Bourses d'études McKnight 2021

Le conseil d'administration du McKnight Endowment Fund for Neuroscience est heureux d'annoncer qu'il a sélectionné sept neuroscientifiques pour recevoir le prix McKnight Scholar 2021.

Les McKnight Scholar Awards sont décernés à de jeunes scientifiques qui en sont aux premiers stades de la création de leurs propres laboratoires indépendants et de leur carrière de recherche et qui ont fait preuve d'un engagement envers les neurosciences. « La classe de boursiers de cette année présente la diversité de jeunes neuroscientifiques brillants et innovants de tout le pays », déclare Kelsey C. Martin MD, PhD, présidente du comité des prix et doyenne de la David Geffen School of Medicine de l'UCLA. Depuis l'introduction du prix en 1977, ce prix prestigieux en début de carrière a financé plus de 250 chercheurs innovants et stimulé des centaines de découvertes révolutionnaires.

"Ensemble, les boursiers McKnight s'attaquent à certaines des questions les plus passionnantes en neurosciences d'aujourd'hui", a déclaré Martin. "En utilisant un éventail d'approches expérimentales et informatiques, ils élucident comment l'expérience sensorielle façonne le cerveau pendant le développement, comment les circuits cérébraux donnent lieu à des comportements spécifiques au sexe, comment le son est perçu et traité pendant le comportement, comment le sommeil influence la cognition et la santé du cerveau, comment les mécanismes biologiques cellulaires contrôlent les rythmes circadiens et comment les circuits neuronaux traitent l'information et apprennent. Au nom de tout le comité, je tiens à remercier tous les candidats aux McKnight Scholar Awards de cette année pour leurs contributions et leur créativité.

Chacun des sept lauréats suivants du prix McKnight Scholar recevra $75 000 par an pendant trois ans. Elles sont:

Il y avait 70 candidats pour les McKnight Scholar Awards de cette année, représentant la meilleure jeune faculté de neurosciences du pays. Les professeurs ne sont admissibles au prix que pendant leurs quatre premières années dans un poste de professeur à temps plein. En plus de Martin, le comité de sélection des Scholar Awards comprenait Gordon Fishell, PhD, Harvard University; Loren Frank, PhD, Université de Californie, San Francisco ; Mark Goldman, PhD, Université de Californie, Davis ; Richard Mooney, PhD, École de médecine de l'Université Duke ; Jennifer Raymond, PhD, Université de Stanford ; Vanessa Ruta, PhD, Université Rockefeller ; et Michael Shadlen, MD, PhD, Columbia University.

Les candidatures pour les prix de l'année prochaine seront disponibles en août et doivent être envoyées le 10 janvier 2022. Pour plus d'informations sur les programmes de prix en neurosciences de McKnight, veuillez visiter le site Web du Fonds de dotation à l'adresse https://www.mcknight.org/programs/the-mcknight-endowment-fund-for-neuroscience

À propos du Fonds de dotation McKnight pour les neurosciences

Le McKnight Endowment Fund for Neuroscience est une organisation indépendante financée uniquement par la Fondation McKnight de Minneapolis, Minnesota, et dirigée par un conseil de neuroscientifiques éminents de partout au pays. La Fondation McKnight soutient la recherche en neurosciences depuis 1977. La Fondation a créé le Fonds de dotation en 1986 pour réaliser l'une des intentions du fondateur William L. McKnight (1887-1979). L'un des premiers dirigeants de la société 3M, il s'intéressait personnellement aux maladies de la mémoire et du cerveau et voulait qu'une partie de son héritage soit utilisée pour aider à trouver des remèdes. Le Fonds de dotation attribue trois types de récompenses chaque année. En plus des McKnight Scholar Awards, ce sont les McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards, qui fournissent des capitaux de démarrage pour développer des inventions techniques pour améliorer la recherche sur le cerveau; et le McKnight Neurobiology of Brain Disorders Awards, pour les scientifiques travaillant à appliquer les connaissances issues de la recherche translationnelle et clinique aux troubles du cerveau humain.

Bourses d'études McKnight 2021

Lucas Cheadle, Professeur adjoint de doctorat, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY

Découvrir la base moléculaire de la fonction microgliale dans le cerveau stimulé

Une grande partie des neurosciences du développement s'est historiquement concentrée sur les aspects câblés du développement neuronal - comment les cellules sont génétiquement «programmées» pour se développer d'une certaine manière ou fournir une fonction particulière. Et jusqu'à récemment, la recherche a examiné de plus près les neurones eux-mêmes, de nombreux outils et techniques couramment utilisés étant optimisés pour étudier les mécanismes intrinsèques aux neurones. Dans ses recherches, le Dr Cheadle porte son attention sur des domaines moins étudiés de la neurologie : un stade avancé du développement neural qui est influencé par des facteurs environnementaux externes et le rôle joué par les cellules immunitaires du cerveau appelées microglies dans ce processus.

Dans ses recherches, le Dr Cheadle étudie spécifiquement le développement des connexions neuronales visuelles à l'aide d'un modèle de souris dans lequel certaines souris sont élevées dans un environnement sans lumière pendant une étape cruciale du développement. Ses recherches antérieures montrent que la microglie « sculpte » essentiellement le système visuel, en éliminant les connexions synaptiques qui sont moins bénéfiques. En conséquence, l'ordre physique de cette partie du système neuronal est différent chez les souris élevées dans l'obscurité que celles élevées à la lumière. Dans ses travaux en cours, le Dr Cheadle cherchera à identifier au niveau moléculaire comment la microglie est stimulée par des facteurs externes (comme la lumière) et les mécanismes par lesquels elles sculptent ensuite les synapses.

La recherche propose plusieurs nouvelles approches, notamment l'utilisation de la technologie d'édition de gènes pour éliminer des gènes microgliaux spécifiques afin de définir leurs rôles dans le développement des circuits visuels, ainsi que la création d'une lignée transgénique de souris qui marque les cellules microgliales fonctionnellement actives dans le cerveau, les deux tactiques les plus souvent appliqué aux neurones que le Dr Cheadle adapte pour étudier la microglie pour la première fois. Le Dr Cheadle espère que ses recherches pourront aider à découvrir de nouvelles connaissances sur les rôles des cellules non neuronales dans le cerveau, ce qui pourrait conduire à de futures percées dans les origines et le traitement des troubles neuraux, en particulier ceux tels que l'autisme et la schizophrénie qui surviennent relativement tard dans développement et ont une indication d'une composante immunitaire.

Josie Clowney, PhD, professeur adjoint, Université du Michigan, Département de biologie moléculaire, cellulaire et développementale, Ann Arbor, MI

Un cadrage féministe de la stérilité : la masculinité comme suppression des programmes neuronaux féminins

Les différences entre les cerveaux masculins et féminins peuvent sembler subtiles et n'affecter que le 2-5% du cerveau - après tout, la plupart des fonctions des créatures vivantes des deux sexes sont les mêmes, y compris le besoin de manger, dormir, apprendre et bouger - mais ces les différences sont cruciales pour la survie d'une espèce. De nombreuses recherches ont porté sur le comportement, comme la réalisation de rituels d'accouplement, mais on comprend moins bien comment les gènes qui régissent ces rituels sont réglés dans le cerveau.

Le Dr Clowney émet l'hypothèse que le processus est un processus de soustraction - que le code pour le cerveau des deux sexes commence en grande partie le même, puis certains gènes sont désactivés selon certains modèles pour chaque sexe, ce qui donne des cerveaux masculins et féminins. De plus, ses études à ce jour utilisant un modèle de mouche des fruits suggèrent que le cerveau masculin pourrait résulter de la suppression des programmes neuronaux d'un « modèle de base » beaucoup plus proche du cerveau féminin, plutôt que de la création de nouveaux programmes. La clé du processus est un facteur de transcription de la mouche des fruits appelé « Sans fruit », une protéine créée uniquement dans le cerveau des mouches des fruits mâles qui régule l'activation ou la désactivation des gènes spécifiques au sexe dans le cerveau, et qui a un rôle dans la conduite des instincts sexuels. même chez les adultes.

Dans ses recherches, le Dr Clowney cherchera à identifier les cibles génétiques de Fruitless dans les cerveaux en développement et adultes; comment les circuits neuronaux inhibiteurs régulent la parade nuptiale des mâles en empêchant les mâles d'effectuer des rituels d'accouplement avec d'autres mâles ; et comment les mâles perdent les circuits neuronaux pour pondre des œufs. Les expériences impliquées utilisent une variété de techniques pour observer le gain ou la perte de circuits et de comportements associés au sexe chez les animaux avec ou sans Fruitless. Grâce à cela, elle peut faire la lumière sur le processus de développement du cerveau, ce qui peut conduire à de nouvelles informations sur la façon dont notre cerveau sait quels comportements innés effectuer et lesquels ne pas effectuer, et peut-être aider les chercheurs sur les troubles neurologiques et psychiatriques, dont beaucoup sont plus commun est un sexe ou un autre.

Shaul Druckmann, PhD, professeur adjoint de neurobiologie et de psychiatrie et sciences du comportement, Université de Stanford, Stanford, CA

Comment le cerveau calcule-t-il à l'aide d'activités réparties entre les populations et les zones cérébrales ?

Après des décennies de recherche, nous avons encore une compréhension limitée de la façon dont le cerveau effectue des calculs dans toutes les régions. Cette question très fondamentale est au cœur des travaux du Dr Druckmann, qui profite de la portée et des détails croissants de l'enregistrement de l'activité cérébrale pour explorer ce qui se passe dans le cerveau entre le stimulus et la réponse, en particulier lorsque la réponse est retardée et la mémoire à court terme. est engagé.

Dans une série d'expériences, les souris sont entraînées à lécher dans l'une des deux directions quelque temps après la présentation d'un stimulus, puis son retrait. Puisque le stimulus n'est plus présent, le cerveau doit en stocker la mémoire, planifier le mouvement, retenir l'action pendant un certain temps, puis agir. Pendant ces secondes, l'activité cérébrale est enregistrée dans plusieurs régions du cerveau simultanément. Les données préliminaires montrent que l'activité est présente et change dans toutes les régions et dans différentes populations neuronales, et Druckmann vise à montrer que cette activité collective interagit à travers les zones du cerveau et les façons dont les interactions peuvent « réparer » les souvenirs nécessaires et l'intention de mouvement, même lorsqu'un l'activité d'une seule région ou population peut être erronée. Un deuxième axe de recherche utilisant des humains suit l'activité cérébrale interrégionale pendant la parole - une activité extraordinairement complexe - dans des expériences qui abordent la même question de savoir comment les calculs sont effectués dans le cerveau.

Le Dr Druckmann considère ces expériences comme les premières étapes vers un modèle du fonctionnement du cerveau dans son ensemble. Dans le même temps, il espère également élargir le mode de travail des chercheurs ; son projet implique une collaboration intense avec plusieurs autres chercheurs, et il espère pouvoir explorer à la fois la science fondamentale et également poursuivre des applications cliniques pour ses découvertes, notamment grâce à sa participation à un projet d'essai clinique collaboratif qui travaille sur les interfaces neuronales. La capacité de décoder comment l'activité cérébrale se traduit en une activité complexe comme la parole pourrait conduire à une technologie qui peut restaurer certaines fonctions pour les personnes atteintes de maladies dégénératives telles que la SLA.

Laura Lewis, PhD, Professeur adjoint, Université de Boston, Département de génie biomédical, Boston, MA

Imagerie de la dynamique neuronale et des fluides dans le cerveau endormi

Le sommeil est d'une importance cruciale pour la santé du cerveau à court et à long terme. L'activité neuronale et la dynamique des fluides du liquide céphalo-rachidien (LCR) changent pendant le sommeil, avec des conséquences variées - les systèmes sensoriels passent de la conscience des stimuli externes à la réactivation de la mémoire, et le LCR circule dans le cerveau et élimine les protéines toxiques qui s'accumulent pendant heures de réveil. Curieusement, les deux processus sont étroitement corrélés. Dans ses recherches, la Dre Lewis étudiera le lien entre la dynamique des neurones et des fluides pendant le sommeil et le lien de chacune avec la santé du cerveau.

La clé de la recherche du Dr Lewis est la capacité d'étudier les patients pendant le sommeil à mouvements oculaires non rapides (NREM) et d'observer à la fois l'activité cérébrale et la dynamique des fluides dans des délais courts. Pour ce faire, le Dr Lewis utilise une combinaison innovante d'EEG avec une imagerie par résonance magnétique fonctionnelle rapide (IRMf), améliorée à l'aide d'un algorithme qu'elle a développé pour éliminer le bruit, lui permettant d'observer l'activité neuronale et le flux du LCR synchronisés et précis. Ses recherches exploreront d'abord comment ces ondes lentes sont activées dans le cerveau et quels réseaux neuronaux sont impliqués, en utilisant des stimuli auditifs qui peuvent améliorer les ondes lentes. Deuxièmement, elle examinera le lien entre ces ondes lentes et l'écoulement du LCR ; une hypothèse est que l'activité neuronale ralentie diminue la demande en sang, attirant essentiellement le LCR dans le cerveau à mesure que le sang se retire. À l'aide de la technique d'imagerie combinée, le Dr Lewis sera en mesure d'observer le flux sanguin couplé et le flux du LCR à chaque instant en 3D dans tout le cerveau.

Les implications de cette interaction sont profondes. Au cours de ces ondes lentes, le réseau neuronal du cerveau est réorganisé d'une manière essentielle à la réactivation de la mémoire et à la santé cérébrale à court terme ; le flux de LCR lié aux ondes lentes est important pour la santé du cerveau à long terme. Comprendre comment ces systèmes fonctionnent aidera les futurs chercheurs du sommeil à comprendre quand quelque chose ne va pas, ce qui est particulièrement intéressant dans les études sur les troubles neurologiques et psychiatriques, y compris la maladie d'Alzheimer, qui peuvent être liés à un sommeil lent perturbé.

Ashok Litwin-Kumar, PhD, Professeur adjoint, Département de neurosciences et Institut Zuckerman, Columbia University, New York, NY

Modèles de comportement adaptatif contraints par le connectome

Avec de nouveaux schémas de câblage en microscopie électronique (EM) de systèmes nerveux de plus en plus complexes, les chercheurs sont sur le point de mieux comprendre comment ces systèmes conduisent à un comportement. Le défi : comment exploiter ces vastes ensembles de données, appelés connectomes, qui dans le cas de la mouche des fruits comprennent des dizaines de milliers de neurones et des dizaines de millions de synapses. Accomplir cette tâche est difficile car de nombreuses approches réussies pour modéliser le comportement, y compris des techniques inspirées de l'apprentissage automatique, utilisent des modèles qui ne reflètent pas la réalité de la façon dont le cerveau et le système nerveux sont câblés.

Dans ses recherches, le Dr Litwin-Kumar vise à développer une méthodologie pour rapprocher les mondes du connectome et des modèles fonctionnels de comportement en développant des moyens d'identifier les structures pertinentes au sein d'un connectome qui peuvent contraindre les modèles comportementaux - par exemple, en limitant le modèles afin qu'ils n'utilisent que des connexions synaptiques qui existent physiquement dans le connectome, plutôt que de faire des sauts physiquement impossibles entre les neurones.

Pour tester et affiner cette approche, le Dr Litwin-Kumar se concentre d'abord sur le connectome d'une partie du cerveau de la mouche des fruits appelée le corps du champignon, une région bien cartographiée qui est un centre d'apprentissage associatif. Les entrées sensorielles reçues par les cellules de Kenyon sont projetées pour produire des neurones, qui déclenchent des comportements tels que des réactions d'approche ou d'évitement. À l'aide d'une modélisation avancée, l'équipe cherchera à identifier efficacement la structure au sein du connectome qui reflète la façon dont les informations sont transmises au corps du champignon. Ensuite, ils testeront des modèles d'apprentissage en profondeur contraints par ces connexions pour voir avec quelle efficacité ils prédisent les réponses aux stimuli, par rapport aux modèles sans contraintes. D'autres tests exploreront le rôle des neurones dopaminergiques dans un apprentissage plus complexe. Collectivement, cette recherche jettera les bases de l'utilisation de connectomes de complexité croissante ainsi que de modèles d'apprentissage pour refléter plus précisément le comportement d'organismes réels.

David Schneider, PhD, Professeur adjoint, Université de New York, Center for Neural Science, New York, NY

Transformations de coordonnées dans le cortex de la souris

L'une des nombreuses capacités remarquables trouvées dans le cerveau des organismes avancés est la capacité de prédire l'avenir, non seulement sur de longues échelles de temps, mais à chaque instant, en comptabilisant et en enregistrant constamment les données des entrées sensorielles et en créant des modèles prédictifs basés sur l'expérience passée. Ces modèles prédictifs nous aident à naviguer et à interagir plus efficacement avec le monde - et tout aussi important, à identifier les aberrations par rapport aux attentes qui pourraient être un signe de danger ou d'opportunité. Les travaux du Dr Schneider se concentrent sur la façon dont le contrôle moteur et les régions sensorielles du cerveau fonctionnent ensemble de cette manière et viseront à découvrir comment le cerveau apprend et forme des souvenirs qui constituent la base de ce qui est attendu.

Dans ses expériences, le Dr Schneider se concentre sur une voie apparemment contre-intuitive trouvée dans le cerveau de souris (et le cerveau humain) : un conduit reliant une région de contrôle moteur à une région sensorielle auditive. Chaque fois qu'un mouvement est effectué, les deux régions communiquent d'une manière qui indique au système auditif de ne pas tenir compte du son créé par ce mouvement, presque comme un négatif photo qui annule le son. Dans ses expériences, les souris seront conditionnées à s'attendre à un certain son lorsqu'elles poussent un levier. L'activité neuronale et les réponses comportementales seront enregistrées lorsque le son attendu est ressenti, puis à nouveau lorsque le son est subtilement modifié.

Ces expériences aideront à identifier le rôle de neurones spécifiques dans l'anticipation des réponses sensorielles, comment le contrôle moteur et les centres sensoriels du cerveau interagissent et comment les voies entre les régions motrices et sensorielles changent lorsqu'un nouveau son devient « attendu ». D'autres recherches bloqueront certaines voies dans le cerveau pour déterminer leur rôle dans les prédictions, et verront également comment le cerveau utilise les entrées visuelles pour aider à anticiper les sons auto-générés. Comprendre le fonctionnement de ces systèmes prédictifs et d'apprentissage peut aider à orienter les recherches futures sur une gamme de troubles neurologiques.

Swathi Yadlapalli, PhD, Professeur adjoint, Faculté de médecine de l'Université du Michigan, Département de biologie cellulaire et du développement, Ann Arbor, MI

Mécanismes cellulaires contrôlant les rythmes circadiens

Les horloges circadiennes – les horloges internes de 24 heures qui régissent de nombreux rythmes de notre système biologique, comme lorsque nous dormons, nous réveillons, comment nous métabolisons et bien plus encore – se trouvent dans presque toutes les cellules de notre corps. Mais ce qui se passe exactement dans une cellule donnée pour créer ce rythme est mal compris. Des recherches biochimiques et génétiques antérieures avaient identifié des protéines cruciales qui sont des facteurs de transcription, positifs ou inhibiteurs, jouant un rôle dans les rythmes circadiens, mais n'abordaient pas exactement leur fonctionnement dans une cellule vivante au niveau subcellulaire, l'équivalent biologique d'un liste des pièces mais ne comprenant pas comment elles s'emboîtent.

Le Dr Yadlapalli a développé pour la première fois des méthodes innovantes de visualisation haute résolution à cellule unique de ces protéines et de la façon dont elles interagissent sur une période de 24 heures dans les cellules vivantes des mouches des fruits. connaissances. Plus précisément, l'un des principaux facteurs de transcription inhibiteurs, appelé PER, se rassemble pour former des foyers uniformément répartis autour de l'enveloppe du noyau cellulaire et joue un rôle dans la modification de la localisation nucléaire des gènes de l'horloge au cours du cycle. Auparavant, on supposait que ces protéines étaient flottantes ou distribuées de manière aléatoire. Ces études mettent en évidence une nouvelle couche importante de régulation dans le système d'horloge circadienne.

Dans une série d'expériences, le Dr Yadlapalli déterminera les mécanismes impliqués dans ce processus – comment les foyers se forment et où ils se localisent, et comment ils favorisent la répression des gènes régulés par l'horloge. Mieux comprendre le fonctionnement de ces processus cellulaires fondamentaux et puissants, qui ont des effets jusqu'au comportement et à la santé de tout l'organisme, fournira un point de départ pour la recherche sur de nombreux troubles du sommeil, métaboliques et neurologiques.