاييس ، حتى عندما لا يكون الجزء (مثل الذراع أو القدم) مرئيًا بشكل مباشر.

يعمل نظام ARIS بشكل انتقائي على تحسين دقة ميزات الجسم الدقيقة ، ويستخدم النمذجة التنبؤية بناءً على ما يعرفه عن موضوعه (ترتيب الأطراف وطولها ، وكيفية اتصالها ، وكيفية تحركها ، وما إلى ذلك) - تم تعلمها أولاً عن طريق تحليل كميات هائلة من بيانات التدريب من الفئران التي تتصرف بحرية ومن ثم ضبطها باستخدام بيانات التدريب في الأنواع الأخرى - للتركيز على الجزء من الفضاء الذي من المحتمل أن يكون فيه جزء الجسم. يستخدم هذا قوة حسابية أقل بكثير من أدوات القياس ثلاثية الأبعاد السابقة. في بحثه ، سيقوم الدكتور دن بتنفيذ نظام ARIS وتسجيل البيانات بمقاييس متعددة ، من الوضع العام والوضع وصولاً إلى حركة السمات الدقيقة لليدين والقدمين والوجه. سوف يستكشف مزيد من البحث فعاليته مع تفاعل حيوانات متعددة. هذه القدرة على قياس السلوك بطريقة جديدة وأكثر دقة لها آثار واسعة على دراسة الاضطرابات العصبية التي تؤثر على الحركة ، وربط نشاط الدماغ بالسلوك ، ودراسة التفاعلات الاجتماعية.

جيفري كيفت ، دكتوراه ، أستاذ بقسم الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة الجزيئية ، كلية الطب بجامعة كولورادو

تقنية جديدة للتحكم في النسخ

يُعرف Messenger RNA ، أو mRNA ، بأنه لاعب حيوي في حياة الخلايا وصحتها. جزيئات الحمض النووي الريبي هذه هي القوالب لصنع البروتين ، ويتم إنشاؤها داخل الخلايا لتحمل التعليمات إلى آلية صنع البروتين ، ثم يتم تدميرها بواسطة الإنزيمات. يُطلق على مجموع الرنا المرسال الذي يعبر عنه الكائن "ترنسكريبتوم".

ترتبط أوجه القصور في الرنا المرسال والرنا غير المشفر (ncRNA) ببعض الاضطرابات التنكسية العصبية والنمائية العصبية. إذا كان هناك القليل جدًا من mRNA أو ncRNA معين في النسخ ، فقد تتدهور بعض الوظائف الخلوية أو يتم تعطيلها. يستكشف الدكتور كيفت طريقة جديدة لإدارة الترنسكريبتوم عن طريق إبطاء تحلل الرنا المرسال والـ ncRNA. مع العلم أن بعض الإنزيمات التي تدمر الحمض النووي الريبي (RNAs) بشكل أساسي "تمضغها" من طرف إلى آخر ، استخدم الدكتور كيفت فهمه لكيفية هيكلة جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) وتنطوي على نفسها لتكوين قطعة هندسية من الحمض النووي الريبي المقاوم للنيوكلياز (xrRNA) التي ، عند تقديمه إلى mRNA أو ncRNA المتوافق ، يتحد ويثني لتشكيل بنية "معطلة" ، مما يؤدي حرفياً إلى تغيير شكل الحمض النووي الريبي عن طريق إدخال نتوء يوقف الإنزيمات في مساراتها.

من خلال إبطاء تحلل الرنا المرسال و ncRNA المستهدف ، يرى الدكتور كيفت الفرصة لإدارة وفرتها داخل النسخة النصية. يمكن لـ xrRNAs المهندسة التعرف على أهداف محددة فقط ، والارتباط بها ، وإنشاء الحماية ، بحيث يمكن للباحثين زيادة نسبة الهدف دون تغيير مقدار ما يتم إنشاؤه. يتميز هذا النهج بكونه أقل اضطرابًا للخلية المضيفة من تعزيز mRNA بشكل غير طبيعي ، كما أن الدقة التي يمكن بها هندسة xrRNA توفر إمكانية استهداف عدة RNAs في وقت واحد ، وربما تسمح أيضًا بضبط دقيق عن طريق إدارة معدل بدقة فساد. يرى الدكتور كيفت هذا التطبيق ، الذي نشأ من العلوم الأساسية التي تدرس الحمض النووي الريبي ، كأداة بحث قوية محتملة لعلماء الأعصاب ، وربما حتى الأساس للعلاجات في المستقبل البعيد.

سوهاسا كوداندارامايا ، دكتوراه ، بنجامين مايهوغ أستاذ مساعد ، قسم الهندسة الميكانيكية ، جامعة مينيسوتا توين سيتيز

ساعد الروبوت على التسجيلات على مستوى الدماغ في الفئران التي تتصرف بحرية

عادةً ما يتعين على علماء الأعصاب الذين يدرسون نشاط الدماغ أثناء السلوكيات إجراء مفاضلة: يستخدمون أجهزة استشعار عصبية مصغرة مثبتة على الرأس تكون خفيفة بدرجة كافية للسماح للحيوان الخاضع للتصرف بالتصرف بحرية ، ولكنها أقل دقة أو لا يمكنها مراقبة الدماغ بالكامل. أو يستخدمون أدوات أكثر قوة ، والتي تكون ثقيلة جدًا بالنسبة للحيوانات الخاضعة وتتطلب حلولًا أخرى ، مثل عدم الحركة أثناء السماح للحيوانات بالتحرك في حلقة مفرغة ، أو حتى استخدام تجارب الواقع الافتراضي التي مع ذلك تحد من سلوك الشخص.

يتعامل الدكتور كوداندارامايا مع التحدي بهيكل خارجي جمجمة آلي يحمل وزن أجهزة التسجيل والمراقبة العصبية مع السماح للموضوع (في هذه الحالة الفأر) بتدوير رأسه في جميع الدرجات الثلاث: دوران كامل بزاوية 360 درجة في الانعراج (الدوران الأفقي) ، وحوالي 50 درجة من الحركة في محاور الانعراج واللف ، أثناء التحرك في الحلبة. يحتوي الروبوت على ثلاثة أذرع متصلة مرتبة في شكل مثلث ، معلقة فوق الموضوع وتلتقي عند نقطة التثبيت على الرأس. ستكتشف المستشعرات الموجودة في الحامل الحركة التي يقوم بها الماوس وتوجه الروبوت لتمكين الحركة بأقل قوة مقاومة ممكنة ، مما يسمح للفأرة بالدوران والتحرك داخل حلبة تُستخدم عادةً في تجارب علم الأعصاب مع جميع المعدات الحسية الضرورية و أسلاك من الغرسات التي يدعمها الروبوت.

إن تلبية الحاجة إلى التصغير يسمح للباحثين باستخدام أي جهاز متطور متوفر ، مما يعني أنه يمكن ترقية الروبوت نظريًا لاستخدام أحدث التقنيات بعد طرحه بفترة وجيزة. للوصول إلى هذه النقطة ، سيخوض فريق الدكتور كوداندارامايا عدة خطوات - هندسة الهيكل الخارجي ؛ هندسة المسرح الرئيسي بأجهزة الاستشعار اللازمة بالإضافة إلى أقطاب وكاميرات عالية الكثافة للمراقبة الخارجية للعين والشعيرات وغير ذلك ؛ إجراء اختبار الفوق ؛ ضبط الروبوت على المدخلات التي يمكن أن يقدمها الماوس ؛ تحديد كيفية إدخال المجسات ؛ وأخيرًا إجراء تسجيل مباشر. مع هذا الأساس الميكانيكي ، يأمل الدكتور كودانداراماياه في مساعدة الباحثين على الاقتراب من الحالة حيث يمكنهم إجراء تسجيلات عصبية مفصلة على مستوى الدماغ لأشخاص يتصرفون بحرية على مدى فترات زمنية طويلة.

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 الحاسوب ، 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.

جلعاد إيفريني ، دكتوراه ، دكتوراه ، أستاذ مساعد ، مركز الوراثة البشرية والجينوميات طب الأطفال وعلم الأعصاب وعلم وظائف الأعضاء ، جامعة نيويورك Langone Health

"TAPESTRY: تقنية متعددة الأوميغا أحادية الخلية لتعقب نسب عالية الدقة للمخ البشري"

من المعروف أن كل إنسان يبدأ كخلية واحدة مع مجموعة واحدة من "تعليمات" الحمض النووي ، لكن تفاصيل كيف تصبح خلية واحدة تريليونات - بما في ذلك عشرات المليارات من الخلايا في الدماغ - لا تزال غير معروفة إلى حد كبير. تهدف أبحاث الدكتور إيفريوني إلى تطوير تقنية تسمى TAPESTRY ، والتي قد تضيء هذه العملية من خلال بناء "شجرة عائلة" من خلايا الدماغ ، والتي تبين الخلايا السليفة التي تولد مئات أنواع الخلايا الناضجة في الدماغ البشري.

قد تحل التكنولوجيا بعض القضايا الرئيسية التي تواجه الباحثين الذين يدرسون تطور العقل البشري. الطريقة الأساسية لدراسة التطور عن طريق تتبع الأنساب (إدخال علامات في خلايا الحيوانات غير الناضجة ومن ثم دراسة كيفية انتقال هذه العلامات إلى ذريتها) أمر مستحيل عند البشر لأنه غزائي. أظهر العمل السابق للدكتور إفروني مع زملائه أنه يمكن استخدام الطفرات التي تحدث بشكل طبيعي لتتبع الأنساب في الدماغ البشري. يهدف TAPESTRY إلى تطوير وتوسيع نطاق هذا النهج من خلال حل العديد من قيود الطرق الحالية. أولاً ، يتطلب تتبع النسب عزلًا وتضخيمًا أكثر موثوقية لكميات ضئيلة من الحمض النووي للخلايا المفردة. ثانياً ، يجب أن يكون الفهم التفصيلي لنمو الدماغ البشري فعالاً من حيث التكلفة للسماح بتوصيف آلاف أو عشرات الآلاف من الخلايا الفردية. أخيرًا ، يجب أيضًا تعيين أنماط ظاهرية للخلايا - ليس فقط رؤية مدى ارتباط الخلايا ، ولكن أيضًا أنواع الخلايا التي ترتبط بها. يسعى TAPESTRY لحل هذه التحديات.

نهج الدكتور إيفريوني ينطبق على جميع الخلايا البشرية ، لكنه ذو أهمية خاصة في اضطرابات الدماغ. بمجرد تعيين سلالات المخ السليمة ، يمكن استخدامها كخط أساسي لمعرفة كيف يختلف نمو المخ لدى الأفراد الذين يعانون من اضطرابات مختلفة من المحتمل أن تنشأ في النمو ، مثل التوحد وانفصام الشخصية.

ياروسلاف أليكس سافتشوك ، دكتوراهأستاذ مساعد ، قسم العلوم الطبية الحيوية ، جامعة ماركيت

"التصوير Panoptical السريع لأحجام الدماغ عن طريق مجسمة رباعي الزمان"

تسمح تقنيات التصوير البصري للدماغ الحديثة بمراقبة طبقة رقيقة من الدماغ ، لكن تصوير الكثير من نشاط الدماغ في الفضاء ثلاثي الأبعاد - مثل حجم المخ - أثبت أنه أمر مروع. لقد طور الدكتور سافتشوك منهجًا يتيح للباحثين رؤية ما يحدث ليس فقط على سطح الدماغ ، ولكن في عمق وبدقة أعلى من ذلك بكثير من أي وقت مضى.

العملية الأساسية - المجهري ثنائي الفوتون - تلتقط نشاط المخ من خلال البحث عن مضان في خلايا المخ المعدلة وراثيا لحيوانات المختبر. باستخدام ليزر واحد ، يتم تسجيل معلومات العمق ببطء شديد. مع وجود حزمين ليزر ، يحصل الباحثون بشكل أساسي على رؤية مجهرية - يمكنهم رؤية ما هو أقرب وأبعد ، ولكن لا تزال هناك "ظلال" مرئية حيث لا يمكن رؤية أي شيء (على سبيل المثال ، عندما ينظر الشخص إلى حافة لوحة الشطرنج ، بعض القطع قد يحظره القطع الأقرب.) يعمل الدكتور سافتشوك على حل هذه المشكلة من خلال إضافة حزمتين ليزريتين إضافيتين ، مما يعطي رؤية رباعية ويقلل بشكل كبير البقع العمياء. كما أنه يقوم بترتيب توقيت الليزر - الذي ينبض بسرعة - حتى يعرف الباحثون أي من الليزر رأى أي نشاط ، مهم لبناء نموذج ثلاثي الأبعاد دقيق للوقت.

يتضمن مشروع الدكتور سافتشوك أولاً تصميم النظام في محاكاة الكمبيوتر ، ثم إثبات تطبيقه باستخدام نماذج الماوس. هدفه هو تطوير طرق لتحديث المجاهر ثنائية الفوتونات الحالية من خلال إضافة أشعة الليزر ومن خلال ترقيات الأجهزة والبرامج ، مما يتيح للمختبرات الاستفادة من التكنولوجيا دون دفع ثمن نظام جديد بالكامل.

Michale S. Fee ، دكتوراه., غلين الخامس وفيليس ف. دورفلينجر أستاذ علوم الأعصاب الحاسوبية والنظم ، قسم علوم الدماغ والإدراك ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ؛ والمحقق ، معهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ

"تقنيات جديدة لتصوير وتحليل مسارات الفضاء في الحالة العصبية في الحيوانات الصغيرة التي تتصرف بحرية"

دراسة النشاط العصبي في أدمغة الحيوانات هي تحد طويل الأمد للباحثين. النهج الحالية غير كاملة: يتطلب الحجم الحالي للمجهرات تقييد الحيوانات في نشاطها ، وتوفر هذه المجاهر مجال رؤية محدود للخلايا العصبية. من خلال إحراز تقدم كبير في التصغير المجهر ، يقوم الدكتور في ومختبره بتطوير الأدوات اللازمة لمعرفة ما يحدث في دماغ الحيوان بينما يكون الحيوان مجانيًا لأداء السلوكيات الطبيعية.

يسمح المجهر المثبت على الرأس للدكتور فاي بمراقبة التغيرات في أدمغة الطيور الشابة أثناء تعلمهم غناء أغانيهم. أثناء استماعهم وتكرارهم وتعلمهم ، وثق الدكتور في الدوائر العصبية التي تتطور كجزء من عملية التعلم المعقدة هذه. ترتبط هذه الدوائر بالدارات البشرية التي تتشكل أثناء التعلم المعقد للتسلسل الحركي ، مثل تعلم ركوب الدراجة ، وتعطلت في بعض الحالات بما في ذلك مرض باركنسون. بالنظر إلى هدفه لتوثيق عملية التعلم الطبيعية ، من الأهمية بمكان أن يكون قادرًا على تسجيل النشاط العصبي أثناء السلوكيات الطبيعية.

بالإضافة إلى التصغير ، فإن المجهر الجديد سيكون لديه القدرة على تسجيل عدد أكبر من الخلايا العصبية مقارنة بالتقنيات الأخرى المستخدمة في الحيوانات التي تتصرف بحرية ، وسيتم إقرانها بتحليل بيانات جديد يتيح للباحثين إجراء ملاحظات في الوقت الفعلي وتعديلها التجارب ، وتسريع عملية البحث. سيكون لها تطبيقات فورية وواسعة للباحثين الذين يستكشفون جميع أنواع سلوك الدماغ في الحيوانات الصغيرة.

ماركو جاليو ، دكتوراه, أستاذ مساعد ، قسم البيولوجيا العصبية ، جامعة نورث وسترن

"إعادة توصيل الأسلاك في المخ الحي"

يهدف هذا البحث إلى توسيع نطاق فهمنا لكيفية عمل العقول من خلال السماح للعلماء بتقليم الروابط التشابكية بشكل انتقائي وتشجيع الروابط الجديدة بين الخلايا العصبية. ستتيح إعادة تحويل الأسلاك في الدماغ للباحثين فهم الروابط التي تلعب دورًا أكثر دقة في مجموعات فرعية محددة من التأثيرات العصبية.

كل خلية عصبية داخل دماغية تتصل بأهداف متعددة. قد يكون لكل هدف وظيفة فريدة ، وبالتالي يعالج نفس المعلومات الواردة بطريقة مختلفة تمامًا. على سبيل المثال ، تحمل بعض الخلايا العصبية المحددة في دماغ ذبابة الفاكهة معلومات حول البيئة الخارجية التي يتم استخدامها للابتعاد بسرعة عن التهديدات الوشيكة (سلوك فطري) ، ولكن أيضًا لإنتاج ارتباطات طويلة الأمد من خلال التعلم.

ستسمح التكنولوجيا المقترحة للباحثين بتحديد الروابط المهمة لكل عملية من خلال إزالة نقاط الاشتباك العصبي بشكل انتقائي إلى مراكز التعلم مع ترك جميع الاتصالات الأخرى سليمة. يهدف المشروع إلى استخدام الهندسة الوراثية لإنتاج البروتينات المصممة التي سوف تتوسط إما التنافر أو الجاذبية / التصاق بين شركاء متشابك محددة وراثيا في الدماغ السليم للحيوانات الحية. بالإضافة إلى إثبات أن هذا النوع من تجديد العقول ممكن ، سيؤدي البحث إلى سلالات جديدة من ذبابة الفاكهة مع علم الوراثة الفريدة التي يمكن مشاركتها على الفور مع باحثين آخرين. حسب التصميم ، يمكن تعديل هذه الأدوات بسهولة لاستخدامها في أي نموذج حيواني أو تطبيقها على أجزاء مختلفة من الدماغ ، مما يتيح فئة جديدة كاملة من الدراسات العصبية مع انعكاسات عميقة لفهمنا لكيفية عمل أدمغة الإنسان.

خوسيه م. كارمينا ، دكتوراه ، أستاذ بقسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ، ومعهد هيلين ويلز للعلوم العصبية ، جامعة كاليفورنيا بيركلي

ميشيل م. مهاربيز ، دكتوراه ، أستاذ ، قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ، جامعة كاليفورنيا بيركلي

الغبار العصبي (Neural Dust): تقنية بالموجات فوق الصوتية منخفضة الطاقة ومصغرة للغاية للتسجيلات العصبية اللاسلكية وغير المربوطة تمامًا في الدماغ

الدكاترة. تتعاون Carmena و Maharbiz لإنشاء الجيل التالي من واجهة آلة الدماغ (BMI) باستخدام ما يسمى "الغبار العصبي" - أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية قابلة للزرع وحجم الذبابة يمكن أن تلغي الحاجة إلى الأسلاك التي تمر عبر الجمجمة ، وتسمح للتسجيل القشري اللاسلكي في الوقت الحقيقي. بينما يدرس الباحثون في مختبراتهم وكذلك زملاء آخرين في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر بجامعة كاليفورنيا ومعهد هيلين ويلز لعلوم الأعصاب إمكانات تكنولوجيا الغبار العصبي كما هي مطبقة على العضلات والجهاز العصبي المحيطي ، بتمويل من McKnight سوف يسمح للباحثين بتطبيق المفهوم على الجهاز العصبي المركزي ، وهي طريقة يعتقدون أنها يمكن أن تحدث ثورة في علم الأعصاب بنفس الطريقة التي أحدث بها منظم ضربات القلب ثورة في أمراض القلب. من خلال التشغيل المغلق لتقنية الغبار العصبي ، تتصور كارمينا ومهاربيز مستقبلاً يمكن فيه تدريب أو علاج الدماغ لاستعادة وظائفه الطبيعية بعد الإصابة أو ظهور مرض عصبي نفسي.

علي غليبور ، دكتوراه, أستاذ مساعد في الأشعة ، كلية الطب بجامعة هارفارد ؛ مدير البحوث التحريرية للأشعة ، وعالم هيئة التدريس في مختبر الأشعة الحسابية ، في مستشفى بوسطن للأطفال

تقنية التصوير القوية الحركة من أجل التحليل الكمي لنمو الدماغ المبكر 

تشكل حركة الأجنة وحديثي الولادة والأطفال الصغار تحديًا خاصًا للباحثين الذين يركزون على التصوير المتقدم لتحليل نمو الدماغ المبكر وتحديد الاضطرابات المحتملة. تعمل المجموعة البحثية للدكتور غوليبور في مختبر الأشعة الحاسوبية في مستشفى بوسطن للأطفال على تطوير وتقييم ونشر تكنولوجيا وبرامج التصوير بالرنين المغناطيسي الجديدة القوية التي تسمح للباحثين بالدراسة والتوصيف داخل الرحم والفترة المحيطة بالولادة ، وظيفة الدماغ في مرحلة الطفولة المبكرة والبنية. يمكن أن تؤدي أدوات التصوير وتحليل الصور الجديدة إلى تحسينات جذرية في قدرة مجتمع علم الأعصاب على جمع وتحليل البيانات الضخمة لتحسين فهم تطور الدماغ المبكر وإنشاء رابط أوضح للاضطرابات التي قد تنشأ عن المراحل المبكرة من الحياة.

نارايانان (بوبي) كاستوري ، دكتوراه ، دكتوراه في الطب، جامعة شيكاغو ومختبرات أرجون الوطنية

Brain-X: خرائط مقياس النانو لأدمغة كاملة باستخدام الأشعة السينية عالية الطاقة القائمة على السنكروترون

يستخدم مختبر الدكتور كاستوري أشعة إكس عالية الطاقة لإنشاء خرائط كاملة وشاملة للدماغ. تؤدي مجموعات الصور التي تم إنشاؤها إلى ظهور كميات هائلة من البيانات التي يمكن تجزئتها لتحديد موقع كل خلية عصبية وأوعية دموية ومكون من الدماغ. من خلال إنشاء خرائط للفئران السليمة والأدمغة البشرية ، يمكن للعلماء مقارنتها بالعينات المرضية لفهم الاختلافات الخلوية والمشابكية بشكل أفضل في العقول المريضة المتأثرة بالتوحد والسكري والسكتة الدماغية ، من بين أمراض أخرى.

ستيفن ميلر ، دكتوراه، كلية الطب بجامعة ماساتشوستس

التغلب على العوائق التي تحول دون التصوير في الدماغ

التصوير في الدماغ أمر صعب ، لأن العديد من التحقيقات الجزيئية غير قادرة على عبور حاجز الدم في الدماغ (BBB). لقد وجد الدكتور ميلر ومعمله طرقًا لتحسين التصوير في الأنسجة العميقة للمخ من خلال الاستفادة من الخصائص المتألقة للياقة. قام فريق ميلر بتعديل الركيزة الطبيعية لليوسفيرين لزيادة قدرتها على الوصول إلى أدمغة الحيوانات الحية. يمكن استخدام توهج المخ للكشف عن التعبير الجيني أو نشاط الإنزيم أو مراقبة تطور المرض أو قياس فعالية الأدوية الجديدة.

دكتور لونج كاي، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

فك شفرة الأساس الجزيئي لهوية الخلية في الدماغ عن طريق التسلسل FISH

طور مختبر Cai طريقة تصوير عالية الطاقة تعتمد على "مضان جزيء واحد في التهجين في الموقع" أو smFISH ، مما يجعل من الممكن النظر إلى المعلومات الوراثية (مثل RNA) داخل الخلايا. إنه يسعى الآن إلى تكييف هذه الطريقة لتوضيح التعبير الجيني مباشرة في العقول بنفس الدقة العالية باستخدام FISH المتسلسل (seqFISH).

سينثيا تشستيك ، دكتوراهجامعة ميشيغان

عالية الكثافة 90μمالملعب microthread الكربون الملعب لتسجيل كل الخلايا العصبية في طبقة 5

يعمل مختبر Chestek على تطوير طريقة لتسجيل وتصور خلايا عصبية صحية مترابطة ونشطة على مدار فترة زمنية بكثافة أكبر من أي وقت مضى. باستخدام أقطاب خيط الكربون الضئيلة ، تعتزم تسجيل الخلايا العصبية في دماغ الفئران من مجموعة من القنوات ومن ثم تشريح الدماغ لتصور الدائرة بأكملها. الهدف هو تحقيق مجموعة من 64 قناة يمكن ملاحظتها بكثافة عالية باستخدام موصل علم الأعصاب التقليدي.

سبنسر سميث ، دكتوراه، جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل

التصوير Multiphoton لأحجام الدماغ الكبيرة

تعمل الخلايا العصبية المفردة معًا بطرق معقدة لتشكيل الأفكار والسلوكيات. يبدو أن التصوير Multiphoton ، الذي يمكنه حل الخلايا العصبية الفردية من ملليمترات ، يوفر طريقة مبتكرة لدراسة هذه العملية. بالاعتماد على الأبحاث السابقة باستخدام الفحص المجهري ثنائي الفوتون ، يسعى مختبر سبنسر إلى بناء نظام بصري مخصص للوصول إلى مليون خلية عصبية مع الاحتفاظ بالقدرة على مراقبة الخلايا العصبية بشكل فردي.

خوان كارلوس إيزيسوا بيلمونتي ، دكتوراهمعهد سالك للدراسات البيولوجية

اشتقاق وتوصيف وتعديل الجينات لخطوط خلايا الجراثيم البدائية الشائعة لدى مرموسيت تحت حالة جديدة

يعمل مختبر Izpisua Belmonte على تقصير الوقت اللازم لتطوير نماذج حيوانية غير بشرية - خاصة المارموست. طورت شركة Belmonte إستراتيجية لتسهيل توليد نماذج من نباتات marmoset المحورة جينيا باستخدام خلايا جرثومية بدائية (PGCs). لدى البحث القدرة على توفير موارد غير محدودة للخلايا لدراسة تطور الخلايا الجرثومية في الطبق ، ويمكن أن يساعد النهج ، جنبًا إلى جنب مع أدوات تحرير الجينوم ، في إنشاء نماذج حيوانية جديدة للأمراض البشرية.

سوتيريس Masmanidis ، دكتوراه، جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس

ميكروبات السيليكون لرصد ديناميات المخ المتوسط

يعمل مختبر Masmanidis على تطوير أجهزة قائمة على السيليكون أو microprobes يمكن توفيرها على نطاق واسع من خلال الإنتاج الضخم ويمكن تسجيل العديد من الخلايا العصبية في وقت واحد بدقة تبلغ ملي ثانية. ستمكّن الميكروبات Masmanidis من دراسة كيفية تفاعل خلايا الدماغ المتعددة أثناء السلوك والتعلم. بالإضافة إلى ذلك ، سيختبر مختبره تقنيات رائدة لتصنيف مواقع التسجيل بدقة ، مما يحسن دقة رسم خرائط نشاط الدماغ.

كيت أوكونور-جايلز ، دكتوراه، جامعة ويسكونسن ماديسون

مجموعة أدوات CRISPR / Cas9 لتحليل الدائرة العصبية الشامل

يسعى O'Connor-Giles إلى تطوير مجموعة أدوات معيارية لتحديد الجزيئي واكتساب التحكم الوراثي للأنواع الفرعية العصبية. ستوفر مجموعات الأدوات هذه موارد مهمة لوصف المساهمات الوظيفية للجينات في الهوية العصبية والأنواع الفرعية العصبية في السلوك. سيوظف مختبر O'Connor-Giles هذه التقنيات نفسها لفهم كيفية ربط الخلايا العصبية معًا أثناء التطور. يعتمد العمل على النجاح الذي حققه المختبر مؤخرًا في تكييف تكنولوجيا هندسة الجينوم في CRISPR / Cas9 في ذبابة الفاكهة.

توماس ر. كلاندين ، دكتوراه، جامعة ستانفورد

طريقة وراثية لتعيين الشبكات العصبية المحددة بواسطة المشابك الكهربائية

ركزت معظم الأبحاث على دماغ الدماغ على المشابك الكيميائية ، والتي هي أسهل للدراسة من المشابك الكهربائية. لكن هذه الصورة غير المكتملة لأسلاك الدماغ تعيق الجهود المبذولة لفهم التغيرات في نشاط الدماغ. يقترح كلاندين تطوير طريقة وراثية قابلة للتعميم لتحديد الخلايا العصبية التي ترتبط كهربائيا بالآخرين. بحلول نهاية فترة المنحة التي تبلغ عامين ، يتوقع أن يكون لديه مجموعة عمل من ذبابة ثمار ذبابة الأدوات بالإضافة إلى مسح للتوصيلات الكهربائية المحددة في دماغ الذبابة ، وأدوات مماثلة جاهزة للاختبار في الماوس.

ماثيو ج. كينيدي ، دكتوراه ، و شاندرا ل. تاكر ، دكتوراه ، جامعة كولورادو - دنفر

أدوات بصرية لمعالجة المشابك والدوائر

Optogenetics هو حقل جديد نسبيًا يتضمن التحكم في الوظيفة العصبية بالضوء. يأمل كينيدي وتاكر في توسيع المجال من خلال هندسة أدوات جديدة تتيح للمستخدمين استخدام الضوء للتحكم في العمليات في المراحل النهائية من إطلاق الخلايا العصبية ، مع التركيز على جزيئات الإشارة المهمة لتشكيل المشبك ، والقضاء على اللدونة. يخططون أيضًا لتطوير أدوات تسمح للمستخدمين بمعالجة مسارات الإشارات الجزيئية الأساسية المسؤولة عن التعلم والذاكرة في الدماغ.

زكاري أ. نايت ، دكتوراه ، جامعة كاليفورنيا - سان فرانسيسكو

التحوير العصبي التسلسلي مع الريبوسومات المهندسة

يحتوي دماغ الثدييات على مئات من أنواع الخلايا العصبية ، ولكل منها أنماط مميزة من التعبير الجيني. يقوم مختبر نايت ببناء أدوات لرسم خرائط الأحداث الكيميائية الحيوية في دماغ الفأر على هذا التنوع الجزيئي للخلايا. وسيقوم بتطوير طرق لالتقاط الحمض النووي الريبي التي يمكن أن تساعد في تحديد الهوية الجزيئية للخلايا الأساسية. ستسمح هذه الأدوات لعلماء الأعصاب بتحديد الخلايا العصبية المحددة التي يتم تعديلها أثناء التغيرات في السلوك ، أو علم وظائف الأعضاء أو المرض. هذه الخلايا المحددة يمكن معالجتها وراثيا لفهم وظيفتها.

دون بي. أرنولد ، دكتوراه ، أستاذ مشارك في البيولوجيا الجزيئية والحاسوبية ، جامعة جنوب كاليفورنيا

إزالة الأجسام الداخلية - أدوات الاستئصال المباشر للبروتينات الداخلية

تصنع البروتينات باستمرار وتتحلل في المخ. يعمل الدكتور أرنولد على أدوات لتمكين العلماء من معالجة عملية تدهور البروتين من أجل البحوث الطبية الحيوية. هذه الأدوات ، والمعروفة باسم الأجسام المضادة الداخلية ، يمكن أن تتوسط في تدهور البروتينات بسرعة وكفاءة ومحددة. قد يتحلل البروتين لاختبار وظيفته في الخلايا الطبيعية أو التحقيق في الآثار الضارة لبروتين مرضي معين - في مرض تنكس عصبي ، على سبيل المثال. في الوقت الحالي ، يمكن للعلماء أن يتسببوا في استئصال البروتين بشكل غير مباشر ، وذلك بحذف الجين أو الحمض النووي الريبي الذي يشفر البروتين. تتسبب الأجسام الداخلية المتقلبة في التدهور المباشر للبروتينات المستهدفة وبالتالي تعمل بسرعة أكبر. يمكنهم أيضًا استهداف البروتينات بتوافقات معينة أو البروتينات مع تعديلات معينة بعد الانتقال. سيقوم الدكتور أرنولد باختبار استخدام الأجسام الداخلية المخففة من خلال معالجة محتوى البروتين في مواقع ما بعد المشبكي لدراسة الوظيفة التشابكية والتوازن واللدونة داخل المخ. إذا نجح البحث ، فيمكن أن يكون له تطبيق واسع في العلوم الطبية الحيوية.

جيمس إبرويندكتوراه أستاذ الصيدلة، و إيفان ج. دموشوفسكيأستاذ مشارك في الكيمياء ، جامعة بنسلفانيا

علامة TIVA تمكن علم الجينوم الحقيقي للأنظمة الوراثية

في حين أنه كان من الممكن لعدة سنوات دراسة التعبير الجيني في الخلايا الفردية في الثقافات المختبرية ، فإن التقدم المستمر في البيولوجيا العصبية يتطلب القدرة على فحص الوظيفة الجينية والتنظيم على مستوى النظم ، في الأنسجة السليمة أو الكائنات الحية. الدكاترة. يعمل Eberwine و Dmochowski على طريقة لعزل الحمض النووي الريبي من الخلايا الحية من خلال منهج رائد لهما ، يطلق عليه TIVA-tag (لتحليل Transcriptome In Vivo Analysis). خلال فترة المنحة ، يخططون لتصميم كيمياء مركبات TIVA tag لجمع الحمض النووي الريبي من خلايا ذات خصوصية أكبر وكفاءة وتلف أقل للأنسجة مما كان ممكنًا في السابق. بحلول نهاية فترة المنحة ، يعتزمون وضع نهج علامة TIVA كمنهجية قابلة للتطبيق لعلم الجينوم على مستوى الأنظمة.

دوريس تساو ، دكتوراه ، أستاذ مساعد في علم الأحياء ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، و ويليام ج. تايلر ، دكتوراه ، أستاذ مساعد في معهد فرجينيا تك كاريليون للبحوث ، كلية الهندسة الطبية والعلوم

التشكيل الوظيفي لدارات دماغ سليمة سليمة باستخدام الموجات فوق الصوتية النبضية

يفتقد علم الأعصاب إلى أداة لتحفيز مواضع محددة ثلاثية الأبعاد في أي مكان في الدماغ البشري. أظهر العمل السابق للدكتور تايلر أن التحوير العصبي بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يحفز الخلايا العصبية في مخ الفأر دون تدخل. والخطوة التالية هي تحديد كيفية تأثير الموجات فوق الصوتية على الرئيسيات غير البشرية ، المكاك ، الذي يكون دماغه أكبر وأكثر تعقيدًا من دماغ الفأرة. يخطط الباحثون لمراقبة الاستجابات العصبية ، وتدفق الدم الدماغي ، والسلوك الحيواني خلال التحوير العصبي فوق الصوتي المركّز. في النهاية ، الدكاترة يهدف تساو وتايلر إلى تطوير طريقة لاستخدام الموجات فوق الصوتية لتحفيز مناطق معينة من الدماغ البشري ، والتي ستوفر أداة جديدة قوية لفهم دارات الدماغ في البشر ، وتوفر استراتيجيات جديدة لعلاج الأمراض العصبية والنفسية المنتشرة.

صموئيل س. وانغ ، دكتوراه ، أستاذ مشارك في البيولوجيا الجزيئية ، جامعة برينستون

تجاوز الحدود الديناميكية لمؤشرات الكالسيوم المشفر وراثيا

تعد البروتينات الفلورية التي تغير سطوعها عندما تنشط خلايا المخ مفيدة في مراقبة النشاط العصبي الذي يقوم عليه الإدراك والذاكرة والعمليات المعرفية الأخرى. تستجيب الإصدارات الحالية من هذه البروتينات ببطء شديد ، وفقًا لمقاييس زمنية مدتها ثانية أو أطول. يعيد مختبر الدكتور وانغ إعادة تصميم هذه البروتينات للاستجابة بسرعة أكبر ولمجموعة واسعة من النشاط. إلى جانب الأساليب البصرية المتقدمة ، فإن مثل هذه التطورات ستسمح بتتبع أجزاء صغيرة من نسيج الدماغ بالطريقة التي يتتبع بها التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الدماغ بأكمله - مع ميزة أن الطريقة الجديدة ستمكن الباحثين من رؤية خلايا مفردة والتغيرات التي تحدث على مدى أجزاء من الثانية. يعد هذا البحث جزءًا من جهد أكبر من قبل علماء الأعصاب لتطوير تقنيات لدراسة شبكات الدماغ أثناء تعلم الحيوان ، أو لمعرفة ما الذي يحدث في الحيوانات ذات العيوب العصبية.

ساندرا باجاليا ، دكتوراه ، أستاذ الصيدلة ، جامعة واشنطن

تطوير أجهزة الاستشعار الحيوي للدهون الإشارة

تلعب التغييرات في الدهون الغشائية دورًا في الإشارات العصبية ، لكن لا يمكن للباحثين حتى الآن تتبع إنتاج دهن الإشارة. تخطط باجاليا لتوليد أجهزة استشعار لتتبع توليد الدهون في الإشارة في الخلايا في الوقت الحقيقي. سوف تصمم البروتينات التي ترتبط بشحمي الإشارة في حالة عدم وجود إشارات أخرى واستخدامها لتطوير تحقيقات الفلورسنت لتتبع موقع هذه الدهون. هذه المعلومات ستجعل من الممكن توسيع النهج ليشمل الدهون الأخرى.

جوبينج فينج ، دكتوراه ، أستاذ علوم الدماغ والإدراك ، معهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

تطوير أداة جزيئية في الجسم الحي للمعالجة الوراثية للدوائر الدقيقة العصبية المحددة سلوكيا باستخدام اكتشاف الصدفة للنشاط والضوء

للدراسة عن كثب كيف يعالج الدماغ المعلومات ، يقوم فنغ بتطوير أداة لالتقاط مجموعات عصبية معينة تنشطها سلوكيات حيوانية خلال فترة وجيزة تحددها نبضات الضوء ، وتحدد خلايا المخ للتغيير الوراثي على أساس هذا النشاط. يمكن بعد ذلك اختبار هذه الخلايا لتقييم مشاركتها في السلوك. إذا نجحت ، فإن الأداة ستمكن علماء الأعصاب من التعديل الجيني لأي مجموعة من الخلايا العصبية التي يتم تنشيطها من خلال سلوك معين في فترة محددة بدقة.

فنغ تشانغ ، دكتوراه ، باحث ، معهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ ؛ عضو أساسي في المعهد العريض لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد ؛ أستاذ مساعد في علوم الدماغ والإدراك ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

هندسة الجينوم الدقيقة باستخدام مصمم TAL المؤثرات Recombinases

يستخدم التعبير الجيني عادة لتحديد نوع الخلايا العصبية ، لكن المعالجة الوراثية التقليدية غير فعالة وتقتصر إلى حد كبير على الماوس. يعمل زهانج على طريقة لتعديل جينوم الخلايا العصبية باستخدام جينات المراسل التي يمكن إدخالها في خلايا معينة ودارات الدماغ. تتيح هذه التقنية إدخال طفرات بشرية في نماذج حيوانية لتحديد ما إذا كانت الطفرات الوراثية تسبب المرض. سوف تقصر التقنية أيضًا الوقت الذي يستغرقه إنشاء نموذج حيواني.

مايكل بيري الثاني ، دكتوراه, أستاذ مشارك في البيولوجيا الجزيئية ، جامعة برينستون

Micropabricated التصحيح المشبك micropipette

سيقوم مختبر بيري بتطوير مجموعة من micropipette للتصنيع المصغر والتي تسمح بتجارب جديدة غير ممكنة مع micropipettes الزجاجية التقليدية ، مثل القدرة على التحكم بسهولة في البيئة الكيميائية للخلايا العصبية عن طريق غسيل الكلى السريع. سيكون الجهاز أيضًا أكثر موثوقية وأيسر استخدامًا من micropipettes الحالية ، مما يوفر وقتًا وجهدًا كبيرين.

روبرت كينيدي ، دكتوراه ، هوبارت هـ. ويلارد أستاذ الكيمياء وأستاذ علم الصيدلة ، جامعة ميشيغان

في الجسم الحي رصد الناقلات العصبية في دقة عالية المكانية والزمانية

لقياس النواقل العصبية في الجسم الحي بدرجة عالية من الدقة المكانية والزمانية ، يعمل مختبر كينيدي على تطوير مسبار صغير يمكنه الوصول إلى أي منطقة في الدماغ من الماوس لتوليد عينات صغيرة للتحليل على فترات متكررة. توفر هذه التقنية طفرة محتملة لعلم الأعصاب ، لأن الكثير من العمل الوراثي والعديد من نماذج الأمراض تعتمد على الماوس.

تيموثي ريان ، دكتوراه ، أستاذ الكيمياء الحيوية ، كلية طب وايل كورنيل

تطوير مراسل ATP متشابك

يعمل مختبر ريان على تطوير طريقة أكثر دقة لقياس تركيز ATP في حجرات عصبية معينة وللحصول على معلومات ديناميكية لمراقبة مستويات ATP أثناء الاتصال المتشابك المستمر. من المفترض أن يساعد ذلك في تحديد ما إذا كانت اختلالات الطاقة الأساسية واضحة في العديد من الأمراض وكيف يتم تنظيم إمدادات ATP عادة عند المشابك العصبية.

دانيال تراسي ، دكتوراه, أستاذ التخدير ، بيولوجيا الخلية والأعصاب ، المركز الطبي بجامعة ديوك

فيروسات الرهاب المشفرة وراثيا لتعيين وظائف الخداع العصبيةnectivity

يعمل مختبر تريسي على تطوير نظام التعبير الجيني الفيروسي لاستكشاف الدوائر العصبية في ذبابة الفاكهة. والهدف من ذلك هو استخدامه لمعالجة الخلايا العصبية وراثيا ، وتتبع صلاتها ومعالجة نشاط الخلايا العصبية المترابطة. إذا نجح هذا مع ذباب الفاكهة ، تأمل Tracey أن تكون نفس التقنيات مفيدة لدراسات أدمغة الثدييات.

جوزيف فتشو ، دكتوراه ، أستاذ علم الأعصاب والسلوك ، جامعة كورنيل

تعيين أنماط الاتصالات متشابك في الجسم الحي

لا توجد طريقة سهلة للكشف عن جميع الخلايا العصبية التي تتصل بخلية أخرى بينما هذه الخلايا حية. من خلال العمل مع الزرد ، يقترح Fetcho استخدام الأساليب البصرية ، حيث تتحول جميع الخلايا العصبية المتصلة بخلية عصبية معينة إلى لون ، لرسم خريطة لنمط الأسلاك في الجهاز العصبي الحي السليم. في النهاية ، يمكن أن يساعد هذا النهج في الكشف عن أنماط الأسلاك التي تقوم عليها الحركة والسلوكيات الأخرى.

بافيل أوستين ، دكتوراه ، دكتوراه ، أستاذ مشارك في علم الأعصاب ، مختبر كولد سبرينج هاربور

التشريح الآلي عالي الإنتاجية لدماغ الفالس الفلوري

يسعى مشروع أوستين للمساعدة في سد الفجوة بين دراسة وظائف الدماغ الجزيئية والخلوية ودراسة الدماغ كله. باستخدام تقنية تصوير جديدة ، يركز على رسم خرائط التغيرات في الدوائر العصبية في الفئران التي تحمل طفرات جينية مرتبطة بالتوحد وانفصام الشخصية. إنه يأمل أن توفر هذه التقنية طريقة سريعة ودقيقة لدراسة العديد من نماذج الفأر الوراثي لفهم أفضل لمجموعة من الأمراض النفسية البشرية.

توماس أوتيس ، دكتوراه ، أستاذ علم الأعصاب ، كلية طب جيفن ، جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس

تطوير الطرق البصرية لرصد الجهد في مجموعات من الخلايا العصبية المحددة عصبيًا

طور أوتيس وزملاؤه ، بما في ذلك الباحث الرئيسي جوليو فيرجارا ، تقنية استشعار تسمح بقياس نبضات الأعصاب بدقة عالية باستخدام طرق بصرية جديدة. الغرض من المنحة هو إتقان طريقتهم البصرية حتى تتمكن من تتبع النشاط العصبي في العديد من الخلايا العصبية في وقت واحد.

لاري ج. يونغ ، دكتوراه ، ويليام ب. تيمي أستاذ العلوم النفسية والسلوكية ورئيس قسم مركز العلوم العصبية السلوكية ، مركز يركس الوطني للبحوث الرئيسية

تطوير التقنيات المحورة وراثيا في شقوق البراري لتشريح الوراثة والدوائر العصبية للروابط الاجتماعية

إن دراسة السلوكيات الاجتماعية المعقدة ، مثل رعاية الأم والارتباط الاجتماعي ، مقيدة بصعوبة التعامل مع التعبير الجيني لمعرفة كيف تنظم جينات معينة السلوك الاجتماعي. يهدف Young إلى توليد فتحات البراري المحورة جينيا ، وهي اجتماعية للغاية ، وتحديد الجينات المسؤولة عن الاختلافات الفردية في السلوك الاجتماعي. سيكون للبحوث أهمية خاصة لاضطرابات مثل التوحد وانفصام الشخصية.

هنري ليستيص ، دكتوراه ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

القنوات الأيونية للهندسة العصبية

سيستخدم Lester القنوات والمستقبلات الأيونية لاكتساب نظرة ثاقبة حول كيفية اتصال الخلايا العصبية داخل الدوائر وكيف تتحكم هذه الدوائر في السلوك. وسيقوم بتخطيط قنوات مستقبلات جديدة تستجيب فقط لعقار ، هو الإيفرمكتين ، يمكن توصيله في نظام غذائي للحيوان. بمجرد تطوير هذه المستقبلات ، سيكون من الممكن دراسة كيف يؤثر تنشيط أو تثبيط الخلايا العصبية المحددة على السلوك.

تشارلز م. ليبر ، دكتوراه ، جامعة هارفرد

مصفوفات الأجهزة النانوية الإلكترونية لرسم الخرائط الكهربائية والكيميائية للشبكات العصبية

يخطط ليبر لتطوير وإظهار أدوات الفيزيولوجيا الكهربية الجديدة التي تدعم تقنية النانو لقياس الإشارات الكهربائية والكيميائية الحيوية على نطاق المشابك الطبيعية ، باستخدام عينات تتراوح من الشبكات العصبية المستزرعة إلى أنسجة المخ. على المدى الطويل ، يمكن استخدام هذه الأدوات كواجهات جديدة قوية بين الدماغ والأجهزة التعويضية العصبية في البحوث الطبية الحيوية ، وفي النهاية العلاج.

فرناندو نوتيبومجامعة روكفلر

تطوير تقنية لتصنيع طيور الطير المعدلة وراثياً

توفر دراسة التعلم الصوتي في الطيور المغردة وسيلة ممتازة لاستكشاف كيفية تخزين الذكريات في دماغ معقد وكيف يمكن إصلاح الأضرار التي لحقت بالجهاز العصبي المركزي عن طريق استبدال الخلايا العصبية. يسعى Nottebohm إلى تطوير بروتوكول للإنتاج الفعال للطيور المعدلة وراثيا من أجل اختبار مدى تورط الجينات الفردية في التعلم وإصلاح الدماغ.

داليبور سيمز ، دكتوراه ، و ديفيد سولزر ، دكتوراه ، جامعة كولومبيا

تطوير الناقلات العصبية الكاذبة الفلورية: تحقيقات جديدة للتصور المباشر لإطلاق ناقل عصبي من محطات ما قبل المشبك الفردية

طوّرت Sames and Sulzer ناقلات عصبية كاذبة للفلوريسنت (FFN) تعمل كتعقب ضوئي للدوبامين وتمكّن أول وسيلة لتصوير الإرسال العصبي بصريًا عند نقاط الاشتباك العصبي الفردية. سيؤدي تطبيق FFNs و Sames و Sulzer إلى تطوير طرق بصرية جديدة لدراسة التغيرات التشابكية المرتبطة بالتعلم وكذلك العمليات المرضية ذات الصلة بالاضطرابات العصبية والنفسية مثل مرض الشلل الرعاش وانفصام الشخصية.

بول بريم ، دكتوراه ، جامعة أوريغون للصحة والعلوم

يوفر بروتين الفلورسنت الأخضر الجديد من الجلد الإشيني سجلاً طويل الأمد لنشاط الشبكة العصبية

يستكشف Brehm طريقة جديدة لتصوير النشاط الخلوي في الأنسجة السليمة والمريضة. يقترح بديلاً للبروتين الفلوري الأخضر في قنديل البحر ، وهو Brittlestar Brestlestar Ophiopsila ، الذي يمكن أن يوفر تألقه طويل الأمد في الخلايا العصبية تاريخًا طويلًا من نشاطه الخلوي.

تيموثي هولي ، دكتوراه ، كلية الطب بجامعة واشنطن

التصوير الضوئي ثلاثي الأبعاد عالي السرعة للنشاط العصبي في الأنسجة السليمة

يقوم Holy بتطوير طرق بصرية لتسجيلها في وقت واحد من مجموعات كبيرة جدًا من الخلايا العصبية باستخدام صفائح رقيقة من الضوء تفحص بسرعة أنسجة المخ في ثلاثة أبعاد. إذا نجحت ، فقد تساعد الدراسة العلماء في التعرف على الأنماط والتعلم على المستوى الخلوي.

كريشنا شينوي ، دكتوراه ، جامعة ستانفورد

HermesC: نظام تسجيل عصبي مستمر للقرود تتصرف بحرية

يحاول مختبر Shenoy معرفة المزيد حول كيفية عمل الخلايا العصبية من خلال تطوير نظام تسجيل مصغر عالي الجودة مثبت على الرأس لاستخدامه على القردة التي تمارس أنشطتها اليومية. في حال نجاحه ، سينشئ هذا العمل جهاز تسجيل يمكنه تتبع الخلايا العصبية الفردية في القردة التي تتصرف لأيام وأسابيع.

جينا توريجيانو ، دكتوراهجامعة برانديز

رسم خريطة لموقف البروتينات متشابك باستخدام المجهر مضان البرد فائقة الدقة

ستقوم توريجيانو ومعاونها ، ديفيد ديروسير ، دكتوراه ، بتطوير أدوات لرسم خريطة للطريقة التي يتم بها ترتيب البروتينات المتشابك في الآلات الجزيئية التي يمكن أن تولد الذكريات والوظائف المعرفية. إذا ثبت نجاح ذلك ، فسيتمكنون في النهاية من تحديد كيف تصبح المشابك غير منظمة في الحالات المرضية.

باميلا م. إنجلترا ، دكتوراه ،جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو

رصد مستقبلات AMPA في الوقت الفعلي

سيقوم مختبر إنجلترا بتطوير مجموعة جديدة من الأدوات الجزيئية ، استنادًا إلى المشتقات الاصطناعية من مادة فيلانثوتوكسين ، والتي يمكن استخدامها لدراسة تهريب سطح الخلية للنوع الفرعي AMPA لمستقبلات الغلوتامات. الهدف من ذلك هو إنتاج مجموعة من مشتقات التوكسين التي ستعمل على تعطيل مستقبلات AMPA بتركيبات وحدة فرعية محددة ، وبالتالي تمكين الفحص الدوائي من دور هذه الفئات المختلفة من مستقبلات AMPA في الخلايا العصبية الحية.

آلان جاسانوف ، دكتوراه ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي على المستوى الخلوي مع وكلاء التصوير بالكالسيوم

يستكشف Jasanoff طريقة جديدة لتصوير الرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) ، تم تطويره في مختبره ، استنادًا إلى جزيئات أكسيد الحديد النانوية التي تنتج تباينًا في الصورة عند تجميعها. إذا نجحت ، فإن الطريقة الجديدة ستكون مقياسًا مباشرًا أكثر للنشاط العصبي ، مع إمكانية تحسين الدقة المكانية والزمانية في الرنين المغناطيسي الوظيفي.

ريتشارد ج. كراوزليس ، دكتوراهو إدوارد م. كالاواي ، دكتوراه ، معهد سالك للدراسات البيولوجية

استخدام المتجهات الفيروسية لاستكشاف الدوائر الحسية الحركية في سلوك الرئيسيات غير البشرية

سوف يقوم Krauzlis و Callaway بتطوير طريقة لتعطيل مجموعات سكانية فرعية معينة من الخلايا العصبية في المناطق الموضعية للقشرة الدماغية القرد. إذا نجحت هذه الطريقة ، فسوف توفر وسيلة لتقييم كيفية عمل مجموعات سكانية فرعية معينة من الخلايا العصبية في مناطق مختلفة من المخ في دوائر لتمكين وظائف أعلى في الدماغ ، مثل الإدراك والذاكرة والتحكم الحسي الحركي.

ماركوس مايستر ، دكتوراه ، كال تك

تسجيل لاسلكي لقطارات سبايك متعددة الخلايا العصبية في الحيوانات المتحركة بحرية

سوف يقوم Meister ومعاونوه ، Alan Litke من جامعة كاليفورنيا وسانتا كروز و Athanassios Siapas من Caltech ، بتصميم نظام كهربائي صغير يسمح بتسجيل الإشارات الكهربائية العصبية من الحيوانات المتحركة بحرية بدون أسلاك متصلة. من خلال الجمع بين تقنيات التصغير والمواد خفيفة الوزن ، يجب أن يسهل هذا النظام قياس الديناميات العصبية أثناء السلوكيات الطبيعية الحقيقية ، مثل الاختراق أو التسلق أو الطيران.

كارل ديسروث ، دكتوراه ، دكتوراه ، جامعة ستانفورد

تحكم موسع وعالي الدقة لضبط نشاط الخلايا العصبية باستخدام قناة أيون حساسة للضوء من Alga C. Reinhardtii

سيقوم مختبر Deisseroth ، بما في ذلك زميله بعد الدكتوراه المتعاون Edward Boyden ، بتطوير أداة جديدة ، تعتمد على قناة أيون مشفرة وراثيا حساسة للضوء من الطحالب ، لتحفيز النشاط الكهربائي في مجموعات محددة من الخلايا العصبية ذات الضوء. هدفهم هو تحفيز إمكانات العمل الفردي بدقة زمنية ميلي ثانية والتحكم في الخلايا العصبية التي يتم تحفيزها باستخدام الطرق الوراثية لاستهداف تعبير قناة البروتين.

سامي ر. جافري ، دكتوراه ، دكتوراه ، كلية طب وايل ، جامعة كورنيل

في الوقت الحقيقي التصوير من الحمض النووي الريبي في الخلايا العصبية الحية باستخدام جزيئات صغيرة الفلورسنت المشروط

سيعمل مختبر Jaffrey على تطوير نظام لتمكين رؤية الحمض النووي الريبي باستخدام المجهر مضان الخلايا الحية. يعتمد أسلوبه على بناء تسلسلات قصيرة من الحمض النووي الريبي ترتبط بالفلوروفور وتزيد من انبعاث الضوء. مشتق الفلور من تلك المستخدمة في البروتين الفلوري الأخضر (GFP). الهدف هو إحداث ثورة في دراسة الحمض النووي الريبي (RNA) بنفس الطريقة التي أحدثت بها تقنية GFP ثورة في تصور البروتين.

جيف و. ليشتمان ، دكتوراه ، دكتوراه ، جامعة هارفرد كينيث هايورث، حرم مزرعة أبحاث هويل هيوز الطبي بجامعة جانيليا

تطوير مخرطة أوتوماتيكية لجمع الشريط التلقائي لإعادة بناء الدماغ على نطاق واسع

تقوم شركة Hayworth و Lichtman بتطوير أداة لتقطيع وجمع الآلاف من أقسام الأنسجة تلقائيًا للتصوير عبر المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM). تعد إعادة بناء القسم التسلسلي TEM هي التكنولوجيا الوحيدة التي أثبتت قدرتها على تحديد الدقة المتشابكة الدقيقة لجميع الخلايا العصبية ضمن حجم أنسجة المخ ، على أعلى مستوى من الدقة. لكن التطبيق محدود لأنه يجب جمع أقسام سامسونج يدويًا. ستعمل هذه الأداة على أتمتة العملية ، مما يجعل الوصول إلى أقسام متسلسلة متاحًا للعديد من المختبرات ومفيدًا في أحجام الأنسجة الكبيرة.

أليس ي. تينغ ، دكتوراه ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

تصوير الاتجار بالبروتين العصبي عن طريق الفحص المجهري البصري والإلكترون باستخدام وصف البيوتين ليغاز

يقترح تينغ تقنية محسّنة لتصور وقياس تجارة البروتين الغشائي. لقد طوّرت تقنية وسم انتقائي تعتمد على الإنزيم لتمييز الجزيئات الموجودة على سطح الخلايا العصبية قبل التحفيز عن تلك التي تظهر بعد التحفيز. يمكن عندئذٍ ملاحظة التوزيع المكاني للجزيئات التي تحمل علامات مع التصوير البصري ، ويمكن أيضًا رؤية بعض الصور بدقة عالية باستخدام المجهر الإلكتروني مع بعض التعديلات.

إيتش تشيتشيلنيسكي ، دكتوراه ، معهد سالك
AM Litke ، دكتوراه ، معهد سانتا كروز لفيزياء الجسيمات

فحص الشبكية

تتعاون Chichilnisky ، وهي عالمة بيولوجيا عصبية ، و Litke ، فيزيائية تجريبية ، على التكنولوجيا لتسجيل النشاط الكهربائي وتحفيزه في مئات الخلايا العصبية في وقت واحد على نطاق مكاني وزمناني دقيق. سيمكنهم ذلك من دراسة كيفية معالجة أعداد كبيرة من الخلايا العصبية وترميز المعلومات للتحكم في الإدراك والسلوك. يخططون أولاً لدراسة شبكية العين ، وبدورها ، الأنظمة العصبية الأخرى.

دانييل ت. تشيو ، دكتوراه ، جامعة واشنطن

تم تحديد مكان تسليم المحفزات للخلايا العصبية الفردية من الناحية المكانية والزمانية

الكبسولات النانوية عبارة عن "قذائف" صغيرة للغاية يمكن أن تحتوي على شيء في الدقيقة كجزيء وتوصله إلى هدف محدد. تقوم تشيو بتطوير وإتقان أنواع جديدة من الكبسولات النانوية وتنقية الأنواع الموجودة لدراسة كيفية معالجة خلية عصبية واحدة لوصول إشارة على سطح الغشاء. ستكون كبسولات النانو مفيدة في رسم خرائط لبروتينات سطح الخلية واستكشاف كيفية إرسال المستقبلات للإشارات وتحفيز انتقال متشابك.

سوزان لندكويست ، دكتوراه ، معهد وايتهيد للبحوث الطبية الحيوية

تطوير واستخدام نظم الخميرة النموذجية للأمراض العصبية التنكسية وفحص الإنتاجية العالية

يقترح Lindquist فحص الأمراض التنكسية العصبية من خلال دراسة الجينات في خميرة الخباز. بسبب النجاح الكبير الذي حققه مختبرها في استخدام الخميرة كنظام نموذجي لدراسة مرض باركنسون ، فإنها تخطط لتوسيع هذا النموذج ليشمل فئتين أخريين من الأمراض - أمراض تاوبوبا (بما في ذلك مرض الزهايمر) وداء السكين الشوكي.

دانيال ل. مينور ، الابن ، دكتوراه ، جامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو

الإخراج المباشر لمعدلات القناة الأيونية من المكتبات الطبيعية والمصممة

تعمل مينور على مقاربة جديدة لتحديد الجزيئات التي تسد أو تفتح القنوات الأيونية ، وهي البروتينات التي تشكل مفتاح الإشارات الكهربائية في الدماغ. سوف يدرس الببتيدات الطبيعية من مخلوقات سامة وسيصنع جزيئات شبيهة بالسم للاختبار. إن إنشاء جزيئات تحاكي تلك الموجودة في الطبيعة وإتاحتها على نطاق واسع ، سوف يسرع البحث عن الأدوية التي قد تعمل على قنوات أيونية محددة.

ستيفن ج. سميث ، دكتوراه ، جامعة ستانفورد كلية الطب

طرق تحديد دائرة دماغ الدماغ بواسطة المجهر التسلسلي - المسح المجهري

يقوم سميث بتصميم أدوات لتمكين علم الأعصاب من الاستفادة مما يسميه المجهر في القرن الحادي والعشرين ، الذي ابتكره متعاونه ، وينفريد دينك ، دكتوراه في الفيزياء الحيوية بمعهد ماكس بلانك. إنهم يطورون طرقًا تلقائية لمسح تسلسلي لمسح الإلكترون (S3EM) والتي ، لأول مرة ، ستوفر القدرة على تحليل دوائر الدماغ الكاملة بتفاصيل دقيقة. يقوم سميث بتطوير طرق لصبغة أنسجة المخ لتحليلها باستخدام هذا المجهر ، وأدوات حسابية لتحليل الحجم الهائل للمعلومات التي ستنتجها التقنيات الجديدة.

ستيوارت فيريستين ، دكتوراه ، جامعة كولومبيا

جهاز استشعار بصري مشفر وراثيا من الجهد الغشاء

يقترح فيريستين ومعاونه ، جوزيف لازار ، دكتوراه ، اختبار نوع جديد من بروتين الاستشعار عن الجهد الذي قد يكون قادرًا على اكتشاف الأحداث الكهربائية الصغيرة جدًا وتصور التغيرات في الجهد في عدد كبير من الخلايا في وقت واحد. هذا من شأنه أن يعزز مستوى التحقيق في معالجة المعلومات في الدماغ الذي هو حاليا بعيد المنال.

ديفيد هيجر ، دكتوراه ، جامعة نيويورك

عالية الدقة الرنين المغناطيسي الوظيفي

يخطط هيجر ومعاونه ، سهيل إناتي ، دكتوراه ، إلى جانب علماء جامعة ستانفورد ، جون باولي وديفيد ريس ، لاتخاذ نهج جديد لتحسين الدقة المكانية لتصوير الرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) لتمكينها من الحصول على بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي بشكل روتيني للغاية في دقة عالية للغاية. يهدف الفريق إلى المساعدة في حل بعض المشكلات الأساسية في التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي.

بول سليسينجر ، دكتوراه ، جبل سيناء / كلية ايكان للطب

نظام نقل طاقة مستقبلات البروتين G (GRET) لمراقبة انتقال الإشارة في الخلايا العصبية

يحدث تعديل الاتصال بالخلايا العصبية عندما ترتبط الناقلات العصبية الكيميائية بأنواع معينة من مستقبلات الناقل العصبي المقترنة بالبروتين G (GPCR) والتي بدورها تقوم بتنشيط البروتينات G. لدراسة التغيرات الديناميكية في نشاط البروتين G خلال اتصال الخلايا العصبية ، يقترح Slesinger تطوير كاشف فلورسنت قائم على البروتين لبروتينات G يستند إلى خاصية نقل طاقة صدى التألق (FRET).

برناردو ساباتيني ، دكتوراه ، دكتوراه ، كلية الطب بجامعة هارفارد

أدوات بصرية لتحليل ترجمة البروتين في مقصورات الخلايا العصبية الخارجية

لاستكشاف كيف تنشئ الخلايا العصبية قنوات اتصال وكيف يخزن المخ المعلومات ويتذكرها ، يعمل ساباتيني على تطوير جزيئات تنبعث منها الضوء عندما تصنع الخلايا العصبية البروتينات ، ومجهرًا لعرض العملية بعمق داخل الدماغ الحي.

كاريل سفوبودا ، دكتوراه ، مختبر كولد سبرينج هاربور

تنظيم انتقال متشابك في الجسم الحي مع خصوصية عالية المكانية والزمانية

تقوم Svoboda بتطوير أدوات جزيئية لزيادة فهم كيفية تنظيم المشابك العصبية للدماغ.

ليكون لوه ، دكتوراه ، جامعة ستانفورد

وحيد وصفها الخلايا العصبية والتلاعب الجيني في الفئران

يعمل Luo على طريقة وراثية لمعالجة وتتبع الخلايا العصبية المفردة في الفئران لمعرفة كيفية تجميع الشبكات العصبية أثناء التطور وتعديلها لاحقًا عن طريق التجربة.

أ. ديفيد ريديش ، دكتوراه ؛ باباك ضياء. و آرثر ج. أردمان ، دكتوراه، جامعة مينيسوتا

تسجيل لاسلكي للمجموعات العصبية في الفئران المستيقظة ، التي تتصرف

يعمل المتعاونون - عالم الأعصاب ، ومهندس كهرباء ، ومهندس ميكانيكي - على تطوير طريقة لاسلكية لتسجيل قطارات الارتفاع العصبي من الفئران المستيقظة ، وتتصرف الفئران لتعزيز فهم التعلم والسلوك.

هيلين م. بلاو، دكتوراه ، جامعة ستانفورد

الغازية الحد الأدنى ، تنظيم تسليم الجينات إلى الجهاز العصبي المركزي

يبحث مختبر Blau في وسيلة جديدة لتوصيل الجينات العلاجية إلى الجهاز العصبي المركزي ، باستخدام خلايا نخاع العظم المصممة بجينات قادرة على استهداف المرض.

غراهام سي إليس ديفيز، دكتوراه ، MCP جامعة هانيمان

التصوير الوظيفي لمستقبلات الأعصاب في شرائح الدماغ الحية بواسطة الفوتون 2 غير النازع للناقلات العصبية

تقوم Ellis-Davies بتطوير أساليب مبتكرة لتصوير جوانب من وظائف المخ لم يسبق لها مثيل ، مستنبطًا نوعًا من الناقلات العصبية التي تظل خاملة بيولوجيًا حتى يتم تنشيطها بواسطة وميض شديد التركيز من الضوء.

دواين غودويندكتوراه في كلية الطب بجامعة ويك فورست

الكشف عن سلاسل من الاتصال الوظيفي مع الحمض النووي الفيروسي

عن طريق حقن خلايا الحمض النووي الفيروسي ، ووضع علامات كيميائية على الفيروس ، وتتبع انتشاره إلى الخلايا المتصلة ، يستكشف غودوين طرقًا جديدة للكشف عن كيفية إرسال واستقبال الخلايا العصبية في الدماغ للرسائل.

سيونج جي كيم، دكتوراه ، كلية الطب بجامعة مينيسوتا

تطوير نظام التصوير بالرنين المغناطيسي الرأسي في الجسم الحي القائم على التروية

يعمل كيم على زيادة قوة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لدراسة نشاط الدماغ بتفصيل أكبر.

ستيفن ليبارد، دكتوراه ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

الكيمياء الاصطناعية لتطوير مجسات الزنك للتحقيق في التشوير الكيميائي العصبي

يقوم ليبارد بتركيب أجهزة استشعار جديدة من الفلورسنت والتي ستكتشف أيونات الزنك وأكسيد النتريك في الخلايا الحية وتكشف عن نمطها المكاني.

بارثا ميترا، دكتوراه ، وريتشارد أندرسون ، دكتوراه ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

تطوير تقنيات لتسجيل وقراءة الرموز السكانية في الوقت الفعلي من منطقة الوصول إلى الجداريات

يستخدم ميترا وأندرسن تقنيات رياضية لتحليل نشاط مجموعات الخلايا العصبية ، معربًا عن أملهما في نهاية المطاف في فك العلاقة بين النشاط العصبي والسلوك.

وليام Newsome، دكتوراه ، ومارك شنيتزر ، دكتوراه ، كلية الطب بجامعة ستانفورد

في Vivo Brain Dynamics التي درست مع الألياف البصرية والتصوير المقطعي البصري

يدرس شنيتزر ونيوسوم (الذي حصل على جائزة بقيمة 50،000 دولار) ديناميات الدماغ عن طريق تعريب مواقع التسجيل ، ورسم خرائط توزيع العلامات الجزيئية ، ومراقبة أنماط نشاط الدماغ من خلال الاستخدام الدقيق للضوء.

تيموثي ريان، دكتوراه ، كلية طب ويل بجامعة كورنيل ، وجيرو ميسينبوك ، دكتوراه ، مركز ميموريال سلون كيترينج للسرطان

تصميم وتطبيق الاستشعار البصري القائم على درجة الحموضة للنشاط متشابك

يقوم العلماء بتطوير مؤشرات جديدة الفلورسنت للنشاط متشابك على أساس الحساسية للتغيرات في الحموضة.

دانيال تيرنبول، دكتوراه ، كلية الطب بجامعة نيويورك

في الجسم الحي µMR التصوير للهجرة العصبية في الدماغ الفأر

تعمل تيرنبول على طريقة جديدة للتصوير لتصور هجرة الخلايا العصبية في مخ الفأر النامي ، وتسمية خلايا عصبية جديدة ومتابعتها في حيوانات سليمة على مدى عدة أيام باستخدام تصوير بالرنين المغناطيسي.

مايكل إي. غرينبرغ، دكتوراه ، وريكاردو دولميتش ، دكتوراه ، مستشفى بوسطن للأطفال

تقنيات جديدة لدراسة التحكم الزمني والمكاني للنسخ والترجمة في الخلايا العصبية سليمة

يقوم العلماء بتطوير طريقة لتصور نشاط الجينات في الخلايا العصبية الحية ، وذلك باستخدام المكبرات الجزيئية واكتشاف التألق ، لمعرفة كيف تؤثر الجينات على بعضها البعض.

بول و، دكتوراه ، جامعة نيويورك

التصوير العصبي التجريبي

يستكشف بحث جليمشر الموجات فوق الصوتية التشخيصية لجعل الموضع الدقيق لتسجيل الأقطاب الكهربائية في أدمغة الرئيسيات المستيقظة النشطة.

ليزلي سي. جريفيث، دكتوراه في الطب ، دكتوراه ، وجيفري سي هول ، دكتوراه ، جامعة برانديز

في الوقت الحقيقي مجسات نقل الإشارة

يقوم جريفيث وهال بتطوير مجسات وراثية يمكن إدخالها في الخلايا العصبية الفردية لذباب الفاكهة الحية ، في محاولة لتحديد متى يتم تجنيد خلية لأداء دورها السلوكي.

وارن س وارن، دكتوراه ، جامعة برينستون

صفر التصوير الوظيفي الرنين المغناطيسي

تسعى مبادرة وارن الجريئة إلى جعل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي أكثر قوة ، وزيادة الدقة أكثر من 100 مرة ، مما يسمح لها بالكشف عن مناطق نشطة من الدماغ بتفاصيل أكبر بكثير وعلى النقيض بشكل أفضل.