Premi McKnight Scholar 2021

Il Consiglio di amministrazione del McKnight Endowment Fund for Neuroscience è lieto di annunciare di aver selezionato sette neuroscienziati per ricevere il McKnight Scholar Award 2021.

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 classe di studiosi di quest'anno mette in mostra la diversità di neuroscienziati giovani, brillanti e innovativi provenienti da tutta la nazione", afferma Kelsey C. Martin MD, PhD, presidente del comitato dei premi e preside della David Geffen School of Medicine presso l'UCLA. Da quando il premio è stato introdotto nel 1977, questo prestigioso premio di inizio carriera ha finanziato più di 250 ricercatori innovativi e stimolato centinaia di scoperte rivoluzionarie.

"Insieme, gli studiosi McKnight stanno affrontando alcune delle domande più interessanti delle neuroscienze odierne", afferma Martin. “Utilizzando una serie di approcci sperimentali e computazionali, stanno chiarendo come l’esperienza sensoriale modella il cervello durante lo sviluppo, come i circuiti cerebrali danno origine a comportamenti specifici del sesso, come il suono viene percepito ed elaborato durante il comportamento, come il sonno influenza la cognizione e la salute del cervello, come i meccanismi biologici cellulari controllano i ritmi circadiani e come i circuiti neurali elaborano le informazioni e apprendono. A nome dell'intero comitato, vorrei ringraziare tutti i candidati ai McKnight Scholar Awards di quest'anno per il loro contributo e la loro creatività."

Ciascuno dei seguenti sette destinatari del McKnight Scholar Award riceverà $75.000 all'anno per tre anni. Sono:

C'erano 70 candidati ai McKnight Scholar Awards di quest'anno, che rappresentano la migliore giovane facoltà di neuroscienze del paese. I docenti possono beneficiare del premio solo durante i primi quattro anni in una posizione di facoltà a tempo pieno. Oltre a Martin, il comitato di selezione degli Scholar Awards comprendeva Gordon Fishell, PhD, Università di Harvard; Loren Frank, PhD, Università della California, San Francisco; Mark Goldman, PhD, Università della California, Davis; Richard Mooney, PhD, Scuola di Medicina della Duke University; Jennifer Raymond, dottorato di ricerca, Università di Stanford; Vanessa Ruta, PhD, Università Rockefeller; e Michael Shadlen, MD, PhD, Columbia University.

Le domande per i premi del prossimo anno saranno disponibili ad agosto e dovranno essere presentate entro il 10 gennaio 2022. 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 McKnight Foundation 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 Neurobiology of Brain Disorders Awards, per gli scienziati che lavorano per applicare le conoscenze ottenute attraverso la ricerca traslazionale e clinica ai disturbi del cervello umano.

Premi McKnight Scholar 2021

Lucas Cheadle, Professore assistente di dottorato, Laboratorio di Cold Spring Harbor, Cold Spring Harbor, New York

Scoprire la base molecolare della funzione microgliale nel cervello stimolato

Gran parte delle neuroscienze dello sviluppo si sono storicamente concentrate sugli aspetti radicati dello sviluppo neurale: il modo in cui le cellule sono geneticamente “programmate” per svilupparsi in un certo modo o fornire una funzione particolare. E fino a poco tempo fa, la ricerca ha esaminato più da vicino i neuroni stessi, ottimizzando molti degli strumenti e delle tecniche comunemente utilizzati per studiare i meccanismi intrinseci ai neuroni. Nella sua ricerca, il dottor Cheadle sta rivolgendo l'attenzione ad aree della neurologia meno studiate: uno stadio avanzato dello sviluppo neurale che è influenzato da fattori ambientali esterni e il ruolo svolto dalle cellule immunitarie cerebrali chiamate microglia in questo processo.

Nella sua ricerca, il dottor Cheadle sta studiando specificamente lo sviluppo delle connessioni neurali visive utilizzando un modello murino in cui alcuni topi vengono allevati in un ambiente privo di luce durante una fase cruciale dello sviluppo. La sua ricerca precedente mostra che le microglia essenzialmente “scolpiscono” il sistema visivo, selezionando le connessioni sinaptiche meno utili. Di conseguenza, l’ordinamento fisico di quella parte del sistema neurale è diverso nei topi allevati al buio rispetto a quelli allevati alla luce. Nel suo lavoro in corso, il dottor Cheadle cercherà di identificare a livello molecolare come le microglia vengono stimolate da fattori esterni (come la luce) e i meccanismi attraverso i quali poi scolpiscono le sinapsi.

La ricerca offre diversi approcci innovativi, compreso l’uso della tecnologia di editing genetico per eliminare specifici geni della microglia per definire il loro ruolo nello sviluppo del circuito visivo, oltre alla creazione di una linea transgenica di topi che tagga le cellule microgliali funzionalmente attive nel cervello, entrambe le tattiche più usate spesso applicato ai neuroni che il dottor Cheadle sta adattando per studiare la microglia per la prima volta. Il dottor Cheadle spera che la sua ricerca possa aiutare a scoprire nuove conoscenze sui ruoli delle cellule non neuronali nel cervello, che potrebbero portare a scoperte future sulle origini e sul trattamento dei disturbi neurali, in particolare quelli come l’autismo e la schizofrenia che insorgono relativamente tardi nel cervello. sviluppo e hanno qualche indicazione di una componente immunitaria.

Josie Clownney, PhD, Professore assistente, Università del Michigan, Dipartimento di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo, Ann Arbor, MI

Una definizione femminista dell'infruttuosità: la mascolinità come soppressione dei programmi neurali femminili

Le differenze tra il cervello maschile e quello femminile possono sembrare sottili e interessare solo 2-5% del cervello – dopo tutto, la maggior parte delle funzioni delle creature viventi di entrambi i sessi sono le stesse, inclusa la necessità di mangiare, dormire, imparare e muoversi – ma quelle le differenze sono cruciali per la sopravvivenza di una specie. Gran parte della ricerca è stata condotta sui comportamenti, ad esempio sull'esecuzione dei rituali di accoppiamento, ma si sa meno su come i geni che guidano tali rituali sono sintonizzati nel cervello.

Il dottor Clowney ipotizza che il processo sia un processo di sottrazione: che il codice per il cervello di entrambi i sessi inizi in gran parte lo stesso, e poi alcuni geni vengono disattivati in determinati schemi per ciascun sesso, risultando in cervelli maschili e femminili. Inoltre, i suoi studi fino ad oggi utilizzando un modello di moscerino della frutta suggeriscono che il cervello maschile potrebbe derivare dalla rimozione di programmi neurali da un “modello base” che è molto più vicino al cervello femminile, piuttosto che dalla creazione di nuovi programmi. La chiave del processo è un fattore di trascrizione del moscerino della frutta chiamato “Fruitless”, una proteina creata solo nel cervello del moscerino della frutta maschio che regola se i geni specifici del sesso nel cervello si accendono o si spengono e che hanno un ruolo nel guidare gli istinti basati sul sesso. anche negli adulti.

Nella sua ricerca, la Dott.ssa Clowney cercherà di identificare gli obiettivi genetici di Fruitless nei cervelli in via di sviluppo e adulti; come i circuiti neurali inibitori regolano il corteggiamento maschile impedendo ai maschi di eseguire rituali di accoppiamento con altri maschi; e come i maschi perdono i circuiti neurali per deporre le uova. Gli esperimenti coinvolti utilizzano una varietà di tecniche per osservare il guadagno o la perdita di circuiti e comportamenti associati al sesso negli animali con o senza Fruitless. In questo modo, può far luce sul processo di sviluppo del cervello, che potrebbe portare a nuove intuizioni su come il nostro cervello sa quali comportamenti innati eseguire e quali non eseguire, e possibilmente aiutare i ricercatori di disturbi neurologici e psichiatrici, molti dei quali sono più comune è un sesso o l'altro.

Shaul Druckmann, PhD, Professore assistente di Neurobiologia e di Psichiatria e Scienze comportamentali, Stanford University, Stanford, CA

Come calcola il cervello utilizzando l'attività distribuita tra popolazioni e aree cerebrali?

Dopo decenni di ricerca, abbiamo ancora una comprensione limitata di come il cervello esegue i calcoli tra le regioni. Questa domanda fondamentale è al centro del lavoro del Dr. Druckmann, che sfrutta la portata e il dettaglio crescenti della registrazione dell'attività cerebrale per esplorare cosa accade nel cervello tra stimolo e risposta, in particolare quando la risposta è ritardata e la memoria a breve termine è impegnata.

In una serie di esperimenti, i topi vengono addestrati a leccare in una delle due direzioni qualche tempo dopo che uno stimolo è stato presentato e poi rimosso. Poiché lo stimolo non è più presente, il cervello ha bisogno di immagazzinarne il ricordo, pianificare il movimento, trattenere l’azione per un certo tempo e poi agire. Durante quei secondi, l’attività cerebrale viene registrata in più regioni cerebrali contemporaneamente. I dati preliminari mostrano che l’attività è presente e cambia attraverso le regioni e nelle diverse popolazioni neuronali, e Druckmann mira a dimostrare che questa attività collettiva interagisce attraverso le aree del cervello e i modi in cui le interazioni possono “fissare” i ricordi necessari e l’intenzione di movimento, anche quando un l'attività di una singola regione o popolazione potrebbe essere errata. Una seconda linea di ricerca che utilizza esseri umani monitora l’attività cerebrale interregionale durante il parlato – un’attività straordinariamente complessa – in esperimenti che affrontano la stessa domanda su come vengono effettuati i calcoli nel cervello.

Il Dr. Druckmann vede questi esperimenti come i primi passi verso l'ottenimento di un modello di come funziona il cervello nel suo insieme. Allo stesso tempo, spera anche di espandere il modo in cui lavorano i ricercatori; il suo progetto prevede un'intensa collaborazione con molti altri ricercatori e spera di essere in grado di esplorare sia la scienza di base sia di perseguire applicazioni cliniche per le sue scoperte, in particolare attraverso la sua partecipazione a un progetto di sperimentazione clinica collaborativa che sta lavorando sulle interfacce neurali. La capacità di decodificare il modo in cui l’attività cerebrale si traduce in un’attività complessa come il linguaggio potrebbe portare allo sviluppo di una tecnologia in grado di ripristinare alcune funzioni nelle persone affette da malattie degenerative come la SLA.

Laura Lewis, dottore di ricerca, Professore assistente, Università di Boston, Dipartimento di Ingegneria Biomedica, Boston, MA

Imaging della dinamica neurale e dei fluidi nel cervello addormentato

Il sonno è di fondamentale importanza per la salute del cervello sia a breve che a lungo termine. Sia l'attività neurale che la fluidodinamica del liquido cerebrospinale (CSF) cambiano durante il sonno, con varie conseguenze: i sistemi sensoriali si spostano dalla consapevolezza degli stimoli esterni verso la riattivazione della memoria, e il CSF fluisce nel cervello ed elimina le proteine tossiche che si accumulano durante il sonno. ore di veglia. Curiosamente, i due processi sono strettamente correlati. Nella sua ricerca, la Dott.ssa Lewis indagherà la connessione tra la dinamica neurale e quella dei fluidi durante il sonno e la connessione di ciascuna con la salute del cervello.

La chiave della ricerca del dottor Lewis è la capacità di studiare i pazienti durante il sonno NREM (non-rapid eye movement) e di osservare sia l'attività cerebrale che la dinamica dei fluidi in tempi brevi. Per fare ciò, la dottoressa Lewis sta utilizzando una combinazione innovativa di EEG con risonanza magnetica funzionale veloce (fMRI), migliorata utilizzando un algoritmo da lei sviluppato per eliminare il rumore, permettendole di osservare l’attività neurale e il flusso del liquido cerebrospinale sincronizzati e precisi. La sua ricerca esplorerà innanzitutto come queste onde lente vengono attivate nel cervello e quali reti neurali sono coinvolte, utilizzando stimoli uditivi che possono potenziare le onde lente. In secondo luogo, esaminerà il legame tra queste onde lente e il flusso del liquido cerebrospinale; un'ipotesi è che l'attività neurale rallentata riduca la richiesta di sangue, essenzialmente attirando il liquido cerebrospinale nel cervello mentre il sangue recede. Utilizzando la tecnica di imaging combinata, il dottor Lewis sarà in grado di osservare momento per momento in 3D il flusso sanguigno e il flusso del liquido cerebrospinale accoppiati in tutto il cervello.

Le implicazioni di questa interazione sono profonde. Durante queste onde lente, la rete neurale del cervello viene riorganizzata in un modo fondamentale per la riattivazione della memoria e la salute del cervello a breve termine; il flusso del liquido cerebrospinale collegato alle onde lente è importante per la salute del cervello a lungo termine. Comprendere come funzionano questi sistemi aiuterà i futuri ricercatori del sonno a capire quando qualcosa va storto, cosa di particolare interesse negli studi sui disturbi neurologici e psichiatrici, compreso l'Alzheimer, che potrebbe essere collegato al sonno interrotto a onde lente.

Ashok Litwin-Kumar, Ph.D, Professore assistente, Dipartimento di Neuroscienze e Zuckerman Institute, Columbia University, New York, NY

Modelli di comportamento adattivo vincolati al connettoma

Con i nuovi schemi elettrici della microscopia elettronica (EM) di sistemi nervosi sempre più complessi, i ricercatori sono sul punto di sbloccare una comprensione più profonda di come questi sistemi portano al comportamento. La sfida: come utilizzare questi vasti set di dati, noti come connettomi, che nel caso del moscerino della frutta comprendono decine di migliaia di neuroni e decine di milioni di sinapsi. Portare a termine questo compito è difficile poiché molti approcci di successo per modellare il comportamento, comprese le tecniche ispirate all’apprendimento automatico, utilizzano modelli che non riflettono la realtà di come sono cablati il cervello e il sistema nervoso.

Nella sua ricerca, il Dr. Litwin-Kumar mira a sviluppare una metodologia per riunire i mondi del connettoma e dei modelli funzionali di comportamento sviluppando modi per identificare strutture rilevanti all'interno di un connettoma che possono vincolare i modelli comportamentali - ad esempio, limitando il modelli in modo che utilizzino solo connessioni sinaptiche che esistono fisicamente nel connettoma, invece di compiere salti fisicamente impossibili tra i neuroni.

Per testare e perfezionare questo approccio, la dott.ssa Litwin-Kumar si sta concentrando innanzitutto sul connettoma di una parte del cervello del moscerino della frutta chiamata corpo del fungo, una regione ben mappata che è un centro per l'apprendimento associativo. Gli input sensoriali ricevuti dalle cellule Kenyon vengono proiettati verso i neuroni in uscita, che innescano comportamenti come reazioni di avvicinamento o evitamento. Utilizzando modelli avanzati, il team cercherà di identificare in modo efficiente la struttura all'interno del connettoma che riflette il modo in cui le informazioni vengono trasmesse al corpo del fungo. Quindi testeranno i modelli di deep learning vincolati da tali connessioni per vedere con quanta efficacia prevedono le risposte agli stimoli, rispetto ai modelli non vincolati. Ulteriori test esploreranno il ruolo dei neuroni della dopamina nell’apprendimento più complesso. Nel complesso, questa ricerca getterà le basi per l’utilizzo di connettomi di crescente complessità insieme a modelli di apprendimento per riflettere in modo più accurato il comportamento degli organismi reali.

David Schneider, PhD, Professore assistente, Università di New York, Centro di Scienze Neurali, New York, NY

Trasformazioni di coordinate nella corteccia del mouse

Una delle tante abilità straordinarie presenti nel cervello degli organismi avanzati è la capacità di predire il futuro, non solo su scale temporali lunghe, ma momento per momento, conteggiando e registrando costantemente i dati provenienti dagli input sensoriali e creando modelli predittivi basati sull’esperienza passata. Questi modelli predittivi ci aiutano a navigare e interagire in modo più efficace con il mondo e, cosa altrettanto importante, a identificare le aberrazioni rispetto alle aspettative che potrebbero essere un segnale di pericolo o opportunità. Il lavoro del dottor Schneider si concentra su come il controllo motorio e le regioni sensoriali del cervello lavorano insieme in questo modo e lavorerà per scoprire come il cervello apprende e forma ricordi che costituiscono la base di ciò che ci si aspetta.

Nei suoi esperimenti, il dottor Schneider si concentra su un percorso apparentemente controintuitivo trovato nel cervello dei topi (e nel cervello umano): un condotto che collega una regione di controllo motorio a una regione sensoriale uditiva. Ogni volta che viene eseguito un movimento, le due regioni comunicano in un modo che dice al sistema uditivo di ignorare il suono creato da quel movimento, quasi come un negativo fotografico che cancella il suono. Nei suoi esperimenti, i topi saranno condizionati ad aspettarsi un certo suono quando premono una leva. L'attività neurale e le risposte comportamentali verranno registrate quando viene percepito il suono previsto, e poi di nuovo quando il suono viene leggermente modificato.

Questi esperimenti aiuteranno a identificare il ruolo di neuroni specifici nell’anticipare le risposte sensoriali, come interagiscono il controllo motorio e i centri sensoriali del cervello e come cambiano i percorsi tra le regioni motorie e sensoriali quando un nuovo suono diventa “atteso”. Ulteriori ricerche bloccheranno alcuni percorsi nel cervello per determinare il loro ruolo nel fare previsioni e vedere anche come il cervello utilizza l’input visivo per aiutare ad anticipare i suoni autogenerati. Comprendere come funzionano questi sistemi predittivi e di apprendimento può aiutare a guidare la ricerca futura su una serie di disturbi neurologici.

Swathi Yadlapalli, PhD, Professore assistente, Facoltà di medicina dell'Università del Michigan, Dipartimento di biologia cellulare e dello sviluppo, Ann Arbor, MI

Meccanismi cellulari che controllano i ritmi circadiani

Gli orologi circadiani – gli orologi interni di 24 ore che guidano molti dei ritmi del nostro sistema biologico, come quando dormiamo, ci svegliamo, il modo in cui metabolizziamo e molto altro – si trovano in quasi tutte le cellule del nostro corpo. Ma cosa accade esattamente all’interno di una determinata cellula per creare quel ritmo è poco conosciuto. Precedenti ricerche biochimiche e genetiche avevano identificato proteine cruciali che sono fattori di trascrizione, positivi o inibitori, con un ruolo nei ritmi circadiani, ma non avevano affrontato esattamente il modo in cui funzionano in una cellula viva a livello subcellulare, l'equivalente biologico di avere un elenco delle parti ma non capisco come si incastrano.

Il Dr. Yadlapalli ha sviluppato per la prima volta metodi innovativi per eseguire la visualizzazione unicellulare ad alta risoluzione di queste proteine e del modo in cui interagiscono nell'arco di 24 ore nelle cellule viventi dei moscerini della frutta, e i risultati preliminari hanno già rivelato risultati inaspettati intuizioni. Nello specifico, uno dei principali fattori inibitori della trascrizione, chiamato PER, si riunisce per formare focolai distribuiti uniformemente attorno all'involucro del nucleo cellulare e svolge un ruolo nell'alterare la posizione nucleare dei geni dell'orologio durante il ciclo. In precedenza, si presumeva che queste proteine fossero fluttuanti o distribuite in modo casuale. Questi studi evidenziano un nuovo importante livello di regolazione nel sistema dell’orologio circadiano.

In una serie di esperimenti, il dottor Yadlapalli determinerà i meccanismi coinvolti in questo processo: come si formano e dove si localizzano i focolai e come promuovono la repressione dei geni regolati dall'orologio. Comprendere meglio il funzionamento di questi processi cellulari fondamentali e potenti, che hanno effetti fino al comportamento e alla salute dell'intero organismo, fornirà un punto di partenza per la ricerca su molti disturbi del sonno e metabolici e malattie neurologiche.