2022 McKnight Scholar Awards

Der Vorstand des McKnight Endowment Fund for Neuroscience freut sich bekannt zu geben, dass er sechs Neurowissenschaftler ausgewählt hat, die den McKnight Scholar Award 2022 erhalten.

Die McKnight Scholar Awards werden jungen Wissenschaftlern verliehen, die sich in der Anfangsphase des Aufbaus ihrer eigenen unabhängigen Labors und Forschungskarrieren befinden und ein Engagement für die Neurowissenschaften gezeigt haben. „Die diesjährigen Stipendiaten veranschaulichen die Kreativität und technische Raffinesse der führenden jungen Neurowissenschaftler von heute aus dem ganzen Land“, sagte Dr. Richard Mooney, Vorsitzender des Preiskomitees und George Barth Geller-Professor für Neurobiologie an der Duke University School of Medicine.

„Durch die Nutzung von Ansätzen aus Strukturbiologie, Optik, Genetik, Physiologie, Berechnung und Verhalten versuchen die Wissenschaftler, Einblicke in Themen zu gewinnen, die von der Biophysik der neuronalen Signalübertragung bis zur großräumigen Struktur neuronaler Schaltkreise reichen, und die neuronalen Entscheidungsgrundlagen aufzuklären Herstellung, sensorische Verarbeitung und Flug“, sagte Mooney. „Im Namen des gesamten Komitees gratuliere ich allen Bewerbern zu ihren beeindruckenden Leistungen an der Spitze der neurowissenschaftlichen Forschung.“

Seit der Einführung des Preises im Jahr 1977 hat dieser prestigeträchtige Nachwuchspreis mehr als 250 innovative Forscher finanziert und Hunderte von bahnbrechenden Entdeckungen vorangetrieben. Jeder der folgenden Empfänger des McKnight Scholar Award erhält drei Jahre lang $75.000 pro Jahr.

Für die diesjährigen McKnight Scholar Awards gab es 53 Bewerber, die die beste junge neurowissenschaftliche Fakultät des Landes repräsentierten. Fakultäten sind nur während ihrer ersten vier Jahre in einer Vollzeitstelle als Fakultät für die Auszeichnung berechtigt. Neben Mooney gehörten dem Auswahlkomitee für die Scholar Awards Gordon Fishell, Ph.D., Harvard University; Mark Goldman, Ph.D., University of California, Davis; Kelsey Martin, MD, Ph.D., Simons Foundation; Jennifer Raymond, Ph.D., Stanford University; Vanessa Ruta, Ph.D., Rockefeller University; und Michael Shadlen, MD, Ph.D., Columbia University.

Der Zeitplan für Bewerbungen für die Auszeichnungen im nächsten Jahr wird Anfang September verfügbar sein. Weitere Informationen zu den neurowissenschaftlichen Auszeichnungsprogrammen von McKnight finden Sie unter Website des Stiftungsfonds.

Über den McKnight-Stiftungsfonds für Neurowissenschaften

Der McKnight Endowment Fund for Neuroscience ist eine unabhängige Organisation, die ausschließlich von der McKnight Foundation in Minneapolis, Minnesota, finanziert wird und von einem Gremium prominenter Neurowissenschaftler aus dem ganzen Land geleitet wird. Die McKnight Foundation unterstützt seit 1977 die neurowissenschaftliche Forschung. Die Stiftung gründete 1986 den Stiftungsfonds, um eine der Absichten des Gründers William L. McKnight (1887-1979) zu verwirklichen. Als einer der ersten Führer der 3M Company hatte er ein persönliches Interesse an Gedächtnis- und Gehirnkrankheiten und wollte, dass ein Teil seines Erbes dazu verwendet wird, Heilmittel zu finden. Der Stiftungsfonds vergibt jedes Jahr drei Arten von Auszeichnungen. Zusätzlich zu den McKnight Scholar Awards sind sie die McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards, die Startkapital für die Entwicklung technischer Erfindungen zur Verbesserung der Gehirnforschung bereitstellen. und die McKnight Neurobiology of Brain Disorders Awards für Wissenschaftler, die daran arbeiten, das durch translationale und klinische Forschung gewonnene Wissen auf Erkrankungen des menschlichen Gehirns anzuwenden.

2022 McKnight Scholar Awards

Christine Konstantinopel, Ph.D., Assistenzprofessor, New York University Center for Neural Science, New York City, NY

Neuronale Schaltungsmechanismen der Inferenz

Das Tiergehirn ist erstaunlich gut dafür geeignet, Entscheidungen auf der Grundlage von Schlussfolgerungen zu treffen – ein Verständnis dafür, wie die Welt funktioniert, das hilft, zu entscheiden, ob in einer bestimmten Situation eine bestimmte Maßnahme zu ergreifen ist oder nicht. Wenn ein Tier ein inneres „Modell“ der Welt hat, kann eine Entscheidung auf der Grundlage dieses Modells getroffen werden. Aber wie kommen Neuronen dazu, Dinge in der Welt darzustellen? Welche tatsächlichen Schaltungen und Prozesse sind beteiligt? Und in einer dynamischen Welt, in der Entscheidungen mit unvollständigen oder unerkannten Informationen getroffen werden müssen, wie entscheiden Tiere, wie sie eine „Wette“ auf die beste Aktion platzieren?

In ihrer Forschung arbeitet Dr. Constantinople mit einem Rattenmodell, um aufzudecken, welche Teile des Gehirns daran beteiligt sind, Dinge über die Welt abzuleiten, und um die neurologischen Unterschiede zwischen dem Treffen einer kognitiven Entscheidung in einer unsicheren Umgebung oder dem Zurückgreifen auf gewohnheitsmäßiges Handeln aufzudecken. Das Experiment beinhaltet das Warten auf eine bekannte Wasserbelohnung oder das „Aussteigen“ in der Hoffnung, dass die nächste angebotene Belohnung lohnender ist. Es gibt unterschiedliche Belohnungsbeträge, und sie werden in einem Muster präsentiert, das es der Ratte ermöglicht, ein Modell zu erstellen, welches Spektrum an Ergebnissen zu erwarten ist, obwohl sie sich nicht sicher sein kann, da einige der Belohnungen den Status der Aufgabe nicht eindeutig wiedergeben.

Durch die Überwachung der Gehirnaktivität in mehreren Regionen und in bestimmten Projektionen sowohl während vorhersagbarer als auch unvorhersehbarer Perioden und der Übergänge zwischen ihnen und die Inaktivierung bestimmter Gehirnregionen und Nervenbahnen in verschiedenen Studien schlägt Dr. Constantine vor, die an der Inferenz beteiligten Mechanismen zu identifizieren. Sie schlägt vor, dass bei der Auswahl von Handlungen auf der Grundlage eines mentalen Modells im Vergleich zu modellfreien Entscheidungen unterschiedliche Prozesse beteiligt sind; dass verschiedene Thalamuskerne die Belohnungen und die Geschichte der Ratte separat codieren; und dass der orbitofrontale Kortex (OFC) diese beiden überlappenden, aber unterschiedlichen Eingaben integriert, um auf unbekannte Zustände zu schließen. Diese Arbeit kann der zukünftigen Forschung zu Erkrankungen wie Schizophrenie oder Zwangsstörungen helfen, bei denen die Betroffenen ein beeinträchtigtes inneres Modell der Welt zu haben scheinen, um das Verhalten zu steuern.

Bradley Dickerson, Ph.D., Assistenzprofessor, Princeton Neuroscience Institute, Princeton University, Princeton, NJ

Proportional-Integral-Feedback in einem biologischen „Kreisel“

Das Nervensystem sammelt und verarbeitet eingehende Informationen innerhalb von Millisekunden – manchmal mit fest verdrahteten Reflexen, manchmal mit Absicht. Aber zu untersuchen, wie diese Signale die Bewegung in einem lebenden Tier beeinflussen, stellt uns vor Herausforderungen. Es wurde sowohl auf der Ebene einzelner Neuronen als auch auf der Ebene der Ganzkörperbewegung gearbeitet. Dr. Dickerson schlägt vor, diese unterschiedlichen Skalen zu überbrücken und auch den Grad der Kontrolle aufzuklären, den Fruchtfliegen über bestimmte Flügelmuskelbaugruppen haben, durch ein Experiment, das spezialisierte mechanosensorische Organe untersucht, die nur für Fliegen bekannt sind und als Halfter bezeichnet werden.

Die Halfter erkennen Rotationskräfte, die auf die Fliege wirken, und geben unwillkürliche Anweisungen direkt an die Flügelmuskeln, um dies zu kompensieren, und fungieren als eine Art automatisches Gyroskop. Aber in früheren Forschungen zeigte Dr. Dickerson, dass das Halfter auch ohne Drehungen präzise Flügelsteuerungsaktionen aktivieren kann, indem es auf aktive Steueranweisungen des Gehirns reagiert. In seiner neuen Forschung wird er die Steuerungsmotive von Flugmanövern untersuchen, wenn die Fliegen sensorischen Eingaben ausgesetzt werden. Diese Fliegen werden in einer Arena angebunden und von einem Epifluoreszenz-Mikroskop überwacht, das neuronale Aktivität in den Haltere-Muskeln erkennen kann. In separaten Experimenten überwacht ein Zwei-Photonen-Mikroskop über der Fliege die Gehirnaktivität, während eine Kamera darunter die Flügelbewegung verfolgt. Vor der Fliege erscheinen visuelle Reize, die Lenkereignisse auslösen und es Dr. Dickerson ermöglichen, auf mehreren Skalen zu beobachten, wie die Bewegung zustande kommt.

Dr. Dickerson schlägt vor, dass das Halfter separate Kontrollmechanismen hat, die während Störungen rekrutiert werden können, um der Fliege maximale Kontrolle zu bieten. In der Fachsprache der Steuerungstechnik glaubt er, dass die Haltere sowohl auf proportionales (die Größe einer Störung) als auch auf integrales (wie sich die Störung im Laufe der Zeit ändert) Feedback reagieren kann – eine größere Raffinesse als bisher angenommen. Darüber hinaus hofft er zu dokumentieren, wie all diese Systeme zusammenarbeiten, zu lernen, welche Neuronen welche Signale an welche Muskeln senden und wie dies zu bestimmten Bewegungen führt – und so ein Modell zu schaffen, wie Gehirne, Neuronen und Muskeln kommunizieren, das unser Verständnis erweitern kann wie Bewegung gesteuert wird.

Markita Landry, Ph.D., Assistenzprofessor, University of California – Berkeley, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Berkely, CA

Aufhellung der Oxytocin-Signalübertragung im Gehirn mit Nahinfrarot-Fluoreszenz-Nanosensoren

Es wird angenommen, dass chemische Ungleichgewichte im Gehirn mit einer Vielzahl von neurologischen Störungen beim Menschen verbunden sind, aber es ist derzeit unmöglich, mit zellulärer Präzision zu sehen, welche Chemikalien in einem Gehirn vorhanden sind. In ihrer Forschung versucht Dr. Landry, einen Nanosensor zu entwickeln, der Oxytocin erkennen kann, eines aus einer Klasse von Neuropeptiden, von denen angenommen wird, dass sie eine Rolle bei der Modulation von Stimmung und Verhalten spielen, und so Forschung zu ermöglichen, die dazu beitragen kann, die Rolle von Neuropeptiden im Alltag zu bestätigen Leben, und genauer neurochemische Ungleichgewichte diagnostizieren, die zu psychischen Erkrankungen führen können.

Die Arbeit von Dr. Landry umfasst die Herstellung von „optischen Sonden“ – winzige Kohlenstoffnanoröhren mit einem an die Oberfläche gebundenen Peptid, die in Gegenwart von Oxytocin im Nahinfrarotlicht fluoreszieren. Diese Fluoreszenz kann im Millisekundenbereich mit hoher Präzision nachgewiesen werden, sodass Forscher genau sehen können, wo und wann sie in einem Gehirn vorhanden ist, und so identifizieren können, unter welchen Bedingungen die Oxytocin-Freisetzung in Stimmung, Verhalten und Gesellschaft beeinträchtigt (und somit behandelbar) sein könnte Störungen. Dr. Landry hat ähnliche Sonden für Serotonin und Dopamin entwickelt, aber die Entwicklung einer neuen Sonde für Oxytocin wird nicht nur die Erforschung seiner Wirkungen auf das Gehirn, sondern auch eine ganze Klasse ähnlicher Neuropeptide ermöglichen.

Wichtig ist, dass diese Nanoröhren extern in Gehirngewebe eingeführt werden können; Die Fluoreszenz ist nicht das Ergebnis einer genetischen Kodierung, daher kann sie an nicht veränderten Tieren verwendet werden. Da sie Nahinfrarotlicht emittieren, ist es möglich, dass das Licht durch den Schädel wahrgenommen werden kann, was eine minimale Störung der Probanden ermöglichen würde. In Dr. Landrys Experiment wird die Entwicklung der Nanosensoren und Detektoren durch In-vitro-Tests mit Gehirnschnitten validiert und schließlich in vivo angewendet, wobei an diesem Punkt bestimmt wird, ob eine Bildgebung durch den Schädel möglich ist. Mit diesen Sensoren als Werkzeug hofft Dr. Landry, zur Verbesserung der Diagnose neurologischer Störungen beizutragen und so die Behandlung vieler solcher Erkrankungen zu entstigmatisieren und zu verbessern.

Lauren Orefice, Ph.D., Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School, Boston, MA

Entwicklung, Funktion und Dysfunktion somatosensorischer und viszerosensorischer Systeme bei Autismus-Spektrum-Störungen

Autismus-Spektrum-Störung (ASS) ist eine weit verbreitete, aber sehr komplexe neurologische Störung, die oft mit Veränderungen im Sozialverhalten einhergeht. In vielen Fällen ist ASD mit bestimmten genetischen Veränderungen verbunden und geht oft mit bestimmten Komorbiditäten einher, von denen einige der häufigsten Überempfindlichkeit gegen Berührung und eine Reihe von Magen-Darm-Problemen sind.

Es wurde traditionell angenommen, dass ASD ausschließlich durch Anomalien im Gehirn verursacht wird, aber in ihrer Forschung hat Dr. Orefice herausgefunden, dass Veränderungen in peripheren sensorischen Neuronen zur Entwicklung von ASD-Symptomen bei Mäusen beitragen, einschließlich Überempfindlichkeit auf Berührung der Haut und Veränderungen soziale Verhaltensweisen. Ihre aktuelle Forschung wird sich darauf konzentrieren, ob periphere sensorische Neuronen der Spinalganglien (DRG), die Reize im Magen-Darm-Trakt erkennen, auch in Mausmodellen für ASS abnormal sind, und ob dies zu Magen-Darm-Problemen wie verstärkten Magen-Darm-Schmerzen beiträgt, die bemerkenswert häufig vorkommen ASD.

Die Arbeit von Dr. Orefice hat gezeigt, dass Berührungsüberempfindlichkeit während der Entwicklung zu Veränderungen im Sozialverhalten bei erwachsenen Mäusen führt. Wie beim Menschen betreffen viele Aspekte des sozialen Verhaltens von Mäusen den Tastsinn. In einem zweiten Teil ihrer Forschung hofft Dr. Orefice zu verstehen, wie Veränderungen in der Entwicklung somatosensorischer Schaltkreise aufgrund einer Dysfunktion peripherer sensorischer Neuronen zu Veränderungen an verbundenen Gehirnschaltkreisen führen, die soziales Verhalten regulieren oder modifizieren.

Schließlich wird sich Dr. Orefice darauf konzentrieren, ihre Erkenntnisse aus präklinischen Mausstudien auf das Verständnis von ASD-assoziierten sensorischen Problemen beim Menschen zu übertragen. Dr. Orefice wird zunächst testen, ob Ansätze, die die Erregbarkeit peripherer sensorischer Neuronen reduzieren, die Überreaktivität bei Berührung und Magen-Darm-Probleme bei Mäusen verbessern können. Sie wird diese Erkenntnisse bei Mäusen nutzen, um die menschliche Physiologie besser zu verstehen, indem sie Studien an kultivierten Zellen von Menschen mit ASS verwendet. Die Arbeit von Dr. Orefice zielt auch darauf ab, Studien an Mäusen und von Menschen stammenden Zellen zu nutzen, um Verbindungen zu identifizieren, die auf periphere sensorische Neuronen abzielen, als einen handhabbaren Ansatz zur Verbesserung sensorischer Probleme und verwandter ASS-Verhaltensweisen.

Kanaka Rajan, Ph.D., Assistant Professor, Department of Neuroscience & Friedman Brain Institute an der Icahn School of Medicine at Mount Sinai, New York City, NY

Multiskalige neuronale Netzwerkmodelle zur Ableitung funktioneller Motive im Gehirn

Mit dem Aufkommen der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens nutzen Neurowissenschaftler diese Werkzeuge, um Rechenmodelle zu erstellen, die uns helfen können, die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen. Aber die große Frage ist: Was ist das richtige Niveau, um neuronale Systeme zu studieren? Ist es auf der Ebene einzelner Neuronen, Gehirnschaltkreise, Schichten, Regionen oder einer Kombination davon?

Dr. Rajan geht diese Frage an, indem er sich die Leistungsfähigkeit KI-basierter Modelle zunutze macht und sie mit Datensätzen kombiniert, die aus Aufzeichnungen mehrerer Arten stammen, um bessere, vorhersagbarere Darstellungen des Gehirns zu erstellen. Unter Verwendung von rekurrenten neuronalen Netzwerkmodellen (RNNs) hat Dr. Rajan entdeckt, dass das Auferlegen von mehr Einschränkungen für Rechenmodelle zu konsistenteren Ergebnissen und kleineren, robusteren Lösungsräumen führte. Seitdem hat sie sich der Entwicklung von Multiskalen-RNNs zugewandt, bei denen die Einschränkungen neuronale, Verhaltens- und anatomische Daten aus realen Experimenten sind und gleichzeitig angewendet werden. Ihr nächster Schritt wird die Erstellung von Multiskalen-RNNs sein, die solche Daten verwenden, die von mehreren in der Neurowissenschaft gut untersuchten Arten aufgezeichnet wurden – Larven von Zebrafischen, Fruchtfliegen und Mäusen –, um Modelle zu erstellen.

Letztendlich wird die Verwendung von Datensätzen verschiedener Arten es Dr. Rajan ermöglichen, „funktionale Motive“ zu identifizieren und sie zu verwenden, um unerwartete Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen diesen Systemen zu entdecken. Diese gemeinsamen, diskreten Ensembles aktiver Neuronen, die mit ähnlichen Verhaltensweisen und Zuständen verbunden sind, unabhängig von der Spezies, werden uns helfen, auf eine grundlegende Ebene zu schließen, wie Gehirne funktionieren, ohne Vorurteile oder Strukturen wie Gehirnregionen a priori bestimmte Funktionen zuzuweisen. Mit den verfügbaren Daten können diese Modelle viele Szenarien ausführen und identifizieren, welche Änderungen in der Struktur oder neuronalen Aktivität zu unterschiedlichen Verhaltensergebnissen führen. Dies hat das Potenzial, neurale Dysfunktionen im Zusammenhang mit einer Vielzahl von neuropsychiatrischen Erkrankungen zu beleuchten. Mit dem Aufkommen viel größerer und detaillierterer Datensätze in den Neurowissenschaften, der zunehmenden Zugänglichkeit größerer Rechenleistung und Fortschritten in Mathematik und Algorithmen glaubt Dr. Rajan, dass wir an der Schwelle einer Revolution stehen, was uns Rechenmodelle und Theorien beibringen können das Gehirn.

Weiwei Wang, Ph.D., Assistenzprofessor, University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas, TX

Verständnis der Konstruktion und Funktion von glycinergen postsynaptischen Anordnungen

Die Art und Weise, wie Neuronen miteinander kommunizieren, ist bemerkenswert kompliziert: Neurotransmitter werden über Synapsen von einem Neuron zum nächsten weitergegeben und signalisieren synaptischen Rezeptoren auf dem empfangenden Neuron, sich zu öffnen und Kanäle zu bilden, die Ionen passieren lassen und so ein elektrisches Signal übertragen. Wenn die Synapsen jedoch nicht funktionieren oder sich nicht bilden, kann die Beeinträchtigung dieser Signale zu neurologischen Störungen beitragen. Dr. Wang versucht, unser Verständnis dieser Synapsen zu erweitern, wie sie sich bilden und wie sie funktionieren – insbesondere, wie sie synaptische Rezeptoren in Clustern organisieren und warum es wichtig ist, dass sich die Rezeptoren in hohen Konzentrationen ansammeln –, indem sie das Glycinergikum im Detail untersucht Synapse.

Obwohl sie ziemlich gut dokumentiert ist, bleiben viele Fragen zur glycinergen Synapse offen. Es gibt eine Reihe von Subtypen (von denen einer erst sehr früh in der Gehirnentwicklung vorhanden ist) mit unterschiedlichen Rollen und Verteilungen, deren Struktur unklar ist, ebenso wie der Mechanismus, mit dem sie auf ein Gerüstprotein reagieren, um Cluster zu bilden. Die Rolle der Bildung in einem Cluster ist selbst ein Rätsel – es ist unklar, ob sie in einer bestimmten Dichte zusammen sein müssen, um richtig zu funktionieren, und wenn ja, warum. Jede dieser Unbekannten stellt einen weiteren Punkt dar, an dem eine Funktionsstörung eine neurologische Störung wie Hyperekplexie (als „Startle-Syndrom“ bezeichnet) und möglicherweise entzündliche Schmerzen verursachen könnte.

Dr. Wang wird systematisch darauf abzielen, mehr über jedes dieser Geheimnisse zu erfahren, indem er Kryo-Elektronenmikroskopie verwendet, um die molekulare Struktur jedes noch nicht gelösten Subtyps genau zu identifizieren und so zu identifizieren, wie jeder funktioniert; Testen, wie das Gerüst, auf dem sich die Glycinrezeptoren ansammeln, aus den Proteinen Gephyrin, Neuroligin-2 und Collybistin gebildet wird; und schließlich das Testen gereinigter Rezeptoren auf einer künstlichen Membran, zuerst isoliert, dann an das Gerüst gebunden und dann in einem Cluster an das Gerüst gebunden, um zu sehen, wie sich die Funktion ändert. Während Forschungen darüber durchgeführt wurden, wie einzelne Ionenkanäle funktionieren, kann diese Studie über die Wirkung von Clustering neue Wege des Verständnisses eröffnen, da synaptische Rezeptoren am häufigsten in einem lebenden Neuron geclustert sind.