22 luglio 2019
Il McKnight Endowment Fund for Neuroscience (MEFN) ha annunciato i tre destinatari di $600.000 in sovvenzioni attraverso i MEFN Technology Awards 2019, riconoscendo questi progetti per la loro capacità di cambiare radicalmente il modo in cui viene condotta la ricerca sulle neuroscienze. Ciascuno dei progetti riceverà un totale di $200.000 nei prossimi due anni, facendo avanzare lo sviluppo di queste tecnologie rivoluzionarie utilizzate per mappare, monitorare e modellare la funzione cerebrale. I vincitori del 2019 sono:
- Gilad Evrony, MD, Ph.D. della Langone Health della New York University, che sta sviluppando nuove tecnologie fondamentali a cellula singola per mappare le mutazioni genetiche che si verificano naturalmente in un gran numero di singole cellule cerebrali umane al fine di tracciare i loro lignaggi e creare una sorta di "albero genealogico" dei diversi tipi di cellule del cervello.
- Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D., della Marquette University, il cui progetto prevede un modo per visualizzare l'attività cerebrale in tre dimensioni con una risoluzione molto più elevata e molto più velocemente di quanto fosse possibile prima, consentendo un'immagine più completa di ciò che sta accadendo nel cervello vivente che risponde agli stimoli.
- Nanthia Suthana, Ph.D., dell’Università della California, Los Angeles, il cui team sta sviluppando un protocollo per comunicare con determinati dispositivi impiantati nel cervello umano come parte di cure mediche e per acquisire dati sull'attività cerebrale profonda di esseri umani immersi in ambienti di realtà virtuale e realtà aumentata.
(Scopri di più su ciascuno di questi progetti di ricerca di seguito.)
Informazioni sui premi tecnologici
Da quando il premio Tecnologia è stato istituito nel 1999, il MEFN ha contribuito con più di 13,5 milioni di TP4T a tecnologie innovative per le neuroscienze attraverso questo meccanismo di premio. Il MEFN è particolarmente interessato al lavoro che adotta approcci nuovi e innovativi per migliorare la capacità di manipolare e analizzare le funzioni cerebrali. Le tecnologie sviluppate con il supporto di McKnight dovranno infine essere messe a disposizione di altri scienziati.
"Ancora una volta, è stata un'emozione vedere l'ingegnosità all'opera nello sviluppo di nuove neurotecnologie", ha affermato Markus Meister, Ph.D., presidente del comitato dei premi e professore di scienze biologiche Anne P. e Benjamin F. Biaggini al Caltech . “Quest’anno siamo stati particolarmente lieti di sponsorizzare diversi sviluppi mirati al cervello umano, da un metodo che traccia la linea genetica delle singole cellule nervose a un dispositivo per leggere e scrivere segnali neurali in pazienti che camminano liberamente”.
Il comitato di selezione di quest'anno comprendeva anche Adrienne Fairhall, Timothy Holy, Loren Looger, Mala Murthy, Alice Ting e Hongkui Zeng, che hanno scelto i McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards di quest'anno da un pool altamente competitivo di 90 candidati.
Le lettere di intenti per il premio Innovazioni tecnologiche 2020 dovranno essere consegnate lunedì 2 dicembre 2019. Un annuncio sul processo 2020 sarà pubblicato a settembre. Per ulteriori informazioni sui premi, visitare www.mcknight.org/programs/the-mcknight-endowment-fund-for-neuroscience/technology-awards
Premi McKnight per le innovazioni tecnologiche nelle neuroscienze 2019
Gilad Evrony, MD, Ph.D., Professore assistente, Centro di genetica umana e genomica, dipartimenti. di Pediatria e Neuroscienze e Fisiologia, Langone Health della New York University
“TAPESTRY: una tecnologia multi-omica a cellula singola per il tracciamento del lignaggio ad alta risoluzione del cervello umano”
È risaputo che ogni essere umano inizia come una singola cellula con un unico insieme di “istruzioni” del DNA, ma i dettagli di come quella cellula diventa trilioni – comprese le decine di miliardi di cellule nel cervello – sono ancora in gran parte sconosciuti. La ricerca del dottor Evrony è finalizzata allo sviluppo di una tecnologia chiamata TAPESTRY, che potrebbe illuminare questo processo costruendo un “albero genealogico” di cellule cerebrali, mostrando quali cellule progenitrici danno origine alle centinaia di tipi di cellule mature nel cervello umano.
La tecnologia potrebbe risolvere alcuni dei problemi chiave che devono affrontare i ricercatori che studiano lo sviluppo del cervello umano. Il metodo chiave per studiare lo sviluppo tracciando le linee genetiche (introducendo marcatori nelle cellule di animali immaturi e poi studiando come tali marcatori vengono trasmessi alla loro progenie) è impossibile negli esseri umani perché è invasivo. Il lavoro precedente del dottor Evrony insieme ai colleghi ha dimostrato che le mutazioni presenti in natura possono essere utilizzate per tracciare le linee genetiche nel cervello umano. TAPESTRY mira a far avanzare e ampliare questo approccio risolvendo diverse limitazioni dei metodi attuali. Innanzitutto, il tracciamento del lignaggio richiede un isolamento e un’amplificazione più affidabili delle piccole quantità di DNA delle singole cellule. In secondo luogo, una comprensione dettagliata dello sviluppo del cervello umano deve essere economicamente vantaggiosa per consentire la profilazione di migliaia o decine di migliaia di singole cellule. Infine, è necessario mappare anche i fenotipi delle cellule, non solo osservando quanto strettamente sono correlate tra loro, ma anche quali tipi di cellule sono. TAPESTRY cerca di risolvere queste sfide.
L'approccio del dottor Evrony è applicabile a tutte le cellule umane, ma è di particolare interesse per i disturbi cerebrali. Una volta mappati i lignaggi cerebrali sani, questi possono essere utilizzati come base per vedere come lo sviluppo del cervello differisce negli individui con vari disturbi che probabilmente insorgono durante lo sviluppo, come l’autismo e la schizofrenia.
Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D., Professore assistente, Dipartimento di Scienze Biomediche, Marquette University
"Imaging panottico veloce dei volumi cerebrali tramite stereoscopia quadrangolare con tag temporale"
Le moderne tecniche di imaging ottico del cervello consentono l’osservazione di uno strato sottile del cervello, ma l’imaging di grandi quantità di attività cerebrale nello spazio tridimensionale – come un volume di cervello – si è rivelato scoraggiante. Il dottor Savtchouk ha sviluppato un approccio che consente ai ricercatori di vedere cosa sta accadendo non solo sulla superficie di un cervello, ma nel profondo e con una risoluzione spazio-temporale molto più elevata che mai.
Il processo principale – la microscopia a due fotoni – rileva l’attività cerebrale cercando la fluorescenza nelle cellule cerebrali geneticamente modificate di animali da laboratorio. Con un singolo laser, le informazioni sulla profondità vengono registrate molto lentamente. Con due raggi laser, i ricercatori ottengono essenzialmente una visione binoculare: possono vedere ciò che è più vicino e ciò che è più lontano, ma ci sono ancora “ombre” visive dove non si può vedere nulla (ad esempio, quando una persona guarda il bordo di una scacchiera, alcuni pezzi potrebbe essere bloccato da pezzi più vicini.) Il Dr. Savtchouk sta risolvendo questo problema con l'aggiunta di due raggi laser aggiuntivi, che forniscono una visione quadrupla e riducono notevolmente i punti ciechi. Sta anche sequenziando i tempi dei laser – che pulsano rapidamente – in modo che i ricercatori sappiano quale laser ha visto quale attività, fondamentale per costruire un modello tridimensionale accurato nel tempo.
Il progetto del dottor Savtchouk prevede innanzitutto la progettazione del sistema mediante simulazioni al computer, quindi la dimostrazione della sua applicazione con modelli murini. Il suo obiettivo è sviluppare modi per aggiornare i microscopi a due fotoni esistenti sia attraverso l'aggiunta di raggi laser che attraverso aggiornamenti all'hardware e al software, consentendo ai laboratori di beneficiare della tecnologia senza pagare per un sistema completamente nuovo.
Nanthia Suthana, Ph.D., Professore associato, Dipartimento di Psichiatria e Scienze Biocomportamentali, Università della California, Los Angeles
"Registrazione wireless e programmabile e stimolazione dell'attività cerebrale profonda in esseri umani che si muovono liberamente immersi nella realtà virtuale (o aumentata)"
Lo studio dei fenomeni neurologici umani presenta molte sfide: il cervello umano non può essere studiato direttamente come il cervello degli animali ed è difficile ricreare (e registrarne i risultati) i fenomeni in un ambiente di laboratorio. La dottoressa Suthana propone di sviluppare un sistema che utilizzi la realtà virtuale e aumentata per creare scenari di test realistici per i suoi soggetti. Utilizza i dati registrati da dispositivi cerebrali impiantabili utilizzati nel trattamento dell'epilessia.
Centinaia di migliaia di persone hanno impiantato questi dispositivi e molti di essi consentono la programmazione wireless e il recupero dei dati. L'approccio della dottoressa Suthana si avvale di quest'ultimo: questi dispositivi registrano tutti i tipi di attività cerebrale profonda e lei può attingere ai dati registrati mentre i soggetti interagiscono in esperimenti basati su VR o AR. È importante sottolineare che i soggetti possono muoversi liberamente poiché portano con sé il monitor dell'attività cerebrale e il dispositivo di registrazione. La cattura del movimento e le misurazioni biometriche possono essere effettuate simultaneamente, assemblando un quadro completo delle risposte.
La dottoressa Suthana sta lavorando con un team multidisciplinare per far funzionare il sistema; il team comprende ingegneri elettrici, fisici e informatici. È necessario stabilire fatti basilari come la latenza del segnale in modo che i dati possano essere sincronizzati e misurati con precisione. In definitiva, lei crede che gli esseri umani che si comportano liberamente e interagiscono con le simulazioni più realistiche possibili consentiranno ai ricercatori di comprendere con maggiore precisione come funziona il cervello. Oltre alle domande neurologiche di base – come quale attività cerebrale e risposte fisiche accompagnano azioni o reazioni specifiche agli stimoli – il sistema si mostra promettente per la ricerca sul disturbo da stress post-traumatico e altre condizioni in cui i fattori scatenanti ambientali possono essere simulati in un ambiente virtuale controllato.
