Boursiers

André 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., Professeur adjoint, 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.

Timothy Dunn, Ph.D., Professeur adjoint, Département de génie biomédical, Duke University

Quantification comportementale tridimensionnelle à plusieurs échelles chez les individus et les groupes sociaux

Les méthodes actuelles de mesure du mouvement des animaux se comportant librement ont des limites : des observations très détaillées de petits mouvements d'un animal (un seul chiffre, par exemple) nécessitent des amplitudes de mouvement restreintes. Étudier le comportement en mouvement libre dans l'espace 3D signifie souvent limiter la résolution, peut-être uniquement suivre la position globale ou se fier à la description d'un observateur. Le suivi vidéo automatique chez les animaux nécessite généralement un environnement non naturel et simple, et les parties du corps non visibles par les caméras ne sont pas suivies avec précision. Les prédictions d'intelligence artificielle (IA) à haute résolution sur de grands espaces tridimensionnels à l'aide de la représentation spatiale volumétrique, une technique récemment développée pour surmonter ces problèmes, nécessitent une puissance de calcul massive. L'ajout de plusieurs animaux pour les observations sociales introduit des problèmes supplémentaires.

En conséquence, il y a une faible disponibilité des données les plus recherchées : haute résolution, suivi automatique des animaux dans l'espace 3D exécutant des comportements naturels, seuls ou en groupe, et quantification de ce mouvement dans un format standardisé. Le Dr Dunn travaille sur une nouvelle approche qui vise à rapprocher cet idéal. S'appuyant sur les enseignements d'un algorithme d'apprentissage automatique géométrique 3D que son équipe a utilisé pour améliorer considérablement la précision des prédictions, le Dr Dunn et son équipe travaillent maintenant sur l'échantillonnage d'images récurrent adaptatif (ARIS) qui combine les images de plusieurs caméras pour créer un modèle qui peut mesurer et prédire la position du corps sur de nombreuses échelles, même lorsqu'une partie (comme un bras ou un pied) n'est pas directement visible.

ARIS améliore sélectivement la résolution des caractéristiques corporelles à petite échelle et utilise une modélisation prédictive basée sur ce qu'il sait de son sujet (disposition et longueur des membres, comment ils sont connectés, comment ils se déplacent, etc.) - appris d'abord en analysant d'énormes quantités des données d'entraînement de rats se comportant librement, puis affinées en utilisant les données d'entraînement d'autres espèces - pour se concentrer sur la partie de l'espace où la partie du corps est susceptible de se trouver. Cela utilise beaucoup moins de puissance de calcul que les outils volumétriques 3D précédents. Dans ses recherches, le Dr Dunn mettra en œuvre ARIS et enregistrera des données à plusieurs échelles, depuis la position et la posture globales jusqu'au mouvement des traits fins des mains, des pieds et du visage. D'autres recherches exploreront son efficacité avec plusieurs animaux interagissant. Cette capacité à mesurer le comportement d'une manière nouvelle et plus précise a de vastes implications pour l'étude des troubles neurologiques qui affectent le mouvement, en liant l'activité cérébrale au comportement et en étudiant les interactions sociales.

Jeffrey Kieft, Ph.D., Professeur, Département de biochimie et de génétique moléculaire, Faculté de médecine de l'Université du Colorado

Une nouvelle technologie pour contrôler le transcriptome

L'ARN messager, ou ARNm, est reconnu comme un acteur essentiel de la vie et de la santé des cellules. Ces molécules d'ARN sont les modèles pour fabriquer des protéines et sont créées dans les cellules pour transmettre des instructions à la machinerie de fabrication de protéines, puis sont détruites par des enzymes. La totalité de l'ARNm qu'un organisme exprime s'appelle son « transcriptome ».

Les déficiences en ARNm et en ARN non codant (ARNnc) sont liées à certains troubles neurodégénératifs et neurodéveloppementaux. S'il y a trop peu d'ARNm ou d'ARNnc spécifique dans le transcriptome, certaines fonctions cellulaires peuvent être dégradées ou désactivées. Le Dr Kieft explore une nouvelle façon de gérer le transcriptome en ralentissant la désintégration de l'ARNm et de l'ARNnc. Sachant que certaines enzymes qui détruisent les ARN essentiellement le « mâchent » d'un bout à l'autre, le Dr Kieft a utilisé sa compréhension de la façon dont les molécules d'ARN sont structurées et se replient sur elles-mêmes pour créer un morceau d'ARN résistant aux exoribonucléases (xrRNA) qui , lorsqu'il est introduit dans un ARNm ou un ARNnc compatible, se combine et se replie pour former une structure « bloquante », changeant littéralement la forme de l'ARN en insérant une protubérance qui arrête les enzymes dans leur élan.

En ralentissant la décroissance de l'ARNm et de l'ARNnc cibles, le Dr Kieft voit l'opportunité de gérer leur abondance dans le transcriptome. Les xrRNA conçus pourraient reconnaître uniquement des cibles spécifiques, se lier à elles et créer la protection, afin que les chercheurs puissent augmenter la proportion de la cible sans changer la quantité créée. L'approche a l'avantage d'être moins perturbatrice pour la cellule hôte que de stimuler de manière non naturelle l'ARNm, et la précision avec laquelle l'ARNxr peut être conçu offre la possibilité de cibler plusieurs ARN à la fois, et peut-être même de permettre un réglage fin en gérant avec précision le taux de pourriture. Le Dr Kieft considère cette application, née de la science fondamentale qui étudie l'ARN, comme un outil de recherche potentiellement puissant pour les neuroscientifiques, et peut-être même le fondement de thérapies dans un avenir plus lointain.

Suhasa Kodandaramaiah, Ph.D., Benjamin Mayhugh Professeur adjoint, Département de génie mécanique, Université du Minnesota Twin Cities

Enregistrements à l'échelle du cerveau assistés par robot chez des souris se comportant librement

Les neuroscientifiques qui étudient l'activité cérébrale pendant les comportements doivent généralement faire un compromis : ils utilisent des capteurs neuronaux miniaturisés montés sur la tête qui sont suffisamment légers pour permettre à un animal sujet de se comporter librement, mais qui ont une résolution inférieure ou ne peuvent pas surveiller l'ensemble du cerveau. Soit ils utilisent des outils plus puissants, beaucoup trop lourds pour les animaux sujets et nécessitent d'autres solutions, comme l'immobilisation en laissant les animaux se déplacer sur un tapis roulant, ou encore l'utilisation d'expériences de réalité virtuelle qui limitent néanmoins le comportement d'un sujet.

Le Dr Kodandaramaiah relève le défi avec un exosquelette crânien robotique qui supporte le poids du matériel d'enregistrement et de surveillance neuronal tout en permettant au sujet (dans ce cas une souris) de faire pivoter sa tête dans les trois degrés : un tour complet de 360 degrés dans le axe de lacet (rotation horizontale) et environ 50 degrés de mouvement dans les axes de tangage et de roulis, tout en se déplaçant dans une arène. Le robot a trois bras articulés disposés dans une configuration triangulaire, suspendus au-dessus du sujet et se rejoignant au point de montage sur la tête. Les capteurs de la monture détecteront le mouvement de la souris et dirigeront le robot pour permettre le mouvement avec le moins de force résistive possible, permettant à la souris de tourner et de se déplacer dans une arène généralement utilisée pour les expériences en neurosciences avec tout l'équipement sensoriel nécessaire et fils des implants supportés par le robot.

Supprimer le besoin de miniaturisation permet aux chercheurs d'utiliser n'importe quel matériel de pointe disponible, ce qui signifie qu'un robot peut théoriquement être mis à niveau pour utiliser la dernière technologie peu après son introduction. Pour en arriver là, l'équipe du Dr Kodandaramaiah passera par plusieurs étapes : concevoir l'exosquelette ; l'ingénierie de la scène principale avec ses capteurs nécessaires ainsi que des électrodes et des caméras haute densité pour l'observation externe des yeux, des moustaches et plus encore ; effectuer des tests sur paillasse ; régler le robot sur les entrées qu'une souris peut fournir ; déterminer comment introduire les sondes ; et enfin faire un enregistrement en direct. Avec ce fondement mécanique, le Dr Kodandaramaiah espère aider les chercheurs à se rapprocher de l'état où ils peuvent effectuer des enregistrements neuronaux détaillés à l'échelle du cerveau de sujets se comportant librement sur de longues périodes.

Eva Dyer, Ph.D., Professeur adjoint, Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology & Emory University

“Comparaison d'ensembles de données neuronales à grande échelle dans le temps, l'espace et le comportement »

La capacité d'observer et d'enregistrer des données neuronales sur de grandes parties du cerveau a abouti à d'énormes quantités de données, permettant de trouver des modèles dans les données qui peuvent expliquer combien de neurones travaillent ensemble pour coder des informations sur le monde. Même avec les nouvelles avancées dans la recherche de modèles de faible dimension dans les ensembles de données, il est toujours difficile de comparer plusieurs enregistrements à grande échelle, que ce soit sur de longues périodes de temps, ou entre différents individus résolvant les mêmes tâches ou des tâches similaires, ou entre des états pathologiques. L'expérience de la Dre Dyer en utilisant l'apprentissage automatique (ML) pour décoder l'activité cérébrale l'a amenée à une nouvelle solution pour identifier des modèles dans plusieurs grands ensembles de données neuronales.

Le travail du Dr Dyer consiste à créer des algorithmes d'apprentissage automatique pour extraire des informations significatives à partir d'ensembles de données neuronales, qui sont étiquetés pour identifier si l'animal était endormi, éveillé, en quête de nourriture ou s'il se livrait à divers mouvements ou comportements. De nouvelles règles mathématiques inspirées de la cryptographie guident les algorithmes pour identifier des modèles similaires dans des ensembles de données séparés, en cherchant spécifiquement à faire correspondre l'activité neuronale générée par différents états du cerveau comme point de départ pour aligner les données. L'alignement de l'activité neuronale peut montrer comment les schémas neuronaux sont liés au comportement et à l'état du sujet, ainsi que prévenir la corruption par le bruit, et fournit un tremplin critique pour des techniques d'analyse plus puissantes.

Le deuxième objectif du Dr Dyer aidera les chercheurs à se recentrer sur des neurones uniques pour comprendre comment ils contribuent aux changements globaux de l'activité neuronale et s'ils peuvent être utilisés pour prédire des états cérébraux spécifiques. La recherche explorera en outre si les différences de comportement peuvent être attribuées à des types de cellules spécifiques et comment les différences observées entre les ensembles de données peuvent être utilisées pour caractériser la variation entre les animaux individuels. La capacité de décoder et de comparer de grands ensembles de données neuronales se révélera inestimable dans la recherche neurologique en indiquant comment les maladies neurodégénératives affectent le traitement de l'information par le cerveau.

Rikky Muller, Ph.D., Professeur adjoint de génie électrique et d'informatique, Université de Californie - Berkeley

“Un appareil holographique haute vitesse pour le contrôle optogénétique de milliers de neurones »

L'optogénétique - qui modifie génétiquement les neurones pour qu'ils soient sensibles à la lumière afin que les chercheurs puissent les activer ou les faire taire à volonté - a révolutionné la recherche en neurosciences. Associés à des modulateurs de lumière spatiaux qui façonnent la lumière en hologrammes 3D, les chercheurs peuvent contrôler individuellement de nombreux neurones répartis dans une région tridimensionnelle d'un cerveau in vivo. Mais jusqu'à présent, il n'existait pas de projecteur holographique capable de contrôler les neurones aux vitesses trouvées naturellement dans le cerveau.

Le Dr Muller conçoit et construit un projecteur holographique pour résoudre ce problème. Son appareil diffusera des images lumineuses holographiques à des taux de 10 000 images par seconde (Hz). De nombreux téléviseurs de la génération actuelle actualisent 60 images par seconde, à titre de comparaison, et les outils holographiques les plus rapides disponibles dans le commerce atteignent 500 Hz. Ce taux de rafraîchissement élevé est nécessaire pour reproduire la signalisation neuronale naturelle, qui implique des temps de potentiel d'action d'environ 1/1 000e de seconde (équivalent à 1000 Hz lorsque l'on considère les taux de rafraîchissement.) De plus, Muller vise à cibler des milliers de neurones avec une précision extrême, et tout comme les taux plus élevés des téléviseurs donnent des images plus nettes, un hologramme de 10 000 Hz offrira une plus grande précision.

Le Dr Muller, un ingénieur électricien qui se concentre sur la neurotechnologie, consulte régulièrement des neuroscientifiques pendant qu'elle conçoit, teste et construit l'appareil pour s'assurer qu'il répond à leurs besoins. L'appareil utilisera un réseau de micromiroirs, qui sculptera des motifs 3D de lumière à des endroits et à des profondeurs spécifiques grâce à l'actionnement électrique de miroirs miniatures; la lumière est ensuite relayée à travers une série de lentilles. Le projet concevra et fabriquera d'abord deux tableaux - un plus petit tableau pour les tests et la preuve de concept, et un tableau de plus grand format, ainsi que les pilotes et commandes associés qui seront utilisés pour la mesure et l'étalonnage. Enfin, l'équipe du Dr Muller produira un modulateur de lumière spatial complet. On espère que cet outil donnera aux chercheurs une capacité sans précédent de contrôler et de tester la connectivité neuronale.

Gilad Evrony, MD, Ph.D., Professeur adjoint, Centre de génétique humaine et de génomique, Depts. de pédiatrie, neurosciences et physiologie, Langone Health de l'Université de New York

"TAPISSERIE: Une technologie multi-omique monocellulaire pour le traçage haute résolution par lignage du cerveau humain"

Il est de notoriété publique que chaque être humain commence par une seule cellule avec un seul ensemble d '«instructions» d'adn, mais les détails de la transformation de cette cellule en trillions - y compris les dizaines de milliards de cellules du cerveau - sont encore largement inconnus. Les recherches du Dr Evrony visent à développer une technologie appelée TAPESTRY, qui pourrait éclairer ce processus en créant un "arbre généalogique" des cellules cérébrales, montrant quelles cellules progénitrices sont à l'origine des centaines de types de cellules matures dans le cerveau humain.

La technologie pourrait résoudre certains des problèmes clés auxquels sont confrontés les chercheurs qui étudient le développement du cerveau humain. La méthode clé pour étudier le développement en traçant des lignées (introduire des marqueurs dans des cellules d’animaux immatures, puis étudier la manière dont ces marqueurs sont transmis à leur descendance) est impossible chez l’homme car elle est envahissante. Les travaux antérieurs du Dr Evrony avec ses collègues ont montré que des mutations naturelles peuvent être utilisées pour tracer des lignées dans le cerveau humain. TAPESTRY vise à faire progresser et à adapter cette approche en résolvant plusieurs limitations des méthodes actuelles. Premièrement, le traçage de la lignée nécessite une isolation et une amplification plus fiables des quantités infimes d’ADN de cellules individuelles. Deuxièmement, une compréhension détaillée du développement du cerveau humain doit être rentable pour permettre de profiler des milliers ou des dizaines de milliers de cellules individuelles. Enfin, il faut également cartographier les phénotypes de cellules - non seulement pour voir à quel point les cellules sont liées, mais aussi quel type de cellules elles sont. TAPESTRY cherche à résoudre ces problèmes.

L'approche du Dr Evrony s'applique à toutes les cellules humaines, mais présente un intérêt particulier pour les troubles cérébraux. Une fois que les lignages cérébraux sains sont cartographiés, ils peuvent servir de base pour voir en quoi le développement cérébral diffère chez les personnes souffrant de divers troubles susceptibles de survenir au cours du développement, tels que l'autisme et la schizophrénie.

Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D., Professeur adjoint, département des sciences biomédicales, Université Marquette

«Imagerie panoptique rapide des volumes du cerveau par stéréoscopie quadrangulaire à horodatage»

Les techniques modernes d'imagerie optique du cerveau permettent l'observation d'une fine couche du cerveau, mais l'imagerie de nombreuses activités cérébrales dans un espace tridimensionnel - tel qu'un volume de cerveau - s'est avérée décourageante. Le Dr Savtchouk a développé une approche qui permet aux chercheurs de voir ce qui se passe non seulement à la surface du cerveau, mais aussi à une résolution spatio-temporelle bien plus élevée que jamais.

Le processus central - la microscopie à deux photons - détecte l'activité cérébrale en recherchant la fluorescence dans les cellules cérébrales génétiquement modifiées d'animaux de laboratoire. Avec un seul laser, les informations de profondeur sont enregistrées très lentement. Avec deux faisceaux laser, les chercheurs ont essentiellement une vision binoculaire - ils peuvent voir ce qui est proche et plus éloigné, mais il existe toujours des "ombres" visuelles où rien ne peut être vu (par exemple, quand une personne regarde un bord d’échiquier, certaines pièces peut être bloqué par des pièces plus proches.) Le Dr Savtchouk résout ce problème en ajoutant deux faisceaux laser supplémentaires, ce qui donne une vision quadruplée et réduit considérablement les angles morts. Il est également en train de séquencer la synchronisation des lasers - qui impulsent rapidement - afin que les chercheurs sachent quel laser a vu quelle activité, essentielle à la création d'un modèle tridimensionnel précis.

Le projet de M. Savtchouk consiste tout d'abord à concevoir le système à l'aide de simulations sur ordinateur, puis à en démontrer l'application avec des modèles de souris. Son objectif est de développer des moyens de mettre à jour les microscopes à deux photons existants en ajoutant des faisceaux laser et en mettant à niveau le matériel et les logiciels, permettant ainsi aux laboratoires de bénéficier de la technologie sans avoir à payer pour un nouveau système.

Michale S. Fee, Ph.D., Glen V. et Phyllis F. Dorflinger Professeur de neuroscience informatique et des systèmes, Département des sciences du cerveau et de la cognition, Massachusetts Institute of Technology; et chercheur, Institut McGovern de recherche sur le cerveau

«Nouvelles technologies pour l'imagerie et l'analyse des trajectoires neuronales d'état-espace chez les petits animaux à comportement libre»

L'étude de l'activité neuronale dans le cerveau des animaux est un défi de longue date pour les chercheurs. Les approches actuelles sont imparfaites: la taille actuelle des microscopes impose de limiter l'activité des animaux et ces microscopes offrent un champ de vision limité des neurones. En réalisant des percées dans la miniaturisation au microscope, le Dr Fee et son laboratoire développent les outils nécessaires pour voir ce qui se passe dans le cerveau d'un animal alors que celui-ci est libre de se comporter de manière naturelle.

Le microscope monté sur la tête permet au Dr Fee d’observer des changements dans le cerveau des oiseaux juvéniles qui apprennent à chanter leurs chansons. Pendant qu'ils écoutent, répètent et apprennent, le Dr Fee documente les circuits neuronaux qui se développent dans le cadre de ce processus d'apprentissage complexe. Ces circuits sont liés aux circuits humains qui se forment lors de l’apprentissage complexe de séquences motrices, comme l’apprentissage du vélo, et sont perturbés dans certaines conditions, notamment la maladie de Parkinson. Étant donné son objectif de documenter un processus d’apprentissage naturel, il est d’une importance vitale de pouvoir enregistrer l’activité neurale lors de comportements naturels.

Outre la miniaturisation, le nouveau microscope pourra enregistrer un ordre de grandeur supérieur à celui des autres techniques utilisées sur des animaux à comportement normal et sera associé à une nouvelle analyse de données qui permettra aux chercheurs d'effectuer des observations en temps réel et d'ajuster leur expériences, accélérant le processus de recherche. Il aura des applications immédiates et étendues pour les chercheurs qui explorent toutes sortes de comportements cérébraux chez les petits animaux.

Marco Gallio, Ph.D., Professeur adjoint, Département de neurobiologie, Université Northwestern

"Re-câblage des connexions dans le cerveau vivant"

Cette recherche vise à approfondir notre compréhension du fonctionnement du cerveau en permettant aux scientifiques d'élaguer de manière sélective les connexions synaptiques et d'encourager de nouvelles connexions entre neurones. Ce recâblage du cerveau permettra aux chercheurs de comprendre plus précisément quelles connexions jouent un rôle dans des sous-ensembles spécifiques d’effets neurologiques.

Chaque neurone dans un circuit cérébral se connecte à plusieurs cibles. Chaque cible peut avoir une fonction unique et donc traiter les mêmes informations entrantes d’une manière complètement différente. Par exemple, certains neurones du cerveau des mouches des fruits contiennent des informations sur l'environnement externe, qui sont utilisées pour s'éloigner rapidement des menaces imminentes (un comportement inné), mais également pour produire des associations durables par le biais de l'apprentissage.

La technologie proposée permettra aux chercheurs d'identifier les connexions critiques pour chaque processus en supprimant sélectivement les synapses des centres d'apprentissage tout en laissant intactes toutes les autres connexions. Le projet vise à utiliser le génie génétique pour produire des protéines de synthèse capables de modérer la répulsion ou l'attraction / l'adhésion entre partenaires synaptiques génétiquement définis dans le cerveau intact d'animaux vivants. En plus de prouver que ce type de recâblage des cerveaux est possible, la recherche aboutira à de nouvelles souches de mouches des fruits dotées d'une génétique unique pouvant être immédiatement partagées avec d'autres chercheurs. De par leur conception, ces outils peuvent être facilement modifiés pour être utilisés dans n'importe quel modèle animal ou appliqués à différentes parties du cerveau, permettant ainsi à une nouvelle catégorie d'études neurologiques d'avoir de profondes implications pour notre compréhension du fonctionnement du cerveau humain.

Jose M. Carmena, Ph.D., Professeur au Département de génie électrique et de sciences informatiques et à l'Institut Helen Wills Neuroscience de l'Université de Californie à Berkeley

Michel M. Maharbiz, Ph.D., Professeur, Département de génie électrique et de sciences informatiques, Université de Californie à Berkeley

Neural Dust: une technologie ultra-miniature ultra-puissante et ultra-sons pour des enregistrements neuronaux totalement sans fil et non attachés dans le cerveau

Drs. Carmena et Maharbiz collaborent à la création de la prochaine génération d'interfaces cerveau-machine (IMC) à l'aide de capteurs dits «à poussière neurale», des capteurs à ultrasons implantables de taille réelle qui pourraient éliminer le besoin de fils traversant le crâne et permettre pour un enregistrement cortical sans fil en temps réel, non attaché. Alors que des chercheurs de leurs laboratoires ainsi que d'autres collègues du département de génie électrique et informatique de l'Université de Californie à Berkeley et du Helen Wills Neuroscience Institute étudient le potentiel de la technologie de la poussière neurale appliquée aux muscles et au système nerveux périphérique, financement de McKnight permettra aux chercheurs d’appliquer le concept au système nerveux central, une méthode qui, selon eux, pourrait révolutionner la neurologie de la même façon que le stimulateur cardiaque a révolutionné la cardiologie. Grâce à l'utilisation en boucle fermée de la technologie des poussières neuronales, Carmena et Maharbiz envisagent un avenir dans lequel le cerveau pourrait être formé ou traité pour retrouver une fonctionnalité normale après une blessure ou l'apparition d'une maladie neuropsychologique.

Ali Gholipour, Ph.D., Professeur adjoint en radiologie, Harvard Medical School; Directeur de la recherche translationnelle en radiologie et membre du personnel scientifique du laboratoire de radiologie informatique du Boston Children's Hospital

Technologie d'imagerie robuste au mouvement pour l'analyse quantitative du développement précoce du cerveau 

Le mouvement des fœtus, des nouveau-nés et des tout-petits constitue un défi particulier pour les chercheurs qui se concentrent sur l'imagerie avancée pour analyser le développement précoce du cerveau et identifier les perturbations possibles. Le groupe de recherche du Dr Gholipour au sein du laboratoire de radiologie informatique du Boston Children's Hospital travaille au développement, à l'évaluation et à la diffusion d'une nouvelle technologie et d'un logiciel d'imagerie par résonance magnétique (IRM) robustes en mouvement qui permettront aux chercheurs d'étudier et de caractériser et la structure et le fonctionnement du cerveau de la petite enfance. De nouveaux outils d’imagerie et d’analyse d’images peuvent améliorer considérablement la capacité de la communauté des neurosciences à collecter et analyser des données volumineuses afin d’améliorer la compréhension du développement cérébral précoce et d’établir un lien plus clair avec les troubles susceptibles de survenir aux premiers stades de la vie.

Narayanan (Bobby) Kasthuri, Ph.D., MD, Laboratoires nationaux de l'Université de Chicago et de l'Argonne

Brain-X: cartes à l'échelle nanométrique de l'intégralité du cerveau à l'aide de rayons X à haute énergie basés sur le synchrotron

Le laboratoire du Dr Kasthuri utilise des rayons X à haute énergie pour créer des cartes complètes du cerveau. Les piles d'images générées génèrent des quantités énormes de données pouvant être segmentées pour identifier l'emplacement de chaque neurone, vaisseau sanguin et composant du cerveau. En générant des cartes de souris et de cerveaux humains en bonne santé, les scientifiques peuvent les comparer à des échantillons pathologiques afin de mieux comprendre les différences cellulaires et ultimement synaptiques dans les cerveaux malades atteints d'autisme, de diabète et d'accident vasculaire cérébral, entre autres maladies.

Stephen Miller, Ph.D., École de médecine de l'Université du Massachusetts

Surmonter les obstacles à l'imagerie dans le cerveau

L'imagerie dans le cerveau est difficile, car de nombreuses sondes moléculaires sont incapables de franchir la barrière hémato-encéphalique. Le Dr Miller et son laboratoire ont trouvé des moyens d'améliorer l'imagerie dans les tissus profonds du cerveau en exploitant les propriétés bioluminescentes de la luciole. L'équipe de Miller a modifié le substrat naturel de la luciférine pour luciole afin d'accroître sa capacité à accéder au cerveau d'animaux vivants. La lueur du cerveau peut être utilisée pour détecter l’expression génique, l’activité enzymatique, surveiller la progression de la maladie ou évaluer l’efficacité de nouveaux médicaments.

Long Cai, Ph.D., Institut de technologie de Californie

Décrypter les bases moléculaires de l'identité cellulaire dans le cerveau en séquençant FISH

Le laboratoire de Cai a développé une méthode d'imagerie de grande puissance basée sur «l'hybridation in situ à la fluorescence d'une molécule unique», ou smFISH, qui permet d'examiner l'information génétique (par exemple, l'ARN) dans les cellules. Il cherche maintenant à adapter cette méthode pour profiler l'expression des gènes directement dans le cerveau à la même résolution élevée en utilisant FISH séquentiel (seqFISH).

Cynthia Chestek, Ph.D., Université du Michigan

Haute densité 90μmmatrice de microthread de carbone de poix pour enregistrer chaque neurone de la couche 5

Le laboratoire de Chestek développe un moyen d'enregistrer et de visualiser des neurones actifs, interconnectés et en bonne santé sur une période de temps et à une densité plus grande que jamais auparavant. À l'aide d'électrodes minuscules en fil de carbone, elle envisage d'enregistrer les neurones dans un cerveau de rat à partir d'une série de canaux, puis de trancher le cerveau pour visualiser l'ensemble du circuit. L'objectif est d'obtenir un réseau de 64 canaux pouvant être observé à haute densité à l'aide d'un connecteur de neuroscience classique.

Spencer Smith, Ph.D., Université de Caroline du Nord à Chapel Hill

Imagerie multiphotonique pour les gros volumes cérébraux

Les neurones individuels agissent ensemble de manière complexe pour façonner les pensées et les comportements. L'imagerie multiphotonique, qui peut résoudre des neurones individuels à partir de quelques millimètres, semble offrir un moyen innovant d'étudier ce processus. S'appuyant sur des recherches antérieures sur la microscopie à deux photons, le laboratoire de Spencer cherche à créer un système optique personnalisé permettant d'accéder à 1 million de neurones tout en maintenant la capacité d'observer les neurones individuellement.

Juan Carlos Izpisua Belmonte, Ph.D., Institut Salk d'études biologiques

Dérivation, caractérisation et modification génétique de lignées de cellules germinales primordiales de marmouset communes dans de nouvelles conditions

Le laboratoire Izpisua Belmonte travaille à raccourcir le temps nécessaire pour développer des modèles animaux de primates non humains, en particulier les ouistitis. Belmonte a développé une stratégie pour faciliter la génération de modèles de ouistitis transgéniques utilisant des cellules germinales primordiales (PGC). La recherche peut potentiellement offrir un nombre illimité de ressources cellulaires pour étudier le développement des cellules germinales de primates dans une boîte. Combinée aux outils d'édition du génome, cette approche peut aider à créer de nouveaux modèles animaux pour les maladies humaines.

Sotiris Masmanidis, Ph.D., Université de Californie, Los Angeles

Microsondes de silicium pour la surveillance de la dynamique cérébrale de moyenne échelle

Le laboratoire Masmanidis développe des dispositifs micro-usinés à base de silicium, ou microsondes, qui peuvent être largement diffusés grâce à la production en série et qui peuvent enregistrer plusieurs neurones à la fois, à une résolution de plusieurs millisecondes. Les microsondes permettront à Masmanidis d’étudier l’interaction de plusieurs cellules du cerveau pendant le comportement et l’apprentissage. En outre, son laboratoire sera un pionnier des techniques d'identification précise des emplacements d'enregistrement, améliorant ainsi la précision de la cartographie de l'activité cérébrale.

Kate O'Connor-Giles, Ph.D., L'universite de Wisconsin-Madison

Une boîte à outils CRISPR / Cas9 pour une analyse complète des circuits neuronaux

O'Connor-Giles cherche à développer des boîtes à outils modulaires pour identifier de manière moléculaire et obtenir le contrôle génétique des sous-types neuronaux. Ces boîtes à outils fourniront des ressources essentielles pour caractériser les contributions fonctionnelles des gènes à l'identité neuronale et des sous-types neuronaux au comportement. Le laboratoire O'Connor-Giles utilisera ces mêmes technologies pour comprendre comment les neurones se connectent ensemble au cours du développement. Les travaux s'appuient sur le récent succès du laboratoire en adaptant la technologie d'ingénierie du génome CRISPR / Cas9 à la mouche des fruits.

Thomas R. Clandinin, Ph.D., Université de Stanford

Une méthode génétique pour cartographier les réseaux neuronaux définis par les synapses électriques

La plupart des recherches sur les circuits cérébraux ont porté sur les synapses chimiques, qui sont plus faciles à étudier que les synapses électriques. Mais cette image incomplète du câblage cérébral entrave les efforts pour comprendre les changements dans l'activité cérébrale. Clandinin propose de développer une méthode génétique généralisable pour déterminer quels neurones se connectent électriquement à d'autres. À la fin de la période de subvention de deux ans, il espère disposer d’un ensemble d’outils permettant de lutter contre les mouches, ainsi que d’une étude des connexions électriques spécifiques dans le cerveau de la mouche et d’outils analogues prêts à être testés chez la souris.

Matthew J. Kennedy, Ph.D., et Chandra L. Tucker, Ph.D., Université du Colorado - Denver

Outils optiques pour manipuler les synapses et les circuits

L'optogénétique est un domaine relativement nouveau qui implique le contrôle de la fonction neuronale par la lumière. Kennedy et Tucker espèrent élargir leur champ d'action en mettant au point de nouveaux outils permettant aux utilisateurs d'utiliser la lumière pour contrôler les processus en aval neuronaux, en se concentrant sur les molécules de signalisation importantes pour la formation, l’élimination et la plasticité des synapses. Ils prévoient également de développer des outils permettant aux utilisateurs de manipuler les voies de signalisation moléculaires fondamentales responsables de l'apprentissage et de la mémoire dans le cerveau.

Zachary A. Knight, Ph.D., Université de Californie - San Francisco

Séquençage neuromodulation avec des ribosomes modifiés

Le cerveau des mammifères contient des centaines de types de cellules neurales, chacune avec des schémas distincts d'expression génique. Le laboratoire de Knight est en train de créer des outils permettant de cartographier les événements biochimiques du cerveau de la souris sur cette diversité moléculaire de cellules. Il développera des méthodes de capture d’ARN permettant de déterminer l’identité moléculaire des cellules sous-jacentes. Ces outils permettront aux neuroscientifiques d'identifier les neurones spécifiques modulés lors de changements de comportement, de physiologie ou de maladie. Ces cellules identifiées peuvent ensuite être manipulées génétiquement pour comprendre leur fonction.

Don B. Arnold, Ph.D., Professeur associé de biologie moléculaire et informatique à l'Université de Californie du Sud

Ablation Des Intrabodies - Outils D'ablation Directe De Protéines Endogènes

Les protéines sont continuellement fabriquées et dégradées dans le cerveau. Le Dr Arnold travaille sur des outils permettant aux scientifiques de manipuler le processus de dégradation des protéines pour la recherche biomédicale. Ces outils, connus sous le nom d'ablation des intracorps, peuvent permettre la dégradation rapide, efficace et spécifique des protéines. Une protéine peut être dégradée pour tester sa fonction dans des cellules normales ou pour étudier les effets néfastes d'une protéine pathologique particulière - dans le cadre d'une maladie neurodégénérative, par exemple. Actuellement, les scientifiques ne peuvent provoquer l'ablation de protéines que de manière indirecte, en supprimant le gène ou l'ARN qui code pour la protéine. L'ablation des intracorps provoque la dégradation directe des protéines cibles et donc beaucoup plus rapidement. Ils peuvent également cibler des protéines dans des conformations particulières ou des modifications spécifiques post-traductionnelles. Le Dr. Arnold testera l'utilisation d'ablations intra-corporelles en manipulant le contenu en protéines des sites postsynaptiques afin d'étudier la fonction synaptique, l'homéostasie et la plasticité dans le cerveau. La recherche, si elle réussit, pourrait avoir une large application dans les sciences biomédicales.

James Eberwine, Ph.D., Professeur de pharmacologie et Ivan J. Dmochowski, Professeur agrégé de chimie, Université de Pennsylvanie

TIVA-tag permet la véritable génomique des systèmes neuronaux

Bien qu'il soit possible depuis plusieurs années d'étudier l'expression des gènes dans des cellules individuelles dans des cultures de laboratoire, des progrès continus en neurobiologie exigent la capacité d'examiner la fonction génétique et la régulation au niveau des systèmes, dans des tissus intacts ou des organismes vivants. Drs. Eberwine et Dmochowski travaillent sur une méthode d'isolement de l'ARN à partir de cellules vivantes par le biais d'une approche qu'ils ont expérimentée, appelée TIVA-tag (pour l'analyse de transcriptome in vivo). Au cours de la période de subvention, ils prévoient d'adapter la chimie des composés à étiquette TIVA afin de collecter l'ARN des cellules avec une spécificité, une efficacité et une lésion des tissus supérieures à celles précédemment possibles. À la fin de la période de subvention, ils entendent avoir établi l’approche TIVA-tag en tant que méthodologie viable pour la génomique au niveau des systèmes.

Doris Tsao, Ph.D., Professeur adjoint de biologie, California Institute of Technology, et William J. Tyler, Ph.D., Professeur adjoint à l'Institut de recherche Virginia Tech Carilion, École des sciences et du génie biomédicaux

Modulation fonctionnelle des circuits cérébraux intacts du primate par ultrasons pulsés

Les neurosciences manquent d’un outil pour stimuler de manière non invasive des locus 3D spécifiques n’importe où dans le cerveau humain. Des travaux antérieurs du Dr Tyler ont montré que la neuromodulation par ultrasons peut stimuler de manière non invasive des neurones dans le cerveau de souris vivant. L'étape suivante consiste à caractériser l'impact des ultrasons sur un primate non humain, le macaque, dont le cerveau est plus gros et plus complexe que celui de la souris. Les chercheurs envisagent d'observer les réponses neuronales, le débit sanguin cérébral et le comportement des animaux lors d'une neuromodulation par ultrasons focalisée. En fin de compte, les Drs. Tsao et Tyler souhaitent mettre au point un moyen d'utiliser des ultrasons pour stimuler des zones spécifiques du cerveau humain, ce qui fournira un nouvel outil puissant pour comprendre les circuits cérébraux chez l'homme et offrira de nouvelles stratégies pour traiter les maladies neurologiques et psychiatriques envahissantes.

Samuel S.-H. Wang, Ph.D., Professeur associé de biologie moléculaire, Université de Princeton

Transcendant les limites dynamiques des indicateurs de calcium génétiquement codables

Les protéines fluorescentes qui changent de luminosité lorsque les cellules cérébrales sont actives sont utiles pour observer l'activité neurale sous-jacente à la perception, à la mémoire et à d'autres processus cognitifs. Les versions actuelles de ces protéines ne répondent que lentement, à des échelles de temps d'une seconde ou plus. Le laboratoire du Dr Wang est en train de redéfinir ces protéines pour répondre plus rapidement et pour une gamme d'activités plus étendue. Combinées à des méthodes optiques avancées, ces avancées permettront de suivre de petites parties du tissu cérébral de la même manière que l'imagerie par IRMf suivra tout le cerveau - avec l'avantage que la nouvelle méthode permettra aux chercheurs de voir des cellules uniques et des changements se produisant en quelques millisecondes. Cette recherche s'inscrit dans le cadre d'un effort plus vaste des neuroscientifiques visant à développer des technologies permettant d'étudier les réseaux du cerveau pendant l'apprentissage d'un animal ou de voir ce qui ne va pas chez les animaux présentant des anomalies neurologiques.

Sandra Bajjalieh, Ph.D., Professeur de pharmacologie à l'Université de Washington

Développer des biocapteurs pour la signalisation des lipides

Les modifications des lipides membranaires jouent un rôle dans la signalisation neuronale, mais les chercheurs ne peuvent pas encore suivre de manière fiable la production de lipides de signalisation. Bajjalieh prévoit de générer des capteurs pour suivre la génération de lipides de signalisation dans les cellules en temps réel. Elle créera des protéines qui se lient à deux lipides de signalisation en l’absence d’autres signaux et les utilisera pour développer des sondes fluorescentes permettant de suivre la localisation de ces lipides. Cette information permettra d'étendre l'approche à d'autres lipides.

Guoping Feng, Ph.D., Professeur de sciences du cerveau et cognitives, Institut de recherche sur le cerveau McGovern, Massachusetts Institute of Technology

Mise au point d'un outil moléculaire in vivo pour la manipulation génétique de microcircuits neuronaux à définition comportementale à l'aide de la détection coïncidence d'activité et de lumière

Pour étudier plus précisément comment le cerveau traite les informations, Feng développe un outil permettant de capturer des populations neuronales spécifiques activées par les comportements des animaux au cours d'une brève période définie par des impulsions lumineuses, et de sélectionner des cellules cérébrales pour une altération génétique en fonction de cette activité. Ces cellules peuvent ensuite être testées pour évaluer leur implication dans le comportement. En cas de succès, l'outil permettra aux neuroscientifiques de modifier génétiquement tout groupe de neurones activés par un comportement spécifique au cours d'une période définie avec précision.

Feng Zhang, Ph.D., Chercheur, Institut McGovern de recherche sur le cerveau; Membre principal du Broad Institute of MIT et de Harvard; Professeur assistant en sciences du cerveau et cognitives, Massachusetts Institute of Technology

Ingénierie génomique précise à l'aide des recombinases d'effet TAL de Designer

L'expression génétique est couramment utilisée pour identifier le type de neurone, mais la manipulation génétique conventionnelle est inefficace et se limite largement à la souris. Zhang travaille sur un moyen de modifier le génome des neurones en utilisant des gènes rapporteurs qui peuvent être introduits dans des cellules spécifiques et des circuits cérébraux. Cette technologie permettrait d'introduire des mutations humaines dans des modèles animaux afin de déterminer si des mutations génétiques sont à l'origine d'une maladie. La technologie réduira également le temps nécessaire pour générer un modèle animal.

Michael Berry II, Ph.D., Professeur associé de biologie moléculaire, Université de Princeton

Micropipette à pince microfabrique

Le laboratoire de Berry développera une micropipette de patch microfabriquée qui permettra de nouvelles expériences impossibles avec les micropipettes de patch en verre classiques, telles que la capacité de contrôler facilement l'environnement chimique des neurones par dialyse rapide. L’appareil sera également plus fiable et plus simple à utiliser que les micropipettes existantes, ce qui permettra d’économiser beaucoup de temps et d’efforts.

Robert Kennedy, Ph.D., Hobart H. Willard Professeur de chimie et professeur de pharmacologie, Université du Michigan

Surveillance in vivo de neurotransmetteurs à haute résolution spatiale et temporelle

Pour mesurer les neurotransmetteurs in vivo à une résolution spatiale et temporelle élevée, le laboratoire de Kennedy développe une sonde miniaturisée pouvant pénétrer dans n'importe quelle région du cerveau de la souris pour générer de petits échantillons à analyser à intervalles fréquents. Cette technologie offre une avancée potentielle pour les neurosciences, car de nombreux travaux génétiques et de nombreux modèles de maladies sont basés sur la souris.

Timothy Ryan, Ph.D., Professeur de biochimie, Weill Cornell Medical College

Développement d'un journaliste ATAP synaptique

Le laboratoire de Ryan développe un moyen plus précis de mesurer la concentration en ATP dans des compartiments neuronaux spécifiques et d'obtenir des informations dynamiques permettant de surveiller les niveaux d'ATP au cours d'une communication synaptique en cours. Cela devrait aider à déterminer si des déséquilibres énergétiques fondamentaux se manifestent dans diverses maladies et comment les réserves en ATP sont normalement régulées au niveau des synapses.

W. Daniel Tracey, Ph.D., Professeur d'anesthésiologie, de biologie cellulaire et de neurobiologie, centre médical de l'université de Duke

Rhabdovirus génétiquement codés pour la cartographie fonctionnelle du virus neuronalnectivité

Le laboratoire de Tracey développe un système d'expression de gènes viraux pour explorer les circuits neuronaux de la mouche des fruits. Le but est de l'utiliser pour manipuler génétiquement des cellules nerveuses, tracer leurs connexions et manipuler l'activité de neurones interconnectés. Si cela réussit avec les mouches à fruits, Tracey espère que les mêmes techniques seront utiles pour l’étude du cerveau des mammifères.

Joseph Fetcho, Ph.D., Professeur de neurobiologie et comportement, Université Cornell

Cartographie des modèles de connexions synaptiques in vivo

Il n'y a pas de moyen facile de révéler toutes les cellules nerveuses qui se connectent à une autre cellule tant qu'elles sont vivantes. En travaillant avec le poisson-zèbre, Fetcho propose d'utiliser des méthodes optiques, selon lesquelles tous les neurones connectés à une cellule nerveuse particulière deviendraient couleur, pour cartographier le schéma de câblage dans le système nerveux vivant intact. En fin de compte, une telle approche pourrait aider à révéler les schémas de câblage qui sous-tendent le mouvement et d'autres comportements.

Pavel Osten, MD, Ph.D., Professeur agrégé de neuroscience, laboratoire de Cold Spring Harbor

Anatomie automatisée à haut débit pour le cerveau de souris fluorescentes

Le projet de Osten cherche à aider à combler le fossé entre l'étude des fonctions cérébrales moléculaires et cellulaires et l'étude du cerveau entier. Utilisant une nouvelle technologie d'imagerie, il se concentre sur la cartographie des changements dans les circuits neuronaux chez des souris porteuses de mutations génétiques liées à l'autisme et à la schizophrénie. Il espère que la technologie fournira un moyen rapide et précis d’étudier de nombreux modèles génétiques de souris afin de mieux comprendre toute une gamme de maladies psychiatriques humaines.

Thomas Otis, Ph.D., Professeur de neurobiologie, École de médecine Geffen, Université de Californie à Los Angeles

Développement de méthodes optiques de surveillance de la tension dans des groupes de neurones neuroanatomiquement définis

Otis et ses collègues, dont le co-chercheur principal Julio Vergara, ont mis au point une technologie de capteur permettant de mesurer l'influx nerveux avec une grande fidélité grâce à de nouvelles méthodes optiques. La subvention vise à perfectionner leur méthode optique afin qu’elle puisse suivre l’activité neuronale dans de nombreux neurones simultanément.

Larry J. Young, Ph.D., William P. Timmie Professeur de sciences du comportement et de psychiatrie et chef de division, Centre des neurosciences du comportement, Centre de recherche sur le primat national de Yerkes

Mise au point de technologies transgéniques dans les campagnols des Prairies pour disséquer la génétique et les circuits neuronaux du lien social

L’étude des comportements sociaux complexes, tels que l’éducation maternelle et les liens sociaux, est limitée par la difficulté de manipuler l’expression génique pour apprendre comment des gènes spécifiques régulent le comportement social. Young a pour objectif de générer des campagnols des Prairies transgéniques, qui sont hautement sociaux, et d'identifier les gènes responsables des variations individuelles du comportement social. La recherche portera particulièrement sur des troubles tels que l'autisme et la schizophrénie.

Henry Lester, Ph.D., Institut de technologie de Californie

Canaux Ioniques Pour L'ingénierie Neuronale

Lester utilisera des canaux ioniques et des récepteurs pour comprendre comment les neurones sont connectés dans des circuits et comment ces circuits contrôlent le comportement. Il créera de nouveaux canaux récepteurs qui ne répondent qu'à un médicament, l'ivermectine, pouvant être administré dans le régime alimentaire d'un animal. Une fois que ces récepteurs seront développés, il sera possible d’étudier comment l’activation ou l’inhibition de neurones sélectionnés influence le comportement.

Charles M. Lieber, Ph.D., Université de Harvard

Réseaux de dispositifs nanoélectroniques pour la cartographie électrique et chimique de réseaux de neurones

Lieber prévoit de développer et de démontrer de nouveaux outils électrophysiologiques basés sur les nanotechnologies pour mesurer la signalisation électrique et biochimique à l'échelle des synapses naturelles, en utilisant des échantillons allant des réseaux de neurones cultivés au tissu cérébral. À long terme, ces outils pourraient constituer de nouvelles interfaces puissantes entre le cerveau et les prothèses neurales dans la recherche biomédicale et, à terme, le traitement.

Fernando Nottebohm Ph.D., Université Rockefeller

Développement d'une technique de fabrication d'oiseaux chanteurs transgéniques

L'étude de l'apprentissage vocal chez les oiseaux chanteurs constitue un excellent moyen d'explorer la manière dont les souvenirs sont stockés dans un cerveau complexe et comment les dommages causés au système nerveux central peuvent être réparés par le remplacement neuronal. Nottebohm cherche à développer un protocole pour la production efficace d'oiseaux chanteurs transgéniques afin de tester l'implication que des gènes individuels pourraient avoir dans l'apprentissage et la réparation du cerveau.

Dalibor Sames, Ph.D., et David Sulzer, Ph.D., Université Columbia

Développement de faux neurotransmetteurs fluorescents: nouvelles sondes pour la visualisation directe de la libération de neurotransmetteurs par des terminaux présynaptiques individuels

Sames et Sulzer ont mis au point des neurotransmetteurs faux fluorescents (FFN) qui agissent en tant que traceurs optiques de la dopamine et permettent au premier moyen de réaliser une image optique de la neurotransmission au niveau des synapses individuelles. En appliquant les AFN, Sames et Sulzer développeront de nouvelles méthodes optiques pour examiner les changements synaptiques associés à l'apprentissage ainsi que les processus pathologiques liés aux troubles neurologiques et psychiatriques tels que la maladie de Parkinson et la schizophrénie.

Paul Brehm, Ph.D., Université de la santé et des sciences de l'Oregon

Une nouvelle protéine fluorescente verte provenant d'échinodermes fournit un enregistrement à long terme de l'activité du réseau neuronal

Brehm explore une nouvelle façon d'imager l'activité cellulaire dans les tissus sains et malades. Il propose une alternative à la protéine fluorescente verte des méduses - le bioluminescent brittlestar Ophiopsila, dont la fluorescence prolongée dans les cellules nerveuses peut fournir un historique à long terme de leur activité cellulaire.

Timothy Holy, Ph.D., École de médecine de l'Université de Washington

Imagerie optique tridimensionnelle à haute vitesse de l'activité neuronale dans un tissu intact

Holy met au point des méthodes optiques permettant d’enregistrer simultanément de très grandes populations de neurones en utilisant de fines feuilles de lumière analysant rapidement le tissu cérébral en trois dimensions. En cas de succès, l’étude pourrait aider les scientifiques à observer la reconnaissance des formes et à apprendre au niveau cellulaire.

Krishna Shenoy, Ph.D., Université de Stanford

HermesC: système d'enregistrement neuronal continu pour primates à comportement libre

Le laboratoire de Shenoy cherche à en savoir plus sur l'action des neurones en développant un système d'enregistrement miniature, monté sur la tête et de haute qualité, destiné aux singes exerçant leurs activités quotidiennes. En cas de succès, ce travail créera un dispositif d'enregistrement capable de suivre des neurones individuels chez des singes se comportant pendant des jours et des semaines.

Gina Turrigiano, Ph.D., Université Brandeis

Cartographie de la position des protéines synaptiques à l'aide de la cryo-microscopie à fluorescence de super-résolution

Turrigiano et son collaborateur, David DeRosier, Ph.D., développeront des outils permettant de cartographier la manière dont les protéines synaptiques sont organisées en machines moléculaires capables de générer des mémoires et des fonctions cognitives. Si cela réussit, ils seront éventuellement en mesure de déterminer la désorganisation des synapses en cas de maladie.

Pamela M. England, Ph.D.,Université de Californie à San Francisco

Surveillance du trafic des récepteurs AMPA en temps réel

Le laboratoire d'Angleterre développera un nouvel ensemble d'outils moléculaires, basés sur des dérivés synthétiques de la philanthotoxine, qui pourraient être utilisés pour étudier le trafic à la surface des cellules du sous-type AMPA du récepteur du glutamate. L'objectif est de produire un ensemble de dérivés de toxines qui inactiveront les récepteurs AMPA avec des compositions de sous-unités spécifiques, permettant ainsi une étude pharmacologique du rôle de ces différentes classes de récepteurs AMPA dans des neurones vivants.

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

IRM fonctionnelle au niveau cellulaire avec des agents d'imagerie du calcium

Jasanoff explorera une nouvelle méthode d'imagerie fonctionnelle par résonance magnétique (IRMf), développée dans son laboratoire, basée sur des nanoparticules d'oxyde de fer qui produisent un contraste d'image lorsqu'elles s'agglomèrent. En cas de succès, la nouvelle méthode constituera une mesure plus directe de l'activité neuronale, avec le potentiel d'amélioration de la résolution spatiale et temporelle en IRMf.

Richard J. Krauzlis, Ph.D., et Edward M. Callaway, Ph.D., Institut Salk pour les études biologiques

Utilisation de vecteurs viraux pour sonder les circuits sensori-moteurs chez des primates non humains se comportant de la sorte

Krauzlis et Callaway développeront une méthode pour inactiver des sous-populations spécifiques de neurones dans des régions localisées du cortex cérébral de singe. En cas de succès, leur méthode permettra d’évaluer la manière dont des sous-populations spécifiques de neurones de différentes régions du cerveau fonctionnent dans des circuits afin de permettre à des fonctions cérébrales supérieures, telles que la perception, la mémoire et le contrôle sensori-moteur.

Markus Meister, Ph.D., Cal Tech

Enregistrement sans fil de trains de pics multi-neuronaux chez des animaux se déplaçant librement

Meister et ses collaborateurs, Alan Litke de l'Université de Californie à Santa Cruz et Athanassios Siapas de Caltech, vont concevoir un système de microélectrodes sans fil permettant l'enregistrement des signaux électriques neuronaux d'animaux en mouvement libre, sans fil. Combinant des technologies de miniaturisation et de matériaux légers, ce système devrait faciliter la mesure de la dynamique neuronale lors de comportements vraiment naturels, tels que creuser des terriers, grimper ou voler.

Karl Deisseroth, MD, Ph.D., Université de Stanford

Résolution non invasive et haute résolution temporelle de l'activité neuronale à l'aide d'un canal ionique photosensible de l'algue C. Reinhardtii

Le laboratoire de Deisseroth, y compris Edward Boyden, collaborateur postdoctoral, développera un nouvel outil, basé sur un canal ionique sensible à la lumière codé génétiquement à partir d'algues, afin de stimuler l'activité électrique dans des ensembles spécifiques de neurones éclairés. Leur objectif est de stimuler les potentiels d'action individuels avec une précision milliseconde et de contrôler quels neurones sont stimulés à l'aide de méthodes génétiques visant à cibler l'expression des protéines du canal.

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

Imagerie En Temps Réel De L'ARN Dans Les Neurones Vivants à L'aide De Petites Molécules Fluorescentes De Conditionnement

Le laboratoire de Jaffrey développera un système permettant la visualisation de l'ARN à l'aide de la microscopie à fluorescence à cellules vivantes. Sa technique est basée sur la construction de courtes séquences d'ARN qui se lient à un fluorophore et augmentent considérablement son émission de lumière. Le fluorophore est dérivé de celui utilisé dans la protéine fluorescente verte (GFP). L'objectif est de révolutionner l'étude de l'ARN de la même manière que la technologie GFP a révolutionné la visualisation des protéines.

Jeff W. Lichtman, MD, Ph.D., Université de Harvard Kenneth Hayworth, Campus de recherche Janelia Farm du Howard Hughes Medical Institute

Mise au point d'un tour ultramicrotome à collecte de bande automatique pour la reconstruction du cerveau à grande échelle

Hayworth et Lichtman développent un outil permettant de trancher et de collecter automatiquement des milliers de coupes de tissus pour une imagerie par microscopie électronique à transmission (MET). La reconstruction en coupe en série TEM est la seule technologie éprouvée capable de cartographier, au plus haut niveau de résolution, la connectivité synaptique exacte de tous les neurones dans un volume de tissu cérébral. Mais l'application est limitée car les sections ultrafines doivent être collectées manuellement. Cet outil automatiserait le processus, rendant la coupe en série accessible à de nombreux laboratoires et utile pour des volumes de tissus plus importants.

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

Imagerie Trafic De Neurones Par Microscopie Optique Et Electronique En Utilisant Le Biotine Ligase Marquage

Ting propose une technologie améliorée pour visualiser et quantifier le trafic de protéines membranaires. Elle a développé une technique de marquage hautement sélective basée sur des enzymes permettant de distinguer les molécules présentes sur les surfaces des neurones avant un stimulus de celles apparaissant après le stimulus. La distribution spatiale des molécules marquées peut alors être observée avec une imagerie optique et, avec certaines modifications, peut également être vue avec une résolution plus élevée avec une microscopie électronique.

EJ Chichilnisky, Ph.D., Institut Salk
AM Litke, Ph.D., Institut Santa Cruz de physique des particules

Sonder la rétine

Chichilisky, un neurobiologiste, et Litke, un physicien expérimental, collaborent sur une technologie permettant d'enregistrer et de stimuler l'activité électrique de centaines de neurones à la fois, à une fine échelle spatiale et temporelle. Cela leur permettra d'étudier comment de grandes populations de neurones traitent et encodent des informations pour contrôler la perception et le comportement. Ils envisagent d’abord d’étudier la rétine, puis d’autres systèmes neuronaux.

Daniel T. Chiu, Ph.D., Université de Washington

Livraison Résolue Dans Le Spatial Et Temporairement De Stimuli Aux Cellules Neuronales Simples

Les nanocapsules sont des "coquilles" extraordinairement petites pouvant contenir une molécule aussi petite qu'une molécule et la transmettre à une cible sélectionnée. Chiu développe et met au point de nouveaux types de nanocapsules et perfectionne celles qui existent pour étudier comment une seule cellule neuronale traite l'arrivée d'un signal à la surface de sa membrane. Les nanocapsules seront utiles pour cartographier les protéines de la surface cellulaire et déterminer comment les récepteurs envoient des signaux et déclenchent la transmission synaptique.

Susan L. Lindquist, Ph.D., Institut Whitehead pour la recherche biomédicale

Développement et utilisation de systèmes modèles de levure pour les maladies neurodégénératives et le criblage à haut débit

Lindquist propose d’examiner les maladies neurodégénératives en étudiant les gènes de la levure de boulangerie. En raison du grand succès que son laboratoire a utilisé la levure comme système modèle pour étudier la maladie de Parkinson, elle envisage d'étendre le modèle à deux autres classes de maladies: les tauopathies (y compris la maladie d'Alzheimer) et l'ataxie de spinocerebeller-3.

Daniel L. Minor, Jr., Ph.D., Université de Californie à San Francisco

Evolution dirigée des modulateurs de canaux ioniques à partir de bibliothèques naturelles et conçues

Minor travaille sur une nouvelle approche pour identifier les molécules qui bloquent ou ouvrent les canaux ioniques, les protéines qui sont la clé de la signalisation électrique dans le cerveau. Il étudiera des peptides naturels issus de créatures venimeuses et fabriquera des molécules ressemblant à des venins pour les tester. Créer des molécules qui imitent celles de la nature et les rendre largement disponibles accélérera la recherche de médicaments pouvant agir sur des canaux ioniques spécifiques.

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

Méthodes de délimitation des circuits du cerveau par microscopie électronique à balayage à coupes en série

Smith conçoit des outils permettant aux neurosciences de tirer parti de ce qu'il appelle le microscope du 21e siècle, inventé par son collaborateur, Winfried Denk, Ph.D., biophysicien à l'Institut Max Planck. Ils développent des méthodes automatisées de microscopie électronique à balayage en coupe série (S3EM) qui, pour la première fois, fourniront la capacité d'analyser des circuits cérébraux complets dans les moindres détails. Smith développe des moyens de colorer les tissus cérébraux pour analyse avec ce microscope et des outils informatiques pour analyser l'immense volume d'informations que les nouvelles techniques produiront.

Stuart Firestein, Ph.D., Université Columbia

Capteur optique génétiquement codé de tension membranaire

Firestein et son collaborateur, Josef Lazar, Ph.D., proposent de tester un nouveau type de protéine de détection de tension capable de détecter de très petits événements électriques et de visualiser simultanément les variations de tension dans un grand nombre de cellules. Cela favoriserait un niveau d'enquête sur le traitement de l'information dans le cerveau qui est actuellement hors de portée.

David Heeger, Ph.D., L'Université de New York

IRMf haute résolution

Heeger et son collaborateur, Souheil Inati, Ph.D., ainsi que les scientifiques John Pauly et David Ress de l'Université de Stanford, envisagent d'adopter une nouvelle approche pour améliorer la résolution spatiale de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) afin de lui permettre d'acquérir des données IRM trop couramment. à très haute résolution. L’équipe a pour objectif d’aider à résoudre certains des problèmes fondamentaux de l’IRM conventionnelle.

Paul Slesinger, Ph.D., École de médecine Mount Sinai / Icahn

Système de transfert d'énergie entre récepteurs G (GRET) pour la surveillance de la transduction du signal dans les neurones

La communication des cellules nerveuses est modulée lorsque des neurotransmetteurs chimiques se lient à des types spécifiques de récepteurs de neurotransmetteurs couplés aux protéines G (GPCR) qui, à leur tour, activent les protéines G. Pour étudier les changements dynamiques de l'activité des protéines G lors de la communication entre les cellules nerveuses, Slesinger propose de développer un détecteur fluorescent à base de protéines pour les protéines G, basé sur la propriété du transfert d'énergie par résonance de fluorescence (FRET).

Bernardo Sabatini, MD, Ph.D., École de médecine de Harvard

Outils optiques pour l'analyse de la traduction des protéines dans les compartiments neuronaux extrasomatiques

Pour explorer comment les neurones établissent des canaux de communication et comment le cerveau stocke et rappelle des informations, Sabatini développe des molécules qui émettent de la lumière lorsque les neurones fabriquent des protéines et un microscope pour visualiser le processus en profondeur dans le cerveau vivant.

Karel Svoboda, Ph.D., Laboratoire de Cold Spring Harbor

Régulation de la transmission synaptique in vivo avec une spécificité spatiale et temporelle élevée

Svoboda développe des outils moléculaires pour mieux comprendre comment les synapses organisent les circuits cérébraux.

Liqun Luo, Ph.D., Université de Stanford

Marquage De Neurones Simples Et Manipulation Génétique Chez La Souris

Luo travaille sur une méthode génétique permettant de manipuler et de tracer des neurones uniques chez des souris afin d'apprendre comment les réseaux de neurones sont assemblés au cours du développement puis modifiés par l'expérience.

A. David Redish, Ph.D .; Babak Ziaie, Ph.D.; et Arthur G. Erdman, Ph.D., Université du Minnesota

Enregistrement sans fil d'ensembles neuronaux chez des rats éveillés et se comportant bien

Les collaborateurs - un neuroscientifique, un ingénieur électricien et un ingénieur en mécanique - développent une méthode sans fil d’enregistrement de trains de pics neuronaux chez des rats éveillés qui se comportent afin d’améliorer la compréhension de l’apprentissage et du comportement.

Helen M. Blau, Ph.D., Université de Stanford

Livraison De Génie Minimalement Invasive Et Régulée Dans Le Système Nerveux Central

Le laboratoire de Blau étudie un nouveau moyen de transmettre des gènes thérapeutiques au système nerveux central, en utilisant des cellules de la moelle osseuse conçues avec des gènes capables de cibler la maladie.

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

Imagerie Fonctionnelle De Neurorécepteurs Dans Des Tranches De Cerveau Vivant Par Uncaging De Neurotransmetteurs à Deux Photons

Ellis-Davies développe des méthodes innovantes pour créer des images d'aspects de la fonction cérébrale jamais vus auparavant, en concevant une forme de neurotransmetteur qui reste biologiquement inerte jusqu'à son activation par un intense flash de lumière focalisée.

Dwayne Godwin, Ph.D., École de médecine de l’Université de Wake Forest

Dévoilement des chaînes de connectivité fonctionnelle avec l'ADN viral

En injectant de l'ADN viral aux cellules, en marquant chimiquement le virus et en retranchant sa propagation dans les cellules connectées, Godwin explore de nouveaux moyens de révéler comment les cellules nerveuses du cerveau envoient et reçoivent des messages.

Seong-Gi Kim, Ph.D., École de médecine de l'Université du Minnesota

Développement d'IRMf à résolution de colonnes basée sur la perfusion in vivo

Kim travaille à augmenter le pouvoir de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle afin d'étudier plus en détail l'activité cérébrale.

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

Chimie synthétique pour développer des capteurs de zinc pour sonder la signalisation neurochimique

Lippard synthétise de nouveaux capteurs fluorescents qui détecteront les ions zinc et l'oxyde nitrique dans les cellules vivantes et révéleront leur configuration spatiale.

Partha Mitra, Ph.D. et Richard Andersen, Ph.D., Institut de technologie de Californie

Mise au point de techniques d'enregistrement et de lecture en temps réel des codes de population dans la région pariétale

Mitra et Andersen utilisent des techniques mathématiques pour analyser l'activité d'ensembles de neurones, dans l'espoir de décoder la relation entre l'activité neuronale et le comportement.

William Newsome, Ph.D., et Mark Schnitzer, Ph.D., Faculté de médecine de l’Université de Stanford

Dynamique cérébrale in vivo étudiée avec la fibre optique et la tomographie par cohérence optique

Schnitzer et Newsome (lauréat d’un prix spécial de 50 000 dollars) étudient la dynamique du cerveau en localisant les sites d’enregistrement, en cartographiant la distribution des marqueurs moléculaires et en surveillant les schémas de l’activité cérébrale grâce à l’utilisation précise de la lumière.

Timothy Ryan, Ph.D., Weill Medical College de l’Université Cornell, et Gero Miesenböck, Ph.D., Memorial Sloan Kettering Cancer Center

Conception et application de la détection optique de l'activité synaptique à base de pH

Les scientifiques développent de nouveaux indicateurs fluorescents de l'activité synaptique basés sur la sensibilité aux changements d'acidité.

Daniel Turnbull, Ph.D., École de médecine de l'Université de New York

Imagerie in Vivo µMR De La Migration Neuronale Dans Le Cerveau De Souris

Turnbull travaille sur une nouvelle méthode d'imagerie pour visualiser la migration des neurones dans le cerveau de souris en développement, en marquant de nouveaux neurones et en les suivant chez des animaux intacts pendant plusieurs jours avec la micro-imagerie par résonance magnétique.

Michael E. Greenberg, Ph.D. et Ricardo E. Dolmetsch, Ph.D., Hôpital pour enfants de Boston

Nouvelles technologies pour l'étude du contrôle temporel et spatial de la transcription et de la traduction dans les neurones intacts

Les scientifiques développent une méthode pour visualiser l'activité des gènes dans les cellules nerveuses vivantes, en utilisant des amplificateurs moléculaires et la détection de la fluorescence, afin de voir comment les gènes se touchent.

Paul W. Glimcher, Ph.D., Université de New York

Neurosonographie expérimentale

Les recherches de Glimcher explorent les ultrasons de diagnostic pour permettre le placement précis d'électrodes d'enregistrement dans le cerveau de primates actifs et éveillés.

Leslie C. Griffith, MD, Ph.D., et Jeffrey C. Hall, Ph.D., Université Brandeis

Capteurs de transduction de signal en temps réel

Griffith et Hall développent des capteurs génétiques qui peuvent être introduits dans des cellules nerveuses individuelles de mouches des fruits vivantes afin de déterminer le moment où une cellule est recrutée pour jouer son rôle comportemental.

Warren S. Warren, Ph.D., Université de Princeton

Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle zéro quantique

L'initiative audacieuse de Warren cherche à renforcer l'IRMf, en augmentant sa résolution plus de 100 fois, ce qui lui permet de révéler les zones actives du cerveau de manière beaucoup plus détaillée et avec un meilleur contraste.