Vincitori

Ehud Isacoff, Ph.D., Cattedra Evan Rauch, Dipartimento di Neuroscienze, Università della California, Berkeley

Dirk Trauner, dottorato di ricerca Janice Cutler Cattedra di Chimica e Professore Aggiunto di Neuroscienze e Fisiologia, New York University

Fotoattivazione dei recettori della dopamina in modelli di malattia di Parkinson

La dopamina è generalmente nota per la sua associazione con la creazione di sensazioni positive o per il suo ruolo nella dipendenza. Ma in realtà, la dopamina svolge una vasta gamma di ruoli, e ci sono cinque diversi tipi di recettori della dopamina presenti nelle cellule cerebrali, ognuno dei quali ha molti complicati effetti a valle relativi al movimento, all’apprendimento, al sonno e altro ancora. Oltre ad essere un disturbo del movimento, la malattia di Parkinson è anche un disturbo cognitivo ed è causata da una perdita di input di dopamina.

Dott. Isacoff e Trauner stanno esplorando nuovi modi per controllare con precisione l'attivazione dei recettori della dopamina nel cervello che imitano la perdita di ricezione riscontrata nei pazienti con Parkinson. L'approccio del laboratorio utilizza un ligando legato fotocommutabile sintetico (PTL), essenzialmente un mimo della dopamina attaccato tramite un guinzaglio a un'ancora, che a sua volta si legherà solo a specifici recettori della dopamina in cellule specifiche. I PTL vengono introdotti nel cervello e i cavi ottici forniscono impulsi luminosi direttamente nelle aree in cui si trovano i PTL, in modo simile alla configurazione utilizzata per fornire impulsi elettrici nella stimolazione cerebrale profonda. Gli esperimenti osserveranno se gli animali che hanno interrotto la segnalazione della dopamina possono riacquistare il controllo del movimento utilizzando PTL e luce mirati, riattivando istantaneamente e con precisione la funzione con la semplice rotazione di un interruttore, senza gli effetti collaterali indesiderati delle soluzioni farmacologiche.

La ricerca condotta dai Dott. Isacoff e Trauner perfezioneranno il processo di sviluppo e fornitura di questi PTL e ne dimostreranno potenzialmente l'efficacia. Ciò potrebbe portare a una nuova classe di trattamenti non solo per il morbo di Parkinson, ma potenzialmente anche per altri disturbi cerebrali.

Mazen Kheirbek, Ph.D., Professore assistente di Psichiatria, Centro per le Neuroscienze Integrative, Università della California, San Francisco

Jonah Chan, Ph.D., Professore di Neurologia, Weill Institute for Neurosciences, Università della California, San Francisco

Nuova formazione di mielina nel consolidamento dei sistemi e nel recupero di memorie remote

Il cervello cambia fisicamente mentre assimila e memorizza i dati, come se aprissi un computer dopo aver salvato i dati e scoprissi che un filo è diventato più spesso o si è esteso anche a un circuito vicino. Questo processo si verifica in particolare nella formazione delle guaine mieliniche attorno agli assoni (una parte dei neuroni) che hanno dimostrato di svolgere un ruolo nell'aumento dell'efficienza della comunicazione all'interno e tra i circuiti neuronali, che può facilitare il richiamo di alcuni ricordi.

Ciò che non è chiaro è se queste guaine si formino attorno agli assoni legati ad alcuni ricordi più che ad altri. Utilizzando un modello murino, il Dr. Kheirbek e il Dr. Chan stanno esplorando questo processo, cercando di capire se gli assoni degli insiemi neuronali attivati dalle esperienze paurose sono preferenzialmente mielinizzati – in sostanza, rendendo i ricordi traumatici più facili da ricordare – e come questo processo funziona e può essere manipolato. Una ricerca preliminare ha scoperto che il condizionamento alla paura determina un aumento delle cellule precursori della formazione della mielina e che questo processo è coinvolto nel consolidamento a lungo termine dei ricordi della paura.

Un esperimento etichetterà quali cellule vengono attivate durante il condizionamento contestuale alla paura e osserverà la mielinizzazione in quelle cellule; quindi, i ricercatori manipoleranno l'attività elettrica di circuiti distinti per determinare cosa provoca la mielinizzazione aggiuntiva. Ulteriori esperimenti osserveranno se i topi in cui è stata soppressa la formazione di nuova mielina mostrano le stesse risposte di paura dei topi con formazione di mielina normale. Un terzo esperimento osserverà l’intero processo con immagini dal vivo ad alta risoluzione per un lungo periodo. La ricerca potrebbe avere implicazioni per condizioni come il disturbo da stress post traumatico, in cui vengono attivati ricordi traumatici e risposte alla paura, o disturbi della memoria in cui il ricordo è disturbato.

Thanos Siapas, Ph.D., Professore di Calcolo e Sistemi Neurali, Divisione di Biologia e Ingegneria Biologica, California Institute of Technology

Dinamica dei circuiti e conseguenze cognitive dell'anestesia generale

Sebbene l’anestesia generale (GA) sia stata un vantaggio per la medicina consentendo interventi chirurgici che sarebbero impossibili nei pazienti svegli, il modo esatto in cui l’anestesia generale colpisce il cervello e i suoi effetti a lungo termine sono poco conosciuti. Il dottor Siapas e il suo team stanno cercando di espandere la nostra conoscenza fondamentale sugli effetti dell’GA sul cervello in una serie di esperimenti, aprendo la porta a ulteriori ricerche sulla funzione e sull’applicazione dell’GA che un giorno potrebbero portare a un suo migliore utilizzo negli esseri umani.

Il dottor Siapas mira a utilizzare registrazioni multielettrodo per monitorare l’attività cerebrale durante l’anestesia e ad impiegare approcci di apprendimento automatico per rilevare e caratterizzare modelli nei dati neurali. Il team registrerà l'attività durante l'induzione e l'emergenza dall'AG, così come durante lo stato stazionario, per determinare esattamente quali stati attraversa il cervello. Questa ricerca può essere particolarmente utile per comprendere e aiutare a prevenire la consapevolezza interoperatoria, una situazione in cui i pazienti a volte diventano consapevoli di ciò che sta accadendo ma non sono in grado di muoversi, il che può portare a gravi traumi.

Un esperimento finale esaminerà l’impatto cognitivo a lungo termine di GA. Molte persone sperimentano impatti cognitivi a breve termine dopo l’anestesia, ma una piccola percentuale soffre di deterioramento cognitivo a lungo termine o permanente. Il team manipolerà la somministrazione di GA (sempre nei topi), quindi testerà i deficit di apprendimento o cognizione e registrerà l'attività cerebrale associata a questi deficit.

Carmen Westerberg, Ph.D., Professore Associato, Dipartimento di Psicologia, Texas State University

Ken Paller, Ph.D., Professore di Psicologia e Cattedra James Padilla in Arti e Scienze, Dipartimento di Psicologia, Northwestern University

La fisiologia del sonno superiore contribuisce a una funzione di memoria superiore? Implicazioni per contrastare l'oblio

Dott. Westerberg, Paller e il loro team sperano di ottenere informazioni dettagliate sul processo di dimenticanza studiando la fisiologia del sonno delle persone che non dimenticano quasi mai. Questi individui, che si dice abbiano una condizione chiamata “memoria autobiografica altamente superiore” o HSAM, possono ricordare senza sforzo i minimi dettagli di ogni giorno della loro vita con uguale chiarezza, indipendentemente dal fatto che sia accaduto l’ultima settimana di 20 anni fa. In confronto, la maggior parte degli esseri umani può ricordare la stessa quantità di dettagli di quelli con HSAM per alcune settimane, ma oltre a ciò ricordano in dettaglio solo momenti particolarmente significativi.

La fisiologia del sonno viene proposta come una possibile differenza tra quelli con HSAM e quelli senza. È noto che il sonno gioca un ruolo importante nel consolidamento della memoria e uno studio dettagliato dell'attività cerebrale umana durante il sonno di HSAM e di individui di controllo registrerà, confronterà e analizzerà i modelli di oscillazioni lente (collegate al consolidamento della memoria), fusi del sonno (anche connessi al consolidamento e registrati a livelli elevati negli individui HSAM) e le modalità con cui essi coesistono.

Un secondo studio presenta una fascia facile da usare che consentirà ai soggetti di misurare sia i dati del sonno che quelli della memoria a casa per un periodo di un mese, per determinare se una migliore fisiologia del sonno per più notti contribuisce a una memoria superiore per eventi accaduti in un mese. precedente. Inoltre, guidando la riattivazione dei ricordi che non sono di natura autobiografica con segnali sonori presentati durante il sonno, questo studio aiuterà a rivelare se una migliore fisiologia del sonno negli individui HSAM può migliorare la memoria anche per i ricordi non autobiografici. Dott. Westerberg e Paller sperano che, scoprendo come funziona la memoria altamente superiore, potremmo essere in grado di scoprire modelli in coloro che soffrono di una funzione di memoria non ottimale, come quelli che soffrono di morbo di Alzheimer, e forse trovare nuovi modi per comprendere e trattare queste condizioni.

Denise Cai, Ph.D., Professore assistente, Dipartimento di Neuroscienze, Icahn School of Medicine del Monte Sinai

Meccanismi circuitali di collegamento della memoria

Il dottor Cai studia i modi in cui i ricordi e l'apprendimento vengono registrati nel cervello, con un focus particolare su come le dinamiche temporali influenzano questi processi. La sua ricerca esplora come la sequenza e la tempistica delle esperienze influiscono sul modo in cui i ricordi vengono archiviati, collegati e ricordati.

La sua ricerca ha importanti implicazioni per il disturbo da stress post-traumatico (PTSD), una condizione devastante che colpisce ben 13 milioni di americani, con un'alta prevalenza della malattia tra i veterani, quasi il 20%. Le persone che soffrono di disturbo da stress post-traumatico rivivono ricordi traumatici, che influenzano drammaticamente il loro comportamento e la qualità della vita. Sulla base della sua ricerca, la Dott.ssa Cai ha ipotizzato che le esperienze negative o traumatiche possano espandere la finestra temporale durante la quale i ricordi possono essere collegati. Nel cervello di qualcuno che ha subito un trauma, quella paura può essere trasferita a ricordi non correlati accaduti ore, o addirittura giorni, prima dell'evento traumatico.

Per testare questa teoria, la Dott.ssa Cai e i suoi collaboratori hanno sviluppato un miniscopio wireless unico per visualizzare l'attività neurale nei topi. Il Miniscope viene attaccato alla testa dei topi che vagano liberamente nelle loro gabbie, mentre l'attività neurale viene registrata in tempo reale. Il dottor Cai può osservare e registrare quali neuroni vengono attivati quando vengono richiamati i ricordi e verificare se la disattivazione di neuroni specifici influisce sul collegamento dei ricordi. La tecnologia Miniscope consente al dottor Cai di catturare e analizzare l'attività cerebrale nel corso di molte esperienze nel tempo, il che è fondamentale per comprendere i collegamenti della memoria sia normali che disfunzionali. La dottoressa Cai spera che la sua ricerca possa migliorare la nostra comprensione di disturbi come il disturbo da stress post-traumatico e portare allo sviluppo di nuovi trattamenti per il disturbo.

Xin Jin, Ph.D., Professore associato, Laboratorio di Neurobiologia Molecolare, Salk Institute for Biological Studies

Dissezione della toppa striatale e dei compartimenti della matrice per l'action learning

L’apprendimento di azioni complesse e sequenziate è fondamentale per la maggior parte delle attività umane, dall’andare in bicicletta all’immissione di una password di posta elettronica. Il dottor Jin e il suo team al Salk stanno esplorando il modo in cui il cervello apprende, immagazzina e ricorda queste “ricordi motori”. Inoltre, il team studierà come la conoscenza raccolta dalle “memorie motorie” viene tradotta in attività fisica, ad esempio, facendo sì che i muscoli eseguano automaticamente una sequenza completa di azioni precise (alzare il braccio/contrarre le dita/estendere il gomito/piegare il polso) quando il cervello sta solo dando una direzione cosciente per un'azione ampia (tirare la palla da basket).

La ricerca del dottor Jin si concentra sui gangli della base, una porzione del cervello correlata all'apprendimento, alla motivazione e al processo decisionale. Nello specifico, il dottor Jin cerca di comprendere il ruolo e l'attività della zona striatale e dei compartimenti della matrice dei gangli della base e i percorsi attraverso i quali avviene l'attività neurale durante l'apprendimento e l'esecuzione di comportamenti complessi.

Per condurre questa ricerca, il dottor Jin sta lavorando con topi che impareranno una semplice sequenza di spinte della leva per guadagnare una ricompensa in cibo. La progettazione della sequenza fornisce al dottor Jin informazioni su come viene avviata una sequenza di azioni e su come il cervello dirige un cambiamento nell'azione e quindi interrompe la sequenza. Verranno utilizzate tecniche ottiche avanzate per osservare e manipolare l'attività neurale nei compartimenti della patch e della matrice per determinare in che modo questi diversi compartimenti e percorsi influenzano l'apprendimento e l'esecuzione di comportamenti sequenziali. Il progetto del dottor Jin e del suo team potrebbe potenzialmente portare a cure o trattamenti per disturbi neurologici tra cui il morbo di Parkinson, la malattia di Huntington e il disturbo ossessivo-compulsivo.

Ilya Monosov, Ph.D., Professore assistente di Neuroscienze, Washington University School of Medicine di St. Louis

I meccanismi neuronali della ricerca di informazioni in condizioni di incertezza

Gli esseri umani e gli altri animali sono spesso fortemente motivati a sapere cosa ha in serbo il loro futuro. Tuttavia, mentre si sa molto su come le ricompense motivano il comportamento, si sa molto poco sui meccanismi neuronali di ricerca delle informazioni: come viene controllata la nostra motivazione per ridurre l’incertezza sul futuro, quali processi cerebrali sono coinvolti e come ciò influisce sul comportamento.

Rimuovere o ridurre l’incertezza sul futuro è una parte importante del processo decisionale. Raccogliendo e valutando i dati, le persone e gli animali possono fare scelte che si tradurranno in risultati più positivi o in una riduzione delle conseguenze negative. Di conseguenza, le informazioni che aiutano a ridurre l’incertezza hanno valore in sé e per sé.

Il laboratorio Monosov esplorerà i meccanismi neuronali del processo decisionale di fronte all’incertezza e, in particolare, il modo in cui il cervello anticipa l’acquisizione di informazioni e controlla la nostra spinta a ridurre l’incertezza assegnando valore alle informazioni. Il progetto mira inoltre a far luce su quali fattori (come la natura del risultato o il grado di incertezza) influenzano il valore assegnato alle informazioni sul futuro e i processi neurali coinvolti nell’agire per acquisire questa conoscenza. Questo lavoro può rivelarsi utile nel trattamento di una serie di condizioni associate a processi decisionali disadattivi, come la dipendenza dal gioco d'azzardo (dove i soggetti corrono rischi eccessivi di fronte all'evidenza) o l'ansia eccessiva (dove i soggetti non corrono nemmeno i rischi più minimi). ).

Elizabeth Buffalo, Ph.D., Professore, Dipartimento di Fisiologia e Biofisica, Scuola di Medicina dell'Università di Washington; e capo della divisione di neuroscienze del Washington National Primate Research Center

Dinamica neurale della memoria e della cognizione nella formazione dell'ippocampo dei primati

La Dott.ssa Buffalo e il suo team studiano i meccanismi che guidano la memoria e la cognizione studiando come i cambiamenti nell'attività neuronale dei primati non umani siano correlati alla loro capacità di apprendere e ricordare. In questo progetto, i ricercatori del Buffalo Lab hanno addestrato dei macachi a utilizzare i joystick mentre navigano in un ambiente di gioco virtuale coinvolgente, mentre l'attività cerebrale nel profondo del lobo temporale mediale viene registrata e analizzata. L'obiettivo è acquisire una maggiore comprensione di come gli insiemi di neuroni nella formazione dell'ippocampo dei primati supportino la formazione della memoria e se le teorie dell'organizzazione della rete promosse nei roditori siano applicabili ai primati. Le sue scoperte potrebbero gettare nuova luce sul motivo per cui il danno a queste strutture può compromettere la capacità del cervello di archiviare e recuperare informazioni, aprendo la strada a nuove terapie per individui affetti da epilessia del lobo temporale, depressione, schizofrenia e morbo di Alzheimer.

Mauricio R. Delgado, Ph.D., Professore Associato, Dipartimento di Psicologia, Rutgers University

La regolazione delle memorie autobiografiche negative attraverso strategie focalizzate sulle emozioni positive

Il Delgado Lab for Social and Affective Neuroscience esplora l'interazione tra emozioni e cognizione nel cervello umano durante i processi di apprendimento e decisionali. Sfruttando la precedente ricerca del dottor Delgado che ha rivelato che il ricordo di ricordi positivi può attivare sistemi di ricompensa neurale e smorzare la risposta del cortisolo, lui e il suo team ora indagheranno se concentrarsi su un aspetto positivo di un ricordo negativo può alterare il modo in cui quel ricordo viene ricordato, e persino cambiare la sensazione che induce la prossima volta che la memoria viene recuperata. Per fare ciò, i ricercatori chiederanno ai partecipanti allo studio di ricordare un ricordo negativo nel tempo, utilizzando l’analisi comportamentale e fMRI per caratterizzare i meccanismi neurali coinvolti nella regolazione dei ricordi autobiografici negativi. Tali risultati potrebbero portare a nuovi strumenti e strategie terapeutiche per migliorare la qualità della vita delle persone con disturbi mentali e dell’umore.

Bruce E. Herring, Ph.D., Professore assistente, Sezione di Neurobiologia, Dipartimento di Scienze Biologiche, Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, University of Southern California

Comprendere la disfunzione sinaptica nel disturbo dello spettro autistico

Il dottor Herring e il suo team hanno recentemente individuato un potenziale “punto caldo” per lo sviluppo dei disturbi dello spettro autistico, scoprendo otto diverse mutazioni correlate all’autismo raggruppate sul gene TRIO responsabile di una proteina che determina la forza o la debolezza delle connessioni tra cervello e cervello. cellule. Ora, i ricercatori dell’Herring Lab utilizzeranno topi ingegnerizzati come modello animale per determinare se l’interruzione della funzione TRIO durante un periodo critico iniziale nello sviluppo del cervello ostacola la connessione tra le cellule cerebrali che contribuiscono allo sviluppo dell’ASD. Imparando di più su questo promettente punto di convergenza per i geni del rischio ASD, la ricerca del Dr. Herring potrebbe aiutare lo sviluppo di nuove teorie riguardanti i meccanismi molecolari alla base dell'autismo, gettando nuova luce su come la disfunzione sinaptica contribuisce alle malattie cognitive.

Donna J. Calu, Ph.D., Professore assistente presso il Dipartimento di Anatomia e Neurobiologia, Università del Maryland, Facoltà di Medicina

Differenze individuali nella segnalazione di attenzione nei circuiti dell'amigdala

La ricerca della Dott.ssa Calu è guidata dal desiderio di comprendere la vulnerabilità individuale alla dipendenza, che si manifesta nella compulsione dei tossicodipendenti a cercare e assumere droghe anche di fronte alle note conseguenze negative dell'abuso di droghe. In generale, gli esseri umani modificano il proprio comportamento quando i valori dei risultati migliorano o peggiorano improvvisamente del previsto, ma la capacità di modificare il comportamento quando le situazioni peggiorano è compromessa negli individui dipendenti. Per comprendere meglio il fenotipo vulnerabile della dipendenza è fondamentale capire come gli individui differiscono prima di qualsiasi esposizione a droghe d'abuso. Il laboratorio del dottor Calu utilizza modelli animali per studiare i meccanismi cerebrali alla base delle differenze individuali nei ratti nel tracciamento dei segni e nel tracciamento degli obiettivi. I rilevatori di segnali mostrano una maggiore spinta motivazionale innescata da segnali associati al cibo e alla droga, mentre i rilevatori di obiettivi utilizzano segnali per guidare risposte flessibili in base al valore attuale del risultato. Il dottor Calu sta registrando l'attività in tempo reale dei singoli neuroni dell'amigdala per esaminare come si attivano quando i rilevatori di segnali e obiettivi eseguono compiti che violano le loro aspettative di ricompensa. Sta anche inibendo selettivamente i neuroni per esaminare il ruolo dei percorsi dell'amigdala nel guidare l'attenzione verso segnali di fronte a conseguenze negative. La dottoressa Calu prenderà in considerazione le scoperte del suo team in relazione alla comprensione della vulnerabilità individuale e alla prevenzione della dipendenza.

Fred H. Gage, Ph.D., Professore, The Salk Institute for Biological Studies, e Matthew Shtrahman, MD, Ph.D., Professore assistente, Università della California, San Diego

Utilizzo dell'imaging Ca2+ a due fotoni in vivo per studiare la separazione dei modelli temporali

Dott. Gage e Shtrahman stanno esplorando il modo in cui l'ippocampo distingue esperienze simili per formare ricordi distinti, un processo chiamato separazione dei modelli. Nello specifico, stanno studiando il modo in cui l'ippocampo elabora le informazioni sensoriali dinamiche che variano nel tempo durante la formazione della memoria. Concentreranno i loro studi sul giro dentato, una regione all'interno dell'ippocampo ritenuta fondamentale per la separazione dei modelli e una delle uniche due regioni all'interno del cervello dei mammiferi che genera nuovi neuroni nel corso della vita. Gage e Shtrahman utilizzeranno l'imaging del calcio a due fotoni per sondare l'attività dei neuroni neonati in questa regione profonda del cervello per comprendere meglio questa importante funzione cerebrale. La comprensione di questi meccanismi fornirà informazioni cruciali sul motivo per cui la nostra capacità di apprendere e ricordare diminuisce con l'età e su come la malattia dell'ippocampo porti a un significativo deterioramento della memoria in disturbi come il morbo di Alzheimer e la schizofrenia.

Gabriel Kreiman, Ph.D., Professore associato di Oftalmologia e Neurologia, Children's Hospital Boston, Harvard Medical School

Meccanismi comportamentali, fisiologici e computazionali alla base della formazione della memoria episodica nel cervello umano

Mostrando spezzoni di film alle persone e determinando cosa sono in grado di ricordare dalla visione, il dottor Kreiman e il suo team si sforzano di capire come vengono creati i ricordi episodici. I ricordi episodici “costituiscono il tessuto essenziale della nostra vita”, afferma, comprendendo tutto ciò che accade a un individuo e, in ultima analisi, costituendo la base di ciò che siamo. Poiché la formazione della memoria episodica è troppo complessa per essere monitorata nella vita reale, Kreiman utilizza i film come proxy, poiché le persone sviluppano associazioni emotive con i personaggi come fanno nel mondo reale. Kreiman e il suo team stanno studiando quantitativamente i meccanismi di filtraggio comportamentale che portano al ricordo rispetto all'oblio e stanno costruendo un modello computazionale che prevede quale contenuto del film sarà e quale non sarà memorabile per i soggetti. Kreiman sta collaborando con il dottor Itzhak Fried dell'UCLA, il cui lavoro con pazienti epilettici offre l'opportunità di studiare l'attività dei picchi neuronali nell'ippocampo durante la formazione della memoria episodica. Il loro lavoro è significativo dato che i disturbi cognitivi che influenzano la formazione della memoria hanno conseguenze devastanti che ad oggi non possono essere trattate con farmaci, terapie comportamentali o altri approcci.

Boris Zemelman, Ph.D., Professore assistente di Neuroscienze e Daniel Johnston, Ph.D., Professore di Neuroscienze e Direttore del Centro per l'Apprendimento e la Memoria, Università del Texas ad Austin

Disfunzione prefrontale nella sindrome dell'X fragile

I ricercatori dell'Austin Center for Learning and Memory Daniel Johnston e Boris Zemelman hanno collaborato per studiare il ruolo della corteccia prefrontale (PFC) nella sindrome dell'X fragile (FXS). FXS deriva da una mutazione in un gene chiamato fmr1 e una perdita di una proteina chiamata FMRP, che interrompe la funzione neuronale. La FXS è la forma ereditaria più comune di disabilità intellettiva e la causa monogenica più comune di autismo. Utilizzando un modello di topo in cui fmr1 Il gene è stato cancellato, il laboratorio Johnston ha studiato un semplice comportamento simile alla memoria di lavoro chiamato condizionamento del battito delle palpebre, in cui l'abbinamento di un segnale visivo con un soffio d'aria non contiguo porta alla chiusura anticipata delle palpebre. È interessante notare che ai topi manca il fmr1 il gene e la proteina FMRP non sono in grado di apprendere questo compito. In questo progetto, i ricercatori utilizzeranno virus progettati da Zemelman per rimuovere o sostituire FMRP in specifici neuroni della PFC, quindi esamineranno il comportamento animale, il complemento delle proteine neuronali e i modelli di attivazione di cellule PFC selezionate. A lungo termine, la loro ricerca è promettente per approcci clinici all’FXS e all’autismo determinando bersagli cellulari ottimali per interventi terapeutici.

David J. Foster, Ph.D., Professore associato di Neuroscienze, Scuola di Medicina della Johns Hopkins University

Il duplice ruolo delle sequenze di cellule posizionali dell'ippocampo nell'apprendimento e nella memoria

David Foster e il suo team stanno esplorando domande fondamentali sulla memoria e su come funziona l'ippocampo mentre pianifichiamo azioni future che dipendono da ciò che abbiamo fatto in passato. Sebbene sia noto che gli stessi neuroni dell’ippocampo attivano segnali quando incontriamo un luogo fisico in cui siamo stati prima, ciò non spiega ancora cosa abbiano a che fare le cellule dell’ippocampo con la memoria. Il team di Foster è interessato alla sequenza di schemi di attivazione emessi quando ratti e topi anticipano il movimento attraverso uno spazio fisico, mappando in effetti il viaggio mentale nel tempo o la memoria episodica dell'ippocampo. Foster e il suo team determineranno cosa succede quando interrompono le sequenze cerebrali e tentano di alterare il comportamento previsto. La disfunzione dell’ippocampo e i disturbi della memoria sono una caratteristica centrale in molte malattie del cervello e persino nel normale invecchiamento, sottolineando la necessità di espandere la nostra comprensione delle basi neurali della memoria episodica.

Ueli Rutishauser, Ph.D., Professore assistente di Neurochirurgia, Cedars-Sinai Medical Center; Visiting Associate (incarico congiunto), California Institute of Technology
Adam Mamelak, medico, Professore di Neurochirurgia, Cedars-Sinai Medical Center

Coordinazione dell'attività neurale nella memoria umana mediata dal ritmo dell'ippocampo theta

Dott. Il team interdisciplinare di medici e ricercatori di Rutishauser e Mamelak decodifica ciò che fanno le cellule cerebrali umane quando creano nuovi ricordi e li richiamano. Lavorano con pazienti a cui sono stati impiantati elettrodi nel cervello come parte di procedure neurochirurgiche. Mentre i pazienti sono in cura, il gruppo di ricerca esegue test di memoria e registra l'attività dei singoli neuroni nell'ippocampo, una struttura cerebrale necessaria per la formazione di nuovi ricordi. Utilizzando questa tecnica, il team sta studiando come l'attività neuronale sia coordinata dai ritmi cerebrali e come tale coordinazione consenta la formazione di nuovi ricordi. Si ritiene che la scarsa coordinazione neuronale sia una delle cause principali dei disturbi della memoria. Pertanto, lo studio di come il cervello umano forma nuovi ricordi e l’analisi specifica di come le oscillazioni theta coordinano l’attività tra diversi tipi funzionali di neuroni potrebbero portare a una migliore comprensione di come la medicina e la terapia di stimolazione possano aiutare a ripristinare la funzione della memoria.

Daphna Shohamy, Ph.D., Professore associato di psicologia e Zuckerman Mind, Brain, Behavior Institute, Columbia University

Come la memoria episodica guida le decisioni: meccanismi neurali e implicazioni per la perdita di memoria

Il dottor Shohamy sta studiando come vengono utilizzati i ricordi quando prendiamo decisioni. Anche la decisione più semplice, come cosa ordinare per pranzo, si basa sulla memoria delle esperienze passate. Per comprendere i processi cerebrali attraverso i quali la memoria viene utilizzata per guidare le decisioni, il team del dottor Shohamy combinerà due approcci diversi. Utilizzeranno la risonanza magnetica per scansionare l'attività cerebrale mentre le persone sane prendono una serie di semplici decisioni e esamineranno il contributo delle regioni di memoria nel cervello al processo decisionale. Confronteranno anche il processo decisionale tra persone sane con pazienti con grave perdita di memoria. Il dottor Shohamy sta collaborando con il neurobiologo, il dottor Michael Shadlen, che studia come i neuroni accumulano prove per prendere semplici decisioni percettive. La loro ricerca riunisce due diversi ambiti di ricerca: come il cervello ricorda i ricordi e come accumula prove per prendere decisioni. L’obiettivo a lungo termine della ricerca è migliorare la qualità della vita dei pazienti con perdita di memoria comprendendo come la perdita di memoria influisce sulle decisioni quotidiane e creando interventi che risolvano questo problema.

Kimberley Tolias, Ph.D., Professore associato, Baylor College of Medicine
Andreas Tolias, Ph.D., Professore associato, Baylor College of Medicine

Studio delle tracce di memoria globale alla risoluzione di una singola sinapsi

I neuroni nel nostro cervello comunicano tra loro attraverso connessioni sinaptiche, che diventano più forti o più deboli durante l’apprendimento. Tuttavia, solo una piccola frazione dei trilioni di sinapsi del cervello partecipa alla formazione di un singolo ricordo. La dottoressa Kimberley Tolias e suo marito, il dottor Andreas Tolias, stanno unendo le rispettive competenze nelle neuroscienze molecolari e dei sistemi per sviluppare un modo per etichettare le sinapsi specifiche associate ai singoli ricordi. Chiamano questo strumento Multi-color Neuronal Inducible Memory Engram Stamping, o MNIMES (“ricordi” in greco). Questo approccio li aiuterà a comprendere meglio come si formano i ricordi nei cervelli sani e anche come questo processo viene alterato nelle malattie neuropsichiatriche come l'autismo o l'Alzheimer. La loro ricerca potrebbe potenzialmente portare a nuovi trattamenti genetici o farmaceutici per ripristinare la normale funzione delle sinapsi e la plasticità in queste malattie. I membri chiave dei laboratori Tolias che guidano questo progetto includono il Dott. Joseph Duman e Jacob Reimer.

Jacqueline Gottlieb, Ph.D., Professore Associato di Neuroscienze, Columbia University

Dinamiche della popolazione che codificano incertezza e ricompensa nella corteccia frontale e parietale

Gottlieb sta studiando la natura dell’attenzione, postulando che due fattori principali – ricompensa e incertezza – attirano l’attenzione e sono implicati in molte malattie psichiatriche, come dipendenze, ADHD, ansia e depressione. Utilizzando i sistemi visivi delle scimmie e osservando grandi popolazioni di neuroni registrati insieme, il suo laboratorio indagherà in che modo l'incertezza e la ricompensa sono implicate nell'attenzione e nel controllo del movimento oculare.

Michael Greicius, MD, MPH, Professore Associato di Neurologia, Università di Stanford

Chiarire l'interazione tra sesso e APOE sul rischio di malattia di Alzheimer

Più della metà dei pazienti affetti da Alzheimer sono portatori di una variante genetica chiamata APOE4, che comporta maggiori rischi per le donne che per gli uomini. Greicius prevede di studiare l'APOE4 negli esseri umani, cercando varianti su altri geni che interagiscono con APOE4 in modo diverso a seconda del sesso e chiedendosi se il calo degli estrogeni in menopausa potrebbe aumentare il rischio nelle donne. L'obiettivo è acquisire nuove conoscenze su come l'APOE4 aumenta il rischio di malattia di Alzheimer, potenzialmente aiutare a identificare nuovi trattamenti e forse portare a raccomandazioni per la sostituzione ormonale in base allo stato dell'APOE4.

Stephen Maren, Ph.D., Professore di psicologia e Istituto di neuroscienze, Texas A&M University

Interazione prefrontale-ippocampo nel recupero della memoria contestuale

Maren cerca di comprendere i sistemi e i circuiti cerebrali che collocano i ricordi nel contesto, un processo che definisce cosa, quando e dove si sono verificati gli eventi nella nostra vita. Molti disturbi della memoria, incluso il morbo di Alzheimer, sono associati all'incapacità di ricordare i ricchi dettagli contestuali attorno a un'esperienza. Maren utilizzerà metodi farmacogenetici all'avanguardia nei ratti per manipolare i neuroni nel talamo che collegano la corteccia prefrontale e l'ippocampo per caratterizzare il modo in cui queste connessioni contribuiscono alla memoria.

Philip Wong, Ph.D., Professore di Patologia e Neuroscienze, ed Liam Chen, MD, Ph.D., Professore assistente di Patologia, Johns Hopkins University

Caratterizzazione e validazione di un nuovo bersaglio terapeutico in modelli animali TDP-43 di demenza frontotemporale

La demenza frontotemporale (FTD), un gruppo di disturbi complessi derivanti dalla neurodegenerazione dei lobi frontali e temporali, è una delle principali forme di demenza che colpisce le persone di età inferiore ai 65 anni. Wong e Chen sperano di colmare una lacuna nella capacità di trattare queste malattie. Essi ipotizzano che sia coinvolta la perdita di funzione di una particolare proteina, la TDP-43. TDP-43 potrebbe potenzialmente regolare un'ampia varietà di bersagli molecolari rilevanti nella perdita di memoria e nel declino cognitivo nella FTD. Il loro laboratorio eseguirà uno screening farmacologico nei moscerini della frutta per scoprire potenziali bersagli per lo sviluppo di farmaci.

Nicole Calakos, MD, Ph.D., Professore Associato di Neurologia e Neurobiologia, e Henry Yin, Ph.D., Professore assistente di Psicologia e Neuroscienze, Duke University

Dalla buona abitudine alla cattiva: esaminare la relazione tra apprendimento per abitudine e compulsività

Calakos e Yin stanno esplorando come il modello di attività di attivazione tra diversi tipi di cellule nei gangli della base cambia con l'apprendimento. Sebbene si sappia molto su ciò che accade nelle connessioni sinaptiche del cervello durante il processo di apprendimento, si sa molto meno su come questi cambiamenti vengono integrati per influenzare l’attivazione neuronale tra le popolazioni di neuroni in un dato circuito. I ricercatori hanno sviluppato un approccio per esaminare l’apprendimento a questo livello e lo applicheranno per esaminare come l’attività neurale cambia nello striato man mano che le abitudini vengono apprese e se un’aberrazione del normale processo di apprendimento delle abitudini porta a comportamenti compulsivi. Questo lavoro ha il potenziale per migliorare la nostra comprensione di come l’apprendimento delle abitudini è codificato nello striato e di come il processo può essere interrotto nel disturbo ossessivo compulsivo (DOC) e nei disturbi correlati.

Edward Chang, medico, Professore Associato di Chirurgia Neurologica e Fisiologia, Università della California, San Francisco

Come apprendiamo le parole: la neurofisiologia della memoria verbale

Nell'infanzia e nell'età adulta costruiamo e manteniamo un vocabolario enorme, ma non sappiamo esattamente come. Poiché il linguaggio è unico per gli esseri umani, Chang intende studiare i meccanismi di apprendimento delle parole nelle persone, in particolare nei pazienti sottoposti a procedure neurochirurgiche a cui sono stati impiantati elettrodi nel cervello per indicazioni cliniche, come la localizzazione dell'epilessia. Spera di acquisire nuove importanti conoscenze su come le reti cerebrali sono coordinate nell'apprendimento delle parole. Poiché le difficoltà nel trovare le parole sono un sintomo comune legato all’invecchiamento e a molte condizioni neurologiche, come il morbo di Alzheimer, l’ictus e l’afasia, i nuovi trattamenti che possono preservare o migliorare la funzione cerebrale in queste condizioni dipenderanno dalla comprensione di come vengono apprese le parole.

Adam Kepecs, Ph.D., Professore associato, Laboratorio di Cold Spring Harbor

Segnali di trasmissione cognitiva specifici del tipo cellulare dal nucleo basale

Il laboratorio di Kepecs sta studiando il nucleo basale (NB), un sistema neuromodulatore di vitale importanza ma poco compreso, la cui degenerazione è parallela al declino delle funzioni cognitive nei pazienti con morbo di Alzheimer, demenza di Parkinson e normale declino cognitivo legato all'età. Esistono prove che l'NB abbia un ruolo nell'apprendimento e nell'attenzione, ma non si sa quali segnali questo sistema invii alla corteccia. Per ottenere conoscenze fondamentali a riguardo, Kepecs registrerà i neuroni colinergici NB identificati nei topi comportamentali. La ricerca, che combina elettrofisiologia comportamentale, psicofisica quantitativa e tecniche optogenetiche, determinerà quali neuroni specifici segnalano e quando, e se hanno i segnali appropriati per supportare l’apprendimento e l’attenzione. La conoscenza dei modelli di attivazione di questi neuroni fornirà informazioni fondamentali per lo sviluppo di trattamenti terapeutici per le malattie cognitive.

John Wixted, Ph.D., Illustre professore di psicologia e Larry Squire, Ph.D., Professore di Psichiatria, Neuroscienze e Psicologia, Università della California, San Diego

La rappresentazione della memoria episodica e semantica in singoli neuroni dell'ippocampo umano

I ricercatori stanno esplorando se i singoli neuroni in diverse sottoregioni dell’ippocampo umano codificano i ricordi. La questione di come il cervello immagazzina i ricordi è stata esaminata utilizzando altre metodologie, ma tutte hanno avuto dei limiti. Per questa ricerca, Wixted e Squire stanno collaborando con il dottor Peter Steinmetz del Barrow Neurological Institute per chiedere ai pazienti di memorizzare una serie di immagini e/o parole. Gli scienziati misureranno l'attività dei singoli neuroni in diverse aree dell'ippocampo mentre i pazienti successivamente ricorderanno quegli elementi. L’obiettivo a lungo termine è quello di creare una base per lo sviluppo di interventi clinici volti a rallentare il deterioramento della memoria associato all’invecchiamento e a rallentare la progressione delle malattie neurodegenerative nell’ippocampo che compromettono profondamente la capacità di ricordare.

Alison Barth, Ph.D., Università Carnegie Mellon

Cattura specifica della cellula della plasticità dipendente dall'esperienza nella neocorteccia

Utilizzando un modello murino che consente registrazioni elettrofisiologiche mirate di circuiti neocorticali, Barth lavorerà per identificare neuroni specifici modificati dall'esperienza e osservare gli input sinaptici a queste cellule, e anche per provare a guidare i cambiamenti in un certo sottoinsieme di cellule in vivo. La questione centrale è come fa l’esperienza a trasformare le cellule e le connessioni tra cellule, e cosa riguardo a questo processo è così fondamentale per l’apprendimento e la memoria.

Charles Gray, Ph.D., Università statale del Montana

Elaborazione distribuita alla base della cognizione

Il laboratorio di Gray ha appena sviluppato uno strumento in grado di misurare l'attività neurale nelle scimmie rhesus con una risoluzione temporale e spaziale molto elevata da molte posizioni. Durante il periodo del premio, Gray prevede di misurare l'attività neurale di ampie aree del cervello per ottenere un'ampia prospettiva su come e dove le informazioni vengono codificate quando il cervello trattiene qualcosa nella memoria a breve termine.

Geoffrey Kerchner, MD, Ph.D., E Anthony Wagner, Ph.D., Università di Stanford

Struttura e funzione dell'ippocampo nel deterioramento cognitivo

Kerchner prevede di utilizzare due tecnologie di risonanza magnetica (MRI) ad alta risoluzione per studiare le sottoregioni interconnesse dell'ippocampo per vedere come sono influenzate dalla malattia di Alzheimer. Studierà la struttura fisica dell'ippocampo con una tecnologia e, in collaborazione con Wagner, utilizzerà l'altra tecnologia per studiare come i gruppi di cellule nervose dell'ippocampo si attivano durante gli esercizi di memoria.

Attila Losonczy, MD, Ph.D., Università della Columbia

Dissezione delle disfunzioni del microcircuito dell'ippocampo alla base dei deficit di memoria cognitiva nella schizofrenia

Losonczy mira a migliorare la comprensione dei processi di memoria nei cervelli sani e malati per identificare gli obiettivi chiave per prevenire e trattare questi deficit di memoria. Utilizzando modelli murini, prevede di utilizzare l'imaging funzionale in vivo all'avanguardia per osservare e manipolare i circuiti neurali nell'ippocampo dei roditori durante i comportamenti di memoria, monitorando come questi neuroni funzionano nell'apprendimento normale e come vengono alterati nella schizofrenia.

Ben Barres, MD, Ph.D., Professore di Neurobiologia, Scuola di Medicina dell'Università di Stanford

Gli astrociti controllano il turnover sinaptico? Un nuovo modello sulle cause della malattia di Alzheimer e su come prevenirla

Man mano che il nostro corpo invecchia, è probabile che sia necessario qualche meccanismo per rimuovere le sinapsi che invecchiano nel cervello in modo che possano essere sostituite con nuove. Barres sta studiando se gli astrociti svolgono questo ruolo e, in tal caso, cosa succede se il loro lavoro viene compromesso. Il lavoro ha il potenziale per migliorare la comprensione e il trattamento della malattia di Alzheimer.

Wen-Biao Gan, Ph.D., Professore associato di Fisiologia e Neuroscienze, Scuola di Medicina dell'Università di New York

Funzione microgliale nei disturbi dell'apprendimento e della memoria

Gan sta studiando se le microglia svolgono un ruolo importante nell'apprendimento e nella formazione della memoria. Utilizzando una nuova linea di topi transgenici da lui sviluppata, esaminerà come l'eliminazione delle microglia o la loro disfunzione influisce sui circuiti neurali. Gli studi forniranno spunti per la comprensione e il trattamento di disturbi cerebrali come l'autismo, il ritardo mentale e il morbo di Alzheimer.

Elizabeth Kensinger, Ph.D., Professore associato di psicologia, Boston College

Cambiamenti nelle dinamiche temporali e nella connettività delle reti di memoria emotiva durante la vita adulta

Kensinger sta studiando l'impatto delle emozioni sulla memoria. La sua ricerca prende una prospettiva sull’arco della vita, valutando la memoria e l’attività neurale degli adulti di età compresa tra 18 e 80 anni. Esaminerà il modo in cui vengono recuperate le informazioni emotive, comprese le dimensioni spaziali e temporali del recupero della memoria. La ricerca ha il potenziale per far progredire la comprensione dei cambiamenti della memoria associati all’età, nonché di disturbi come la depressione e la sindrome da stress post-traumatico.

Brian Wiltgen, Ph.D., Professore assistente di psicologia, Università della Virginia

Riattivazione delle reti di memoria neocorticale durante il consolidamento

Nuovi ricordi vengono codificati dall'ippocampo e col tempo vengono immagazzinati in modo permanente nelle regioni della neocorteccia. Wiltgen sta esplorando i meccanismi biologici che sono alla base di questo processo di archiviazione, utilizzando nuove tecniche per controllare l'attività dei circuiti di memoria nell'ippocampo e nella neocorteccia. Il lavoro ha implicazioni per il trattamento dell'Alzheimer e di altre malattie che colpiscono la memoria.

Cristina Alberini, Ph.D., Professore di Neuroscienze, Scuola di Medicina del Monte Sinai

Il ruolo degli astrociti nella memoria e nei disturbi cognitivi

Alberini si sta concentrando sull'interazione tra neuroni e astrociti nella formazione della memoria. Esplorerà l'ipotesi che i difetti in questa interazione possano causare disturbi cognitivi e esaminerà potenziali nuovi trattamenti per il decadimento cognitivo legato all'invecchiamento e alla neurodegenerazione.

Anis Contractor, Ph.D., Professore assistente di Fisiologia, Scuola di Medicina della Northwestern University

Attivazione degli mGluR del Gruppo I per reprimere la memoria della paura

I topi privi dei recettori del glutammato chiamati mGluR5 non possono estinguere i ricordi spaventosi. Il contraente intende studiare il ruolo di questi recettori, mappando i circuiti cerebrali coinvolti nell'imparare a temere situazioni appropriate e a sopprimere la paura inappropriata. Vedrà anche se i nuovi farmaci potranno accelerare il processo di apprendimento a non avere troppa paura. Farmaci simili possono essere utili nel trattamento dei disturbi d’ansia umani.

Loren Frank, Ph.D., Professore assistente di Fisiologia e Mary Dallman, Ph.D., Professore Emerita di Fisiologia, Università della California, San Francisco

Un approccio a livello di circuito per comprendere e trattare i disturbi della memoria legati allo stress

Frank e Dallman stanno esaminando se piccole alterazioni nell'attività cerebrale potrebbero aiutare a minimizzare gli effetti a lungo termine dello stress sull'apprendimento e sulla memoria. Se la loro ipotesi secondo cui lo stress amplifica la riproduzione dei ricordi si rivela vera, si potrebbero progettare terapie per ridurre l’effetto a lungo termine degli eventi stressanti. La ricerca ha implicazioni particolari per il disturbo da stress post-traumatico.

Michael Mauk, Ph.D., Professore, e Daniel Johnston, Ph.D., Professore e direttore del Centro per l'apprendimento e la memoria, Università del Texas ad Austin

Meccanismi di attività persistente corticale della memoria di lavoro

Mauk e Johnston utilizzeranno sia sistemi che approcci cellulari per studiare la memoria di lavoro sia negli animali vivi che in esperimenti su sezioni di cervello utilizzando potenti metodi di registrazione dei neuroni. Poiché la memoria di lavoro contribuisce a tanti processi cognitivi, comprenderne i meccanismi potrebbe migliorare la diagnosi e il trattamento di molti disturbi, tra cui il morbo di Alzheimer e l'ADHD.