Boursiers

Ehud Isacoff, Ph.D., Evan Rauch Directeur, Département des neurosciences, Université de Californie à Berkeley

Dirk Trauner, Ph.D. Chaire Janice Cutler en chimie et professeure auxiliaire en neurosciences et physiologie à l'Université de New York

Photo-activation des récepteurs de la dopamine dans les modèles de maladie de Parkinson et #8217;

La dopamine est généralement connue pour son association avec la création de sensations positives ou pour son rôle dans la dépendance. Mais en réalité, la dopamine joue un grand nombre de rôles. Il existe cinq types différents de récepteurs de la dopamine dans les cellules cérébrales, chacun ayant de nombreux effets complexes en aval liés au mouvement, à l'apprentissage, au sommeil, etc. En plus d'être un trouble du mouvement, la maladie de Parkinson est aussi un trouble cognitif provoquée par une perte d'apport en dopamine.

Drs. Isacoff et Trauner explorent de nouveaux moyens de contrôler avec précision l'activation des récepteurs de la dopamine dans les cerveaux qui imitent la perte de réception constatée chez les patients atteints de la maladie de Parkinson. L'approche du laboratoire utilise un ligand captif photosensible (PTL) synthétique - essentiellement, un imitateur de dopamine attaché par une laisse à une ancre, qui à son tour ne s'attachera qu'à des récepteurs de dopamine spécifiques dans des cellules spécifiques. Les PTL sont introduits dans le cerveau et les fils optiques délivrent des impulsions lumineuses directement dans les zones où se trouvent les PTL, de manière similaire à la configuration utilisée pour délivrer des impulsions électriques lors de la stimulation cérébrale profonde. Les expériences permettront d’observer si les animaux chez lesquels la signalisation de la dopamine a été neutralisée peuvent retrouver le contrôle de leurs mouvements en utilisant des PTL ciblés et de la lumière - une fonction réactivante instantanément et avec une simple pression sur un interrupteur, sans les effets secondaires non désirés des correctifs pharmacologiques.

Les recherches menées par les Drs. Isacoff et Trauner perfectionneront le processus de développement et de livraison de ces PTL et démontreront éventuellement leur efficacité. Cela pourrait donner lieu à une nouvelle classe de traitements, non seulement pour la maladie de Parkinson, mais aussi potentiellement pour d'autres troubles cérébraux.

Mazen Kheirbek, Ph.D., professeur adjoint de psychiatrie, Center for Integrative Neuroscience, Université de Californie, San Francisco

Jonah Chan, Ph.D., professeur de neurologie, Weill Institute for Neurosciences, Université de Californie à San Francisco

Nouvelle formation de la myéline dans la consolidation de systèmes et la récupération de mémoires distantes

Le cerveau change physiquement au fur et à mesure qu'il entre et stocke des données - comme si vous ouvriez un ordinateur après avoir sauvegardé des données et constaté qu'un fil était devenu plus épais ou s'était étendu à un circuit proche. Ce processus se produit notamment dans la formation de gaines de myéline autour des axones (une partie des neurones), qui joue un rôle dans l'augmentation de l'efficacité de la communication dans et entre les circuits neuronaux, ce qui peut faciliter le rappel de certains souvenirs.

Ce qui n'est pas compris, c'est si ces gaines se forment autour des axones et sont liées à certains souvenirs plutôt qu'à d'autres. À l'aide d'un modèle de souris, MM. Kheirbek et Chan explorent ce processus, cherchant à comprendre si les axones d'ensembles neuronaux activés par des expériences effrayantes sont préférentiellement myélinisés - ce qui facilite essentiellement la mémorisation des souvenirs traumatiques - et comment ce processus fonctionne et peut être manipulé. Des recherches préliminaires ont montré que le conditionnement de la peur entraînait une augmentation du nombre de cellules précurseurs de la formation de la myéline et que ce processus était impliqué dans la consolidation à long terme des souvenirs de la peur.

Une expérience identifiera les cellules activées lors du conditionnement contextuel de la peur et observera la myélinisation dans ces cellules; ensuite, les chercheurs manipuleront l'activité électrique de circuits distincts pour déterminer la cause de la survenue de la myélinisation supplémentaire. Des expériences supplémentaires permettront d’observer si les souris dont la nouvelle formation de myéline a été supprimée présentent les mêmes réponses à la peur que les souris présentant une formation de myéline normale. Une troisième expérience permettra d'observer l'ensemble du processus avec une imagerie en direct haute résolution sur une longue période. La recherche pourrait avoir des implications pour des conditions telles que le syndrome de stress post-traumatique, où les souvenirs traumatiques et la réponse à la peur sont activés, ou les troubles de la mémoire lorsque le rappel est perturbé.

Thanos Siapas, Ph.D., professeur de calcul et de systèmes neuronaux, Division de la biologie et du génie biologique, California Institute of Technology

Dynamique De Circuit Et Conséquences Cognitives De L'anesthésie Générale

Alors que l'anesthésie générale (GA) a été une aubaine pour la médecine en permettant des chirurgies qui seraient impossibles chez des patients éveillés, la manière exacte dont l'AG affecte le cerveau et ses effets à long terme sont mal compris. Le Dr Siapas et son équipe cherchent à élargir nos connaissances fondamentales sur les effets de l'AG sur le cerveau grâce à une série d'expériences, ouvrant ainsi la voie à des recherches supplémentaires sur la fonction et l'application de l'AG qui pourraient un jour améliorer son utilisation chez l'homme.

Le Dr Siapas a pour objectif d'utiliser des enregistrements multi-électrodes pour surveiller l'activité cérébrale pendant l'anesthésie et d'utiliser des approches d'apprentissage automatique pour détecter et caractériser les tendances dans les données neuronales. L’équipe enregistrera l’activité au cours de l’induction et de l’émergence de l’AG, ainsi que pendant l’état d’équilibre, afin de déterminer avec précision les états traversés par le cerveau. Cette recherche peut être particulièrement utile pour comprendre et aider à prévenir la sensibilisation interopératoire, une situation dans laquelle les patients prennent parfois conscience de ce qui se passe mais sont incapables de se déplacer, ce qui peut entraîner un traumatisme grave.

Une dernière expérience examinera l’impact cognitif à long terme de l’AG. De nombreuses personnes subissent des effets cognitifs à court terme après l'anesthésie, mais un faible pourcentage d'entre elles souffrent d'une déficience cognitive permanente ou à long terme. L'équipe manipulera l'administration de l'AG (à nouveau chez la souris), puis testera les déficits d'apprentissage ou de cognition et enregistrera l'activité cérébrale associée à ces déficits.

Carmen Westerberg, Ph.D., professeur agrégé, département de psychologie, Texas State University

Ken Paller, Ph.D., professeur de psychologie et chaire James Padilla en arts et sciences, département de psychologie, Université Northwestern

Une physiologie du sommeil supérieure contribue-t-elle à une fonction de mémoire supérieure? Implications pour neutraliser l’oubli

Drs. Westerberg et Paller et leur équipe espèrent comprendre le processus d’oubli en étudiant la physiologie du sommeil de personnes qui n’oublient presque jamais. Ces personnes, dont on dit qu'elles sont atteintes d'une maladie appelée «mémoire autobiographique de qualité supérieure», peuvent facilement se souvenir des moindres détails de chaque jour de leur vie avec la même clarté, que ce soit la semaine dernière, il y a 20 ans. En comparaison, la plupart des humains peuvent se rappeler la même quantité de détails que ceux atteints de HSAM pendant quelques semaines, mais au-delà, ils ne se souviennent que de moments particulièrement significatifs.

La physiologie du sommeil est proposée comme une différence possible entre ceux avec HSAM et ceux sans. Le sommeil joue un rôle important dans la consolidation de la mémoire. Une étude humaine détaillée de l’activité cérébrale de HSAM pendant le sommeil permet aux individus de contrôle d’enregistrer, de comparer et d’analyser les schémas des oscillations lentes liés à la consolidation, et enregistrés à des niveaux élevés chez les individus HSAM) et la façon dont ils co-se produisent.

Une deuxième étude comporte un serre-tête facile à utiliser qui permettra aux sujets de mesurer les données de sommeil et de mémoire à la maison sur une période d'un mois, afin de déterminer si l'amélioration de la physiologie du sommeil pendant plusieurs nuits contribue à améliorer la mémoire pour les événements survenus pendant un mois avant. En outre, en guidant la réactivation de mémoires qui ne sont pas de nature autobiographique avec des indices sonores présentés pendant le sommeil, cette étude aidera à déterminer si une physiologie du sommeil améliorée chez les individus HSAM peut également améliorer la mémoire pour des mémoires non autobiographiques. Drs. Westerberg et Paller espèrent qu'en découvrant comment fonctionne une mémoire de qualité supérieure, nous pourrons peut-être découvrir des schémas chez ceux qui souffrent d'une fonction de mémoire sous-optimale, tels que ceux atteints de la maladie d'Alzheimer, et peut-être trouver de nouvelles façons de comprendre et de traiter ces affections.

Denise Cai, Ph.D., Professeur adjoint, département de neuroscience, faculté de médecine Icahn du mont Sinaï

Mécanismes de circuit de liaison mémoire

Le Dr Cai étudie la manière dont les souvenirs et les apprentissages sont enregistrés dans le cerveau, en s'intéressant plus particulièrement à la manière dont la dynamique temporelle affecte ces processus. Sa recherche explore l'impact de la séquence et de la chronologie des expériences sur la manière dont les souvenirs sont stockés, liés et mémorisés.

Ses recherches ont des implications importantes pour le trouble de stress post-traumatique (SSPT), une maladie dévastatrice qui affecte jusqu'à 13 millions d'Américains, avec une prévalence élevée de la maladie parmi les anciens combattants - près de 20%. Les personnes souffrant du SSPT revivent des souvenirs traumatiques, ce qui affecte considérablement leur comportement et leur qualité de vie. Sur la base de ses recherches, le Dr Cai a émis l’hypothèse que des expériences négatives ou traumatiques pourraient élargir la fenêtre de temps au cours de laquelle des souvenirs pourraient être liés. Dans le cerveau de quelqu'un qui subit un traumatisme, cette peur peut être transférée à des souvenirs sans lien qui se sont passés des heures, voire des jours avant l'événement traumatique.

Pour tester cette théorie, la Dre Cai et ses collaborateurs ont mis au point un miniscope sans fil unique permettant de visualiser l’activité neuronale chez la souris. Le Miniscope est attaché à la tête des souris qui errent librement dans leurs cages tandis que l'activité neuronale est enregistrée en temps réel. Le Dr Cai peut observer et enregistrer les neurones activés lors du rappel de souvenirs et vérifier si la désactivation de neurones spécifiques affecte la liaison des souvenirs. La technologie Miniscope permet au Dr Cai de capturer et d’analyser l’activité cérébrale au cours de nombreuses expériences au fil du temps, ce qui est essentiel pour comprendre les liaisons de mémoire normales et dysfonctionnelles. La Dre Cai espère que ses recherches amélioreront notre compréhension de troubles tels que le SSPT et conduiront à la mise au point de nouveaux traitements pour ce trouble.

Xin Jin, Ph.D., Professeur associé, Laboratoire de neurobiologie moléculaire, Institut d'études biologiques de Salk

Dissection de striatal patch et de matrices pour l'apprentissage par l'action

L’apprentissage d’actions complexes et séquencées est essentiel à la plupart des activités humaines - du vélo à la saisie d’un mot de passe par courrier électronique. Le Dr Jin et son équipe de Salk explorent comment le cerveau apprend, stocke et rappelle ces «mémoires motrices». En outre, l'équipe étudiera comment les connaissances acquises dans les «mémoires motrices» sont traduites en activité physique, par exemple, muscles pour exécuter automatiquement une séquence complète d’actions précises (lever le bras / contracter les doigts / allonger le coude / plier le poignet) lorsque le cerveau ne donne que des instructions conscientes pour une action plus large (tirez sur le ballon de basket.)

Les recherches du Dr Jin portent sur les noyaux gris centraux, une partie du cerveau liée à l'apprentissage, à la motivation et à la prise de décision. En particulier, le Dr Jin cherche à comprendre le rôle et l'activité du patch striatal et des compartiments matriciels des noyaux gris centraux et les voies par lesquelles l'activité neuronale se produit lors de l'apprentissage et de l'exécution de comportements complexes.

Pour mener cette recherche, le Dr Jin travaille avec des souris qui apprendront une simple séquence de leviers de pression pour gagner une récompense alimentaire. La conception de la séquence donne au Dr Jin un aperçu de la manière dont une séquence d'action est initiée et de la façon dont le cerveau dirige un changement d'action puis arrête la séquence. Des techniques optiques avancées seront utilisées pour observer et manipuler l'activité neuronale dans les compartiments du patch et de la matrice afin de déterminer comment ces différents compartiments et voies affectent l'apprentissage et l'exécution de comportements séquentiels. Le projet du Dr Jin et de son équipe pourrait potentiellement mener à des traitements ou à des traitements pour des troubles neurologiques tels que la maladie de Parkinson, la maladie de Huntington et le trouble obsessionnel-compulsif.

Ilya Monosov, Ph.D., Professeur adjoint de neurosciences, faculté de médecine de l’Université de Washington à Saint-Louis

Les mécanismes neuronaux de la recherche d'informations en situation d'incertitude

Les humains et les autres animaux sont souvent très motivés pour savoir ce que leur avenir leur réserve. Cependant, si les récompenses motivent le comportement, on en sait très peu sur les mécanismes neuronaux de la recherche d’informations: comment notre motivation à réduire notre incertitude sur l’avenir est contrôlée, quels processus cérébraux sont impliqués et en quoi cela influe sur le comportement.

Supprimer ou réduire les incertitudes quant à l'avenir est un élément important de la prise de décision. En rassemblant et en évaluant les données, les personnes et les animaux peuvent faire des choix qui aboutiront à des résultats plus positifs ou à une réduction des conséquences négatives. En conséquence, les informations permettant de réduire les incertitudes ont une valeur intrinsèque.

Le laboratoire Monosov explorera les mécanismes neuronaux de la prise de décision face à l'incertitude, et en particulier, comment le cerveau anticipe l'obtention d'informations et contrôle notre volonté de réduire l'incertitude en attribuant une valeur à l'information. Le projet est également conçu pour mettre en lumière les facteurs (tels que la nature du résultat ou le degré d'incertitude) qui influencent la valeur attribuée aux informations sur l'avenir, ainsi que les processus neuronaux impliqués dans les actions visant à acquérir ces connaissances. Ce travail peut s'avérer utile dans le traitement de toute une gamme d'affections associées à une prise de décision inadaptée, telles que la dépendance au jeu (lorsque les sujets prennent des risques excessifs en présence de preuves) ou l'anxiété excessive (lorsque les sujets ne prennent pas les risques les plus minimes possibles). ).

Elizabeth Buffalo, Ph.D., Professeur, département de physiologie et de biophysique, faculté de médecine de l'Université de Washington; et chef, Division des neurosciences, Centre national de recherche sur les primates à Washington

Dynamique Neuronale De La Mémoire Et La Cognition Dans La Formation Du Primat Hippocampe

La Dre Buffalo et son équipe étudient les mécanismes qui régissent la mémoire et la cognition en étudiant le lien entre les changements d'activité neuronale des primates non humains et leur capacité à apprendre et à se souvenir. Dans le cadre de ce projet, des chercheurs du Buffalo Lab ont formé des singes macaques à l’utilisation des joysticks lorsqu’ils naviguent dans un environnement de jeu virtuel immersif, tandis que l’activité cérébrale au fond du lobe temporal médial est enregistrée et analysée. Le but est de mieux comprendre comment des ensembles de neurones de la formation de l'hippocampe chez le primate soutiennent la formation de la mémoire et si les théories de l'organisation en réseau encouragée chez les rongeurs sont applicables au primate. Ses découvertes pourraient expliquer pourquoi les dommages causés à ces structures peuvent compromettre la capacité du cerveau à stocker et à récupérer des informations, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles thérapies pour les personnes confrontées au lobe temporal: épilepsie, dépression, schizophrénie et maladie d'Alzheimer.

Mauricio R. Delgado, Ph.D., Professeur associé, Département de psychologie, Université Rutgers

La régulation des mémoires autobiographiques négatives par le biais de stratégies axées sur les émotions positives

Le laboratoire Delgado pour les neurosciences sociales et affectives explore l'interaction de l'émotion et de la cognition dans le cerveau humain au cours des processus d'apprentissage et de prise de décision. S'appuyant sur les recherches antérieures du Dr Delgado révélant que le rappel de souvenirs positifs peut recruter des systèmes de récompense neuronaux et atténuer la réponse du cortisol, son équipe et lui vont maintenant étudier si le fait de se concentrer sur un aspect positif d'une mémoire négative peut modifier la façon dont cette mémoire est mémorisée. changer le sentiment qu'il induit la prochaine fois que la mémoire est récupérée. Pour ce faire, les chercheurs demanderont aux participants à l’étude de se rappeler une mémoire négative au fil du temps, en utilisant une analyse comportementale et une analyse IRMf pour caractériser les mécanismes neuronaux impliqués dans la régulation des mémoires autobiographiques négatives. De telles découvertes pourraient conduire à de nouveaux outils et stratégies thérapeutiques pour améliorer la qualité de vie des personnes souffrant de troubles de la santé mentale et de l'humeur.

Bruce E. Herring, Ph.D., Professeur assistant, Section de neurobiologie, Département des sciences biologiques, Collège Dornsife de lettres, arts et sciences, Université de Californie du Sud

Comprendre la dysfonction synaptique dans le trouble du spectre autistique

Le Dr Herring et son équipe ont récemment ciblé un «point chaud» potentiel pour le développement des troubles du spectre autistique, découvrant huit mutations différentes liées à l'autisme regroupées sur le gène TRIO responsable d'une protéine qui stimule la force ou la faiblesse des connexions entre le cerveau. cellules. Les chercheurs de Herring Lab vont maintenant déployer des souris modifiées en tant que modèle animal pour déterminer si la perturbation de la fonction de TRIO pendant une période critique du développement du cerveau entrave la connexion entre les cellules du cerveau contribuant au développement des TSA. En approfondissant ses connaissances sur ce point de convergence prometteur pour les gènes présentant un risque de TSA, les recherches du Dr Herring pourraient aider à développer de nouvelles théories sur les mécanismes moléculaires sous-jacents à l'autisme, en apportant un nouvel éclairage sur la contribution du dysfonctionnement synaptique à la maladie cognitive.

Donna J. Calu, Ph.D., Professeur assistant au département d'anatomie et de neurobiologie de la faculté de médecine de l'Université du Maryland

Différences individuelles dans la signalisation de l'attention dans les circuits d'amygdale

Les recherches de la Dre Calu sont motivées par son désir de comprendre la vulnérabilité individuelle à la dépendance, ce qui se traduit par la compulsion des toxicomanes à chercher et à consommer des drogues, même face aux conséquences négatives connues de leur consommation. Généralement, les humains modifient leur comportement lorsque les valeurs de résultats deviennent soudainement meilleures ou plus mauvaises que prévu, mais la capacité de modifier le comportement lorsque la situation s'aggrave est compromise pour les toxicomanes. Pour mieux comprendre le phénotype vulnérable de la toxicomanie, il est essentiel de comprendre en quoi les individus se différencient avant toute exposition à des drogues abusives. Le laboratoire du Dr Calu utilise des modèles animaux pour étudier les mécanismes cérébraux sous-jacents au suivi des signes et au suivi des objectifs chez le rat. Les suiveurs de signes montrent une motivation motivationnelle accrue déclenchée par des indices associés aux aliments et aux médicaments, tandis que les suiveurs d'objectifs utilisent des indices pour guider une réponse flexible en fonction de la valeur actuelle du résultat. Le Dr. Calu enregistre l'activité en temps réel de neurones individuels de l'amygdale pour examiner comment ils se déclenchent lorsque les suiveurs de signes et d'objectifs exécutent des tâches qui ne respectent pas leurs attentes en matière de récompense. Elle inhibe également de manière sélective les neurones afin d'examiner le rôle des voies de l'amygdale dans l'attention des consommateurs face aux conséquences négatives. La Dre Calu examinera les conclusions de son équipe en ce qui concerne la compréhension de la vulnérabilité individuelle et la prévention de la dépendance.

Fred H. Gage, Ph.D., Professeur à l'Institut d'études biologiques de Salk, et Matthew Shtrahman, MD, Ph.D., Professeur adjoint à l'Université de Californie à San Diego

Utilisation de l'imagerie Ca2 + à deux photons Deep In Vivo pour étudier la séparation des motifs temporels

Drs. Gage et Shtrahman explorent comment l'hippocampe distingue des expériences similaires pour former des mémoires discrètes, un processus appelé séparation de modèle. Plus précisément, ils étudient la façon dont l'hippocampe traite les informations sensorielles dynamiques qui varient avec le temps au cours de la formation de la mémoire. Ils concentreront leurs études sur le gyrus denté, une région de l’hippocampe considérée comme essentielle à la séparation des motifs et une des deux régions du cerveau des mammifères qui génère de nouveaux neurones tout au long de la vie. Gage et Shtrahman utiliseront une imagerie calcique à deux photons pour sonder l'activité des neurones nouveau-nés dans cette région cérébrale profonde afin de mieux comprendre cette fonction cérébrale importante. La compréhension de ces mécanismes fournira des informations cruciales sur les raisons pour lesquelles notre capacité à apprendre et à nous souvenir diminue avec l'âge et comment la maladie de l'hippocampe entraîne une altération importante de la mémoire dans des troubles tels que la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie.

Gabriel Kreiman, Ph.D., Professeur associé d'ophtalmologie et de neurologie à l'Hôpital pour enfants de Boston, Harvard Medical School

Mécanismes comportementaux, physiologiques et informatiques sous-jacents à la formation de la mémoire épisodique dans le cerveau humain

En montrant des extraits de films à des personnes et en déterminant ce dont ils sont capables, le Dr Kreiman et son équipe s’efforcent de comprendre comment les souvenirs épisodiques sont créés. Les souvenirs épisodiques «constituent le tissu essentiel de nos vies», dit-il, englobant tout ce qui arrive à un individu et formant finalement la base de ce que nous sommes. Comme la formation de la mémoire épisodique est trop complexe pour être suivie dans la vie réelle, Kreiman utilise les films comme proxy, car les gens développent des associations émotionnelles avec des personnages comme dans le monde réel. Kreiman et son équipe étudient quantitativement les mécanismes de filtrage comportemental qui conduisent à la mémorisation par rapport à l'oubli et construisent un modèle de calcul permettant de prédire quel contenu de film sera mémorisé par les sujets. Kreiman collabore avec le Dr Itzhak Fried à UCLA, dont le travail auprès des patients atteints d'épilepsie offre l'occasion d'étudier l'activité des pics neuronaux dans l'hippocampe pendant la formation de la mémoire épisodique. Leur travail est significatif étant donné que les troubles cognitifs qui affectent la formation de la mémoire ont des conséquences dévastatrices qui, à ce jour, ne peuvent être traitées avec des médicaments, des thérapies comportementales ou d'autres approches.

Boris Zemelman, Ph.D., Professeur adjoint de neuroscience et Daniel Johnston, Ph.D., Professeur de neurosciences et directeur du Center for Learning and Memory de l'Université du Texas à Austin

Dysfonctionnement Préfrontal Dans Le Syndrome D'X Fragile

Daniel Johnston et Boris Zemelman, chercheurs au Centre Austin pour l'apprentissage et la mémoire, se sont associés pour étudier le rôle du cortex préfrontal (PFC) dans le syndrome du X fragile (FXS). FXS résulte d'une mutation dans un gène appelé fmr1 et une perte d'une protéine appelée FMRP, perturbant la fonction neuronale. FXS est la forme la plus commune de déficience intellectuelle héritée et la cause monogénique la plus courante d'autisme. En utilisant un modèle de souris dans lequel le fmr1 Le gène Johnston a été supprimé, le laboratoire Johnston étudie un comportement simple semblable à la mémoire de travail, appelé conditionnement du clignement des yeux, qui consiste à associer un signal visuel à une bouffée d’air non contiguë qui conduit à une fermeture anticipée de la paupière. Fait intéressant, les souris dépourvues de fmr1 gène et la protéine FMRP sont incapables d’apprendre cette tâche. Dans ce projet, les chercheurs utiliseront des virus conçus par Zemelman pour supprimer ou remplacer la FMRP dans des neurones spécifiques du PFC, puis examineront le comportement des animaux, le complément des protéines neuronales et les schémas de déclenchement de cellules PFC sélectionnées. À long terme, leurs recherches sont prometteuses pour des approches cliniques du FXS et de l'autisme en déterminant des cibles cellulaires optimales pour des interventions thérapeutiques.

David J. Foster, Ph.D., Professeur associé de neurosciences à la faculté de médecine de l'Université Johns Hopkins

Le double rôle des séquences lieu-cellules de l'hippocampe dans l'apprentissage et la mémoire

David Foster et son équipe explorent des questions fondamentales sur la mémoire et le fonctionnement de l'hippocampe lors de la planification d'actions futures qui dépendent de ce que nous avons fait dans le passé. Bien que nous sachions que les mêmes neurones dans le feu de l'hippocampe émettent des signaux lorsque nous rencontrons un endroit physique où nous étions auparavant, cela n'explique pas encore ce que les cellules de l'hippocampe ont à voir avec la mémoire. L'équipe de Foster s'intéresse à la séquence des schémas de tir émis lorsque les rats et les souris anticipent leur déplacement dans un espace physique, cartographiant en effet le voyage dans le temps mental ou la mémoire épisodique de l'hippocampe. Foster et son équipe détermineront ce qui se passe lorsqu'ils perturbent les séquences cérébrales et tentent de modifier le comportement attendu. Les dysfonctionnements de l'hippocampe et les troubles de la mémoire sont au cœur de nombreuses maladies du cerveau et même du vieillissement normal, soulignant la nécessité d'élargir notre compréhension des bases neurales de la mémoire épisodique.

Ueli Rutishauser, Ph.D., Professeur adjoint de neurochirurgie, Cedars-Sinai Medical Center; Associé invité (nomination conjointe), California Institute of Technology
Adam Mamelak, MD, Professeur de neurochirurgie, Centre médical Cedars-Sinai

Coordination Hippocampique Theta-médiée De L'activité Neuronale Dans La Mémoire Humaine

Drs. L'équipe interdisciplinaire de cliniciens et de chercheurs de Rutishauser et Mamelak décode ce que les cellules du cerveau humain font en créant de nouveaux souvenirs et en les rappelant. Ils travaillent avec des patients qui ont des électrodes implantées dans leur cerveau dans le cadre de procédures neurochirurgicales. Pendant le traitement des patients, l'équipe de recherche administre des tests de mémoire et enregistre l'activité de neurones individuels dans l'hippocampe, une structure cérébrale nécessaire à la formation de nouveaux souvenirs. À l'aide de cette technique, l'équipe étudie comment l'activité neuronale est coordonnée par les rythmes cérébraux et comment cette coordination permet la formation de nouveaux souvenirs. Une coordination neuronale déficiente est considérée comme une cause clé des troubles de la mémoire. Par conséquent, étudier comment les cerveaux humains forment de nouveaux souvenirs et analyser comment les oscillations thêta coordonnent l'activité de différents types fonctionnels de neurones pourrait permettre de mieux comprendre comment la médecine et la thérapie de stimulation peuvent aider à restaurer la fonction de mémoire.

Daphna Shohamy, Ph.D., Professeur agrégé de psychologie et du Zuckerman Mind, Brain, Behavior Institute, Université Columbia

Comment la mémoire épisodique guide les décisions: mécanismes neuronaux et implications pour la perte de mémoire

Le Dr Shohamy étudie comment les souvenirs sont utilisés lorsque nous prenons des décisions. Même les décisions les plus simples, telles que ce qu'il faut commander pour le déjeuner, dépendent de la mémoire pour les expériences passées. Pour comprendre les processus cérébraux par lesquels la mémoire est utilisée pour guider les décisions, l'équipe du Dr Shohamy combinera deux approches différentes. Ils utiliseront l'IRMf pour analyser l'activité cérébrale pendant que des personnes en bonne santé prendront une série de décisions simples et examineront la contribution des régions de la mémoire dans le cerveau au processus de prise de décision. Ils compareront également la prise de décision chez les personnes en bonne santé et chez les patients présentant une perte de mémoire grave. Le Dr Shohamy collabore avec le Dr Michael Shadlen, neurobiologiste, qui étudie la manière dont les neurones accumulent des preuves pour prendre des décisions de perception simples. Leurs recherches rassemblent deux corps de recherche différents: comment le cerveau rappelle les souvenirs et comment il accumule des preuves pour prendre des décisions. L'objectif à long terme de la recherche est d'améliorer la qualité de vie des patients atteints d'une perte de mémoire en comprenant comment l'impact de la perte de mémoire sur les décisions quotidiennes et en créant des interventions pour remédier à ce problème.

Kimberley Tolias, Ph.D., Professeur associé, Baylor College of Medicine
Andreas Tolias, Ph.D., Professeur associé, Baylor College of Medicine

Étude des traces de la mémoire globale à la résolution d'une seule synapse

Les neurones de notre cerveau communiquent les uns avec les autres par le biais de connexions synaptiques, qui deviennent plus fortes ou plus faibles au cours de l’apprentissage. Cependant, seule une infime fraction des trillions de synapses du cerveau participe à la formation d'une mémoire unique. Les docteurs Kimberley Tolias et Andreas Tolias, leur mari, rassemblent leurs expertises respectives en neurosciences moléculaires et systémiques pour développer un moyen de marquage des synapses spécifiques associées à des souvenirs uniques. Ils appellent cet outil l’estampage d’engrammes de mémoire neuronale inductible multicolore, ou MNIMES («mémoires» en grec). Cette approche les aidera à mieux comprendre comment les souvenirs se forment dans un cerveau en bonne santé et comment ce processus est altéré dans les maladies neuropsychiatriques telles que l'autisme ou la maladie d'Alzheimer. Leurs recherches pourraient potentiellement conduire à de nouveaux traitements génétiques ou pharmaceutiques pour restaurer la fonction normale de la synapse et la plasticité de ces maladies. Les principaux membres des laboratoires Tolias qui dirigent ce projet comprennent les Drs. Joseph Duman et Jacob Reimer.

Jacqueline Gottlieb, Ph.D., Professeur associé de neurosciences, Columbia University

Dynamique de population encodant incertitude et récompense dans le cortex frontal et pariétal

Gottlieb étudie la nature de l'attention, postulant que deux facteurs principaux - récompense et incertitude - engagent l'attention et sont impliqués dans de nombreuses maladies psychiatriques, telles que la dépendance, le TDAH, l'anxiété et la dépression. En utilisant les systèmes visuels des singes et en examinant de grandes populations de neurones enregistrées ensemble, son laboratoire étudiera comment l’incertitude et la récompense sont impliquées dans le contrôle de l’attention et des mouvements oculaires.

Michael Greicius, MD, MPH, Professeur associé de neurologie à l'Université de Stanford

Élucider l'interaction entre le sexe et l'APO sur le risque de maladie d'Alzheimer

Plus de la moitié des patients atteints d'Alzheimer sont porteurs d'une variante du gène appelée APOE4, qui présente un risque plus élevé pour les femmes que pour les hommes. Greicius prévoit d’étudier APOE4 chez l’homme, en recherchant des variantes d’autres gènes qui interagissent différemment avec APOE4 en fonction du sexe, et s’interrogeant sur le fait que le déclin des œstrogènes à la ménopause pourrait augmenter le risque chez les femmes. L'objectif est de mieux comprendre en quoi APOE4 augmente le risque de maladie d'Alzheimer, d'aider potentiellement à identifier de nouveaux traitements et peut-être d'aboutir à des recommandations de remplacement hormonal basées sur le statut d'APOE4.

Stephen Maren, Ph.D., Professeur de psychologie et Institut des neurosciences, Université A & M du Texas

Interaction préfrontal-hippocampique dans la récupération de la mémoire contextuelle

Maren cherche à comprendre les systèmes et circuits cérébraux qui placent les mémoires dans leur contexte - un processus qui définit quoi, quand et où les événements de notre vie se sont produits. De nombreux troubles de la mémoire, y compris la maladie d'Alzheimer, sont associés à une incapacité à se rappeler les riches détails contextuels entourant une expérience. Maren utilisera des méthodes pharmacogénétiques de pointe chez le rat pour manipuler les neurones du thalamus qui interconnectent le cortex préfrontal et l'hippocampe afin de caractériser la manière dont ces connexions contribuent à la mémoire.

Philip Wong, Ph.D., Professeur de pathologie et de neuroscience, et Liam Chen, MD, Ph.D., Professeur adjoint de pathologie, Université Johns Hopkins

Caractérisation et validation d'une nouvelle cible thérapeutique dans des modèles animaux TDP-43 de démence frontotemporale

La démence frontotemporale (FTD), un groupe de troubles complexes résultant de la neurodégénérescence des lobes frontaux et temporaux, est une forme majeure de démence touchant les personnes de moins de 65 ans. Wong et Chen espèrent combler une lacune dans leur capacité à traiter ces maladies. Ils émettent l'hypothèse que la perte de fonction d'une protéine particulière, TDP-43, est impliquée. Le TDP-43 pourrait potentiellement réguler une grande variété de cibles moléculaires pertinentes pour la perte de mémoire et le déclin cognitif du FTD. Leur laboratoire effectuera un dépistage des drogues chez les mouches des fruits pour découvrir des pistes potentielles de développement de médicaments.

Nicole Calakos, MD, Ph.D., Professeur agrégé de neurologie et de neurobiologie, et Henry Yin, Ph.D., Professeur adjoint de psychologie et neurosciences, Université Duke

De la bonne habitude à la mauvaise: Examiner la relation entre l'apprentissage de l'habitude et la compulsivité

Calakos et Yin étudient comment le schéma d'activité de déclenchement entre différents types de cellules dans les noyaux gris centraux change avec l'apprentissage. On en sait beaucoup sur ce qui se passe au niveau des connexions synaptiques dans le cerveau au cours du processus d'apprentissage, mais on en sait beaucoup moins sur la manière dont ces changements sont intégrés pour influer sur le déclenchement neuronal parmi des populations de neurones dans un circuit donné. Les chercheurs ont développé une approche pour examiner l'apprentissage à ce niveau et l'appliqueront pour examiner comment l'activité neuronale change dans le striatum au fur et à mesure que les habitudes sont apprises et si une aberration du processus d'apprentissage des habitudes normales conduit à des comportements compulsifs. Ce travail pourrait améliorer notre compréhension de la manière dont l'apprentissage des habitudes est codé dans le striatum et de la manière dont le processus peut être perturbé dans les cas de trouble obsessionnel compulsif (TOC) et de troubles connexes.

Edward Chang, MD, Professeur associé de chirurgie neurologique et de physiologie à l'Université de Californie à San Francisco

Comment nous apprenons les mots: la neurophysiologie de la mémoire verbale

Dans l’enfance et à l’âge adulte, nous construisons et maintenons des vocabulaires volumineux, mais nous ne savons pas exactement comment. Comme le langage est propre à l'homme, Chang envisage d'étudier les mécanismes d'apprentissage des mots chez les personnes, en particulier les patients subissant des procédures neurochirurgicales et disposant d'électrodes implantées dans leur cerveau pour des indications cliniques, telles que la localisation de l'épilepsie. Il espère acquérir d'importantes nouvelles connaissances sur la coordination des réseaux cérébraux dans l'apprentissage des mots. Comme les difficultés de recherche de mots sont un symptôme courant lié au vieillissement et à de nombreuses affections neurologiques, telles que la maladie d'Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux et l'aphasie, de nouveaux traitements susceptibles de préserver ou d'améliorer le fonctionnement du cerveau dans ces affections dépendront de la compréhension de l'apprentissage des mots.

Adam Kepecs, Ph.D., Professeur agrégé, laboratoire de Cold Spring Harbor

Signaux de diffusion cognitifs spécifiques à un type de cellule provenant du noyau basal

Le laboratoire de Kepecs étudie le noyau basal (NB), un système neuromodulateur d'importance vitale mais mal compris, dont la dégénérescence correspond au déclin des fonctions cognitives chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer, de la démence de Parkinson et du déclin cognitif normal lié à l'âge. Il est prouvé que le NB joue un rôle dans l'apprentissage et l'attention, mais on ne sait pas quels signaux ce système envoie au cortex. Pour obtenir des connaissances fondamentales à ce sujet, Kepecs enregistrera les neurones cholinergiques identifiés du NB chez des souris en comportement. La recherche, qui combine électrophysiologie comportementale, psychophysique quantitative et techniques optogénétiques, permettra de déterminer quels neurones spécifiques signalent et à quel moment, et s'ils possèdent les signaux appropriés pour soutenir l'apprentissage et l'attention. La connaissance des schémas de déclenchement de ces neurones fournira des informations cruciales pour le développement de traitements thérapeutiques pour les maladies cognitives.

John Wixted, Ph.D., Professeur distingué de psychologie, et Larry Squire, Ph.D., Professeur de psychiatrie, neurosciences et psychologie, Université de Californie à San Diego

Représentation de la mémoire épisodique et sémantique dans des neurones uniques de l'hippocampe humain

Les chercheurs étudient si des neurones individuels de différentes sous-régions de l'hippocampe humain encodent des mémoires. La question de savoir comment le cerveau stocke les souvenirs a été examinée à l'aide d'autres méthodologies, mais toutes ont eu des limites. Pour cette recherche, Wixted et Squire collaborent avec le Dr Peter Steinmetz de l'Institut neurologique Barrow pour demander aux patients de mémoriser une série d'images et / ou de mots. Les scientifiques mesureront l'activité d'un seul neurone dans différentes zones de l'hippocampe au fur et à mesure que les patients s'en souviendront. L’objectif à long terme est de jeter les bases du développement d’interventions cliniques visant à ralentir les troubles de la mémoire associés au vieillissement et à ralentir la progression des maladies neurodégénératives de l’hippocampe qui nuisent gravement à la capacité de mémorisation.

Alison Barth, Ph.D., L'université de Carnegie Mellon

Capture spécifique de la plasticité dépendant de l'expérience dans le néocortex

En utilisant un modèle de souris permettant des enregistrements électrophysiologiques ciblés de circuits néocorticaux, Barth travaillera à l'identification de neurones spécifiques modifiés par l'expérience et à l'examen des entrées synaptiques de ces cellules, ainsi qu'à la conduite de changements in vivo dans un certain sous-ensemble de cellules. La question centrale est de savoir comment l'expérience transforme les cellules et les connexions entre les cellules, et ce processus est si crucial pour l'apprentissage et la mémoire.

Charles Gray, Ph.D., Université d'État du Montana

Traitement distribué sous-jacent à la cognition

Le laboratoire de Gray vient de mettre au point un instrument capable de mesurer l'activité neuronale chez les singes rhésus à très haute résolution temporelle et spatiale à partir de nombreux endroits. Au cours de la période d'attribution, Gray prévoit de mesurer l'activité neuronale de vastes zones du cerveau afin d'obtenir une perspective large sur le mode et le lieu de codage des informations lorsque le cerveau détient quelque chose dans la mémoire à court terme.

Geoffrey Kerchner, MD, Ph.D., et Anthony Wagner, Ph.D., Université de Stanford

Structure et fonction de l'hippocampe dans les troubles cognitifs

Kerchner prévoit d'utiliser deux technologies d'imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute résolution pour étudier les sous-régions interconnectées de l'hippocampe afin de déterminer leur incidence sur la maladie d'Alzheimer. Il étudiera la structure physique de l'hippocampe avec une technologie et, en collaboration avec Wagner, utilisera l'autre technologie pour étudier comment des groupes de cellules nerveuses de l'hippocampe se déclenchent lors d'exercices de mémoire.

Attila Losonczy, MD, Ph.D., Université Columbia

Dissection des dysfonctionnements du microcircuit hippocampique sous-tendant les déficits de la mémoire cognitive dans la schizophrénie

Losonczy a pour objectif de faire progresser la compréhension des processus de la mémoire dans des cerveaux sains et malades afin d'identifier les cibles clés pour la prévention et le traitement de ces déficits de la mémoire. À l'aide de modèles murins, il prévoit d'utiliser une imagerie fonctionnelle in vivo de pointe pour observer et manipuler les circuits neuronaux de l'hippocampe de rongeur lors de comportements mémoriels, en analysant le fonctionnement de ces neurones dans l'apprentissage normal et leur altération dans la schizophrénie.

Ben Barres, MD, Ph.D., Professeur de neurobiologie à la faculté de médecine de l'Université de Stanford

Les astrocytes contrôlent-ils le chiffre d'affaires synaptique? Un nouveau modèle pour ce qui cause la maladie d'Alzheimer et comment le prévenir

À mesure que notre corps vieillit, il est probable qu'un mécanisme soit nécessaire pour éliminer les synapses du cerveau vieillissantes afin qu'elles puissent être remplacées par de nouvelles. Barres étudie si les astrocytes jouent ce rôle et, le cas échéant, que se passe-t-il si leur travail est altéré? Les travaux pourraient améliorer la compréhension et le traitement de la maladie d'Alzheimer.

Wen-Biao Gan, Ph.D., Professeur associé de physiologie et de neurosciences à la faculté de médecine de l'Université de New York

Fonction microgliale dans les troubles d'apprentissage et de la mémoire

Gan étudie si la microglie joue un rôle important dans l'apprentissage et la formation de la mémoire. À l'aide d'une nouvelle lignée de souris transgéniques qu'il a mise au point, il examinera comment l'élimination de la microglie ou son dysfonctionnement affecte les circuits neuronaux. Les études fourniront des informations pour la compréhension et le traitement de troubles cérébraux tels que l'autisme, le retard mental et la maladie d'Alzheimer.

Elizabeth Kensinger, Ph.D., Professeur associé de psychologie, Boston College

Changements dans la dynamique temporelle et la connectivité des réseaux de mémoire émotionnelle au cours de la vie adulte

Kensinger étudie l'impact des émotions sur la mémoire. Ses recherches portent sur la durée de la vie et évaluent la mémoire et l'activité neuronale d'adultes âgés de 18 à 80 ans. Elle examinera comment les informations émotionnelles sont récupérées, y compris les dimensions spatiales et temporelles de la récupération de la mémoire. La recherche pourrait faire progresser la compréhension des changements de mémoire associés à l'âge, ainsi que de troubles tels que la dépression et le syndrome de stress post-traumatique.

Brian Wiltgen, Ph.D., Professeur adjoint de psychologie, Université de Virginie

Réactivation des réseaux de mémoire néocorticale pendant la consolidation

Les nouvelles mémoires sont codées par l'hippocampe et, au fil du temps, sont stockées de manière permanente dans des régions du néocortex. Wiltgen explore les mécanismes biologiques à la base de ce processus de stockage, en utilisant de nouvelles techniques pour contrôler l'activité des circuits de mémoire dans l'hippocampe et le néocortex. Le travail a des implications pour le traitement de la maladie d'Alzheimer et d'autres maladies affectant la mémoire.

Cristina Alberini, Ph.D., Professeur de neurosciences, École de médecine du Mont Sinaï

Le rôle des astrocytes dans la mémoire et les troubles cognitifs

Alberini se concentre sur l'interaction entre les neurones et les astrocytes dans la formation de la mémoire. Elle explorera l'hypothèse que les défauts de cette interaction pourraient causer des déficiences cognitives et examinera de nouveaux traitements potentiels pour la dégradation cognitive liée au vieillissement et à la neurodégénérescence.

Anis Contractor, Ph.D., Professeur adjoint de physiologie, École de médecine de l'Université Northwestern

Activation des mGluRs du groupe I pour réprimer la mémoire de peur

Les souris dépourvues des récepteurs du glutamate appelés mGluR5 ne peuvent pas éteindre les souvenirs les plus effrayants. L'entrepreneur prévoit d'étudier le rôle de ces récepteurs en cartographiant les circuits cérébraux impliqués dans l'apprentissage de la peur des situations appropriées et de la suppression de la peur inappropriée. Il verra également si de nouveaux médicaments peuvent accélérer le processus d'apprentissage en évitant d'avoir trop peur. Des médicaments similaires peuvent être utiles dans le traitement des troubles anxieux humains.

Loren Frank, Ph.D., Professeur adjoint de physiologie et Mary Dallman, Ph.D., Professeur émérite de physiologie, Université de Californie à San Francisco

Une approche par circuit pour comprendre et traiter les troubles de la mémoire liés au stress

Frank et Dallman examinent si de petites modifications de l'activité cérébrale pourraient aider à minimiser les effets à long terme du stress sur l'apprentissage et la mémoire. Si leur hypothèse selon laquelle le stress amplifie la répétition des souvenirs s'avère être le cas, des thérapies pourraient être conçues pour réduire l'effet à long terme d'événements stressants. La recherche a des implications particulières pour le trouble de stress post-traumatique.

Michael Mauk, Ph.D., Professeur, et Daniel Johnston, Ph.D., Professeur et directeur, Center for Learning and Memory, Université du Texas à Austin

Mécanismes corticaux d'activité persistante de la mémoire de travail

Mauk et Johnston utiliseront des approches systémiques et cellulaires pour étudier la mémoire de travail, à la fois chez des animaux vivants et lors d'expériences sur des tranches de cerveau utilisant des méthodes puissantes d'enregistrement de neurones. Parce que la mémoire de travail contribue à de nombreux processus cognitifs, la compréhension de ses mécanismes pourrait améliorer le diagnostic et le traitement de nombreux troubles, notamment la maladie d'Alzheimer et le TDAH.