1er août 2022
Le Fonds de dotation McKnight pour les neurosciences (MEFN) a annoncé les trois bénéficiaires de $600 000 en subventions dans le cadre des McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards 2022, reconnaissant ces projets pour leur capacité à changer fondamentalement la façon dont la recherche en neurosciences est menée. Chacun des projets recevra un total de $200 000 au cours des deux prochaines années, faisant progresser le développement de ces technologies révolutionnaires utilisées pour cartographier, surveiller et modéliser les fonctions cérébrales. Les lauréats 2022 et leurs projets :
- Andre Berndt, PhD, de l'Université de Washington, développe un système pour créer et scanner très rapidement un très grand nombre de biocapteurs optogénétiques, afin que les chercheurs puissent identifier et affiner ces biocapteurs plus précisément pour leurs expériences. La technologie actuelle et les contraintes de ressources limitent les chercheurs à explorer de simples dizaines ou centaines de biocapteurs, et la petite taille de l'échantillon signifie qu'ils ne peuvent pas être sûrs d'avoir trouvé la meilleure option. Avec la possibilité de créer et de filtrer des dizaines de milliers, leurs options se développeront de manière exponentielle.
- Ruixuan Gao, Ph.D., de l'Université de l'Illinois à Chicago, est en train de concevoir chimiquement un nouveau type d'hydrogel à utiliser dans une nouvelle pratique de microscopie d'expansion - essentiellement l'expansion d'échantillons de tissus et de leurs cellules constitutives à plusieurs fois leur taille d'origine pour les rendre plus faciles à étudier. Son nouveau «tétra-gel» et ses molécules spécialisées qui ancrent l'échantillon au gel lui permettront de se dilater avec une grande fidélité et de rester stable afin que le profil moléculaire du tissu cérébral puisse être mieux capturé.
- Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., de l'Université de Syracuse, développe une nouvelle application de haute précision pour la microscopie à deux photons qui permettra aux chercheurs de suivre avec précision et de manipuler optiquement l'activité neuronale sur une grande surface chez les mouches des fruits larvaires au comportement et au déplacement libres. Le système est totalement non invasif, utilisant un algorithme pour ajuster le mouvement des larves et suivre simultanément plusieurs cellules individuelles en calculant et en corrigeant le mouvement et la déformation du cerveau lorsque l'animal se déplace.
Apprenez-en plus sur chacun de ces projets de recherche ci-dessous.
À propos des prix des innovations technologiques en neurosciences
Depuis la création du prix McKnight Technological Innovations in Neuroscience en 1999, le MEFN a contribué plus de $16 millions aux technologies innovantes pour les neurosciences par le biais de ce mécanisme de récompense. Le MEFN s'intéresse particulièrement aux travaux qui adoptent des approches nouvelles et novatrices pour faire progresser la capacité de manipuler et d'analyser les fonctions cérébrales. Les technologies développées avec le soutien de McKnight doivent finalement être mises à la disposition d'autres scientifiques.
"Encore une fois, ce fut un plaisir de voir l'ingéniosité que nos candidats apportent aux nouvelles neurotechnologies", a déclaré Markus Meister, Ph.D., président du comité des prix et professeur de sciences biologiques Anne P. et Benjamin F. Biaggini. à Caltech. "Nos récompenses couvrent un large éventail, des nouveaux biocapteurs pour les molécules de signalisation aux méthodes intelligentes qui étendent le tissu neural avant la microscopie à haute résolution."
Le comité de sélection de cette année comprenait également Adrienne Fairhall, Timothy Holy, Loren Looger, Mala Murthy, Alice Ting et Hongkui Zeng, qui ont choisi les prix Innovations technologiques en neurosciences de cette année parmi un groupe hautement compétitif de 90 candidats.
Pour plus d'informations sur les récompenses, veuillez visitez notre site Internet.
Prix McKnight Innovations Technologiques en Neurosciences 2022
Andre Berndt, PhD, professeur adjoint, Département de bioingénierie, Université de Washington
Ingénierie massivement parallèle et à haut débit de biocapteurs optogénétiques pour la signalisation neuronale
Les protéines fluorescentes codées génétiquement ont révolutionné l'étude des cellules cérébrales et des circuits neuronaux. En s'allumant littéralement en présence d'une activité neuronale spécifique, qui peut ensuite être enregistrée par des microscopes et des fibres lumineuses dans des cerveaux vivants, cet outil a percé de nombreux mystères et permis aux chercheurs de visualiser l'activité cérébrale et les voies neuronales. Mais il y a eu un goulot d'étranglement : Développer et identifier le meilleur capteur pour chaque expérience. Ces protéines codées doivent réagir en présence de stimuli spécifiques uniquement, dans certains cas peuvent avoir besoin d'être très sensibles, dans d'autres cas peuvent avoir besoin de fluorescer pendant une plus longue période de temps, ou une expérience peut nécessiter deux capteurs pour voir comment plusieurs neurotransmetteurs interagir.
Dans le passé, chaque capteur devait être génétiquement modifié, produit et testé individuellement. Peut-être que quelques dizaines ou centaines seulement pouvaient être comparées, et les chercheurs ont choisi la meilleure option à partir d'un petit échantillon - sans savoir s'il existait une option meilleure et plus précise disponible. Le Dr Berndt a développé un processus pour développer et tester simultanément un très grand nombre de biocapteurs optogénétiques, visant à dépister plus de 10 000 par jour et à construire une bibliothèque massive de biocapteurs qui peuvent donner aux chercheurs l'accès à des protéines conçues avec précision qu'ils peuvent utiliser pour exécuter jamais- expériences plus spécifiques.
La technologie utilise le génie génétique rapide pour créer un grand nombre de variantes d'un biocapteur, puis place les variantes individuelles dans un réseau de micropuits. Les capteurs sont exposés aux neuropeptides - actuellement, le Dr Berndt se concentre sur les capteurs opioïdes spécifiques au ligand - et les capteurs optiques lisent ensuite le microréseau, détectant la luminosité et d'autres variables de chaque variante, et sélectionnant les meilleures options pour des tests supplémentaires. Au cours de 2 ans, quelque 750 000 biocapteurs seront testés et le processus de leur dépistage affiné, faisant progresser la recherche sur les actions des opioïdes dans le cerveau et offrant une approche polyvalente que d'autres chercheurs peuvent utiliser pour leurs expériences.
Ruixuan Gao, Ph.D., Professeur adjoint, Département de chimie et Département des sciences biologiques, Université de l'Illinois à Chicago
Profilage spatial inférieur à 10 nm des protéines synaptiques et des transcrits d'ARN avec une microscopie d'expansion à haute isotropie à l'aide d'un hydrogel hautement homogène construit à partir de monomères de type tétraèdre
Pour examiner des choses très petites – comme les neurones et leurs synapses dans le cerveau – les chercheurs utilisent de puissants microscopes. Mais il existe une autre approche qui peut donner des résultats impressionnants : étendre littéralement un échantillon de tissu et les cellules qu'il contient en utilisant un hydrogel gonflable spécial grâce à un processus appelé microscopie d'expansion. L'hydrogel se lie à différents composants moléculaires des cellules et se dilate, maintenant idéalement tous les composants dans la même position relative les uns par rapport aux autres, créant un échantillon plus grand et plus accessible à étudier - en principe, similaire à l'écriture sur un ballon, puis le gonfler .
Cependant, les hydrogels actuels utilisés pour ce processus présentent certains inconvénients lorsqu'il s'agit d'étudier des structures minuscules dans le cerveau. La marge d'erreur dans le maintien de la position relative des molécules n'est pas aussi précise que souhaité. Le nouveau gel qui surmonte potentiellement ce problème réagit mal à la chaleur utilisée pour dénaturer et traiter les échantillons de tissus. Et cela peut limiter l'utilisation de biomarqueurs fluorescents. Le Dr Gao vise à améliorer la technologie en développant un nouveau type de «tétra-gel», qui est chimiquement conçu pour avoir un monomère en forme de tétraèdre qui est extrêmement uniforme lorsqu'il se dilate, résiste à la chaleur et permet l'utilisation de marqueurs bioluminescents. Il développera également des lieurs chimiques, des molécules spécialisées qui lieront différents composants moléculaires de l'échantillon au gel. L'objectif est d'avoir un échantillon élargi qui correspond à la fidélité de l'original à moins de 10 nanomètres, correspondant à la résolution des microscopes puissants.
Les recherches du Dr Gao ont déjà identifié des composés prometteurs avec lesquels développer ce tétra-gel. Au fur et à mesure que son laboratoire le développera et l'affinera, il appliquera ses capacités à l'étude, par exemple, des cerveaux atteints de la maladie de Parkinson à un stade précoce. L'étude de la structure exacte de ces cerveaux a été difficile avec les méthodes traditionnelles, et l'objectif est de cartographier avec précision les protéines synaptiques et les transcrits de gènes associés, aidant à découvrir comment le cerveau de la MP à début précoce est structuré moléculairement.
Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., professeure adjointe, Département de physique, Université de Syracuse
Technologie de suivi à deux photons pour lire et manipuler les schémas neuronaux chez les animaux en mouvement libre
L'étalon-or pour les neuroscientifiques est d'être capable d'enregistrer et de manipuler ce qui se passe dans le cerveau avec un haut niveau de précision, sur une grande surface, alors qu'un animal vivant se comporte librement et naturellement. Au fil des années, la technologie a permis aux chercheurs d'aller vers cet idéal, mais toujours avec quelques compromis. Souvent, les animaux devaient être fixés sur la tête et / ou avoir des capteurs ou des optiques intrusifs implantés dans leur cerveau, et souvent l'enregistrement ou la manipulation haute fidélité était limité à une zone relativement petite du cerveau, tandis que les enregistrements et la manipulation à grande échelle étaient moins précise.
L'un des principaux défis est simplement le mouvement et la distorsion du cerveau et des neurones chez un animal en mouvement libre. Mais le Dr Skanata développe une nouvelle technologie de suivi à deux photons qui lui permet de suivre plusieurs neurones individuels chez un animal en mouvement sans aucun implant invasif, et d'activer ou de manipuler optiquement ces neurones. Le modèle utilisé est celui des larves de mouches des fruits, qui sont naturellement transparentes, et le système que le Dr Skanata continuera à développer utilise des microscopes à deux photons (qui permettent un ciblage très précis) couplés à un algorithme ingénieux capable de détecter rapidement le mouvement des neurones individuels et ajuster la position du sujet sur une scène mobile pour le maintenir centré sous le microscope. Le système calcule les positions relatives de plusieurs neurones, s'adapte au mouvement et à la déformation du cerveau pendant le mouvement et suit l'activité neuronale sur une grande surface.
Lors du suivi d'un animal qui a été modifié afin que les neurones puissent être activés lorsqu'ils sont exposés à la lumière optique, le système permet aux chercheurs d'activer les neurones avec une grande précision pendant l'activité naturelle. Il est important de noter que le système que développe le Dr Skanata a la capacité de contrôler indépendamment deux faisceaux laser, de sorte qu'il peut suivre plusieurs zones simultanément, et permettra même de suivre l'activité entre les individus, permettant un aperçu de l'activité neuronale lors des rencontres de groupe.
