Il Consiglio di amministrazione del McKnight Endowment Fund for Neuroscience è lieto di annunciare di aver selezionato sei neuroscienziati per ricevere il McKnight Scholar Award 2019.
I McKnight Scholar Awards vengono assegnati a giovani scienziati che sono nelle prime fasi della creazione di propri laboratori indipendenti e della propria carriera di ricerca e che hanno dimostrato un impegno nei confronti delle neuroscienze. "La ricerca dei vincitori del premio McKnight Scholar di quest'anno esemplifica gli spettacolari progressi che vengono fatti all'avanguardia delle neuroscienze", afferma Kelsey C. Martin MD, Ph.D, presidente del comitato dei premi e preside della David Geffen School of Medicine all'UCLA. Da quando il premio è stato introdotto nel 1977, questo prestigioso premio di inizio carriera ha finanziato più di 235 ricercatori innovativi e stimolato centinaia di scoperte rivoluzionarie.
"Gli studiosi di quest'anno affrontano la biologia del cervello su più livelli di analisi in una varietà di organismi modello", afferma Martin. “Risolvendo la struttura molecolare delle proteine, chiarendo la biologia cellulare delle cellule cerebrali e analizzando i circuiti neurali alla base di comportamenti complessi, le loro scoperte promettono di fornire informazioni non solo sulla normale funzione cerebrale ma anche sulle cause e sulle potenziali terapie dei disturbi cerebrali”. . A nome dell’intero comitato, vorrei ringraziare tutti i candidati ai McKnight Scholar Awards di quest’anno per la loro eccezionale borsa di studio e la dedizione alle neuroscienze”.
Ciascuno dei seguenti sei destinatari del McKnight Scholar Award riceverà $75.000 all'anno per tre anni. Sono:
| Jayeeta Basu, Ph.D. Scuola di Medicina dell'Università di New York New York, New York |
Modulazione sensoriale corticale dell'attività dell'ippocampo e rappresentazione spaziale – Investigare come diversi input provenienti da diverse regioni del cervello legate allo spazio e ai sensi lavorano insieme per formare ricordi di esperienze. |
| Juan Du, Ph.D. Istituto di ricerca Van Andel, Grand Rapids, MI |
Meccanismo di regolazione dei recettori termosensibili nel sistema nervoso – Ricercare come funzionano i diversi recettori sensibili alla temperatura nei neuroni e come influenzano le reazioni al caldo e al freddo esterni e alla temperatura corporea interna. |
| Mark Harnett, Ph.D. Istituto di Tecnologia del Massachussetts Cambridge, MA |
Perturbante compartimentalizzazione dendritica per valutare i calcoli corticali di singoli neuroni – Studio del modo in cui i dendriti, le strutture di input dei neuroni simili ad antenne, contribuiscono al calcolo nelle reti neurali. |
| Weizhe Hong, Ph.D., Università della California – Los Angeles Los Angeles, CA |
Meccanismi del circuito neurale del comportamento materno – Ricerca sul ruolo dei circuiti cerebrali nel controllo dei comportamenti sociali, in particolare sulle funzioni di dimorfismo sessuale di questi circuiti cerebrali e sui loro cambiamenti dipendenti dall'esperienza. |
| Rachel Roberts-Galbraith, Ph.D. Università della Georgia Atene, GA |
Rigenerazione del sistema nervoso centrale nelle planarie – Uno studio sulla rigenerazione del sistema nervoso centrale in una straordinaria specie di verme piatto, che può far ricrescere perfettamente l’intero sistema nervoso dopo quasi ogni lesione. |
| Shigeki Watanabe, Ph.D. Università Johns Hopkins Baltimora, MD |
Approfondimenti meccanicistici sul rimodellamento delle membrane nelle sinapsi – Studiare il modo in cui i neuroni rimodellano le loro membrane in millisecondi per la trasmissione sinaptica, fondamentale per la velocità con cui funziona il sistema nervoso. |
C'erano 54 candidati ai McKnight Scholar Awards di quest'anno, che rappresentano la migliore giovane facoltà di neuroscienze del paese. I giovani docenti possono beneficiare del premio solo durante i primi quattro anni in una posizione di docente a tempo pieno. Oltre a Martin, il comitato di selezione degli Scholar Awards comprendeva Dora Angelaki, Ph.D., New York University; Gordon Fishell, Ph.D., Università di Harvard; Loren Frank, Ph.D., Università della California, San Francisco; Mark Goldman, Ph.D., Università della California, Davis; Richard Mooney, Ph.D., Scuola di Medicina della Duke University; Amita Sehgal, Ph.D., Facoltà di medicina dell'Università della Pennsylvania; e Michael Shadlen, MD, Ph.D., Columbia University.
Le domande per i premi del prossimo anno saranno disponibili a settembre e dovranno essere presentate all'inizio di gennaio 2020. Per ulteriori informazioni sui programmi di premi per le neuroscienze di McKnight, visitare il sito web del Fondo di dotazione all'indirizzo https://www.mcknight.org/programs/the-mcknight-endowment-fund-for-neuroscience
Informazioni sul fondo di dotazione McKnight per le neuroscienze
Il McKnight Endowment Fund for Neuroscience è un'organizzazione indipendente finanziata esclusivamente dalla Fondazione McKnight di Minneapolis, Minnesota e guidata da un consiglio di eminenti neuroscienziati provenienti da tutto il paese. La Fondazione McKnight sostiene la ricerca sulle neuroscienze dal 1977. La Fondazione ha istituito il Fondo di dotazione nel 1986 per realizzare una delle intenzioni del fondatore William L. McKnight (1887-1979). Uno dei primi leader della società 3M, aveva un interesse personale per la memoria e le malattie del cervello e voleva che parte della sua eredità fosse utilizzata per aiutare a trovare cure. Il Fondo di dotazione assegna tre tipi di premi ogni anno. Oltre ai McKnight Scholar Awards, ci sono i McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards, che forniscono fondi iniziali per sviluppare invenzioni tecniche per migliorare la ricerca sul cervello; e i McKnight Memory and Cognitive Disorders Awards, per gli scienziati che lavorano per applicare le conoscenze ottenute attraverso la ricerca di base ai disturbi del cervello umano che influenzano la memoria o la cognizione.
Premi McKnight Scholar 2019
Jayeeta Basu, Ph.D., Professore assistente, Istituto di Neuroscienze,
Scuola di Medicina dell'Università di New York, New York, NY
Modulazione sensoriale corticale dell'attività dell'ippocampo e rappresentazione spaziale
Il cervello può immagazzinare molte informazioni in una memoria, incluso dove è accaduto e in quale contesto sensoriale come immagini, suoni, odori, ricompense o punizioni. Il modo esatto in cui queste diverse informazioni sono collegate per formare ricordi episodici e come questi ricordi possono essere richiamati istantaneamente da segnali in futuro è la base della ricerca del dottor Basu. In particolare, la dottoressa Basu e il suo team indagheranno la relazione tra la corteccia entorinale e l'ippocampo nella formazione dei ricordi relativi ai luoghi.
Due parti della corteccia entorinale forniscono input diversi. La corteccia entorinale mediale (MEC) condivide informazioni spaziali come direzione, distanza e orientamento, mentre la corteccia entorinale laterale (LEC) fornisce informazioni contestuali dai sensi, inclusi odore, suono, novità e oggetti. Gli input di entrambi vengono inviati all’ippocampo e aiutano a formare ricordi cruciali di luoghi immagazzinati in gruppi specifici di “cellule di luogo” nel cervello, come dove trovare cibo o aree da evitare perché sono presenti predatori. Fondamentalmente, queste memorie del luogo e la mappa cognitiva dello spazio devono essere da un lato stabili di fronte ai cambiamenti ambientali come il tempo o l’ora del giorno e dall’altro flessibili, poiché il cibo o i predatori possono spostarsi. Si sa poco su quali informazioni siano sufficienti e necessarie per creare, mantenere e modificare questi ricordi, in particolare come questi siano modellati dalle informazioni sensoriali provenienti dalla LEC in associazione con le informazioni spaziali provenienti dalla MEC.
Il dottor Basu mira a mappare i circuiti coinvolti tra la LEC e specifici neuroni dell'ippocampo. Il suo laboratorio registrerà direttamente i segnali ricevuti dai sottili dendriti dei neuroni quando i segnali LEC vengono inviati con o senza segnali MEC e con diverse intensità di segnale. Una seconda serie di esperimenti con i topi metterà alla prova l’ipotesi che questi input LEC supportino la creazione di ricordi del luogo durante l’apprendimento: i segnali olfattivi attiveranno il comportamento per cercare ricompense in luoghi distinti. I ricercatori vedranno come l'attivazione o la disattivazione dei segnali LEC durante l'apprendimento o durante il richiamo influenza l'attivazione delle cellule posizionali nel cervello e il comportamento di apprendimento stesso. Questa ricerca potrebbe essere rilevante negli studi futuri sulla malattia di Alzheimer, sul disturbo da stress post-traumatico e su altre condizioni in cui vengono attivati la memoria e i “trigger” contestuali.
Juan Du, Ph.D., Professore assistente, Programma di biologia strutturale, Centro per il cancro e la biologia cellulare, Van Andel Research Institute, Grand Rapids, MI
- https://dulab.vai.org/
Meccanismo di regolazione dei recettori termosensibili nel sistema nervoso
Quando si tratta di rilevare e reagire ai cambiamenti di temperatura, sia esterni che interni, si sa poco dell’esatto meccanismo e processo. I recettori dei canali ionici sui neuroni si aprono o si chiudono per consentire il passaggio dei segnali e questi canali possono essere attivati da sostanze chimiche, processi meccanici o temperatura, ma non è chiaro cosa esattamente la temperatura faccia attivare i canali attivati dalla temperatura.
Il Dr. Du condurrà un progetto in tre parti per svelare i segreti di come le informazioni sulla temperatura vengono ricevute ed elaborate dal sistema neurale. Sta esaminando tre recettori particolari, uno che rileva le temperature fresche e fredde esternamente, uno che rileva il calore esterno estremo e uno che rileva le temperature calde nel cervello (per regolare la temperatura corporea). Identificherà innanzitutto le condizioni di purificazione per questi recettori in modo possono essere estratti e utilizzati in esperimenti di laboratorio e continuano a funzionare allo stesso modo dei recettori nel corpo.
Un secondo obiettivo è vedere quali strutture sui recettori vengono attivate dalla temperatura e capire come funzionano. Ciò includerà anche lo sviluppo di nuove terapie in grado di legarsi a queste strutture e regolarle. In terzo luogo, una volta comprese le strutture, verranno condotti esperimenti di validazione in cui i recettori verranno mutati per modificare o rimuovere la sensibilità alla temperatura, prima sulle cellule e poi nei topi, per vedere come le alterazioni dei recettori sensibili alla temperatura influiscono sul comportamento. Una volta compresa la funzione e la regolazione di questi recettori, si potrà aprire la strada a trattamenti per alcune malattie neurodegenerative, condizioni legate alla temperatura e persino alla gestione del dolore, poiché alcuni sensori sensibili alla temperatura sono legati alla trasmissione del dolore.
Mark Harnett, Ph.D., Professore assistente, Cervello e scienze cognitive, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA
Perturbare la compartimentalizzazione dendritica per valutare i calcoli corticali del singolo neurone
Il cervello può elaborare e agire su una quantità incredibile di informazioni grazie al modo in cui i neuroni sono collegati in rete. C’è ancora molto da imparare, tuttavia, su come funzionano i neuroni stessi. Il dottor Harnett sta studiando il ruolo dei dendriti – le strutture ad albero che si estendono dai neuroni dove vengono ricevuti i segnali da altri neuroni – per determinare se queste stesse sottostrutture conferiscano ai singoli neuroni il potere di eseguire calcoli più complessi di quanto generalmente si creda.
La saggezza convenzionale è che i neuroni ricevono dati da altri neuroni e, se i dati raggiungono una certa soglia, il neurone si attiva, trasmettendo l’informazione. Il dottor Harnett sta studiando come i dendriti stessi potrebbero anche filtrare o amplificare i segnali. Alcuni rami sono più vicini al soma (la parte di uscita del neurone) rispetto ad altri, quindi quale ramo riceve un segnale può influenzarne l'effetto. Inoltre, alcuni rami dei dendriti sembrano essere programmati per cercare e amplificare particolari tipi di segnali: ad esempio, un ramo potrebbe specializzarsi nel trasmettere segnali per stimoli visivi in rapido movimento e ad alto contrasto, ma non altri stimoli.
Il dottor Harnett sta esaminando i dendriti nel sistema visivo con strumenti elettrici e ottici precisi, per misurare come i segnali viaggiano lungo i rami dei dendriti e misurare come l'alterazione dei dendriti cambia il funzionamento del neurone. Queste perturbazioni permetteranno al dottor Harnett di testare se l'inibizione dei segnali su un ramo specifico di un dendrite cambia il modo in cui la rete neurale risponde a determinati stimoli visivi. Imparare che un singolo neurone è essenzialmente costituito da una propria rete di processori di segnale più piccoli cambierebbe la nostra comprensione di come il cervello elabora. Ciò potrebbe influenzare, tra l’altro, il modo in cui l’intelligenza artificiale, modellata sulle reti neurali, si evolverà negli anni a venire.
Weizhe Hong, Ph.D., Professore assistente, Dipartimenti di Chimica Biologica e Neurobiologia, Università della California, Los Angeles, CA
Meccanismi del circuito neurale del comportamento materno
Molti comportamenti sociali mostrano notevoli differenze sessuali nei loro livelli e forme e subiscono cambiamenti dipendenti dall'esperienza nel corso della vita degli animali. Un esempio importante è il comportamento genitoriale, che è un comportamento sociale prevalente condiviso in tutto il regno animale, dagli invertebrati agli esseri umani, ed è fondamentale per la sopravvivenza della prole. Il comportamento genitoriale spesso differisce notevolmente tra maschi e femmine e può subire cambiamenti drastici man mano che gli animali maturano e partoriscono. Tuttavia, i circuiti cerebrali alla base del comportamento genitoriale e le sue differenze tra sessi e stati fisiologici non sono ben definiti.
Un focus particolare del lavoro del dottor Hong sarà lo studio del ruolo di una regione del cervello evolutivamente conservata chiamata amigdala nel controllo del comportamento genitoriale. Mentre i topi femmine di solito si impegnano in comportamenti estesi di allevamento dei cuccioli, i topi maschi generalmente non mostrano comportamenti genitoriali fino alla nascita della loro prole. Le differenze di sesso e il cambiamento fisiologico nel comportamento genitoriale dei topi forniscono un'eccellente opportunità per comprendere i meccanismi neurali alla base della visualizzazione dimorfismo sessuale del comportamento genitoriale e delle sue transizioni dipendenti dallo stato fisiologico.
La ricerca identificherà popolazioni neuronali specifiche e molecolarmente definite che mediano il comportamento genitoriale. La ricerca confronterà anche i circuiti neurali nei maschi e nelle femmine per capire come l'attività neurale in questi neuroni regola il comportamento genitoriale. Questa ricerca fornirà informazioni chiave sulle basi neurali di un comportamento sociale essenziale e sui principi di base che governano i comportamenti sessualmente dimorfici. Tali intuizioni potrebbero anche migliorare la nostra comprensione della regolazione dei comportamenti genitoriali e sociali umani sia in salute che in malattia.
Rachel Roberts-Galbraith, Ph.D., Professore assistente, Dipartimento di Biologia Cellulare, Università della Georgia, Atene, GA
Rigenerazione del sistema nervoso centrale nelle planarie
Lo sviluppo di un sistema nervoso centrale in un animale è un processo notevolmente complesso. Rigenerare un sistema neurale danneggiato è ancora più complicato, poiché richiede l’attivazione di tutti gli stessi processi di sviluppo in un’area ma non in un’altra e il ricablaggio dei neuroni in modo che funzionino come prima. Gli esseri umani hanno una capacità rigenerativa del sistema nervoso centrale molto scarsa, quindi il danno al cervello o al midollo spinale è spesso irreversibile. Il dottor Roberts-Galbraith spera di capire di più su come avviene la riparazione neurale Potere lavorano ricercando la rigenerazione nelle planarie, un tipo straordinario di verme piatto che può far ricrescere l'intero sistema nervoso centrale (e il resto del suo corpo) anche dopo lesioni drammatiche.
Studiando la rigenerazione neurale di successo nel mondo naturale, il dottor Roberts-Galbraith spera di apprendere dettagli sul meccanismo della rigenerazione neurale e sul ruolo delle diverse cellule. Uno degli obiettivi è indagare se i neuroni siano in grado di rilevare lesioni e avviare autonomamente le riparazioni inviando segnali che innescano e dirigono la ricrescita. Il dottor Roberts-Galbraith ipotizza che i neuroni influenzino le cellule staminali planarie, che vengono reclutate per far ricrescere parti del sistema nervoso centrale (e altre parti del corpo). Il controllo accurato delle cellule staminali è fondamentale per la rigenerazione, poiché le planarie sostituiscono fedelmente i tessuti mancanti e non sviluppano mai tumori.
Un altro obiettivo è quello di esaminare il ruolo delle cellule gliali, che tradizionalmente sono state viste come il collante del sistema nervoso ma che possiedono chiaramente ruoli più significativi di quanto precedentemente riconosciuto. Le cellule gliali costituiscono gran parte del sistema nervoso degli animali e devono essere rigenerate insieme ai neuroni; è probabile che modulino anche la rigenerazione neuronale. La speranza è che questa ricerca possa fornire una maggiore comprensione di come la rigenerazione può avvenire nei casi di maggior successo e forse informare nuovi modi di pensare alla rigenerazione neurale negli esseri umani.
Shigeki Watanabe, Ph.D., Professore assistente di Biologia cellulare e Neuroscienze, Johns Hopkins University, Baltimora, MD
Approfondimenti meccanicistici sul rimodellamento della membrana nelle sinapsi
La velocità fulminea delle reti neurali ci consente di percepire, valutare e reagire al mondo che ci circonda. Inoltre ha richiesto che i neuroni sviluppassero alcune proprietà notevoli. Nella sua ricerca, il dottor Watanabe indagherà uno degli aspetti più notevoli: la capacità dei neuroni di rimodellare le loro membrane su una scala temporale di millisecondi per la comunicazione neuronale utilizzando processi non completamente compresi.
La membrana attorno a un neurone deve adattarsi per consentire al neurone di crescere, migrare e, soprattutto, consentire ad altre membrane di fondersi e separarsi durante la comunicazione neuronale. Nel processo in esame, una “bolla” di membrana chiamata vescicola sinaptica si fonde con la membrana neuronale, dopodiché un nuovo pezzo di membrana si gonfia essenzialmente verso l’interno e si stacca. Il meccanismo che si ritiene venga utilizzato, l'endocitosi mediata dalla clatrina, semplicemente non è abbastanza veloce da consentire la creazione e il riciclo di queste vescicole nella scala temporale in cui avviene la trasmissione sinaptica. Il dottor Watanabe ha scoperto un nuovo meccanismo, l'endocitosi ultraveloce, che gestisce il processo, ma la comprensione di come funziona è stata ostacolata dalle piccole dimensioni delle sinapsi e dalla rapida velocità di questo processo.
Il dottor Watanabe utilizzerà una tecnica chiamata microscopia elettronica flash-and-freeze per ricercare questo processo. I neuroni verranno stimolati con la luce – il flash – poi il processo verrà fermato appunto con il congelamento ad alta pressione a precisi intervalli di tempo microsecondi dopo la stimolazione. Le sinapsi congelate possono quindi essere visualizzate con un microscopio elettronico. Prendendo una serie di immagini congelate a diversi intervalli di tempo dopo la stimolazione, il dottor Watanabe creerà una visualizzazione passo passo del processo e identificherà le proteine coinvolte e cosa fanno. Ciò non solo consentirà una migliore comprensione di come funzionano i neuroni, ma avrà anche implicazioni per le malattie legate a una trasmissione neurale difettosa, come il morbo di Alzheimer.
