1 agosto 2022
Il McKnight Endowment Fund for Neuroscience (MEFN) ha annunciato i tre destinatari di $600.000 in sovvenzioni attraverso i McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards 2022, 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 premiati 2022 e i loro progetti:
- Andre Berndt, PhD, dell'Università di Washington, sta sviluppando un sistema per creare e scansionare molto rapidamente un gran numero di biosensori optogenetici, in modo che i ricercatori possano identificare e perfezionare questi biosensori in modo più preciso per i loro esperimenti. Gli attuali vincoli tecnologici e di risorse limitano i ricercatori a esplorare solo dozzine o centinaia di biosensori, e la piccola dimensione del campione significa che non possono essere sicuri di aver trovato l’opzione migliore. Con la possibilità di creare e vagliare decine di migliaia di persone, le loro opzioni si espanderanno in modo esponenziale.
- Ruixuan Gao, Ph.D., dell'Università dell'Illinois Chicago, sta ingegnerizzando chimicamente un nuovo tipo di idrogel da utilizzare in una nuova pratica di microscopia ad espansione, espandendo essenzialmente i campioni di tessuto e le cellule che li compongono fino a molte volte la loro dimensione originale per renderli più facili da studiare. Il suo nuovo “tetra-gel” e le molecole specializzate che ancorano il campione al gel gli permetteranno di espandersi con alta fedeltà e rimanere stabile in modo che il profilo molecolare del tessuto cerebrale possa essere catturato meglio.
- Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., dell'Università di Syracuse, sta sviluppando una nuova applicazione ad alta precisione per la microscopia a due fotoni che consentirà ai ricercatori di tracciare con precisione e manipolare otticamente l'attività neurale su una vasta area di moscerini larve della frutta che si comportano liberamente e si muovono liberamente. Il sistema è totalmente non invasivo e utilizza un algoritmo per regolare il movimento delle larve e tenere traccia di più cellule individuali contemporaneamente calcolando e correggendo il movimento e la deformazione del cervello mentre l'animale si muove.
Scopri di più su ciascuno di questi progetti di ricerca di seguito.
Informazioni sui premi per le innovazioni tecnologiche nelle neuroscienze
Da quando il McKnight Technological Innovations in Neuroscience Award è stato istituito nel 1999, il MEFN ha contribuito con più di $16 milioni 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 che i nostri candidati stanno apportando alle nuove neurotecnologie", ha affermato Markus Meister, Ph.D., presidente del comitato di premiazione e professore di scienze biologiche Anne P. e Benjamin F. Biaggini al Caltech. “I nostri premi abbracciano un’ampia gamma, dai nuovi biosensori per la segnalazione delle molecole ai metodi intelligenti che espandono il tessuto neurale prima della microscopia ad alta risoluzione”.
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 premi per le innovazioni tecnologiche nelle neuroscienze di quest'anno da un pool altamente competitivo di 90 candidati.
Per ulteriori informazioni sui premi, per favore visitare il nostro sito web.
Premi McKnight per le innovazioni tecnologiche nelle neuroscienze 2022
Andre Berndt, PhD, Professore assistente, Dipartimento di Bioingegneria, Università di Washington
Ingegneria massivamente parallela e ad alto rendimento di biosensori optogenetici per la segnalazione neuronale
Le proteine fluorescenti e geneticamente codificate hanno rivoluzionato lo studio delle cellule cerebrali e dei circuiti neurali. Illuminandosi letteralmente in presenza di attività neurale specifica, che può poi essere registrata da microscopi e fibre luminose nei cervelli viventi, questo strumento ha svelato molti misteri e ha permesso ai ricercatori di visualizzare l'attività cerebrale e i percorsi neurali. Ma c’è stato un collo di bottiglia: sviluppare e identificare il miglior sensore per ogni esperimento. Queste proteine codificate devono reagire in presenza solo di stimoli specifici, in alcuni casi potrebbe essere necessario essere altamente sensibili, in altri casi potrebbe essere necessario emettere fluorescenza per un periodo di tempo più lungo, oppure un esperimento potrebbe richiedere due sensori per vedere come più neurotrasmettitori interagire.
In passato, ogni sensore doveva essere geneticamente modificato, prodotto e testato individualmente. Forse è stato possibile confrontarne solo poche dozzine o centinaia e i ricercatori hanno scelto l’opzione migliore da un piccolo campione, senza sapere se fosse disponibile un’opzione migliore e più precisa. Il Dr. Berndt ha sviluppato un processo per sviluppare e testare simultaneamente un gran numero di biosensori optogenetici, con l'obiettivo di selezionarne più di 10.000 al giorno e costruire un'enorme libreria di biosensori che possa fornire ai ricercatori l'accesso a proteine ingegnerizzate con precisione che possono utilizzare per eseguire analisi sempre più accurate. esperimenti più specifici.
La tecnologia utilizza l'ingegneria genetica rapida per creare un gran numero di varianti di un biosensore, quindi inserisce le singole varianti in una matrice di micropozzetti. I sensori vengono esposti a neuropeptidi – attualmente il dottor Berndt si sta concentrando su sensori oppioidi specifici per i ligandi – e i sensori ottici leggono quindi il microarray, rilevando la luminosità e altre variabili di ciascuna variante e selezionando le migliori opzioni per ulteriori test. Nel corso di due anni, verranno testati circa 750.000 biosensori e il processo per il loro screening sarà perfezionato, facendo avanzare la ricerca sulle azioni degli oppioidi nel cervello e fornendo un approccio versatile che altri ricercatori potranno utilizzare per i loro esperimenti.
Ruixuan Gao, Ph.D., Professore assistente, Dipartimento di Chimica e Dipartimento di Scienze Biologiche, Università dell'Illinois Chicago
Profilazione spaziale inferiore a 10 nm di proteine sinaptiche e trascritti di RNA con microscopia ad espansione ad alta isotropia utilizzando un idrogel altamente omogeneo costruito con monomeri simili a tetraedri
Per esaminare cose molto piccole – come i neuroni e le loro sinapsi nel cervello – i ricercatori utilizzano potenti microscopi. Ma esiste un altro approccio che può produrre risultati impressionanti: espandere letteralmente un campione di tessuto e le cellule al suo interno mediante l’uso di uno speciale idrogel rigonfiabile attraverso un processo chiamato microscopia ad espansione. L'idrogel si lega ai diversi componenti molecolari delle cellule e si espande, mantenendo idealmente tutte le parti componenti nella stessa posizione relativa l'una rispetto all'altra, creando un campione più grande e più accessibile da studiare - in linea di principio, simile a scrivere su un palloncino, quindi gonfiarlo .
Tuttavia, gli attuali idrogel utilizzati per questo processo presentano alcuni inconvenienti quando si tratta di studiare strutture minuscole nel cervello. Il margine di errore nel mantenere la posizione relativa delle molecole non è preciso come desiderato. Un nuovo gel che potenzialmente risolve questo problema reagisce male al calore utilizzato nella denaturazione e nel trattamento dei campioni di tessuto. E può limitare l’uso di biomarcatori fluorescenti. Il dottor Gao mira a migliorare la tecnologia sviluppando un nuovo tipo di “tetra-gel”, che è progettato chimicamente per avere un monomero a forma di tetraedro che è estremamente uniforme mentre si espande, resiste al calore e consente l’uso di marcatori bioluminescenti. Svilupperà anche linker chimici, molecole specializzate che legheranno diversi componenti molecolari del campione al gel. L'obiettivo è quello di avere un campione espanso che corrisponda alla fedeltà dell'originale entro 10 nanometri, corrispondente alla risoluzione di potenti microscopi.
La ricerca del dottor Gao ha già identificato composti promettenti con cui sviluppare questo tetra-gel. Man mano che il suo laboratorio lo svilupperà e lo perfezionerà, ne applicherà le capacità allo studio, ad esempio, del cervello affetto da malattia di Parkinson a esordio precoce. Studiare l’esatta struttura di questi cervelli è stato impegnativo con i metodi tradizionali, e l’obiettivo è quello di mappare con precisione le proteine sinaptiche e le trascrizioni genetiche associate, aiutando a scoprire come è strutturato a livello molecolare il cervello con malattia di Parkinson a esordio precoce.
Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., Professore assistente, Dipartimento di Fisica, Syracuse University
Tecnologia di tracciamento a due fotoni per leggere e manipolare modelli neurali in animali che si muovono liberamente
Il gold standard per i neuroscienziati è essere in grado di registrare e manipolare ciò che accade nel cervello con un alto livello di precisione, su una vasta area, mentre un animale vivente si comporta liberamente e naturalmente. Nel corso degli anni la tecnologia ha permesso ai ricercatori di avvicinarsi a questo ideale, ma sempre con alcuni compromessi. Spesso, gli animali avevano bisogno di essere fissati sulla testa e/o avevano sensori o ottici intrusivi impiantati nel cervello, e spesso la registrazione o la manipolazione ad alta fedeltà era limitata a un'area relativamente piccola del cervello, mentre le registrazioni e la manipolazione su vasta scala erano limitate a un'area relativamente piccola del cervello. meno preciso.
Una delle sfide principali è semplicemente il movimento e la distorsione del cervello e dei neuroni in un animale che si muove liberamente. Ma la dottoressa Skanata sta sviluppando una nuova tecnologia di tracciamento a due fotoni che le consente di tracciare più singoli neuroni in un animale in movimento senza alcun impianto invasivo e di attivare o manipolare otticamente tali neuroni. Il modello utilizzato sono le larve del moscerino della frutta, che sono naturalmente trasparenti, e il sistema che il Dr. Skanata continuerà a sviluppare utilizza microscopi a due fotoni (che consentono un targeting molto preciso) accoppiati con un ingegnoso algoritmo in grado di rilevare rapidamente il movimento dei singoli neuroni e regolare la posizione del soggetto su un tavolino in movimento per mantenerlo centrato sotto il microscopio. Il sistema calcola le posizioni relative di più neuroni, si adatta al movimento e alla deformazione del cervello durante il movimento e monitora l'attività neurale su una vasta area.
Quando si traccia un animale che è stato modificato in modo che i neuroni possano attivarsi quando esposto alla luce ottica, il sistema consente ai ricercatori di accendere i neuroni con alta precisione durante l'attività naturale. È importante sottolineare che il sistema che il Dr. Skanata sta sviluppando ha la capacità di controllare in modo indipendente due raggi laser, in modo da poter tracciare più aree contemporaneamente e consentirà persino di monitorare l'attività tra individui, consentendo di comprendere l'attività neurale durante gli incontri di gruppo.
