Premios McKnight Scholar 2021

La Junta Directiva de The McKnight Endowment Fund for Neuroscience se complace en anunciar que ha seleccionado a siete neurocientíficos para recibir el premio McKnight Scholar Award 2021.

Los premios McKnight Scholar se otorgan a jóvenes científicos que se encuentran en las primeras etapas de establecer sus propios laboratorios independientes y carreras de investigación y que han demostrado un compromiso con la neurociencia. “La clase de académicos de este año muestra la diversidad de neurocientíficos jóvenes, brillantes e innovadores de todo el país”, dice Kelsey C. Martin MD, PhD, presidenta del comité de premios y decana de la Escuela de Medicina David Geffen de UCLA. Desde que se introdujo el premio en 1977, este prestigioso premio de carrera temprana ha financiado a más de 250 investigadores innovadores y ha estimulado cientos de descubrimientos importantes.

"Juntos, los McKnight Scholars están abordando algunas de las preguntas más interesantes de la neurociencia actual", dice Martin. “Utilizando una variedad de enfoques experimentales y computacionales, están dilucidando cómo la experiencia sensorial da forma al cerebro durante el desarrollo, cómo los circuitos cerebrales dan lugar a comportamientos específicos del sexo, cómo se percibe y procesa el sonido durante el comportamiento, cómo el sueño influye en la cognición y la salud del cerebro, cómo los mecanismos biológicos celulares controlan los ritmos circadianos y cómo los circuitos neuronales procesan la información y aprenden. En nombre de todo el comité, me gustaría agradecer a todos los solicitantes de los premios McKnight Scholar de este año por sus contribuciones y creatividad ”.

Cada uno de los siguientes siete beneficiarios del Premio McKnight Scholar recibirá $75,000 por año durante tres años. Ellos son:

Hubo 70 solicitantes para los premios McKnight Scholar de este año, que representan a los mejores profesores jóvenes de neurociencia del país. Los profesores solo son elegibles para el premio durante sus primeros cuatro años en un puesto de profesores de tiempo completo. Además de Martin, el comité de selección de los Scholar Awards incluyó a Gordon Fishell, PhD, Harvard University; Loren Frank, PhD, Universidad de California, San Francisco; Mark Goldman, PhD, Universidad de California, Davis; Richard Mooney, PhD, Facultad de Medicina de la Universidad de Duke; Jennifer Raymond, PhD, Universidad de Stanford; Vanessa Ruta, PhD, Universidad Rockefeller; y Michael Shadlen, MD, PhD, Universidad de Columbia.

Las solicitudes para los premios del próximo año estarán disponibles en agosto y vencen el 10 de enero de 2022. Para obtener más información sobre los programas de premios de neurociencia de McKnight, visite el sitio web del Endowment Fund en https://www.mcknight.org/programs/the-mcknight-endowment-fund-for-neuroscience

Acerca de The McKnight Endowment Fund for Neuroscience

El McKnight Endowment Fund for Neuroscience es una organización independiente financiada únicamente por la Fundación McKnight de Minneapolis, Minnesota, y dirigida por una junta de destacados neurocientíficos de todo el país. La Fundación McKnight ha apoyado la investigación en neurociencia desde 1977. La Fundación estableció el Fondo de Dotación en 1986 para llevar a cabo una de las intenciones del fundador William L. McKnight (1887-1979). Uno de los primeros líderes de la Compañía 3M, tenía un interés personal en la memoria y las enfermedades cerebrales y quería que parte de su legado se utilizara para ayudar a encontrar curas. The Endowment Fund hace tres tipos de premios cada año. Además de los McKnight Scholar Awards, son los McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards, que proporcionan capital inicial para desarrollar inventos técnicos para mejorar la investigación del cerebro; y los Premios McKnight de Neurobiología de los Trastornos Cerebrales, para los científicos que trabajan para aplicar el conocimiento logrado a través de la investigación traslacional y clínica a los trastornos cerebrales humanos.

Premios McKnight Scholar 2021

Lucas Cheadle, Profesor asistente de doctorado, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY

Descubriendo la base molecular de la función microglial en el cerebro estimulado

Gran parte de la neurociencia del desarrollo se ha centrado históricamente en los aspectos intrínsecos del desarrollo neuronal: cómo las células están genéticamente "programadas" para desarrollarse de cierta manera o proporcionar una función particular. Y hasta hace poco, la investigación ha examinado más de cerca las propias neuronas, con muchas de las herramientas y técnicas comúnmente utilizadas optimizadas para estudiar los mecanismos intrínsecos a las neuronas. En su investigación, el Dr. Cheadle está prestando atención a áreas de la neurología menos estudiadas: una etapa tardía del desarrollo neuronal que está influenciada por factores ambientales externos y el papel que desempeñan las células inmunes del cerebro llamadas microglia en este proceso.

En su investigación, el Dr. Cheadle está estudiando específicamente el desarrollo de conexiones neuronales visuales utilizando un modelo de ratón en el que algunos ratones se crían en un entorno sin luz durante una etapa crucial de desarrollo. Su investigación anterior muestra que la microglía esencialmente "esculpe" el sistema visual, eliminando las conexiones sinápticas que son menos beneficiosas. Como resultado, el orden físico de esa parte del sistema neural es diferente en los ratones criados en la oscuridad que en los criados en la luz. En su trabajo en curso, el Dr. Cheadle buscará identificar a nivel molecular cómo la microglía es estimulada por factores externos (como la luz) y los mecanismos por los que luego esculpen las sinapsis.

La investigación ofrece varios enfoques novedosos, incluido el uso de tecnología de edición de genes para eliminar genes microgliales específicos para definir sus roles en el desarrollo del circuito visual, así como la creación de una línea transgénica de ratones que etiquetan células microgliales funcionalmente activas en el cerebro, ambas tácticas más a menudo se aplica a las neuronas que el Dr. Cheadle está adaptando para estudiar la microglía por primera vez. El Dr. Cheadle espera que su investigación pueda ayudar a descubrir nuevos conocimientos sobre las funciones de las células no neuronales en el cerebro, lo que puede conducir a futuros avances en los orígenes y el tratamiento de los trastornos neuronales, especialmente aquellos como el autismo y la esquizofrenia que surgen relativamente tarde en desarrollo y tienen alguna indicación de un componente inmunológico.

Josie Clowney, PhD, Profesor Asistente, Universidad de Michigan, Departamento de Biología Molecular, Celular y del Desarrollo, Ann Arbor, MI

Un encuadre feminista de lo infructuoso: la masculinidad como represión de los programas neuronales femeninos

Las diferencias entre los cerebros masculinos y femeninos pueden parecer sutiles y afectar solo al 2-5% del cerebro; después de todo, la mayoría de las funciones de las criaturas vivientes de ambos sexos son las mismas, incluida la necesidad de comer, dormir, aprender y moverse, pero esos las diferencias son cruciales para la supervivencia de una especie. Una gran cantidad de investigación ha sido conductual, como la realización de rituales de apareamiento, pero se comprende menos acerca de cómo los genes que impulsan esos rituales se sintonizan en el cerebro.

El Dr. Clowney plantea la hipótesis de que el proceso es de sustracción: que el código para los cerebros de ambos sexos comienza básicamente igual, y luego ciertos genes se desactivan en ciertos patrones para cada sexo, lo que da como resultado cerebros masculinos y femeninos. Además, sus estudios hasta la fecha utilizando un modelo de mosca de la fruta sugieren que el cerebro masculino puede resultar de la eliminación de programas neuronales de un "modelo base" que está mucho más cerca del cerebro femenino, en lugar de la creación de nuevos programas. La clave del proceso es un factor de transcripción de la mosca de la fruta llamado "Sin fruto", una proteína creada solo en los cerebros masculinos de la mosca de la fruta que regula si los genes específicos del sexo en el cerebro se activan o desactivan, y que tienen un papel en el impulso de los instintos basados en el sexo. incluso en adultos.

En su investigación, la Dra. Clowney buscará identificar los objetivos genéticos de Fruitless en cerebros en desarrollo y adultos; cómo los circuitos neuronales inhibitorios regulan el cortejo masculino al evitar que los machos realicen rituales de apareamiento con otros machos; y cómo los machos pierden los circuitos neuronales para poner huevos. Los experimentos involucrados utilizan una variedad de técnicas para observar la ganancia o pérdida de circuitos y comportamientos asociados al sexo en animales con o sin Fruitless. A través de esto, puede arrojar luz sobre el proceso de desarrollo del cerebro, lo que puede conducir a nuevos conocimientos sobre cómo nuestros cerebros saben qué comportamientos innatos realizar y cuáles no realizar, y posiblemente ayudar a los investigadores de trastornos neurológicos y psiquiátricos, muchos de los cuales son más común es un sexo u otro.

Shaul Druckmann, PhD, profesor asistente de neurobiología y de psiquiatría y ciencias del comportamiento, Universidad de Stanford, Stanford, CA

¿Cómo calcula el cerebro mediante la actividad distribuida entre poblaciones y áreas cerebrales?

Después de décadas de investigación, todavía tenemos una comprensión limitada de cómo el cerebro realiza cálculos en todas las regiones. Esta pregunta fundamental está en el corazón del trabajo del Dr. Druckmann, que aprovecha el alcance y el detalle cada vez mayores del registro de la actividad cerebral para explorar lo que sucede en el cerebro entre el estímulo y la respuesta, específicamente cuando la respuesta se retrasa y la memoria a corto plazo. esta comprometido.

En una serie de experimentos, los ratones son entrenados para lamer en una de dos direcciones algún tiempo después de que se presenta un estímulo y luego se retira. Dado que el estímulo ya no está presente, el cerebro necesita almacenar la memoria del mismo, planificar el movimiento, retener la acción durante un tiempo determinado y luego actuar. Durante esos segundos, la actividad cerebral se registra en múltiples regiones del cerebro simultáneamente. Los datos preliminares muestran que la actividad está presente y cambia a través de las regiones y en diferentes poblaciones neuronales, y Druckmann tiene como objetivo mostrar que esta actividad colectiva está interactuando a través de las áreas del cerebro y las formas en que las interacciones pueden "arreglar" los recuerdos necesarios y la intención de movimiento, incluso cuando un la actividad de una sola región o población puede ser errónea. Una segunda línea de investigación que utiliza humanos rastrea la actividad cerebral interregional durante el habla, una actividad extraordinariamente compleja, en experimentos que llegan a la misma pregunta de cómo se hacen los cálculos en el cerebro.

El Dr. Druckmann ve estos experimentos como los primeros pasos para tener un modelo de cómo funciona el cerebro en su conjunto. Al mismo tiempo, también espera ampliar la forma en que trabajan los investigadores; su proyecto implica una intensa colaboración con varios otros investigadores, y espera poder explorar tanto la ciencia básica como también buscar aplicaciones clínicas para sus hallazgos, específicamente a través de su participación en un proyecto de ensayo clínico colaborativo que está trabajando en interfaces neuronales. La capacidad de decodificar cómo la actividad cerebral se traduce en una actividad compleja como el habla podría conducir a una tecnología que pueda restaurar alguna función para las personas con enfermedades degenerativas como la ELA.

Laura Lewis, Doctora en Filosofía, Profesor asistente, Universidad de Boston, Departamento de Ingeniería Biomédica, Boston, MA

Imágenes de dinámica neural y de fluidos en el cerebro dormido

El sueño es de vital importancia para la salud del cerebro tanto a corto como a largo plazo. Tanto la actividad neuronal como la dinámica de fluidos del líquido cefalorraquídeo (LCR) cambian durante el sueño, con diversas consecuencias: los sistemas sensoriales se alejan de la conciencia de los estímulos externos y se orientan hacia la reactivación de la memoria, y el LCR fluye hacia el cerebro y elimina las proteínas tóxicas que se acumulan durante horas para caminar. Curiosamente, los dos procesos están estrechamente relacionados. En su investigación, la Dra. Lewis investigará la conexión entre la dinámica neural y de fluidos durante el sueño y la conexión de cada uno con la salud del cerebro.

La clave de la investigación del Dr. Lewis es la capacidad de estudiar a los pacientes durante el sueño de movimientos oculares no rápidos (NREM) y observar tanto la actividad cerebral como la dinámica de fluidos en escalas de tiempo cortas. Para hacerlo, la Dra. Lewis está utilizando una combinación innovadora de EEG con imágenes de resonancia magnética funcional rápida (fMRI), mejorada con un algoritmo que desarrolló para eliminar el ruido, lo que le permite observar la actividad neural precisa y sincronizada y el flujo de LCR. Su investigación explorará primero cómo se activan estas ondas lentas en el cerebro y qué redes neuronales están involucradas, utilizando estímulos auditivos que pueden mejorar las ondas lentas. En segundo lugar, examinará el vínculo entre estas ondas lentas y el flujo de LCR; una hipótesis es que la actividad neuronal más lenta disminuye la demanda de sangre, esencialmente atrayendo LCR hacia el cerebro a medida que la sangre retrocede. Usando la técnica de imagen combinada, el Dr. Lewis podrá observar el flujo sanguíneo acoplado y el flujo de LCR momento a momento en 3D en todo el cerebro.

Las implicaciones de esta interacción son profundas. Durante estas ondas lentas, la red neuronal del cerebro se reorganiza de una manera que es fundamental para la reactivación de la memoria y la salud del cerebro a corto plazo; el flujo de LCR que está relacionado con las ondas lentas es importante para la salud del cerebro a largo plazo. Comprender cómo funcionan estos sistemas ayudará a los futuros investigadores del sueño a comprender cuándo algo sale mal, de particular interés en los estudios de trastornos neurológicos y psiquiátricos, incluido el Alzheimer, que puede estar relacionado con la interrupción del sueño de ondas lentas.

Ashok Litwin-Kumar, PhD, Profesor asistente, Departamento de Neurociencia e Instituto Zuckerman, Universidad de Columbia, Nueva York, NY

Modelos de comportamiento adaptativo restringidos por el conectoma

Con los nuevos diagramas de cableado de microscopía electrónica (EM) de sistemas nerviosos cada vez más complejos, los investigadores están a punto de desbloquear una comprensión más profunda de cómo estos sistemas conducen al comportamiento. El desafío: cómo hacer uso de estos vastos conjuntos de datos, conocidos como conectomas, que en el caso de la mosca de la fruta incluyen decenas de miles de neuronas y decenas de millones de sinapsis. Lograr esta tarea es difícil ya que muchos enfoques exitosos para modelar el comportamiento, incluidas las técnicas inspiradas en el aprendizaje automático, utilizan modelos que no reflejan la realidad de cómo están conectados los cerebros y los sistemas nerviosos.

En su investigación, el Dr. Litwin-Kumar tiene como objetivo desarrollar una metodología para unir los mundos del conectoma y los modelos funcionales de comportamiento mediante el desarrollo de formas de identificar estructuras relevantes dentro de un conectoma que pueden restringir los modelos de comportamiento, por ejemplo, limitando el modelos, por lo que solo usan conexiones sinápticas que existen físicamente en el conectoma, en lugar de hacer saltos físicamente imposibles entre neuronas.

Para probar y perfeccionar este enfoque, el Dr. Litwin-Kumar se centra primero en el conectoma de una parte del cerebro de la mosca de la fruta llamada cuerpo en forma de hongo, una región bien mapeada que es un centro para el aprendizaje asociativo. Las entradas sensoriales recibidas por las células de Kenyon se proyectan a las neuronas de salida, que desencadenan comportamientos como reacciones de aproximación o evitación. Usando modelos avanzados, el equipo buscará identificar de manera eficiente la estructura dentro del conectoma que refleja cómo se transmite la información al cuerpo del hongo. Luego, probarán los modelos de aprendizaje profundo restringidos por esas conexiones para ver qué tan efectivamente predicen las respuestas a los estímulos, en comparación con los modelos no restringidos. Otras pruebas explorarán el papel de las neuronas de dopamina en un aprendizaje más complejo. En conjunto, esta investigación sentará las bases para el uso de conectomas de complejidad creciente junto con modelos de aprendizaje para reflejar con mayor precisión el comportamiento de organismos reales.

David Schneider, PhD, Profesor asistente, Universidad de Nueva York, Centro de Ciencias Neuronales, Nueva York, NY

Transformaciones coordinadas en la corteza del ratón

Una de las muchas habilidades notables que se encuentran en los cerebros de los organismos avanzados es la capacidad de predecir el futuro, no solo en escalas de tiempo largas, sino momento a momento, contando y registrando constantemente datos de entradas sensoriales y creando modelos predictivos basados en experiencias pasadas. Estos modelos predictivos nos ayudan a navegar e interactuar más eficazmente con el mundo y, lo que es igual de importante, a identificar aberraciones de lo esperado que podrían ser una señal de peligro u oportunidad. El trabajo del Dr. Schneider se centra en cómo el control motor y las regiones sensoriales del cerebro trabajan juntas de esta manera y trabajará para descubrir cómo el cerebro aprende y forma recuerdos que forman la base de lo que se espera.

En sus experimentos, el Dr. Schneider se centra en una vía aparentemente contraria a la intuición que se encuentra en los cerebros de los ratones (y los cerebros humanos): un conducto que conecta una región de control motor con una región sensorial auditiva. Siempre que se hace un movimiento, las dos regiones se comunican de una manera que le dice al sistema auditivo que ignore el sonido creado por ese movimiento, casi como un negativo fotográfico que cancela el sonido. En sus experimentos, los ratones estarán condicionados para esperar cierto sonido cuando empujan una palanca. La actividad neuronal y las respuestas de comportamiento se registrarán cuando se experimente el sonido esperado y luego nuevamente cuando el sonido cambie sutilmente.

Estos experimentos ayudarán a identificar el papel de neuronas específicas en la anticipación de respuestas sensoriales, cómo interactúan el control motor y los centros sensoriales del cerebro, y cómo cambian las vías entre las regiones motoras y sensoriales cuando se "espera" un nuevo sonido. La investigación adicional bloqueará ciertas vías en el cerebro para determinar su papel en la realización de predicciones y también verá cómo el cerebro utiliza la información visual para ayudar a anticipar los sonidos autogenerados. Comprender cómo funcionan estos sistemas predictivos y de aprendizaje puede ayudar a orientar la investigación futura sobre una variedad de trastornos neurológicos.

Swathi Yadlapalli, PhD, Profesor asistente, Facultad de Medicina de la Universidad de Michigan, Departamento de Biología Celular y del Desarrollo, Ann Arbor, MI

Mecanismos celulares que controlan los ritmos circadianos

Los relojes circadianos, los relojes internos de 24 horas que impulsan muchos de los ritmos de nuestro sistema biológico, como cuando dormimos, nos despertamos, cómo metabolizamos y mucho más, se encuentran en casi todas las células de nuestro cuerpo. Pero no se comprende exactamente qué está sucediendo dentro de una célula determinada para crear ese ritmo. Investigaciones bioquímicas y genéticas anteriores habían identificado proteínas cruciales que son factores de transcripción, positivos o inhibidores, con un papel en los ritmos circadianos, pero no abordaron exactamente cómo funcionan en una célula viva a nivel subcelular, el equivalente biológico de tener una lista de piezas, pero sin entender cómo encajan.

El Dr. Yadlapalli ha desarrollado métodos innovadores para realizar la visualización unicelular de alta resolución de estas proteínas y cómo interactúan durante un período de 24 horas en las células vivas de las moscas de la fruta por primera vez, y los hallazgos preliminares ya han revelado resultados inesperados. perspectivas. Específicamente, uno de los factores de transcripción inhibidores clave, llamado PER, se reúne para formar focos distribuidos uniformemente alrededor de la envoltura del núcleo celular y desempeña un papel en la alteración de la ubicación nuclear de los genes del reloj durante el ciclo. Anteriormente, se suponía que estas proteínas flotaban libremente o estaban distribuidas al azar. Estos estudios destacan una nueva e importante capa de regulación en el sistema del reloj circadiano.

En una serie de experimentos, el Dr. Yadlapalli determinará los mecanismos involucrados en este proceso: cómo se forman los focos y dónde se localizan, y cómo promueven la represión de genes regulados por el reloj. Comprender más sobre el funcionamiento de estos procesos celulares fundamentales y poderosos, que tienen efectos en el comportamiento y la salud de todo el organismo, proporcionará un punto de partida para la investigación de muchos trastornos metabólicos y del sueño y enfermedades neurológicas.