Premi McKnight Scholar 2022

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 2022.

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. "Gli studiosi di quest'anno esemplificano la creatività e la raffinatezza tecnica dei giovani neuroscienziati di oggi provenienti da tutto il paese", ha affermato Richard Mooney, PhD, presidente del comitato dei premi e George Barth Geller Professore di Neurobiologia presso la Duke University School of Medicine.

“Sfruttando approcci provenienti dalla biologia strutturale, dall’ottica, dalla genetica, dalla fisiologia, dalla computazione e dal comportamento, gli studiosi cercano di acquisire conoscenze su argomenti che vanno dalla biofisica della segnalazione neuronale alla struttura su larga scala dei circuiti neuronali e di chiarire le basi neuronali delle decisioni creazione, elaborazione sensoriale e volo", ha detto Mooney. “A nome dell’intero comitato, mi congratulo con tutti i candidati per i loro straordinari sforzi all’avanguardia della ricerca neuroscientifica”.

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

C'erano 53 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 Mooney, il comitato di selezione degli Scholar Awards comprendeva Gordon Fishell, Ph.D., Università di Harvard; Mark Goldman, Ph.D., Università della California, Davis; Kelsey Martin, MD, Ph.D., Fondazione Simons; Jennifer Raymond, Ph.D., Università di Stanford; Vanessa Ruta, Ph.D., Università Rockefeller; e Michael Shadlen, MD, Ph.D., Columbia University.

Il calendario per le domande per i premi del prossimo anno sarà disponibile all'inizio di settembre. Per ulteriori informazioni sui programmi di premi per le neuroscienze di McKnight, visitare il sito Sito web del Fondo di dotazione.

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 2022

Cristina Costantinopoli, Ph.D., Professore assistente, Centro di scienze neurali della New York University, New York City, NY

Meccanismi di inferenza dei circuiti neurali

Il cervello animale è meravigliosamente ben adattato a prendere decisioni basate sull’inferenza – una comprensione di come funziona il mondo che aiuta a decidere se intraprendere o meno una determinata azione in una determinata situazione. Se un animale ha un “modello” interno del mondo, una decisione può essere presa sulla base di quel modello. Ma come fanno i neuroni a rappresentare le cose nel mondo? Quali circuiti e processi reali sono coinvolti? E in un mondo dinamico, dove le scelte devono essere fatte con informazioni incomplete o non riconosciute, come fanno gli animali a decidere come piazzare una “scommessa” sull’azione migliore?

Nella sua ricerca, la Dott.ssa Constantinople sta lavorando con un modello di ratto per scoprire quali parti del cervello sono coinvolte nel dedurre cose sul mondo e le differenze neurologiche tra prendere una decisione cognitiva in un ambiente incerto o ripiegare su un'azione abituale. L’esperimento prevede l’attesa di una ricompensa nota in acqua, o la “rinuncia” nella speranza che la ricompensa successiva offerta sia più utile. Esistono diversi importi di ricompensa e sono presentati in uno schema che consente al ratto di costruire un modello di quale gamma di risultati aspettarsi, anche se non può esserne certo, perché alcune ricompense sono ambigue riguardo allo stato del compito.

Monitorando l'attività cerebrale in più regioni e in proiezioni specifiche durante periodi sia prevedibili che imprevedibili e le transizioni tra di essi, e inattivando specifiche regioni cerebrali e percorsi neurali in diversi studi, il dottor Constantine propone di identificare i meccanismi coinvolti nell'inferenza. Propone che siano coinvolti processi diversi quando si sceglie un'azione basata su un modello mentale rispetto a decisioni prive di modello; che diversi nuclei talamici codificano separatamente le ricompense e la storia del ratto; e che la corteccia orbitofrontale (OFC) integra questi due input sovrapposti ma distinti per dedurre stati sconosciuti. Questo lavoro potrebbe aiutare la ricerca futura che coinvolge condizioni, come la schizofrenia o il disturbo ossessivo-compulsivo, in cui i malati sembrano avere un modello interno del mondo compromesso per aiutare a guidare il comportamento.

Bradley Dickerson, Ph.D., Professore assistente, Princeton Neuroscience Institute, Princeton University, Princeton, NJ

Feedback proporzionale-integrale in un "giroscopio" biologico

Il sistema nervoso raccoglie e agisce sulle informazioni in arrivo in pochi millisecondi, a volte con riflessi innati, a volte con intenzione. Ma studiare come questi segnali influenzano il movimento in un animale vivente presenta delle sfide. Il lavoro è stato svolto a livello dei singoli neuroni, nonché su scala del movimento dell’intero corpo. Il dottor Dickerson propone di colmare queste diverse scale e anche di risolvere il livello di controllo che i moscerini della frutta hanno su determinati gruppi muscolari delle ali attraverso un esperimento che studia gli organi meccanosensoriali specializzati unici delle mosche noti come cavezze.

Le cavezze rilevano le forze di rotazione che influenzano la mosca e forniscono istruzioni involontarie direttamente ai muscoli delle ali per compensare, agendo come una sorta di giroscopio automatico. Ma in ricerche precedenti, il dottor Dickerson ha dimostrato che la cavezza può anche attivare precise azioni di governo dell'ala in assenza di rotazioni, rispondendo alle istruzioni di controllo attivo provenienti dal cervello. Nella sua nuova ricerca, esplorerà i motivi di controllo delle manovre di volo quando le mosche sono esposte a input sensoriali. Queste mosche sono legate in un'arena e monitorate da un microscopio epifluorescente in grado di rilevare l'attività neuronale nei muscoli della cavezza. In esperimenti separati, un microscopio a due fotoni sopra la mosca monitorerà l'attività cerebrale, mentre una telecamera sotto seguirà il movimento delle ali. Gli stimoli visivi compaiono prima del volo, stimolando gli eventi di governo e consentendo al dottor Dickerson di osservare su più scale come avviene il movimento.

Il dottor Dickerson propone che la cavezza abbia meccanismi di controllo separati che possono essere reclutati durante le perturbazioni per offrire alla mosca il massimo controllo. Nel gergo dell'ingegneria dei controlli, ritiene che l'haltere possa reagire al feedback sia proporzionale (la dimensione di una perturbazione) che integrale (come la perturbazione cambia nel tempo): una sofisticazione maggiore di quanto si credesse in precedenza. Oltre a ciò, spera di documentare come tutti questi sistemi lavorano insieme, imparando quali neuroni inviano quali segnali a quali muscoli e come questo porta a movimenti specifici, creando un modello di come comunicano cervello, neuroni e muscoli che possa far avanzare la nostra comprensione di come viene controllato il movimento.

Markita Landry, Ph.D., Professore assistente, Università della California – Berkeley, Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare, Berkely, CA

Segnalazione illuminante dell'ossitocina nel cervello con nanosensori fluorescenti nel vicino infrarosso

Si ritiene che gli squilibri chimici nel cervello siano associati a un’ampia gamma di disturbi neurologici negli esseri umani, ma attualmente è impossibile vedere quali sostanze chimiche siano presenti in un cervello con precisione cellulare. Nella sua ricerca, la Dott.ssa Landry cerca di creare un nanosensore in grado di rilevare l'ossitocina, uno di una classe di neuropeptidi che si ritiene abbia un ruolo nella modulazione dell'umore e del comportamento, e consentire così una ricerca che possa aiutare a confermare il ruolo dei neuropeptidi nella vita quotidiana. vita, e più precisamente diagnosticare gli squilibri neurochimici che possono portare a disturbi di salute mentale.

Il lavoro del dottor Landry prevede la creazione di “sonde ottiche” – minuscoli nanotubi di carbonio con un peptide legato alla superficie che emetterà fluorescenza nella luce del vicino infrarosso quando è in presenza di ossitocina. Questa fluorescenza può essere rilevata con alta precisione su una scala temporale di millisecondi, consentendo ai ricercatori di vedere esattamente dove e quando è presente nel cervello, e quindi identificare in quali condizioni il rilascio di ossitocina potrebbe essere compromesso (e quindi curabile) nell'umore, nel comportamento e nelle condizioni sociali. disturbi. Il dottor Landry ha creato sonde simili per la serotonina e la dopamina, ma la creazione di una nuova sonda per l'ossitocina consentirà non solo la ricerca sui suoi effetti sul cervello, ma su un'intera classe di neuropeptidi simili.

È importante sottolineare che questi nanotubi possono essere introdotti nel tessuto cerebrale esternamente; la fluorescenza non è il risultato di una codifica genetica, quindi può essere utilizzata su animali che non sono stati modificati. Poiché emettono luce nel vicino infrarosso, è possibile che la luce possa essere rilevata attraverso il cranio, il che consentirebbe un disturbo minimo ai soggetti. Nell'esperimento del dottor Landry, lo sviluppo dei nanosensori e dei rilevatori sarà convalidato mediante test in vitro utilizzando fettine di cervello e infine applicato in vivo, a quel punto si determinerà se l'imaging attraverso il cranio è possibile. Utilizzando questi sensori come strumento, il dottor Landry spera di contribuire a migliorare la diagnosi dei disturbi neurologici e quindi destigmatizzare e migliorare il trattamento di molte di queste condizioni.

Lauren Orefice, Ph.D., Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School, Boston, MA

Sviluppo, funzione e disfunzione dei sistemi somatosensoriali e viscerosensoriali nel disturbo dello spettro autistico

Il disturbo dello spettro autistico (ASD) è un disturbo neurologico altamente diffuso ma molto complesso, spesso associato ad alterazioni del comportamento sociale. In molti casi, l’ASD è associato a determinati cambiamenti genetici e spesso presenta determinate comorbilità, alcune delle più comuni delle quali includono l’ipersensibilità al tatto e una serie di problemi gastrointestinali.

Tradizionalmente si pensava che l'ASD fosse causato esclusivamente da anomalie nel cervello, ma nella sua ricerca, la Dott.ssa Orefice ha scoperto che le alterazioni nei neuroni sensoriali periferici contribuiscono allo sviluppo dei sintomi dell'ASD nei topi, inclusa l'ipersensibilità al tocco della pelle e l'alterazione comportamenti sociali. La sua attuale ricerca si concentrerà sulla possibilità che i neuroni sensoriali periferici dei gangli della radice dorsale (DRG) che rilevano gli stimoli nel tratto gastrointestinale siano anomali anche nei modelli murini per ASD, e se ciò contribuisca a problemi gastrointestinali come l'aumento del dolore gastrointestinale che sono notevolmente comuni nei soggetti affetti da ASD. ASD.

Il lavoro del dottor Orefice ha identificato che l'ipersensibilità al tocco durante lo sviluppo porta a cambiamenti nei comportamenti sociali nei topi adulti. Come gli esseri umani, molti aspetti dei comportamenti sociali dei topi coinvolgono il senso del tatto. In una seconda parte della sua ricerca, la Dott.ssa Orefice spera di capire come le alterazioni nello sviluppo dei circuiti somatosensoriali dovute alla disfunzione dei neuroni sensoriali periferici si traducono in cambiamenti nei circuiti cerebrali collegati che regolano o modificano i comportamenti sociali.

Infine, la Dott.ssa Orefice si concentrerà sulla traduzione delle sue scoperte dagli studi preclinici sui topi alla comprensione dei problemi sensoriali associati all’ASD negli esseri umani. Il dottor Orefice testerà innanzitutto se gli approcci che riducono l'eccitabilità dei neuroni sensoriali periferici possono migliorare l'iperreattività tattile e i problemi gastrointestinali nei topi. Sfrutterà questi risultati nei topi per comprendere meglio la fisiologia umana utilizzando studi su cellule in coltura prelevate da persone con ASD. Il lavoro del dottor Orefice mira anche a utilizzare studi sui topi e cellule di derivazione umana per identificare composti che colpiscono i neuroni sensoriali periferici come approccio trattabile per migliorare i problemi sensoriali e i relativi comportamenti ASD.

Kanaka Rajan, Ph.D., Professore assistente, Dipartimento di Neuroscienze e Friedman Brain Institute presso la Icahn School of Medicine del Mount Sinai, New York City, NY

Modelli di rete neurale multiscala per dedurre motivi funzionali nel cervello

Con l’avvento dell’intelligenza artificiale (AI) e dell’apprendimento automatico, i neuroscienziati stanno sfruttando questi strumenti per costruire modelli computazionali che possano aiutarci a capire come funziona il cervello. Ma la grande domanda è: qual è il livello giusto per studiare i sistemi neurali? È a livello dei singoli neuroni, dei circuiti cerebrali, degli strati, delle regioni o di qualche combinazione?

Il dottor Rajan sta affrontando questa domanda sfruttando la potenza dei modelli basati sull’intelligenza artificiale e combinandoli con set di dati acquisiti da registrazioni in più specie per creare rappresentazioni migliori e più predittive del cervello. Utilizzando modelli di reti neurali ricorrenti (RNN), il dottor Rajan ha scoperto che l'immissione di maggiori vincoli sui modelli computazionali ha portato a risultati più coerenti e spazi di soluzione più piccoli e più robusti. Da allora si è dedicata allo sviluppo di RNN multiscala in cui i vincoli sono dati neurali, comportamentali e anatomici provenienti da esperimenti reali e vengono applicati simultaneamente. Il suo prossimo passo sarà quello di creare RNN multiscala utilizzando tali dati registrati da più specie ben studiate nelle neuroscienze – pesci zebra larvali, moscerini della frutta e topi – per creare modelli.

In definitiva, l’utilizzo di set di dati di specie diverse consentirà al dottor Rajan di identificare “motivi funzionali” e di utilizzarli per scoprire punti in comune e divergenze inaspettate tra questi sistemi. Questi insiemi comuni e discreti di neuroni attivi collegati a comportamenti e stati simili, indipendentemente dalla specie, ci aiuteranno a dedurre come funziona il cervello a un livello fondamentale senza pregiudizi o assegnando a priori strutture come regioni del cervello con funzioni specifiche. Con i dati disponibili, questi modelli possono eseguire molti scenari e identificare quali cambiamenti nella struttura o nell’attività neurale determinano risultati comportamentali diversi. Ciò ha il potenziale per far luce sulle disfunzioni neurali associate a un’ampia gamma di malattie neuropsichiatriche. Con l’avvento di set di dati molto più grandi e dettagliati nel campo delle neuroscienze, la crescente accessibilità di una maggiore potenza di calcolo e i progressi nella matematica e negli algoritmi, il dottor Rajan ritiene che siamo al culmine di una rivoluzione in ciò che i modelli computazionali e la teoria possono insegnarci. il cervello.

Weiwei Wang, Ph.D., Professore assistente, University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas, TX

Comprensione della costruzione e della funzione degli assemblaggi post-sinaptici glicinergici

Il modo in cui i neuroni comunicano tra loro è notevolmente intricato: i neurotrasmettitori vengono passati da un neurone all'altro attraverso le sinapsi, segnalando ai recettori sinaptici sul neurone ricevente di aprirsi e formare canali che consentono il passaggio degli ioni, trasmettendo così un segnale elettrico. Tuttavia, se le sinapsi non funzionano o non si formano, la compromissione di questi segnali può contribuire a disturbi neurologici. Il dottor Wang cerca di ampliare la nostra comprensione di queste sinapsi, di come si formano e di come funzionano – in particolare, come organizzano i recettori sinaptici in gruppi e perché è importante che i recettori si assemblano in alte concentrazioni – studiando in dettaglio il sistema glicinergico. sinapsi.

Nonostante sia abbastanza ben documentato, rimangono molte domande sulla sinapsi glicinergica. Esistono numerosi sottotipi (uno dei quali è presente solo molto presto nello sviluppo del cervello) con ruoli e distribuzioni diversi la cui struttura non è chiara, così come il meccanismo con cui reagiscono a una proteina di impalcatura per formare cluster. Il ruolo della formazione in un cluster è di per sé un mistero: non è chiaro se abbiano bisogno di stare insieme in una certa densità per funzionare correttamente, e se sì, perché. Ognuna di queste incognite presenta un altro punto in cui alcune disfunzioni potrebbero causare un disturbo neurologico, come l’iperekplexia (chiamata “sindrome da trasalimento”) e possibilmente dolore infiammatorio.

Il dottor Wang mirerà sistematicamente a saperne di più su ciascuno di questi misteri, utilizzando la microscopia crioelettronica per identificare con precisione la struttura molecolare di ciascun sottotipo che non è stato ancora risolto e quindi identificare come funziona ciascuno; testare come si forma l'impalcatura su cui si raggruppano i recettori della glicina dalle proteine gefirina, neuroligina-2 e collybistina; e infine testare i recettori purificati su una membrana artificiale, prima in isolamento, poi legati allo scaffold e poi legati allo scaffold in un cluster per vedere come cambia la funzione. Sebbene siano state condotte ricerche sul funzionamento dei canali ionici solitari, questo studio sull’effetto del clustering può aprire nuove strade di comprensione, poiché i recettori sinaptici sono spesso raggruppati in un neurone vivente.