22. Juli 2019
Der McKnight Endowment Fund for Neuroscience (MEFN) gab die drei Empfänger von 600.000 USD an Zuschüssen im Rahmen der MEFN Technology Awards 2019 bekannt und würdigte diese Projekte für ihre Fähigkeit, die Art und Weise, wie neurowissenschaftliche Forschung betrieben wird, grundlegend zu verändern. Jedes der Projekte wird in den nächsten zwei Jahren insgesamt 200.000 US-Dollar erhalten, um die Entwicklung dieser bahnbrechenden Technologien zur Abbildung, Überwachung und Modellierung der Gehirnfunktionen voranzutreiben. Die Preisträger 2019 sind:
- Gilad Evrony, MD, Ph.D. der New York University Langone Health, der grundlegende neue Einzelzellentechnologien entwickelt, um natürlich vorkommende genetische Mutationen über eine große Anzahl von menschlichen Gehirnzellen hinweg abzubilden, um deren Abstammungslinien nachzuvollziehen und eine Art „Stammbaum“ der verschiedenen Zelltypen des Gehirns zu erstellen.
- Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D., von der Marquette University, In ihrem Projekt geht es darum, die Gehirnaktivität in drei Dimensionen in einer viel höheren Auflösung und viel schneller als bisher abzubilden, um ein vollständigeres Bild davon zu erhalten, was in lebenden Gehirnen geschieht, wenn sie auf Reize reagieren.
- Nanthia Suthana, Ph.D., von der University of California, Los Angeles, Das Team entwickelt ein Protokoll für die Kommunikation mit bestimmten Geräten, die im Rahmen der medizinischen Behandlung in das menschliche Gehirn implantiert werden, und für die Erfassung von Aktivitätsdaten des Gehirns von Menschen in Umgebungen mit virtueller Realität und erweiterter Realität.
(Erfahren Sie unten mehr über jedes dieser Forschungsprojekte.)
Über die Technologiepreise
Seit der Vergabe des Technologiepreises im Jahr 1999 hat das MEFN durch diesen Preismechanismus mehr als 13,5 Millionen US-Dollar für innovative Technologien für die Neurowissenschaften bereitgestellt. Das MEFN interessiert sich insbesondere für Arbeiten, die neue und neuartige Ansätze zur Verbesserung der Manipulations- und Analysefähigkeit des Gehirns verfolgen. Technologien, die mit Unterstützung von McKnight entwickelt wurden, müssen letztendlich anderen Wissenschaftlern zur Verfügung gestellt werden.
"Es war wieder einmal ein Nervenkitzel, den Erfindergeist bei der Entwicklung neuer Neurotechnologien zu beobachten", sagte Markus Meister, Ph.D., Vorsitzender des Preiskomitees, und Anne P. und Benjamin F. Biaggini, Professor für Biowissenschaften an der Caltech . "In diesem Jahr haben wir uns besonders gefreut, mehrere Entwicklungen für das menschliche Gehirn zu fördern, von einer Methode, die die Linie einzelner Nervenzellen nachzeichnet, bis zu einem Gerät zum Lesen und Schreiben neuronaler Signale bei frei gehenden Patienten."
Das diesjährige Auswahlkomitee setzte sich aus Adrienne Fairhall, Timothy Holy, Loren Looger, Mala Murthy, Alice Ting und Hongkui Zeng zusammen, die aus einem hart umkämpften Pool von 90 Bewerbern die diesjährigen McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards auswählten.
Absichtserklärungen für den Preis für technologische Innovationen 2020 sind am Montag, den 2. Dezember 2019, fällig. Eine Bekanntmachung über den 2020-Prozess wird im September veröffentlicht. Weitere Informationen zu den Auszeichnungen finden Sie unter www.mcknight.org/programs/the-mcknight-endowment-fund-for-neuroscience/technology-awards
2019 McKnight Technologische Innovationen in den Neurowissenschaften Awards
Gilad Evrony, MD, Ph.D., Assistenzprofessor, Zentrum für Humangenetik und Genomik, Depts. für Pädiatrie und Neurowissenschaften und Physiologie, New York University Langone Health
"TAPESTRY: Eine Single-Cell-Multi-Omics-Technologie für die hochauflösende Linienverfolgung des menschlichen Gehirns"
Es ist allgemein bekannt, dass jeder Mensch als einzelne Zelle mit einer Reihe von DNA- „Anweisungen“ beginnt, Details darüber, wie diese eine Zelle zu Billionen wird - einschließlich der zig Milliarden Zellen im Gehirn - sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Dr. Evronys Forschung zielt darauf ab, eine Technologie namens TAPESTRY zu entwickeln, die diesen Prozess erhellt, indem sie einen „Stammbaum“ von Gehirnzellen erstellt, aus dem hervorgeht, aus welchen Vorläuferzellen die Hunderte von Typen reifer Zellen im menschlichen Gehirn hervorgehen.
Die Technologie könnte einige der Hauptprobleme lösen, mit denen Forscher konfrontiert sind, die sich mit der Entwicklung des menschlichen Gehirns befassen. Die Schlüsselmethode zur Untersuchung der Entwicklung durch Verfolgung von Abstammungslinien (Einbringen von Markern in Zellen unreifer Tiere und anschließende Untersuchung der Übertragung dieser Marker auf ihre Nachkommen) ist beim Menschen nicht möglich, da sie invasiv ist. Dr. Evronys frühere Arbeit zusammen mit Kollegen hat gezeigt, dass natürlich vorkommende Mutationen verwendet werden können, um Linien im menschlichen Gehirn zu verfolgen. TAPESTRY zielt darauf ab, diesen Ansatz weiterzuentwickeln und zu skalieren, indem verschiedene Einschränkungen der aktuellen Methoden gelöst werden. Erstens erfordert die Linienverfolgung eine zuverlässigere Isolierung und Amplifikation der winzigen DNA-Mengen einzelner Zellen. Zweitens muss ein detailliertes Verständnis der Entwicklung des menschlichen Gehirns kostengünstig sein, um das Profilieren von Tausenden oder Zehntausenden einzelner Zellen zu ermöglichen. Schließlich muss es auch Phänotypen von Zellen abbilden - nicht nur, wie eng die Zellen zusammenhängen, sondern auch, um welche Zelltypen es sich handelt. TAPESTRY versucht, diese Herausforderungen zu lösen.
Dr. Evronys Ansatz ist auf alle menschlichen Zellen anwendbar, ist jedoch von besonderem Interesse für Erkrankungen des Gehirns. Sobald gesunde Hirnlinien kartiert sind, können sie als Basis verwendet werden, um zu sehen, wie sich die Hirnentwicklung bei Personen mit verschiedenen Störungen, die wahrscheinlich in der Entwicklung auftreten, wie Autismus und Schizophrenie, unterscheidet.
Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D., Assistenzprofessor am Institut für Biomedizinische Wissenschaften der Marquette University
„Schnelle panoptische Bildgebung von Gehirnvolumina mittels zeitmarkierter viereckiger Stereoskopie“
Moderne optische Bildgebungstechniken für das Gehirn ermöglichen die Beobachtung einer dünnen Schicht des Gehirns, aber die Bildgebung einer Vielzahl von Gehirnaktivitäten im dreidimensionalen Raum - wie z. B. einem Gehirnvolumen - hat sich als entmutigend erwiesen. Dr. Savtchouk hat einen Ansatz entwickelt, mit dem Forscher sehen können, was nicht nur auf der Oberfläche eines Gehirns geschieht, sondern auch tief im Inneren und in einer viel höheren räumlich-zeitlichen Auflösung als jemals zuvor.
Der Kernprozess - die Zwei-Photonen-Mikroskopie - erfasst die Gehirnaktivität, indem nach Fluoreszenz in den genetisch veränderten Gehirnzellen von Labortieren gesucht wird. Mit einem einzelnen Laser werden Tiefeninformationen sehr langsam aufgezeichnet. Mit zwei Laserstrahlen erhalten Forscher im Wesentlichen eine binokulare Sicht - sie können sehen, was näher und weiter entfernt ist, aber es gibt immer noch visuelle „Schatten“, in denen nichts zu sehen ist (zum Beispiel, wenn eine Person auf eine Schachbrettkante schaut, einige Teile kann durch nähere Teile blockiert werden.) Dr. Savtchouk löst dieses Problem mit der Hinzufügung von zwei zusätzlichen Laserstrahlen, die Quad-Vision ermöglichen und tote Winkel erheblich reduzieren. Er sequenziert auch das Timing der Laser - die schnell pulsieren - damit die Forscher wissen, welcher Laser welche Aktivität gesehen hat, was für die Erstellung eines zeitgenauen dreidimensionalen Modells entscheidend ist.
Dr. Savtchouks Projekt besteht darin, das System zunächst in Computersimulationen zu entwerfen und dann seine Anwendung mit Mausmodellen zu beweisen. Sein Ziel ist es, Möglichkeiten zu entwickeln, um vorhandene Zwei-Photonen-Mikroskope sowohl durch Hinzufügen von Laserstrahlen als auch durch Upgrades von Hardware und Software zu aktualisieren, damit Labors von der Technologie profitieren können, ohne ein ganz neues System bezahlen zu müssen.
Nanthia Suthana, Associate Professor, Abteilung für Psychiatrie und Bioverhaltenswissenschaften, Universität von Kalifornien, Los Angeles
„Drahtlose und programmierbare Aufzeichnung und Stimulation der Aktivität des tiefen Gehirns bei sich frei bewegenden Menschen in der virtuellen (oder erweiterten) Realität“
Die Untersuchung neurologischer Phänomene des Menschen ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Das menschliche Gehirn kann nicht direkt wie das tierische Gehirn untersucht werden, und es ist schwierig, die Phänomene in einer Laborumgebung nachzubilden (und deren Ergebnisse aufzuzeichnen). Dr. Suthana schlägt vor, ein System zu entwickeln, das virtuelle und erweiterte Realität verwendet, um realistische Testszenarien für ihre Probanden zu erstellen. Sie verwendet Daten, die von implantierbaren Gehirngeräten zur Behandlung von Epilepsie aufgezeichnet wurden.
Hunderttausende von Menschen lassen diese Geräte implantieren, und viele der implantierten Geräte ermöglichen die drahtlose Programmierung und Datenwiederherstellung. Dr. Suthanas Ansatz nutzt letzteres - diese Geräte zeichnen alle Arten von Tiefenhirnaktivität auf und sie kann auf Daten zurückgreifen, die aufgezeichnet wurden, während die Probanden in VR- oder AR-basierten Experimenten interagieren. Wichtig ist, dass sich die Probanden frei bewegen können, da sie den Gehirnaktivitätsmonitor und das Aufzeichnungsgerät mit sich führen. Bewegungserfassung und biometrische Messungen können gleichzeitig durchgeführt werden, um ein vollständiges Bild der Antworten zu erhalten.
Dr. Suthana arbeitet mit einem multidisziplinären Team zusammen, um das System zum Laufen zu bringen. Das Team besteht aus Elektrotechnikern, Physikern und Informatikern. Grundlegende Fakten wie die Signallatenz müssen ermittelt werden, damit Daten synchronisiert und genau gemessen werden können. Letztendlich glaubt sie, dass frei agierende Menschen, die mit möglichst realistischen Simulationen interagieren, es Forschern ermöglichen, die Funktionsweise des Gehirns genauer zu verstehen. Neben grundlegenden neurologischen Fragen - wie der Frage, welche Gehirnaktivität und körperlichen Reaktionen bestimmte Aktionen oder Reaktionen auf Reize begleiten - ist das System vielversprechend für die Erforschung posttraumatischer Belastungsstörungen und anderer Bedingungen, bei denen Umweltauslöser in einer kontrollierten virtuellen Umgebung simuliert werden können.
