Preisträger

André 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., Assistenzprofessor, 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.

Timothy Dunn, Ph.D., Assistant Professor, Department of Biomedical Engineering, Duke University

Mehrskalige dreidimensionale Verhaltensquantifizierung bei Individuen und sozialen Gruppen

Aktuelle Methoden zur Bewegungsmessung von frei verhaltenden Tieren haben Grenzen: Sehr detaillierte Beobachtungen kleiner Bewegungen eines Tieres (z. B. einer einzelnen Ziffer) erfordern eingeschränkte Bewegungsbereiche. Die Untersuchung des frei beweglichen Verhaltens im 3D-Raum bedeutet oft, die Auflösung zu begrenzen, vielleicht nur die Gesamtposition zu verfolgen oder sich auf die Beschreibung eines Beobachters zu verlassen. Die automatische Videoverfolgung bei Tieren erfordert normalerweise eine unnatürliche, einfache Umgebung, und Körperteile, die für Kameras nicht sichtbar sind, werden nicht genau verfolgt. Hochauflösende Vorhersagen der Künstlichen Intelligenz (KI) über große dreidimensionale Räume mit volumetrischer räumlicher Darstellung, einer kürzlich entwickelten Technik, um diese Probleme zu überwinden, erfordern enorme Rechenleistung. Das Hinzufügen mehrerer Tiere für soziale Beobachtungen führt zu zusätzlichen Problemen.

Infolgedessen sind die begehrtesten Daten nur unzureichend verfügbar: Hochauflösende, automatische Verfolgung von Tieren im 3D-Raum, die allein oder in Gruppen natürliche Verhaltensweisen ausführen, und Quantifizierung dieser Bewegung in einem standardisierten Format. Dr. Dunn arbeitet an einem neuen Ansatz, der diesem Ideal näher kommen soll. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus einem geometrischen 3D-Maschinenlernalgorithmus, den sein Team verwendet hat, um die Genauigkeit von Vorhersagen erheblich zu verbessern, arbeiten Dr. Dunn und sein Team jetzt an adaptiver rekurrenter Bildabtastung (ARIS), die Bilder von mehreren Kameras kombiniert, um ein Modell zu erstellen, das kann die Körperposition auf vielen Skalen messen und vorhersagen, selbst wenn ein Teil (wie ein Arm oder Fuß) nicht direkt sichtbar ist.

ARIS verbessert selektiv die Auflösung feinskaliger Körpermerkmale und verwendet prädiktive Modellierung basierend auf dem, was es über sein Objekt weiß (Anordnung und Länge der Gliedmaßen, wie sie verbunden sind, wie sie sich bewegen usw.) – zuerst durch das Analysieren enormer Mengen gelernt von Trainingsdaten von frei verhaltenden Ratten und dann mit Trainingsdaten anderer Arten verfeinert – um sich auf den Raumabschnitt zu konzentrieren, in dem sich der Körperteil wahrscheinlich befindet. Dies verbraucht weit weniger Rechenleistung als frühere volumetrische 3D-Tools. In seiner Forschung wird Dr. Dunn ARIS implementieren und Daten in mehreren Maßstäben aufzeichnen, von der Gesamtposition und Körperhaltung bis hin zur Bewegung feiner Merkmale der Hände, Füße und des Gesichts. Weitere Forschung wird seine Wirksamkeit bei der Interaktion mehrerer Tiere untersuchen. Diese Fähigkeit, Verhalten auf neue, präzisere Weise zu messen, hat weitreichende Auswirkungen auf die Untersuchung neurologischer Störungen, die die Bewegung beeinträchtigen, die Gehirnaktivität mit dem Verhalten in Verbindung bringen und soziale Interaktionen untersuchen.

Jeffrey Kieft, Ph.D., Professor, Department of Biochemistry and Molecular Genetics, University of Colorado School of Medicine

Eine neue Technologie zur Kontrolle des Transkriptoms

Messenger-RNA oder mRNA wird als ein wichtiger Akteur für das Leben und die Gesundheit von Zellen angesehen. Diese RNA-Moleküle sind die Matrizen für die Proteinherstellung und werden in den Zellen erzeugt, um Anweisungen an die Proteinherstellungsmaschinerie zu übertragen, und werden dann von Enzymen zerstört. Die Gesamtheit der mRNA, die ein Organismus exprimiert, wird als „Transkriptom“ bezeichnet.

Mängel an mRNA und nicht-kodierender RNA (ncRNA) werden mit bestimmten neurodegenerativen und neurologischen Entwicklungsstörungen in Verbindung gebracht. Wenn im Transkriptom zu wenig einer bestimmten mRNA oder ncRNA vorhanden ist, können bestimmte Zellfunktionen abgebaut oder deaktiviert werden. Dr. Kieft erforscht einen neuartigen Weg, das Transkriptom zu steuern, indem der Zerfall von mRNA und ncRNA verlangsamt wird. Da Dr. Kieft wusste, dass einige Enzyme, die die RNAs zerstören, sie im Wesentlichen von einem Ende zum anderen „zerkauen“, nutzte Dr. Kieft sein Verständnis der Struktur und Faltung von RNA-Molekülen, um ein manipuliertes Stück Exoribonuklease-resistenter RNA (xrRNA) zu schaffen, das , wenn es in kompatible mRNA oder ncRNA eingeführt wird, kombiniert und faltet sich zu einer „blockierenden“ Struktur, wodurch die Form der RNA buchstäblich verändert wird, indem ein Vorsprung eingefügt wird, der die Enzyme in ihren Bahnen stoppt.

Durch die Verlangsamung des Zerfalls der Ziel-mRNA und ncRNA sieht Dr. Kieft die Möglichkeit, deren Häufigkeit innerhalb des Transkriptoms zu steuern. Entwickelte xrRNAs könnten nur bestimmte Ziele erkennen, sich mit ihnen verbinden und den Schutz schaffen, sodass Forscher den Anteil des Ziels erhöhen können, ohne die Menge zu ändern, die erzeugt wird. Der Ansatz hat den Vorteil, dass er für die Wirtszelle weniger störend ist als die unnatürliche Steigerung der mRNA, und die Präzision, mit der xrRNA konstruiert werden kann, bietet das Potenzial, mehrere RNAs gleichzeitig anzugreifen und möglicherweise sogar eine Feinabstimmung durch präzises Steuern der Geschwindigkeit von Verfall. Dr. Kieft sieht in dieser Anwendung, die aus der Grundlagenforschung zur Erforschung von RNA hervorgegangen ist, ein potenziell leistungsfähiges Forschungswerkzeug für Neurowissenschaftler und vielleicht sogar die Grundlage für Therapien in fernerer Zukunft.

Suhasa Kodandaramaiah, Ph.D., Benjamin Mayhugh Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Minnesota Twin Cities

Robotergestützte hirnweite Aufzeichnungen bei frei verhaltenden Mäusen

Neurowissenschaftler, die die Gehirnaktivität während des Verhaltens untersuchen, müssen normalerweise einen Kompromiss eingehen: Sie verwenden miniaturisierte neuronale Sensoren am Kopf, die leicht genug sind, damit sich ein Tier frei verhalten kann, aber eine niedrigere Auflösung haben oder nicht das gesamte Gehirn überwachen können. Oder sie verwenden leistungsfähigere Werkzeuge, die für die Versuchstiere viel zu schwer sind und andere Lösungen erfordern, wie die Immobilisierung beim Laufenlassen der Tiere auf einem Laufband oder sogar Virtual-Reality-Erfahrungen, die das Verhalten eines Versuchsobjekts dennoch einschränken.

Dr. Kodandaramaiah stellt sich der Herausforderung mit einem robotischen kranialen Exoskelett, das das Gewicht der neuralen Aufzeichnungs- und Überwachungshardware trägt, während es dem Probanden (in diesem Fall einer Maus) immer noch erlaubt, seinen Kopf um alle drei Grad zu drehen: eine volle 360-Grad-Drehung im Gierachse (horizontale Rotation) und etwa 50 Grad Bewegung in der Nick- und Rollachse, während man sich in einer Arena bewegt. Der Roboter hat drei gelenkige Arme, die in einer dreieckigen Konfiguration angeordnet sind, über dem Objekt aufgehängt sind und sich an der Befestigungsstelle am Kopf treffen. Sensoren in der Halterung erkennen, welche Bewegung die Maus ausführt und lenken den Roboter, um die Bewegung mit so wenig Widerstand wie möglich zu ermöglichen, sodass sich die Maus in einer Arena drehen und bewegen kann, die typischerweise für neurowissenschaftliche Experimente mit allen notwendigen sensorischen Geräten verwendet wird, und Drähte von den vom Roboter getragenen Implantaten.

Der Verzicht auf Miniaturisierung ermöglicht es Forschern, jede verfügbare State-of-the-Art-Hardware zu verwenden, was bedeutet, dass ein Roboter theoretisch schon kurz nach seiner Einführung auf die neueste Technologie aufgerüstet werden kann. Um an diesen Punkt zu gelangen, wird das Team von Dr. Kodandaramaiah mehrere Schritte durchlaufen – die Entwicklung des Exoskeletts; Entwicklung der Kopfbühne mit den erforderlichen Sensoren sowie hochdichten Elektroden und Kameras für die externe Beobachtung von Augen, Schnurrhaaren und mehr; Durchführen von Benchtop-Tests; Abstimmen des Roboters auf die Eingaben, die eine Maus liefern kann; Bestimmen, wie Sonden eingeführt werden; und schließlich Live-Aufnahmen machen. Mit dieser mechanischen Untermauerung hofft Dr. Kodandaramaiah, den Forschern dabei zu helfen, dem Zustand näher zu kommen, in dem sie detaillierte neuronale Aufzeichnungen über das gesamte Gehirn von sich frei verhaltenden Probanden über lange Zeiträume hinweg erstellen können.

Eva Dyer, Ph.D., Assistenzprofessor, Wallace H. Coulter Abteilung für Biomedizinische Technik, Georgia Institute of Technology & Emory University

“Vergleich großer neuronaler Datensätze über Zeit, Raum und Verhalten hinweg “

Die Fähigkeit, neuronale Daten über große Teile des Gehirns zu beobachten und aufzuzeichnen, hat zu enormen Datenmengen geführt, die es ermöglichen, Muster in den Daten zu finden, die erklären können, wie viele Neuronen zusammenarbeiten, um Informationen über die Welt zu codieren. Selbst mit neuen Fortschritten bei der Suche nach niedrigdimensionalen Mustern in Datensätzen ist es immer noch schwierig, mehrere groß angelegte Aufzeichnungen zu vergleichen, sei es über lange Zeiträume oder über verschiedene Personen hinweg, die dieselben oder ähnliche Aufgaben lösen, oder über Krankheitszustände hinweg. Dr. Dyers Erfahrung mit maschinellem Lernen (ML) zur Entschlüsselung der Gehirnaktivität hat sie zu einer neuartigen Lösung geführt, mit der Muster in mehreren großen neuronalen Datensätzen identifiziert werden können.

Dr. Dyers Arbeit umfasst die Erstellung von Algorithmen für maschinelles Lernen, um aussagekräftige Informationen aus neuronalen Datensätzen zu extrahieren, die gekennzeichnet sind, um festzustellen, ob das Tier geschlafen, wach, auf Nahrungssuche war oder sich auf verschiedene Bewegungen oder Verhaltensweisen einließ. Neue, von der Kryptographie inspirierte mathematische Regeln leiten die Algorithmen zur Identifizierung ähnlicher Muster in separaten Datensätzen, wobei speziell darauf geachtet wird, dass die von verschiedenen Gehirnzuständen erzeugte neuronale Aktivität als Ausgangspunkt für die Ausrichtung der Daten dient. Das Ausrichten neuronaler Aktivitäten kann zeigen, wie neuronale Muster mit dem Verhalten und dem Zustand des Subjekts zusammenhängen, Korruption durch Rauschen verhindern und ein kritisches Sprungbrett für leistungsfähigere Analysetechniken darstellen.

Dr. Dyers zweites Ziel wird Forschern helfen, sich wieder auf einzelne Neuronen zu konzentrieren, um zu verstehen, wie sie zu den allgemeinen Veränderungen der neuronalen Aktivität beitragen und ob sie zur Vorhersage bestimmter Gehirnzustände verwendet werden können. Die Forschung wird weiter untersuchen, ob Unterschiede im Verhalten auf bestimmte Zelltypen zurückgeführt werden können und wie die Unterschiede zwischen Datensätzen verwendet werden können, um Variationen zwischen einzelnen Tieren zu charakterisieren. Die Fähigkeit, große neuronale Datensätze zu dekodieren und zu vergleichen, wird in der neurologischen Forschung von unschätzbarem Wert sein, indem angegeben wird, wie sich neurodegenerative Erkrankungen auf die Informationsverarbeitung des Gehirns auswirken.

Rikky Muller, Ph.D., Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Informatik, University of California - Berkeley

“Ein holographisches Hochgeschwindigkeitsgerät zur optogenetischen Kontrolle von Tausenden von Neuronen “

Die Optogenetik - genetisch veränderte Neuronen, um lichtempfindlich zu sein, damit Forscher sie nach Belieben aktivieren oder zum Schweigen bringen können - hat die neurowissenschaftliche Forschung revolutioniert. In Kombination mit räumlichen Lichtmodulatoren, die Licht zu 3D-Hologrammen formen, können Forscher viele Neuronen, die in einer dreidimensionalen Region eines Gehirns verteilt sind, individuell steuern in vivo. Bisher gab es jedoch keinen holographischen Projektor, der in der Lage war, Neuronen mit den Geschwindigkeiten zu steuern, die auf natürliche Weise im Gehirn zu finden sind.

Dr. Muller entwirft und baut einen holographischen Projektor, um dieses Problem zu lösen. Ihr Gerät überträgt holographische Lichtbilder mit einer Geschwindigkeit von 10.000 Bildern pro Sekunde (Hz). Viele Fernsehgeräte der aktuellen Generation aktualisieren zum Vergleich 60 Bilder pro Sekunde, und die schnellsten im Handel erhältlichen holographischen Werkzeuge arbeiten mit 500 Hz. Diese hohe Bildwiederholfrequenz ist erforderlich, um die natürliche neuronale Signalübertragung zu replizieren, die Aktionspotentialzeiten von etwa 1/1000 Sekunde (entspricht 1.000 Hz, wenn die Bildwiederholfrequenz berücksichtigt wird) umfasst. Darüber hinaus zielt Müller darauf ab, Tausende von Neuronen punktgenau anzusprechen. und genau wie höhere Raten in Fernsehgeräten zu schärferen Bildern führen, bietet ein 10.000-Hz-Hologramm eine höhere Präzision.

Dr. Muller, eine Elektrotechnikerin mit Schwerpunkt Neurotechnologie, konsultiert regelmäßig Neurowissenschaftler, um das Gerät zu entwerfen, zu testen und zu bauen, um sicherzustellen, dass es ihren Anforderungen entspricht. Das Gerät verwendet ein Mikrospiegel-Array, das durch elektrische Betätigung von Miniaturspiegeln 3D-Lichtmuster an bestimmten Orten und in bestimmten Tiefen modelliert. Das Licht wird dann durch eine Reihe von Linsen weitergeleitet. Das Projekt wird zunächst zwei Arrays entwerfen und herstellen - ein kleineres Array zum Testen und Proof of Concept und ein Array im größeren Format sowie die zugehörigen Treiber und Steuerelemente, die für die Messung und Kalibrierung verwendet werden. Schließlich wird Dr. Mullers Team einen voll ausgestatteten räumlichen Lichtmodulator herstellen. Es ist zu hoffen, dass dieses Tool Forschern eine beispiellose Möglichkeit bietet, die neuronale Konnektivität zu steuern und zu testen.

Gilad Evrony, MD, Ph.D., Assistenzprofessor, Zentrum für Humangenetik und Genomik, Abt. 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 einzelnen 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, Institut für Biomedizinische Wissenschaften, 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.

Michale S. Fee, Ph.D., Glen V. und Phyllis F. Dorflinger, Professorin für Computer- und Systemneurowissenschaften, Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften, Massachusetts Institute of Technology; und Investigator, McGovern Institute for Brain Research

„Neue Technologien zur Abbildung und Analyse neuronaler Zustandsraumtrajektorien bei frei lebenden Kleintieren“

Das Studium der neuronalen Aktivität im Gehirn von Tieren ist seit langem eine Herausforderung für die Forscher. Gegenwärtige Ansätze sind unvollkommen: Die gegenwärtige Größe von Mikroskopen erfordert, dass Tiere in ihrer Aktivität eingeschränkt werden, und diese Mikroskope bieten ein begrenztes Sichtfeld für Neuronen. Dr. Fee und sein Labor haben Durchbrüche in der Miniaturisierung von Mikroskopen erzielt und entwickeln nun die Tools, die erforderlich sind, um zu sehen, was im Gehirn eines Tieres vor sich geht, während das Tier die Freiheit hat, natürliche Verhaltensweisen auszuführen.

Mit dem Kopfmikroskop kann Dr. Fee Veränderungen im Gehirn von Jungvögeln beobachten, wenn sie lernen, ihre Lieder zu singen. Während sie zuhören, wiederholen und lernen, dokumentiert Dr. Fee die neuronalen Schaltkreise, die sich als Teil dieses komplexen Lernprozesses entwickeln. Diese Schaltkreise beziehen sich auf menschliche Schaltkreise, die sich während des komplexen Lernens motorischer Abläufe bilden, z. B. beim Fahrradfahren, und sind unter bestimmten Bedingungen, einschließlich der Parkinson-Krankheit, gestört. Angesichts seines Ziels, einen natürlichen Lernprozess zu dokumentieren, ist es von entscheidender Bedeutung, in der Lage zu sein, neuronale Aktivitäten während natürlicher Verhaltensweisen aufzuzeichnen.

Zusätzlich zur Miniaturisierung kann das neue Mikroskop eine Größenordnung mehr Neuronen aufnehmen als andere Techniken, die für sich frei verhaltende Tiere verwendet werden. Außerdem wird es mit neuen Datenanalysen kombiniert, mit denen Forscher in Echtzeit Beobachtungen durchführen und ihre Werte anpassen können Experimente, die den Forschungsprozess beschleunigen. Es wird sofortige und umfassende Anwendungen für Forscher haben, die alle Arten von Gehirnverhalten bei kleinen Tieren untersuchen.

Marco Gallio, Ph.D., Assistenzprofessor, Abteilung für Neurobiologie, Northwestern University

„Verbindungen im lebenden Gehirn neu verkabeln“

Diese Forschung zielt darauf ab, unser Verständnis der Funktionsweise des Gehirns zu erweitern, indem es Wissenschaftlern ermöglicht, synaptische Verbindungen selektiv zu beschneiden und neue Verbindungen zwischen Neuronen zu fördern. Durch diese Umverdrahtung des Gehirns können die Forscher genauer verstehen, welche Zusammenhänge in bestimmten Untergruppen neurologischer Effekte eine Rolle spielen.

Jedes Neuron innerhalb eines Gehirnkreislaufs ist mit mehreren Zielen verbunden. Jedes Ziel kann eine eindeutige Funktion haben und daher die gleichen eingehenden Informationen auf eine völlig andere Weise verarbeiten. Beispielsweise enthalten einige bestimmte Neuronen im Gehirn der Fruchtfliege Informationen über die äußere Umgebung, die verwendet werden, um sich schnell von drohenden Bedrohungen zu lösen (ein angeborenes Verhalten), aber auch, um durch Lernen dauerhafte Assoziationen hervorzurufen.

Die vorgeschlagene Technologie ermöglicht es Forschern, die für jeden Prozess wichtigen Verbindungen zu lokalisieren, indem Synapsen zu den Lernzentren selektiv entfernt werden, während alle anderen Verbindungen intakt bleiben. Das Projekt zielt darauf ab, gentechnisch veränderte Designerproteine herzustellen, die entweder Abstoßung oder Anziehung / Adhäsion zwischen genetisch definierten synaptischen Partnern im intakten Gehirn lebender Tiere vermitteln. Die Forschung wird nicht nur nachweisen, dass eine solche Neuverdrahtung des Gehirns möglich ist, sondern auch neue Fruchtfliegenstämme mit einer einzigartigen Genetik hervorbringen, die sofort mit anderen Forschern geteilt werden können. Aufgrund ihres Designs können diese Tools leicht für die Verwendung in jedem Tiermodell modifiziert oder auf verschiedene Teile des Gehirns angewendet werden. Dies ermöglicht eine völlig neue Klasse neurologischer Studien mit tiefgreifenden Auswirkungen auf unser Verständnis der Funktionsweise des menschlichen Gehirns.

Jose M. Carmena, Ph.D., Professor am Institut für Elektrotechnik und Informatik und am Helen Wills Neuroscience Institute der University of California in Berkeley

Michel M. Maharbiz, Ph.D., Professor, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, University of California Berkeley

Neural Dust: eine ultraschalltaugliche Extrem-Miniaturtechnologie mit geringem Stromverbrauch für vollständig drahtlose und nicht angeschlossene neuronale Aufzeichnungen im Gehirn

Drs. Carmena und Maharbiz arbeiten zusammen, um die nächste Generation von Brain-Machine-Interfaces (BMI) zu entwickeln. Dabei wird sogenannter „neuronaler Staub“ verwendet - implantierbare Ultraschallsensoren in Mote-Größe, die die Notwendigkeit von Drähten, die durch den Schädel verlaufen, beseitigen und ermöglichen könnten für kabellose kortikale Aufzeichnung in Echtzeit. Während Forscher in ihren Labors sowie andere Kollegen des Berkeley-Instituts für Elektrotechnik und Informatik der Universität von Kalifornien und des Helen Wills Neuroscience Institute das Potenzial der neuronalen Staubtechnologie für Muskeln und das periphere Nervensystem untersuchen, finanziert von McKnight wird es Forschern ermöglichen, das Konzept auf das zentrale Nervensystem anzuwenden, eine Methode, von der sie glauben, dass sie die Neurologie auf die gleiche Weise revolutionieren könnte, wie der Schrittmacher die Kardiologie revolutioniert hat. Carmena und Maharbiz stellen sich durch den geschlossenen Regelkreis der neuronalen Staubtechnologie eine Zukunft vor, in der das Gehirn trainiert oder behandelt werden kann, um nach einer Verletzung oder dem Auftreten einer neuropsychologischen Erkrankung die normale Funktionsfähigkeit wiederherzustellen.

Ali Gholipour, Ph.D., Assistenzprofessor für Radiologie an der Harvard Medical School; Direktor für translationale Radiologieforschung und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Computational Radiology Laboratory des Boston Children's Hospital

Bewegungsstabile Bildgebungstechnologie zur quantitativen Analyse der frühen Gehirnentwicklung 

Die Bewegung von Föten, Neugeborenen und Kleinkindern stellt eine besondere Herausforderung für Forscher dar, die sich auf fortgeschrittene Bildgebung konzentrieren, um die frühe Gehirnentwicklung zu analysieren und mögliche Störungen zu identifizieren. Die Arbeitsgruppe von Dr. Gholipour im Computational Radiology Laboratory des Boston Children's Hospital arbeitet an der Entwicklung, Evaluierung und Verbreitung neuer, bewegungsstabiler Magnetresonanztomographietechnologien und -software, mit deren Hilfe Forscher In-utero perinatal untersuchen und charakterisieren können und frühkindliche Gehirnfunktion und -struktur. Neue Bildgebungs- und Bildanalysewerkzeuge können die Fähigkeit der Neurowissenschaftler, Big Data zu sammeln und zu analysieren, dramatisch verbessern, um das Verständnis der frühen Gehirnentwicklung zu verbessern und einen klareren Zusammenhang mit Erkrankungen herzustellen, die möglicherweise aus den frühesten Lebensstadien stammen.

Narayanan (Bobby) Kasthuri, Ph.D., MD, Universität von Chicago und Argonne National Labs

Brain-X: Nanoskalige Karten des gesamten Gehirns mit Synchrotron-basierten Hochenergie-Röntgenstrahlen

Dr. Kasthuris Labor verwendet energiereiche Röntgenstrahlen, um vollständige und umfassende Karten des Gehirns zu erstellen. Die erzeugten Bildstapel führen zu erstaunlichen Datenmengen, die segmentiert werden können, um die Position jedes Neurons, jedes Blutgefäßes und jeder Komponente des Gehirns zu identifizieren. Durch die Erstellung von Karten von gesunden Mäusen und menschlichen Gehirnen können Wissenschaftler diese mit pathologischen Proben vergleichen, um zelluläre und letztendlich synaptische Unterschiede bei kranken Gehirnen, die unter anderem von Autismus, Diabetes und Schlaganfall betroffen sind, besser zu verstehen.

Stephen Miller, Ph.D., Medizinische Fakultät der Universität von Massachusetts

Überwindung von Bildgebungsbarrieren im Gehirn

Die Bildgebung im Gehirn ist schwierig, da viele molekulare Sonden die Blut-Hirn-Schranke (BBB) nicht überwinden können. Dr. Miller und sein Labor haben Wege gefunden, um die Bildgebung im tiefen Gewebe des Gehirns zu verbessern, indem sie die Biolumineszenzeigenschaften der Glühwürmchen nutzen. Millers Team hat das natürliche Luciferinsubstrat für Glühwürmchen modifiziert, um den Zugang zum Gehirn lebender Tiere zu verbessern. Das Leuchten des Gehirns kann verwendet werden, um die Genexpression, die Enzymaktivität, das Fortschreiten der Krankheit zu überwachen oder die Wirksamkeit neuer Medikamente zu messen.

Long Cai, Ph.D., Kalifornisches Institut der Technologie

Entschlüsselung der molekularen Basis der Zellidentität im Gehirn durch Sequenzierung von FISH

Cais Labor hat eine leistungsstarke Bildgebungsmethode entwickelt, die auf der „Einzelmolekül-Fluoreszenz-In-situ-Hybridisierung“ (smFISH) basiert und es ermöglicht, genetische Informationen (z. B. RNA) in Zellen zu untersuchen. Er versucht nun, diese Methode anzupassen, um die Genexpression direkt in Gehirnen mit derselben hohen Auflösung unter Verwendung von sequenziellem FISH (seqFISH) zu profilieren.

Cynthia Chestek, Ph.D., Universität von Michigan

High-Density 90μmPech-Kohlenstoff-Mikrothread-Array zur Aufzeichnung jedes Neurons in Schicht 5

Das Chestek-Labor entwickelt eine Methode zur Aufzeichnung und Visualisierung gesunder, miteinander verbundener, aktiver Neuronen über einen Zeitraum hinweg mit größerer Dichte als jemals zuvor. Mit winzigen Kohlenstofffadenelektroden plant sie, Neuronen in einem Rattengehirn aus einer Reihe von Kanälen aufzunehmen und dann das Gehirn aufzuschneiden, um den gesamten Kreislauf zu visualisieren. Ziel ist es, ein 64-Kanal-Array zu erhalten, das mit einem herkömmlichen neurowissenschaftlichen Konnektor mit hoher Dichte beobachtet werden kann.

Spencer Smith, Ph.D., Universität von North Carolina in Chapel Hill

Multiphotonen-Bildgebung für große Gehirnvolumina

Einzelne Neuronen wirken auf komplexe Weise zusammen, um Gedanken und Verhalten zu formen. Die Multiphotonen-Bildgebung, mit der einzelne Neuronen aus einer Entfernung von mehreren Millimetern aufgelöst werden können, scheint eine innovative Möglichkeit zu sein, diesen Prozess zu untersuchen. Basierend auf früheren Forschungen mit der Zwei-Photonen-Mikroskopie ist Spencers Labor bestrebt, ein benutzerdefiniertes optisches System zu entwickeln, das den Zugang zu 1 Million Neuronen ermöglicht und gleichzeitig die Möglichkeit bietet, Neuronen einzeln zu beobachten.

Juan Carlos Izpisua Belmonte, Ph.D.Das Salk-Institut für biologische Studien

Ableitung, Charakterisierung und Genmodifikation von primordialen Marmoset-Keimzelllinien unter neuartigen Bedingungen

Das Labor in Izpisua Belmonte arbeitet daran, die Zeit zu verkürzen, die für die Entwicklung von Tiermodellen für nichtmenschliche Primaten erforderlich ist, insbesondere für Weißbüschelaffen. Belmonte hat eine Strategie entwickelt, um die Generierung von transgenen Krallenaffenmodellen unter Verwendung von primordialen Keimzellen (PGCs) zu erleichtern. Die Forschung hat das Potenzial, unbegrenzte Zellressourcen für die Untersuchung der Keimzellenentwicklung von Primaten in einer Schale bereitzustellen, und in Kombination mit Tools zur Bearbeitung des Genoms kann der Ansatz dazu beitragen, neuartige Tiermodelle für menschliche Krankheiten zu erstellen.

Sotiris Masmanidis, Ph.D., Universität von California, Los Angeles

Silizium-Mikrosonden zur Überwachung der Dynamik des Gehirns im mittleren Maßstab

Das Masmanidis-Labor entwickelt mikrobearbeitete Silizium-basierte Bauelemente oder Mikrosonden, die durch Massenproduktion in großem Umfang verfügbar gemacht werden können und gleichzeitig viele Neuronen mit einer Auflösung von Millisekunden aufzeichnen können. Mithilfe der Mikrosonden kann Masmanidis untersuchen, wie mehrere Gehirnzellen während des Verhaltens und Lernens interagieren. Darüber hinaus wird sein Labor Techniken entwickeln, mit denen sich Aufnahmeorte präzise beschriften lassen, wodurch die Genauigkeit der Kartierung der Gehirnaktivität verbessert wird.

Kate O'Connor-Giles, Ph.D., Universität von Wisconsin-Madison

Ein CRISPR / Cas9-Toolkit für die umfassende Analyse neuronaler Schaltkreise

O'Connor-Giles möchte modulare Toolkits entwickeln, mit denen sich neuronale Subtypen molekular identifizieren und genetisch steuern lassen. Diese Toolkits werden wichtige Ressourcen für die Charakterisierung der funktionellen Beiträge von Genen zur neuronalen Identität und neuronalen Subtypen zum Verhalten bereitstellen. Das O'Connor-Giles-Labor wird dieselben Technologien einsetzen, um zu verstehen, wie Neuronen während der Entwicklung miteinander verdrahten. Die Arbeit baut auf dem jüngsten Erfolg des Labors bei der Anpassung der CRISPR / Cas9-Gentechnologie an Fruchtfliegen auf.

Thomas R. Clandinin, Ph.D., Universität in Stanford

Eine genetische Methode zur Kartierung neuronaler Netzwerke, die durch elektrische Synapsen definiert sind

Der größte Teil der Forschung zu Hirnschaltungen konzentrierte sich auf chemische Synapsen, die leichter zu untersuchen sind als elektrische Synapsen. Dieses unvollständige Bild der Gehirnverdrahtung behindert jedoch die Bemühungen, Veränderungen in der Gehirnaktivität zu verstehen. Clandinin schlägt vor, eine verallgemeinerbare genetische Methode zu entwickeln, um festzustellen, welche Neuronen sich elektrisch mit anderen verbinden. Bis zum Ende der zweijährigen Bewilligungsfrist erwartet er eine Reihe funktionsfähiger Werkzeuge für alle Fruchtfliegen sowie eine Übersicht über die spezifischen elektrischen Verbindungen im Fliegengehirn und analoge Werkzeuge, die zum Testen in der Maus bereitstehen.

Matthew J. Kennedy, Ph.D., und Chandra L. Tucker, Ph.D., Universität von Colorado - Denver

Optische Werkzeuge zur Manipulation von Synapsen und Schaltkreisen

Die Optogenetik ist ein relativ neues Gebiet, in dem die neuronale Funktion mit Licht gesteuert wird. Kennedy und Tucker hoffen, das Feld durch die Entwicklung neuer Tools erweitern zu können, mit denen Benutzer mit Licht die nachgelagerten Prozesse steuern können vom neuronalen Feuern mit Schwerpunkt auf Signalmolekülen, die für die Bildung, Eliminierung und Plastizität von Synapsen wichtig sind. Sie planen auch die Entwicklung von Tools, mit denen Benutzer die grundlegenden molekularen Signalwege manipulieren können, die für das Lernen und das Gedächtnis im Gehirn verantwortlich sind.

Zachary A. Knight, Ph.D., Universität von Kalifornien - San Francisco

Sequenzierung der Neuromodulation mit gentechnisch hergestellten Ribosomen

Das Gehirn von Säugetieren enthält Hunderte neuronaler Zelltypen mit jeweils unterschiedlichen Genexpressionsmustern. Knights Labor baut Werkzeuge auf, um biochemische Ereignisse im Gehirn der Maus auf diese molekulare Vielfalt von Zellen abzubilden. Er wird Methoden für die RNA-Erfassung entwickeln, mit denen sich die molekulare Identität der zugrunde liegenden Zellen bestimmen lässt. Mithilfe dieser Tools können Neurowissenschaftler die spezifischen Neuronen identifizieren, die bei Änderungen des Verhaltens, der Physiologie oder der Krankheit moduliert werden. Diese identifizierten Zellen können dann genetisch manipuliert werden, um ihre Funktion zu verstehen.

Don B. Arnold, Ph.D., Außerordentlicher Professor für Molekular- und Computerbiologie an der University of Southern California

Ablation von Intrakörpern - Werkzeuge zur direkten Ablation endogener Proteine

Proteine werden im Gehirn kontinuierlich hergestellt und abgebaut. Dr. Arnold arbeitet an Tools, mit denen Wissenschaftler den Prozess des Proteinabbaus für die biomedizinische Forschung manipulieren können. Diese als ablating intrabodies bezeichneten Werkzeuge können den schnellen, effizienten und spezifischen Abbau von Proteinen vermitteln. Ein Protein kann abgebaut werden, um seine Funktion in normalen Zellen zu testen oder die schädlichen Auswirkungen eines bestimmten pathologischen Proteins zu untersuchen - beispielsweise bei einer neurodegenerativen Erkrankung. Gegenwärtig können Wissenschaftler eine Proteinablation nur indirekt verursachen, indem sie entweder das Gen oder die RNA, die das Protein codiert, löschen. Abtragende Intrakörper bewirken den direkten Abbau von Zielproteinen und arbeiten somit wesentlich schneller. Sie können auch auf Proteine mit bestimmten Konformationen oder mit spezifischen posttranslationalen Modifikationen abzielen. Dr. Arnold wird die Verwendung ablatierender Intrabodies testen, indem der Proteingehalt postsynaptischer Stellen manipuliert wird, um die synaptische Funktion, die Homöostase und die Plastizität im Gehirn zu untersuchen. Wenn dies gelingt, könnte die Forschung eine breite Anwendung in den biomedizinischen Wissenschaften finden.

James Eberwine, Ph.D., Professor für Pharmakologie und Ivan J. DmochowskiAssoziierter Professor für Chemie an der University of Pennsylvania

TIVA-Tag ermöglicht echte Genomik neuronaler Systeme

Während es seit mehreren Jahren möglich ist, die Genexpression in einzelnen Zellen in Laborkulturen zu untersuchen, erfordert ein kontinuierlicher Fortschritt in der Neurobiologie die Fähigkeit, die genetische Funktion und Regulation auf Systemebene in intakten Geweben oder lebenden Organismen zu untersuchen. Drs. Eberwine und Dmochowski arbeiten an einer Methode zur Isolierung von RNA aus lebenden Zellen mithilfe eines von ihnen eingeführten Ansatzes namens TIVA-tag (für Transcriptome In Vivo Analysis). Während des Gewährungszeitraums planen sie, die Chemie von TIVA-Tag-Verbindungen so anzupassen, dass RNA aus Zellen mit größerer Spezifität, Effizienz und weniger Gewebeschäden als bisher möglich gesammelt wird. Bis zum Ende des Bewilligungszeitraums wollen sie den TIVA-Tag-Ansatz als praktikable Methode für die Genomik auf Systemebene etablieren.

Doris Tsao, Ph.D., Assistenzprofessor für Biologie, California Institute of Technology, und William J. Tyler, Ph.D., Assistenzprofessor am Virginia Tech Carilion Research Institute, Fakultät für Biomedizinische Technik und Naturwissenschaften

Funktionelle Modulation intakter Hirnschaltungen von Primaten mit gepulstem Ultraschall

In der Neurowissenschaft fehlt ein Werkzeug zur nichtinvasiven Stimulation spezifischer 3D-Loci im gesamten menschlichen Gehirn. Frühere Arbeiten von Dr. Tyler zeigten, dass die Ultraschall-Neuromodulation nichtinvasiv Neuronen im Gehirn lebender Mäuse stimulieren kann. Der nächste Schritt besteht darin, zu charakterisieren, wie Ultraschall einen nicht-menschlichen Primaten, den Makaken, beeinflusst, dessen Gehirn größer und komplexer ist als das der Maus. Die Forscher planen, neuronale Reaktionen, den zerebralen Blutfluss und das Verhalten der Tiere während der fokussierten Ultraschall-Neuromodulation zu beobachten. Letztendlich hat Dr. Tsao und Tyler wollen eine Möglichkeit entwickeln, mit Ultraschall bestimmte Bereiche des menschlichen Gehirns zu stimulieren. Dies wird ein leistungsstarkes neues Instrument zum Verständnis der Schaltkreise des Gehirns beim Menschen darstellen und neue Strategien für die Behandlung allgegenwärtiger neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen liefern.

Samuel S.-H. Wang, Ph.D., Assoziierter Professor für Molekularbiologie an der Princeton University

Die dynamischen Grenzen genetisch kodierbarer Calciumindikatoren überwinden

Fluoreszierende Proteine, die ihre Helligkeit ändern, wenn Gehirnzellen aktiv sind, sind nützlich, um die neuronale Aktivität zu beobachten, die Wahrnehmung, Gedächtnis und anderen kognitiven Prozessen zugrunde liegt. Gegenwärtige Versionen dieser Proteine reagieren nur schleppend, und zwar auf Zeitskalen von einer Sekunde oder länger. Dr. Wangs Labor entwickelt diese Proteine neu, um schneller auf ein breiteres Spektrum von Aktivitäten zu reagieren. In Kombination mit fortschrittlichen optischen Methoden können durch diese Fortschritte kleine Teile des Gehirngewebes so verfolgt werden, dass die fMRT-Bildgebung das gesamte Gehirn verfolgt - mit dem Vorteil, dass die Forscher mit der neuen Methode einzelne Zellen und Veränderungen über Millisekunden hinweg beobachten können. Diese Forschung ist Teil einer größeren Anstrengung von Neurowissenschaftlern, Technologien zu entwickeln, um Gehirnnetzwerke zu untersuchen, während ein Tier lernt, oder um zu sehen, was bei Tieren mit neurologischen Defekten schief geht.

Sandra Bajjalieh, Ph.D., Professor für Pharmakologie an der University of Washington

Entwicklung von Biosensoren zur Signalübertragung von Lipiden

Änderungen der Membranlipide spielen eine Rolle bei der neuronalen Signalübertragung, aber die Forscher können die Lipidproduktion der Signalübertragung noch nicht zuverlässig verfolgen. Bajjalieh plant Sensoren zu generieren, um die Erzeugung von Signallipiden in Zellen in Echtzeit zu verfolgen. Sie wird Proteine entwickeln, die in Abwesenheit anderer Signale an zwei Signallipide binden, und daraus fluoreszierende Sonden entwickeln, um die Position dieser Lipide zu verfolgen. Diese Informationen ermöglichen es, den Ansatz auf andere Lipide auszudehnen.

Guoping Feng, Ph.D., Professor für Gehirn- und Kognitionswissenschaften, McGovern Institute for Brain Research, Massachusetts Institute of Technology

Entwicklung eines molekularen In-vivo-Werkzeugs zur genetischen Manipulation von verhaltensdefinierten neuronalen Mikrokreisläufen mithilfe der Koinzidenzdetektion von Aktivität und Licht

Um genauer zu untersuchen, wie das Gehirn Informationen verarbeitet, entwickelt Feng ein Tool, mit dem bestimmte neuronale Populationen, die durch tierisches Verhalten aktiviert werden, innerhalb eines kurzen Zeitraums, der durch Lichtimpulse definiert wird, erfasst und anhand dieser Aktivität Gehirnzellen für genetische Veränderungen ausgewählt werden können. Diese Zellen können dann getestet werden, um ihre Beteiligung am Verhalten zu beurteilen. Mit diesem Tool können Neurowissenschaftler im Erfolgsfall jede Gruppe von Neuronen, die durch ein bestimmtes Verhalten in einem genau definierten Zeitraum aktiviert werden, genetisch verändern.

Feng Zhang, Ph.D., Investigator, McGovern Institute for Brain Research; Kernmitglied, Broad Institute of MIT und Harvard; Assistenzprofessor für Gehirn- und Kognitionswissenschaften am Massachusetts Institute of Technology

Präzises Genom-Engineering mit Designer TAL Effectors-Rekombinasen

Die genetische Expression wird üblicherweise verwendet, um den Typ eines Neurons zu identifizieren. Die konventionelle genetische Manipulation ist jedoch ineffizient und weitgehend auf die Maus beschränkt. Zhang arbeitet an einer Möglichkeit, das Genom von Neuronen mithilfe von Reportergenen zu verändern, die in bestimmte Zellen und Gehirnschaltungen eingeführt werden können. Diese Technologie würde es ermöglichen, menschliche Mutationen in Tiermodelle einzuführen, um festzustellen, ob genetische Mutationen eine Krankheit verursachen. Die Technologie wird auch die Zeit verkürzen, die zur Erstellung eines Tiermodells benötigt wird.

Michael Berry II, Ph.D., Assoziierter Professor für Molekularbiologie an der Princeton University

Mikrofabrizierte Patch-Clamp-Mikropipette

Berry's Labor wird eine mikrofabrizierte Patch-Mikropipette entwickeln, die neuartige Experimente ermöglicht, die mit herkömmlichen Glas-Patch-Mikropipetten nicht möglich sind, beispielsweise die Fähigkeit, die chemische Umgebung von Neuronen durch schnelle Dialyse leicht zu kontrollieren. Das Gerät ist außerdem zuverlässiger und benutzerfreundlicher als vorhandene Mikropipetten und spart so viel Zeit und Mühe.

Robert Kennedy, Ph.D., Hobart H. Willard Professor für Chemie und Professor für Pharmakologie, University of Michigan

In-vivo-Überwachung von Neurotransmittern mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung

Um Neurotransmitter in vivo mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen, entwickelt Kennedys Labor eine miniaturisierte Sonde, die in jede Gehirnregion der Maus eindringen kann, um in regelmäßigen Abständen kleine Proben für die Analyse zu gewinnen. Diese Technologie bietet einen potenziellen Durchbruch für die Neurowissenschaften, da so viel genetische Arbeit und viele Krankheitsmodelle auf der Maus basieren.

Timothy Ryan, Ph.D., Professor für Biochemie, Weill Cornell Medical College

Entwicklung eines synaptischen ATP-Reporters

Ryans Labor entwickelt eine genauere Methode, um die ATP-Konzentration in bestimmten neuronalen Kompartimenten zu messen und dynamische Informationen zur Überwachung der ATP-Spiegel während der laufenden synaptischen Kommunikation zu erhalten. Dies sollte helfen, festzustellen, ob grundlegende Energieungleichgewichte bei verschiedenen Krankheiten auftreten und wie die ATP-Versorgung normalerweise an Synapsen reguliert wird.

W. Daniel Tracey, Ph.D., Professor für Anästhesiologie, Zellbiologie und Neurobiologie am Duke University Medical Center

Genetisch kodierte Rhabdoviren zur funktionierenden Kartierung von neuronalen Kon textennectivity

Traceys Labor entwickelt ein virales Genexpressionssystem, um neuronale Schaltkreise in der Fruchtfliege zu untersuchen. Ziel ist es, Nervenzellen genetisch zu manipulieren, ihre Verbindungen zu verfolgen und die Aktivität miteinander verbundener Neuronen zu manipulieren. Wenn dies bei Fruchtfliegen erfolgreich ist, hofft Tracey, dass die gleichen Techniken für Untersuchungen des Gehirns von Säugetieren nützlich sein werden.

Joseph Fetcho, Ph.D., Professor für Neurobiologie und Verhalten an der Cornell University

Mapping-Muster von synaptischen Verbindungen in vivo

Es gibt keine einfache Möglichkeit, alle Nervenzellen, die sich mit einer anderen Zelle verbinden, während diese Zellen am Leben sind, aufzudecken. In Zusammenarbeit mit Zebrafischen schlägt Fetcho die Verwendung optischer Methoden vor, bei denen alle Neuronen, die mit einer bestimmten Nervenzelle verbunden sind, Farbe annehmen, um das Verdrahtungsmuster im intakten lebenden Nervensystem abzubilden. Letztendlich könnte ein solcher Ansatz helfen, die Verdrahtungsmuster aufzudecken, die der Bewegung und anderem Verhalten zugrunde liegen.

Pavel Osten, MD, Ph.D., Assoziierter Professor für Neurowissenschaften, Cold Spring Harbor Laboratory

Automatisierte Anatomie mit hohem Durchsatz für fluoreszierendes Mausgehirn

Das Projekt von Osten soll helfen, die Lücke zwischen der Untersuchung molekularer und zellulärer Gehirnfunktionen und der Untersuchung des gesamten Gehirns zu schließen. Mit einer neuartigen Bildgebungstechnologie konzentriert er sich auf die Kartierung von Veränderungen in neuronalen Schaltkreisen bei Mäusen, die genetische Mutationen aufweisen, die mit Autismus und Schizophrenie verbunden sind. Er hofft, dass die Technologie eine schnelle und genaue Möglichkeit bietet, viele genetische Mausmodelle zu untersuchen, um eine Reihe von psychiatrischen Erkrankungen des Menschen besser zu verstehen.

Thomas Otis, Ph.D., Professor für Neurobiologie, Geffen School of Medicine, Universität von Kalifornien, Los Angeles

Entwicklung optischer Methoden zur Spannungsüberwachung in Gruppen neuroanatomisch definierter Neuronen

Otis und seine Kollegen, darunter auch der Co-Principal Investigator Julio Vergara, haben eine Sensortechnologie entwickelt, mit der Nervenimpulse mit neuartigen optischen Methoden mit hoher Wiedergabetreue gemessen werden können. Der Zweck des Stipendiums besteht darin, ihre optische Methode so zu perfektionieren, dass sie die neuronale Aktivität in vielen Neuronen gleichzeitig verfolgen kann.

Larry J. Young, Ph.D., William P. Timmie Professor für Psychiatrie und Verhaltensforschung und Abteilungsleiter, Zentrum für Verhaltensneurowissenschaften, Yerkes National Primate Research Center

Entwicklung transgener Technologien in Präriewühlmäusen zur Analyse der Genetik und neuronalen Schaltkreise sozialer Bindungen

Die Untersuchung komplexer sozialer Verhaltensweisen wie Mütterpflege und soziale Bindung ist durch die Schwierigkeit begrenzt, die Genexpression zu manipulieren, um zu lernen, wie bestimmte Gene das soziale Verhalten regulieren. Young zielt darauf ab, hochsoziale transgene Präriewühlmäuse zu erzeugen und die Gene zu identifizieren, die für individuelle Unterschiede im Sozialverhalten verantwortlich sind. Die Forschung wird insbesondere für Störungen wie Autismus und Schizophrenie von Bedeutung sein.

Henry Lester, Ph.D., Kalifornisches Institut der Technologie

Ionenkanäle für das Neuronal Engineering

Lester wird Ionenkanäle und Rezeptoren verwenden, um einen Einblick zu erhalten, wie Neuronen in Schaltkreisen verbunden sind und wie solche Schaltkreise das Verhalten steuern. Er wird neue Rezeptorkanäle entwickeln, die nur auf ein Medikament, Ivermectin, ansprechen, das in der Tierernährung abgegeben werden kann. Sobald diese Rezeptoren entwickelt sind, kann untersucht werden, wie die Aktivierung oder Hemmung ausgewählter Neuronen das Verhalten beeinflusst.

Charles M. Lieber, Ph.D., Harvard Universität

Nanoelektronische Bausteinarrays zur elektrischen und chemischen Abbildung neuronaler Netze

Lieber plant die Entwicklung und Demonstration neuer nanotechnologiebasierter elektrophysiologischer Instrumente zur Messung von elektrischen und biochemischen Signalen auf der Ebene natürlicher Synapsen anhand von Proben, die von kultivierten neuronalen Netzen bis zu Hirngewebe reichen. Langfristig können diese Werkzeuge als leistungsstarke neue Schnittstellen zwischen dem Gehirn und neuronalen Prothesen in der biomedizinischen Forschung und letztendlich in der Behandlung eingesetzt werden.

Fernando Nottebohm Ph.D., Rockefeller University

Entwicklung einer Technik zur Herstellung transgener Singvögel

Das Studium des stimmlichen Lernens in Singvögeln bietet eine hervorragende Möglichkeit zu untersuchen, wie Erinnerungen in einem komplexen Gehirn gespeichert werden und wie Schäden am Zentralnervensystem durch neuronalen Ersatz repariert werden können. Nottebohm möchte ein Protokoll für die effiziente Produktion von transgenen Singvögeln entwickeln, um die Beteiligung einzelner Gene am Lernen und an der Hirnreparatur zu testen.

Dalibor Sames, Ph.D., und David Sulzer, Ph.D., Universität von Columbia

Entwicklung fluoreszierender falscher Neurotransmitter: Neue Sonden zur direkten Visualisierung der Neurotransmitterfreisetzung von einzelnen präsynaptischen Terminals

Sames und Sulzer haben fluoreszierende falsche Neurotransmitter (FFN) entwickelt, die als optische Tracer für Dopamin fungieren und die erste Möglichkeit bieten, die Neurotransmission an einzelnen Synapsen optisch abzubilden. Mithilfe von FFNs werden Sames und Sulzer neue optische Methoden entwickeln, um die mit dem Lernen verbundenen synaptischen Veränderungen sowie pathologische Prozesse zu untersuchen, die für neurologische und psychiatrische Erkrankungen wie Morbus Parkinson und Schizophrenie relevant sind.

Paul Brehm, Ph.D., Oregon Health & Science University

Ein neuartiges grün fluoreszierendes Protein aus Stachelhäutern liefert eine Langzeitaufzeichnung der neuronalen Netzwerkaktivität

Brehm erforscht einen neuen Weg, um die Zellaktivität in gesundem und krankem Gewebe abzubilden. Er schlägt eine Alternative zum grün fluoreszierenden Protein der Quallen vor - das biolumineszierende Brittlestar Ophiopsila, dessen lang anhaltende Fluoreszenz in Nervenzellen eine langfristige Geschichte ihrer zellulären Aktivität liefern kann.

Timothy Holy, Ph.D., Washington University School of Medicine

Schnelle dreidimensionale optische Abbildung der neuronalen Aktivität in intaktem Gewebe

Holy entwickelt optische Methoden zur gleichzeitigen Aufzeichnung von sehr großen Populationen von Neuronen, indem dünne Lichtblätter verwendet werden, die das Gehirngewebe in drei Dimensionen schnell abtasten. Bei Erfolg kann die Studie Wissenschaftlern helfen, die Mustererkennung und das Lernen auf zellulärer Ebene zu beobachten.

Krishna Shenoy, Ph.D., Universität in Stanford

HermesC: Ein kontinuierliches neuronales Aufzeichnungssystem für frei lebende Primaten

In Shenoys Labor wird versucht, mehr über die Funktionsweise von Neuronen zu erfahren, indem ein hochqualitatives, am Kopf montiertes Miniatur-Aufzeichnungssystem für Affen entwickelt wird, die ihre alltäglichen Aktivitäten ausführen. Bei Erfolg wird mit dieser Arbeit ein Aufzeichnungsgerät erstellt, mit dem einzelne Neuronen tagelang und wochenlang im Verhalten von Affen verfolgt werden können.

Gina Turrigiano, Ph.D., Brandeis University

Kartierung der Position von synaptischen Proteinen mittels hochauflösender Fluoreszenz-Kryo-Mikroskopie

Turrigiano und ihr Mitarbeiter, David DeRosier, Ph.D., werden Werkzeuge entwickeln, um die Anordnung synaptischer Proteine in molekularen Maschinen abzubilden, die Erinnerungen und kognitive Funktionen erzeugen können. Wenn sich dies als erfolgreich erweist, können sie schließlich bestimmen, wie Synapsen bei Krankheitszuständen desorganisiert werden.

Pamela M. England, Ph.D.,Universität von Kalifornien in San Francisco

Überwachung des AMPA-Rezeptorhandels in Echtzeit

Das englische Labor wird eine Reihe neuartiger molekularer Werkzeuge entwickeln, die auf synthetischen Derivaten von Philanthotoxin basieren und zur Untersuchung des Zelloberflächenhandels des AMPA-Subtyps des Glutamatrezeptors eingesetzt werden können. Ziel ist die Herstellung einer Reihe von Toxinderivaten, die AMPA-Rezeptoren mit spezifischen Untereinheitszusammensetzungen inaktivieren und so eine pharmakologische Untersuchung der Rolle dieser verschiedenen Klassen von AMPA-Rezeptoren in lebenden Neuronen ermöglichen.

Alan Jasanoff, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Funktionelle MRT auf Zellebene mit Kalziumbildgebungsmitteln

Jasanoff wird eine in seinem Labor entwickelte neuartige Methode der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) untersuchen, die auf Eisenoxid-Nanopartikeln basiert, die bei Aggregation einen Bildkontrast erzeugen. Bei Erfolg ist die neue Methode ein direkteres Maß für die neuronale Aktivität, mit dem Potenzial für eine verbesserte räumliche und zeitliche Auflösung in der fMRT.

Richard J. Krauzlis, Ph.D., und Edward M. Callaway, Ph.D., Das Salk-Institut für biologische Studien

Verwendung viraler Vektoren zur Untersuchung von sensorisch-motorischen Schaltkreisen bei nichtmenschlichen Primaten

Krauzlis und Callaway werden eine Methode zur Inaktivierung spezifischer Subpopulationen von Neuronen in lokalisierten Regionen der Großhirnrinde von Affen entwickeln. Falls erfolgreich, wird ihre Methode eine Möglichkeit bieten, zu bewerten, wie bestimmte Subpopulationen von Neuronen in verschiedenen Gehirnregionen in Schaltkreisen funktionieren, um höhere Gehirnfunktionen wie Wahrnehmung, Gedächtnis und sensorisch-motorische Steuerung zu ermöglichen.

Markus Meister, Ph.D., Cal Tech

Kabellose Aufzeichnung von multi-neuronalen Spike-Zügen bei sich frei bewegenden Tieren

Meister und seine Mitarbeiter, Alan Litke von der Universität von Kalifornien, Santa Cruz, und Athanassios Siapas von Caltech, werden ein drahtloses Mikroelektrodensystem entwickeln, mit dem neuronale elektrische Signale von sich frei bewegenden Tieren ohne angeschlossene Drähte aufgezeichnet werden können. Dieses System kombiniert Miniaturisierungstechnologien mit leichten Materialien und soll die Messung der neuronalen Dynamik bei wirklich natürlichen Verhaltensweisen wie Graben, Klettern oder Fliegen ermöglichen.

Karl Deisseroth, MD, Ph.D., Universität in Stanford

Nichtinvasive, zeitlich hochauflösende Steuerung der neuronalen Aktivität mit einem lichtempfindlichen Ionenkanal der Alga C. Reinhardtii

Deisseroths Labor, in dem auch der Postdoktorand Edward Boyden mitarbeitet, wird ein neues Tool entwickeln, das auf einem genetisch kodierten lichtempfindlichen Ionenkanal aus Algen basiert und die elektrische Aktivität in bestimmten Neuronensätzen mit Licht stimuliert. Ihr Ziel ist es, einzelne Aktionspotentiale millisekundengenau zu stimulieren und zu steuern, welche Neuronen mithilfe genetischer Methoden stimuliert werden, um die Expression von Kanalproteinen zu steuern.

Samie R. Jaffrey, MD, Ph.D., Weill Medical College, Cornell Universität

Echtzeit-Bildgebung von RNA in lebenden Neuronen mit bedingt fluoreszierenden kleinen Molekülen

Jaffreys Labor wird ein System weiterentwickeln, mit dem RNA mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie in lebenden Zellen sichtbar gemacht werden kann. Seine Technik basiert auf der Konstruktion kurzer RNA-Sequenzen, die an ein Fluorophor binden und dessen Lichtemission stark erhöhen. Das Fluorophor leitet sich von dem ab, das in Green Fluorescent Protein (GFP) verwendet wird. Ziel ist es, die Untersuchung von RNA auf die gleiche Weise zu revolutionieren, wie die GFP-Technologie die Proteinvisualisierung revolutioniert hat.

Jeff W. Lichtman, MD, Ph.D., Harvard Universität Kenneth HayworthJanelia Farm Research Campus des Howard Hughes Medical Institute

Entwicklung eines automatischen Bandsammeldreh-Ultramikrotoms für die Rekonstruktion des Gehirns in großem Maßstab

Hayworth und Lichtman entwickeln ein Werkzeug zum Schneiden und automatischen Sammeln von Tausenden von Gewebeschnitten für die Bildgebung mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Die Rekonstruktion von TEM-Serienschnitten ist die einzige Technologie, die nachweislich in der Lage ist, bei höchster Auflösung die exakte synaptische Konnektivität aller Neuronen innerhalb eines Gehirngewebevolumens abzubilden. Die Anwendung ist jedoch begrenzt, da die ultradünnen Abschnitte manuell gesammelt werden müssen. Dieses Tool würde den Prozess automatisieren und die serielle Aufteilung vielen Labors zugänglich machen und bei größeren Gewebevolumina nützlich sein.

Alice Y. Ting, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Bildgebung des neuronalen Proteintransports durch optische und Elektronenmikroskopie unter Verwendung der Biotin-Ligase-Markierung

Ting schlägt eine verbesserte Technologie zur Visualisierung und Quantifizierung des Transports von Membranproteinen vor. Sie hat eine hochselektive enzymbasierte Markierungstechnik entwickelt, mit der Moleküle, die auf Neuronenoberflächen vor einem Stimulus existieren, von solchen unterschieden werden können, die nach dem Stimulus auftreten. Die räumliche Verteilung markierter Moleküle kann dann mit optischer Bildgebung beobachtet und mit einigen Modifikationen auch mit Elektronenmikroskopie in höherer Auflösung beobachtet werden.

EJ Chichilnisky, Ph.D., Das Salk-Institut
AM Litke, Ph.D., Santa Cruz Institut für Teilchenphysik

Untersuchung der Netzhaut

Der Neurobiologe Chichilnisky und der Experimentalphysiker Litke arbeiten gemeinsam an der Technologie, um die elektrische Aktivität von Hunderten von Neuronen gleichzeitig auf einer feinen räumlichen und zeitlichen Skala aufzuzeichnen und zu stimulieren. Auf diese Weise können sie untersuchen, wie große Populationen von Neuronen Informationen verarbeiten und codieren, um Wahrnehmung und Verhalten zu steuern. Sie planen zunächst, die Netzhaut und damit auch andere neuronale Systeme zu untersuchen.

Daniel T. Chiu, Ph.D., Universität von Washington

Räumlich und zeitlich aufgelöste Abgabe von Stimuli an einzelne neuronale Zellen

Nanokapseln sind außergewöhnlich kleine „Schalen“, die so klein wie ein Molekül sind und es an ein ausgewähltes Ziel abgeben können. Chiu entwickelt und perfektioniert neue Arten von Nanokapseln und verfeinert bestehende, um zu untersuchen, wie eine einzelne neuronale Zelle die Ankunft eines Signals an der Membranoberfläche verarbeitet. Nanokapseln werden nützlich sein, um Zelloberflächenproteine abzubilden und zu untersuchen, wie Rezeptoren Signale senden und die synaptische Übertragung auslösen.

Susan L. Lindquist, Ph.D., Whitehead Institute for Biomedical Research

Entwicklung und Anwendung von Hefemodellsystemen für neurodegenerative Erkrankungen und Hochdurchsatz-Screening

Lindquist schlägt vor, neurodegenerative Erkrankungen durch Untersuchung der Gene in Bäckerhefe zu untersuchen. Aufgrund des großen Erfolgs ihres Labors, Hefe als Modellsystem zur Untersuchung der Parkinson-Krankheit zu verwenden, plant sie, das Modell auf zwei weitere Krankheitsklassen auszudehnen - die Tauopathien (einschließlich Alzheimer) und die Spinocerebeller-Ataxie-3.

Daniel L. Minor Jr., Ph.D., Universität von Kalifornien, San Francisco

Gezielte Evolution von Ionenkanalmodulatoren aus natürlichen und entworfenen Bibliotheken

Minor arbeitet an einem neuen Ansatz, um Moleküle zu identifizieren, die Ionenkanäle blockieren oder öffnen. Diese Proteine sind der Schlüssel für die elektrische Signalübertragung im Gehirn. Er wird natürliche Peptide von giftigen Kreaturen untersuchen und giftähnliche Moleküle zum Testen herstellen. Die Herstellung von Molekülen, die die in der Natur nachahmen, und deren breite Verfügbarkeit beschleunigen die Suche nach Arzneimitteln, die auf bestimmte Ionenkanäle einwirken können.

Stephen J. Smith, Ph.D., Stanford University School of Medicine

Methoden zur Abgrenzung von Hirnschaltungen durch Reihenschnitt-Rasterelektronenmikroskopie

Smith entwirft Werkzeuge, mit denen die Neurowissenschaft von dem profitieren kann, was er das Mikroskop des 21. Jahrhunderts nennt. Es wurde von seinem Mitarbeiter Winfried Denk, Ph.D., einem Biophysiker am Max-Planck-Institut, erfunden. Sie entwickeln automatisierte S3EM-Verfahren (Serial-Sectioning Scanning Electron Microscopy), mit denen erstmals vollständige Gehirnschaltungen bis ins kleinste Detail analysiert werden können. Smith entwickelt Möglichkeiten, um Hirngewebe für die Analyse mit diesem Mikroskop zu färben, und Berechnungswerkzeuge, um das immense Informationsvolumen zu analysieren, das die neuen Techniken liefern werden.

Stuart Firestein, Ph.D., Universität von Columbia

Ein genetisch codierter optischer Sensor für die Membranspannung

Firestein und sein Mitarbeiter Josef Lazar, Ph.D., schlagen vor, eine neue Art von spannungserfassendem Protein zu testen, das möglicherweise in der Lage ist, sehr kleine elektrische Ereignisse zu erfassen und Spannungsänderungen in einer großen Anzahl von Zellen gleichzeitig sichtbar zu machen. Dies würde eine Untersuchung der Informationsverarbeitung im Gehirn fördern, die derzeit unerreichbar ist.

David Heeger, Ph.D., New Yorker Universität

Hochauflösende fMRI

Heeger und sein Mitarbeiter, Dr. Souheil Inati, planen zusammen mit den Wissenschaftlern der Stanford University, John Pauly und David Ress, einen neuen Ansatz zur Verbesserung der räumlichen Auflösung der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), um auch routinemäßig fMRI-Daten erfassen zu können bei extrem hoher Auflösung. Das Team möchte dabei helfen, einige der grundlegenden Probleme der konventionellen MRT zu lösen.

Paul Slesinger, Ph.D., Mount Sinai / Icahn School of Medicine

G Proteinrezeptorenergietransfersystem (GRET) zur Überwachung der Signaltransduktion in Neuronen

Die Modulation der Nervenzellkommunikation tritt auf, wenn chemische Neurotransmitter an bestimmte Typen von G-Protein-gekoppelten Neurotransmitterrezeptoren (GPCR) binden, die wiederum G-Proteine aktivieren. Um dynamische Veränderungen der G-Protein-Aktivität während der Nervenzellkommunikation zu untersuchen, schlägt Slesinger die Entwicklung eines proteinbasierten Fluoreszenzdetektors für G-Proteine vor, der auf der Eigenschaft des Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfers (FRET) basiert.

Bernardo Sabatini, MD, Ph.D., Harvard Medizinschule

Optische Instrumente zur Analyse der Proteintranslation in extrasomatischen neuronalen Kompartimenten

Um herauszufinden, wie Neuronen Kommunikationskanäle einrichten und wie das Gehirn Informationen speichert und abruft, entwickelt Sabatini Moleküle, die Licht emittieren, wenn Neuronen Proteine herstellen, und ein Mikroskop, um den Prozess tief im lebenden Gehirn zu beobachten.

Karel Svoboda, Ph.D., Cold Spring Harbor Laboratory

Regulation der synaptischen Übertragung in vivo mit hoher räumlicher und zeitlicher Spezifität

Svoboda entwickelt molekulare Werkzeuge, um zu verstehen, wie Synapsen die Schaltkreise des Gehirns organisieren.

Liqun Luo, Ph.D., Universität in Stanford

Einzelne Neuronenmarkierung und genetische Manipulation bei Mäusen

Luo arbeitet an einer genetischen Methode zur Manipulation und Verfolgung einzelner Neuronen in Mäusen, um zu lernen, wie neuronale Netzwerke während der Entwicklung zusammengesetzt und später durch Erfahrung modifiziert werden.

A. David Redish, Ph.D .; Babak Ziaie, Ph.D.; und Arthur G. Erdman, Ph.D., Universität von Minnesota

Drahtlose Aufnahme von neuronalen Ensembles im Wachzustand, Verhalten von Ratten

Die Mitarbeiter - ein Neurowissenschaftler, ein Elektrotechniker und ein Maschinenbauingenieur - entwickeln eine drahtlose Methode zur Aufzeichnung neuronaler Störsignale aus dem Wachzustand, um das Verständnis von Lernen und Verhalten bei Ratten zu verbessern.

Helen M. Blau, Ph.D., Stanford University

Minimalinvasive, regulierte Genabgabe an das Zentralnervensystem

Blaus Labor untersucht ein neues Mittel, um therapeutische Gene an das Zentralnervensystem weiterzuleiten. Dabei werden Knochenmarkszellen verwendet, die mit Genen ausgestattet sind, die auf Krankheiten abzielen können.

Graham CR Ellis-Davies, Ph.D., MCP Hahnemann University

Funktionelle Bildgebung von Neurorezeptoren in lebenden Hirnschnitten durch Zwei-Photonen-Uncaging von Neurotransmittern

Ellis-Davies entwickelt innovative Methoden, um Aspekte der Gehirnfunktion abzubilden, die zuvor noch nicht gesehen wurden. Dabei wird eine Form von Neurotransmittern entwickelt, die biologisch inert bleiben, bis sie durch einen intensiven Lichtblitz aktiviert werden.

Dwayne Godwin, Ph.D., Medizinische Fakultät der Wake Forest University

Enthüllung funktioneller Konnektivitätsketten mit viraler DNA

Durch die Injektion von viraler DNA in Zellen, die chemische Markierung des Virus und die Verfolgung seiner Ausbreitung auf verbundene Zellen erforscht Godwin neue Wege, um aufzudecken, wie Nervenzellen im Gehirn Nachrichten senden und empfangen.

Seong-Gi Kim, Ph.D., Medizinische Fakultät der Universität von Minnesota

Entwicklung eines In-vivo-Perfusions-basierten säulenauflösenden fMRI

Kim arbeitet daran, die Leistungsfähigkeit der funktionellen Magnetresonanztomographie zu steigern, um die Gehirnaktivität genauer untersuchen zu können.

Stephen Lippard, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Synthetische Chemie zur Entwicklung von Zinksensoren zur Untersuchung neurochemischer Signale

Lippard synthetisiert neuartige Fluoreszenzsensoren, die Zinkionen und Stickoxide in lebenden Zellen erkennen und deren räumliches Muster aufdecken.

Partha Mitra, Ph.D., und Richard Andersen, Ph.D., California Institute of Technology

Entwicklung von Techniken zum Aufzeichnen und Auslesen von Bevölkerungscodes in Echtzeit aus der Parietal-Reach-Region

Mitra und Andersen verwenden mathematische Techniken, um die Aktivität von Neuronenensembles zu analysieren, in der Hoffnung, letztendlich die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und Verhalten zu entschlüsseln.

William NewsomeUnd Mark Schnitzer, Stanford University School of Medicine

In vivo Gehirndynamik Studiert mit Faseroptik und optischer Kohärenztomographie

Schnitzer und Newsome (mit einem Sonderpreis in Höhe von 50.000 US-Dollar ausgezeichnet) untersuchen die Dynamik des Gehirns, indem sie Aufzeichnungsorte lokalisieren, die Verteilung molekularer Marker kartieren und die Muster der Gehirnaktivität mithilfe von Licht genau überwachen.

Timothy Ryan, Ph.D., Weill Medical College der Cornell University, und Gero Miesenböck, Ph.D., Memorial Sloan Kettering Cancer Center

Design und Anwendung der pH-basierten optischen Erfassung der synaptischen Aktivität

Die Wissenschaftler entwickeln neuartige Fluoreszenzindikatoren für die synaptische Aktivität, die auf der Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des Säuregehalts basieren.

Daniel Turnbull, Ph.D., Medizinische Fakultät der New York University

In vivo µMR-Bildgebung der neuronalen Migration im Mausgehirn

Turnbull arbeitet an einer neuen Bildgebungsmethode, um die Migration von Neuronen im sich entwickelnden Mausgehirn zu visualisieren, neue Neuronen zu markieren und diese bei intakten Tieren über mehrere Tage mit Magnetresonanz-Mikroimaging zu verfolgen.

Michael E. Greenberg, Ph.D. und Ricardo E. Dolmetsch, Ph.D., Boston Children's Hospital

Neue Technologien zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Kontrolle von Transkription und Translation in intakten Neuronen

Die Wissenschaftler entwickeln eine Methode zur Visualisierung der Genaktivität in lebenden Nervenzellen mithilfe von Molekülverstärkern und Fluoreszenzdetektion, um zu sehen, wie Gene sich gegenseitig beeinflussen.

Paul W. Glimcher, Ph.D., New York University

Experimentelle Neurosonographie

Glimchers Forschung untersucht diagnostischen Ultraschall, um die präzise Platzierung von Aufzeichnungselektroden im Gehirn von wachen, aktiven Primaten zu ermöglichen.

Leslie C. Griffith, MD, Ph.D. und Jeffrey C. Hall, Ph.D., Brandeis University

Echtzeit-Signaltransduktionssensoren

Griffith und Hall entwickeln genetische Sensoren, die in einzelne Nervenzellen lebender Fruchtfliegen eingeführt werden können, um festzustellen, wann eine Zelle rekrutiert wird, um ihre Verhaltensrolle zu erfüllen.

Warren S. Warren, Ph.D., Princeton University

Zero Quantum Functional Magnetresonanztomographie

Warrens kühne Initiative zielt darauf ab, fMRI leistungsfähiger zu machen, indem die Auflösung um das 100-fache erhöht wird, sodass aktive Bereiche des Gehirns detaillierter und kontrastreicher sichtbar werden.