1. August 2022
Der McKnight Endowment Fund for Neuroscience (MEFN) gab die drei Empfänger von Zuschüssen in Höhe von $600.000 im Rahmen der McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards 2022 bekannt und würdigte diese Projekte für ihre Fähigkeit, die Art und Weise, wie neurowissenschaftliche Forschung durchgeführt wird, grundlegend zu verändern. Jedes der Projekte erhält in den nächsten zwei Jahren insgesamt $200.000, um die Entwicklung dieser bahnbrechenden Technologien zur Kartierung, Überwachung und Modellierung der Gehirnfunktion voranzutreiben. Die Preisträger 2022 und ihre Projekte:
- Andre Berndt, PhD, von der University of Washington, entwickelt ein System, um sehr viele optogenetische Biosensoren sehr schnell zu erstellen und zu scannen, damit Forscher diese Biosensoren für ihre Experimente genauer identifizieren und verfeinern können. Derzeitige Technologie- und Ressourcenbeschränkungen beschränken Forscher darauf, nur Dutzende oder Hunderte von Biosensoren zu untersuchen, und die kleine Probengröße bedeutet, dass sie nicht sicher sein können, die beste Option gefunden zu haben. Mit der Fähigkeit, Zehntausende zu erstellen und zu screenen, werden sich ihre Optionen exponentiell erweitern.
- Ruixuan Gao, Ph.D., von der University of Illinois Chicago, entwickelt chemisch eine neue Art von Hydrogel zur Verwendung in einer neuen Praxis der Expansionsmikroskopie – im Wesentlichen erweitert es Gewebeproben und ihre Zellbestandteile auf ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Größe, um sie leichter untersuchen zu können. Sein neues „Tetra-Gel“ und spezialisierte Moleküle, die die Probe am Gel verankern, werden es ihr ermöglichen, sich mit hoher Genauigkeit auszudehnen und stabil zu bleiben, sodass das molekulare Profil des Gehirngewebes besser erfasst werden kann.
- Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., von der Syracuse University, entwickelt eine neue, hochpräzise Anwendung für die Zwei-Photonen-Mikroskopie, die es Forschern ermöglichen wird, neuronale Aktivität in frei lebenden, sich frei bewegenden Fruchtfliegenlarven über einen großen Bereich hinweg präzise zu verfolgen und optisch zu manipulieren. Das System ist völlig nicht-invasiv und verwendet einen Algorithmus, um sich an die Bewegung der Larven anzupassen und mehrere einzelne Zellen gleichzeitig zu verfolgen, indem es die Bewegung und Verformung des Gehirns berechnet und korrigiert, wenn sich das Tier bewegt.
Erfahren Sie im Folgenden mehr über jedes dieser Forschungsprojekte.
Über die technologischen Innovationen in den Neurowissenschaften
Seit der Verleihung des McKnight Technological Innovations in Neuroscience Award im Jahr 1999 hat das MEFN über diesen Preismechanismus mehr als $16 Millionen zu innovativen Technologien für die Neurowissenschaften beigetragen. Das MEFN ist besonders an Arbeiten interessiert, die neue und neuartige Ansätze verfolgen, um die Fähigkeit zur Manipulation und Analyse der Gehirnfunktion voranzutreiben. Technologien, die mit Unterstützung von McKnight entwickelt wurden, müssen letztendlich auch anderen Wissenschaftlern zur Verfügung gestellt werden.
„Es war wieder einmal spannend zu sehen, welchen Einfallsreichtum unsere Bewerber in neue Neurotechnologien einbringen“, sagte Markus Meister, Ph.D., Vorsitzender des Preiskomitees und Anne P. und Benjamin F. Biaggini-Professor für Biowissenschaften bei Caltech. „Unsere Auszeichnungen umfassen ein breites Spektrum, von neuen Biosensoren für Signalmoleküle bis hin zu cleveren Methoden, die Nervengewebe vor der hochauflösenden Mikroskopie erweitern.“
Dem diesjährigen Auswahlausschuss gehörten auch Adrienne Fairhall, Timothy Holy, Loren Looger, Mala Murthy, Alice Ting und Hongkui Zeng an, die die diesjährigen Technological Innovations in Neuroscience Awards aus einem hart umkämpften Pool von 90 Bewerbern auswählten.
Weitere Informationen zu den Auszeichnungen bitte besuche unsere Webseite.
2022 McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards
Andre Berndt, PhD, Assistenzprofessor, Department of Bioengineering, University of Washington
Massiv paralleles Hochdurchsatz-Engineering von optogenetischen Biosensoren für die neuronale Signalübertragung
Fluoreszierende, genetisch codierte Proteine haben die Erforschung von Gehirnzellen und neuronalen Schaltkreisen revolutioniert. Durch das buchstäbliche Aufleuchten bei spezifischer neuraler Aktivität, die dann von Mikroskopen und Lichtfasern in lebenden Gehirnen aufgezeichnet werden kann, hat dieses Werkzeug viele Geheimnisse gelüftet und es Forschern ermöglicht, Gehirnaktivität und neurale Bahnen zu visualisieren. Aber es gab einen Engpass: die Entwicklung und Identifizierung des besten Sensors für jedes Experiment. Diese codierten Proteine müssen nur auf bestimmte Reize reagieren, in einigen Fällen müssen sie möglicherweise hochempfindlich sein, in anderen Fällen müssen sie möglicherweise über einen längeren Zeitraum fluoreszieren, oder ein Experiment benötigt möglicherweise zwei Sensoren, um zu sehen, wie mehrere Neurotransmitter wirken interagieren.
Früher musste jeder Sensor einzeln gentechnisch verändert, hergestellt und getestet werden. Vielleicht konnten nur ein paar Dutzend oder Hundert verglichen werden, und die Forscher wählten die beste Option aus einer kleinen Stichprobe – ohne zu wissen, ob es eine bessere, präzisere Option gab. Dr. Berndt hat ein Verfahren zum gleichzeitigen Entwickeln und Testen einer sehr großen Anzahl von optogenetischen Biosensoren entwickelt, das darauf abzielt, mehr als 10.000 pro Tag zu screenen und eine riesige Bibliothek von Biosensoren aufzubauen, die Forschern Zugang zu präzise konstruierten Proteinen verschaffen kann, die sie verwenden können, um ständig zu laufen. spezifischere Experimente.
Die Technologie verwendet schnelle Gentechnik, um eine große Anzahl von Varianten eines Biosensors zu erstellen, und platziert dann einzelne Varianten in einem Mikrowell-Array. Die Sensoren werden Neuropeptiden ausgesetzt – derzeit konzentriert sich Dr. Berndt auf Liganden-spezifische Opioid-Sensoren – und optische Sensoren lesen dann das Mikroarray, erkennen die Helligkeit und andere Variablen jeder Variante und wählen die besten Optionen für weitere Tests aus. Im Laufe von zwei Jahren werden rund 750.000 Biosensoren getestet und das Verfahren für ihr Screening verfeinert, um die Erforschung der Opioidwirkungen im Gehirn voranzutreiben und einen vielseitigen Ansatz bereitzustellen, den andere Forscher für ihre Experimente verwenden können.
Ruixuan Gao, Ph.D., Assistenzprofessor, Department of Chemistry und Department of Biological Sciences, University of Illinois Chicago
Räumliche Sub-10-nm-Profilierung von synaptischen Proteinen und RNA-Transkripten mit hochisotroper Expansionsmikroskopie unter Verwendung eines hochhomogenen Hydrogels, das aus tetraederähnlichen Monomeren aufgebaut ist
Um sehr kleine Dinge – wie die Neuronen und ihre Synapsen im Gehirn – zu untersuchen, verwenden Forscher leistungsstarke Mikroskope. Aber es gibt noch einen anderen Ansatz, der beeindruckende Ergebnisse liefern kann: eine Gewebeprobe und die darin enthaltenen Zellen durch die Verwendung eines speziellen quellbaren Hydrogels durch einen Prozess namens Expansionsmikroskopie buchstäblich zu erweitern. Das Hydrogel bindet an verschiedene molekulare Komponenten von Zellen und dehnt sich aus, hält idealerweise alle Komponententeile in derselben relativen Position zueinander, wodurch eine größere und zugänglichere Probe zur Untersuchung entsteht – im Prinzip ähnlich wie das Schreiben auf einen Ballon, der dann aufgeblasen wird .
Die derzeit für diesen Prozess verwendeten Hydrogele haben jedoch einige Nachteile, wenn es darum geht, winzige Strukturen im Gehirn zu untersuchen. Die Fehlergrenze beim Halten der relativen Position von Molekülen ist nicht so genau wie gewünscht. Ein neues Gel, das dieses Problem potenziell überwindet, reagiert schlecht auf die Hitze, die bei der Denaturierung und Behandlung von Gewebeproben verwendet wird. Und es kann die Verwendung von fluoreszierenden Biomarkern einschränken. Dr. Gao zielt darauf ab, die Technologie zu verbessern, indem er eine neue Art von „Tetra-Gel“ entwickelt, das chemisch so konstruiert ist, dass es ein tetraederförmiges Monomer enthält, das bei seiner Ausdehnung extrem gleichmäßig ist, Hitze widersteht und die Verwendung von biolumineszenten Markern ermöglicht. Er wird auch chemische Linker entwickeln, spezialisierte Moleküle, die verschiedene molekulare Komponenten der Probe an das Gel binden. Das Ziel ist es, eine erweiterte Probe zu haben, die der Wiedergabetreue des Originals bis auf 10 Nanometer entspricht und der Auflösung leistungsstarker Mikroskope entspricht.
Die Forschung von Dr. Gao hat bereits vielversprechende Verbindungen identifiziert, mit denen dieses Tetra-Gel entwickelt werden kann. Während sein Labor es entwickelt und verfeinert, wird er seine Fähigkeiten zum Beispiel auf die Untersuchung von Gehirnen anwenden, die von der frühen Parkinson-Krankheit betroffen sind. Die Untersuchung der genauen Struktur dieser Gehirne war mit herkömmlichen Methoden eine Herausforderung, und das Ziel besteht darin, synaptische Proteine und damit verbundene Gentranskripte genau zu kartieren, um aufzudecken, wie das früh einsetzende Parkinson-Gehirn molekular strukturiert ist.
Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., Assistenzprofessorin, Fachbereich Physik, Syracuse University
Zwei-Photonen-Tracking-Technologie zum Lesen und Manipulieren neuronaler Muster in sich frei bewegenden Tieren
Der Goldstandard für Neurowissenschaftler besteht darin, das Geschehen im Gehirn großflächig und hochpräzise erfassen und manipulieren zu können, während sich ein lebendes Tier frei und natürlich verhält. Im Laufe der Jahre hat die Technologie es den Forschern ermöglicht, sich diesem Ideal anzunähern, aber immer mit einigen Kompromissen. Oft mussten Tiere am Kopf fixiert werden und/oder aufdringliche Sensoren oder Optiken in ihr Gehirn implantiert werden, und oft war die High-Fidelity-Aufzeichnung oder -Manipulation auf einen relativ kleinen Bereich des Gehirns beschränkt, während breit angelegte Aufzeichnungen und Manipulationen waren weniger genau.
Eine der größten Herausforderungen ist einfach die Bewegung und Verzerrung des Gehirns und der Neuronen in einem sich frei bewegenden Tier. Aber Dr. Skanata entwickelt eine neue Zwei-Photonen-Tracking-Technologie, die es ihr ermöglicht, mehrere einzelne Neuronen in einem sich bewegenden Tier ohne invasive Implantate zu verfolgen und diese Neuronen optisch zu aktivieren oder zu manipulieren. Das verwendete Modell sind Fruchtfliegenlarven, die von Natur aus transparent sind, und das System, das Dr. Skanata weiter entwickeln wird, verwendet Zwei-Photonen-Mikroskope (die ein sehr präzises Zielen ermöglichen), gekoppelt mit einem ausgeklügelten Algorithmus, der die Bewegung einzelner Neuronen schnell erkennen und erkennen kann Passen Sie die Position des Motivs auf einer beweglichen Bühne an, um es unter dem Mikroskop zentriert zu halten. Das System berechnet die relativen Positionen mehrerer Neuronen, passt die Bewegung und Verformung des Gehirns während der Bewegung an und verfolgt die neuronale Aktivität über einen großen Bereich.
Bei der Verfolgung eines Tieres, das so modifiziert wurde, dass Neuronen aktiviert werden können, wenn es optischem Licht ausgesetzt wird, ermöglicht das System den Forschern, Neuronen während der natürlichen Aktivität mit hoher Präzision einzuschalten. Wichtig ist, dass das System, das Dr. Skanata entwickelt, die Fähigkeit hat, zwei Laserstrahlen unabhängig voneinander zu steuern, sodass es mehrere Bereiche gleichzeitig verfolgen kann und sogar die Verfolgung von Aktivitäten zwischen Einzelpersonen ermöglicht, was einen Einblick in die neuronale Aktivität während Gruppenbegegnungen ermöglicht.
