2022년 8월 1일
McKnight Endowment Fund for Neuroscience(MEFN)는 2022 McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards를 통해 $600,000의 보조금을 받은 세 명의 수상자를 발표했으며, 이들 프로젝트는 신경과학 연구 수행 방식을 근본적으로 변화시킬 수 있는 능력을 인정받았습니다. 각 프로젝트에는 향후 2년 동안 총 $200,000이 제공되어 뇌 기능을 매핑, 모니터링 및 모델링하는 데 사용되는 이러한 획기적인 기술의 개발이 진행됩니다. 2022년 수상자 및 프로젝트:
- 워싱턴 대학의 안드레 베른트(Andre Berndt) 박사는 는 연구자들이 실험을 위해 이러한 바이오센서를 보다 정확하게 식별하고 개선할 수 있도록 매우 많은 수의 광유전학적 바이오센서를 매우 빠르게 생성하고 스캔하는 시스템을 개발하고 있습니다. 현재 기술과 자원의 제약으로 인해 연구자들은 수십 또는 수백 개의 바이오센서를 탐색하는 데 한계가 있으며, 샘플 크기가 작다는 것은 최선의 선택을 찾았는지 확신할 수 없다는 것을 의미합니다. 수만 개를 생성하고 선별할 수 있는 기능으로 옵션이 기하급수적으로 확장됩니다.
- University of Illinois Chicago의 Ruixuan Gao 박사, 는 새로운 유형의 하이드로겔을 화학적으로 엔지니어링하여 새로운 확장 현미경 검사법에 사용하고 있습니다. 본질적으로 조직 샘플과 그 구성 요소 세포를 원래 크기의 몇 배로 확장하여 더 쉽게 연구할 수 있도록 하는 것입니다. 그의 새로운 "테트라 겔"과 샘플을 겔에 고정하는 특수 분자는 샘플을 높은 충실도로 확장하고 안정적으로 유지하여 뇌 조직의 분자 프로필을 더 잘 포착할 수 있도록 합니다.
- Syracuse University의 Mirna Mihovilovic Skanata 박사, 은 연구자들이 자유롭게 행동하고 자유롭게 움직이는 유충 초파리의 넓은 영역에 걸쳐 신경 활동을 정밀하게 추적하고 광학적으로 조작할 수 있도록 하는 2광자 현미경을 위한 새로운 고정밀 응용 프로그램을 개발하고 있습니다. 이 시스템은 완전히 비침습적이며, 알고리즘을 사용하여 애벌레의 움직임을 조정하고 동물이 움직일 때 움직임 및 변형 뇌를 계산하고 수정함으로써 여러 개별 세포를 동시에 추적합니다.
아래에서 이러한 각 연구 프로젝트에 대해 자세히 알아보십시오.
신경 과학상 기술 혁신에 대하여
McKnight 신경 과학 상의 기술 혁신 상이 1999년에 제정된 이래로 MEFN은 이 상 메커니즘을 통해 신경 과학을 위한 혁신 기술에 $1600만 이상을 기부했습니다. MEFN은 특히 뇌 기능을 조작하고 분석하는 능력을 향상시키기 위해 새롭고 참신한 접근 방식을 취하는 작업에 관심이 있습니다. McKnight의 지원으로 개발된 기술은 궁극적으로 다른 과학자들에게 제공되어야 합니다.
수상 위원회 의장이자 생물학과 교수인 Anne P.와 Benjamin F. Biaggini 교수인 Markus Meister 박사는 “우리 지원자들이 새로운 신경 기술에 독창성을 가져오는 것을 다시 한 번 확인하게 되어 매우 기쁩니다.”라고 말했습니다. 칼텍에서. "우리의 상은 신호 분자를 위한 새로운 바이오센서부터 고해상도 현미경 전에 신경 조직을 확장하는 영리한 방법에 이르기까지 광범위한 범위에 걸쳐 있습니다."
올해의 선정 위원회에는 경쟁이 치열한 90명의 지원자 중에서 올해의 신경과학 기술 혁신상을 선택한 Adrienne Fairhall, Timothy Holy, Loren Looger, Mala Murthy, Alice Ting 및 Hongkui Zeng도 포함되었습니다.
수상에 대한 자세한 내용은 우리 홈페이지에 방문 해주세요.
2022 McKnight 신경 과학 어워드의 기술 혁신
Andre Berndt, PhD, 조교수, 워싱턴 대학교 생명공학부
신경 신호 전달을 위한 광유전학적 바이오센서의 대규모 병렬 처리량 엔지니어링
형광성, 유전적으로 암호화된 단백질은 뇌 세포와 신경 회로 연구에 혁명을 일으켰습니다. 특정 신경 활동이 있을 때 말 그대로 조명을 켜서 살아있는 뇌의 현미경과 광 섬유로 기록할 수 있는 이 도구는 많은 미스터리를 풀었고 연구자들이 뇌 활동과 신경 경로를 시각화할 수 있게 했습니다. 그러나 병목 현상이 있었습니다. 각 실험에 가장 적합한 센서를 개발하고 식별하는 것이었습니다. 이 암호화된 단백질은 특정 자극이 있을 때만 반응해야 하며, 어떤 경우에는 매우 민감해야 하고, 어떤 경우에는 더 오랜 시간 동안 형광을 내야 할 수도 있습니다. 상호 작용합니다.
과거에는 각 센서를 개별적으로 유전자 변형, 생산 및 테스트해야 했습니다. 아마도 수십 또는 수백 만 비교할 수 있었고 연구자들은 더 좋고 더 정확한 옵션이 있는지 알지 못하는 작은 샘플에서 최상의 옵션을 선택했습니다. Berndt 박사는 매우 많은 수의 광유전학적 바이오센서를 동시에 개발 및 테스트하는 프로세스를 개발했습니다. 이 프로세스는 하루에 10,000개 이상을 스크리닝하고 연구원들이 항상 실행하는 데 사용할 수 있는 정밀하게 설계된 단백질에 액세스할 수 있도록 하는 방대한 바이오센서 라이브러리를 구축하는 것을 목표로 합니다. 더 구체적인 실험.
이 기술은 빠른 유전 공학을 사용하여 많은 수의 바이오센서 변이체를 생성한 다음 개별 변이체를 마이크로웰 어레이에 배치합니다. 센서는 신경 펩티드에 노출됩니다. 현재 Berndt 박사는 리간드 관련 오피오이드 센서에 중점을 두고 있습니다. 그런 다음 광학 센서는 마이크로어레이를 읽고 각 변이체의 밝기 및 기타 변수를 감지하고 추가 테스트를 위한 최상의 옵션을 선택합니다. 2년 동안 약 750,000개의 바이오센서가 테스트되고 스크리닝 프로세스가 개선되어 뇌에서 아편유사제 작용에 대한 연구를 발전시키고 다른 연구자들이 실험에 사용할 수 있는 다양한 접근 방식을 제공할 것입니다.
Ruixuan Gao, Ph.D., 시카고 일리노이대학교 화학과 및 생물학과 조교수
사면체 유사 단량체로 구성된 매우 균질한 하이드로겔을 사용하여 고등방성 확장 현미경으로 시냅스 단백질 및 RNA 전사체의 10nm 미만 공간 프로파일링
뇌의 뉴런과 시냅스와 같이 아주 작은 것을 조사하기 위해 연구자들은 강력한 현미경을 사용합니다. 그러나 인상적인 결과를 얻을 수 있는 또 다른 접근 방식이 있습니다. 확장 현미경이라고 하는 과정을 통해 특수 팽윤성 하이드로겔을 사용하여 말 그대로 조직 샘플과 그 안의 세포를 확장하는 것입니다. 하이드로겔은 세포의 다른 분자 구성 요소에 결합하고 팽창하여 모든 구성 요소를 서로 동일한 상대적 위치에 이상적으로 유지하여 더 크고 접근하기 쉬운 연구용 샘플을 만듭니다. 원칙적으로 풍선에 글을 쓴 다음 팽창시키는 것과 유사합니다 .
그러나 이 과정에 사용되는 현재 하이드로겔은 뇌의 미세한 구조를 연구할 때 몇 가지 단점이 있습니다. 분자의 상대적 위치를 유지하는 오차 범위는 원하는 만큼 정확하지 않습니다. 이 문제를 잠재적으로 극복할 수 있는 새로운 젤은 조직 샘플을 변성 및 처리하는 데 사용되는 열에 잘 반응하지 않습니다. 그리고 형광 바이오마커의 사용을 제한할 수 있습니다. Gao 박사는 팽창할 때 매우 균일하고 열에 저항하며 생물발광 마커를 사용할 수 있는 사면체 모양의 단량체를 갖도록 화학적으로 조작된 새로운 유형의 "테트라겔"을 개발하여 기술을 개선하는 것을 목표로 합니다. 그는 또한 샘플의 다른 분자 구성 요소를 겔에 결합하는 특수 분자인 화학적 링커를 개발할 것입니다. 목표는 원본의 충실도와 강력한 현미경의 해상도와 일치하는 10나노미터 이내로 확장된 샘플을 갖는 것입니다.
Gao 박사의 연구는 이미 이 테트라겔을 개발하는 데 사용할 유망한 화합물을 확인했습니다. 그의 연구실이 그것을 개발하고 개선함에 따라, 그는 예를 들어 조기 발병 파킨슨병 영향을 받는 뇌의 연구에 그 능력을 적용할 것입니다. 이러한 뇌의 정확한 구조를 연구하는 것은 전통적인 방법으로 어려운 일이며 목표는 시냅스 단백질 및 관련 유전자 전사체를 정확하게 매핑하여 초기 발병 PD 뇌가 분자적으로 구조화된 방식을 밝히는 데 도움이 되는 것입니다.
Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., 조교수, Syracuse University 물리학과
자유롭게 움직이는 동물의 신경 패턴을 읽고 조작하는 2광자 추적 기술
신경과학자의 표준은 살아있는 동물이 자유롭고 자연스럽게 행동하는 동안 뇌에서 일어나는 일을 넓은 영역에서 높은 수준의 정밀도로 기록하고 조작할 수 있다는 것입니다. 수년에 걸쳐 기술 덕분에 연구자들은 이 이상을 향해 나아갈 수 있었지만 항상 약간의 타협이 있었습니다. 종종 동물은 머리를 고정해야 하고 뇌에 침입형 센서나 광학 장치를 이식해야 했으며, 고화질 기록이나 조작은 뇌의 상대적으로 작은 영역으로 제한되는 경우가 많았습니다. 덜 정확합니다.
주요 과제 중 하나는 자유롭게 움직이는 동물의 뇌와 뉴런의 움직임과 왜곡입니다. 그러나 Skanata 박사는 침습적 임플란트 없이 움직이는 동물의 여러 개별 뉴런을 추적하고 이러한 뉴런을 광학적으로 활성화하거나 조작할 수 있는 새로운 2광자 추적 기술을 개발하고 있습니다. 사용된 모델은 자연적으로 투명한 초파리 유충이며 Dr. Skanata는 개별 뉴런의 움직임을 빠르게 감지할 수 있는 독창적인 알고리즘과 결합된 2광자 현미경(매우 정확한 표적화 가능)을 사용하여 계속 개발할 시스템을 개발할 예정입니다. 현미경 아래 중앙에 유지하기 위해 움직이는 무대에서 피사체의 위치를 조정합니다. 이 시스템은 여러 뉴런의 상대적 위치를 계산하고, 움직이는 동안 뇌의 움직임과 변형을 조정하고, 넓은 영역에서 신경 활동을 추적합니다.
광학적 빛에 노출되었을 때 뉴런이 활성화될 수 있도록 변형된 동물을 추적할 때, 시스템은 연구자들이 자연 활동 중에 높은 정밀도로 뉴런을 켤 수 있도록 합니다. 중요한 것은 Dr. Skanata가 개발 중인 시스템이 두 개의 레이저 빔을 독립적으로 제어할 수 있는 기능이 있어 여러 영역을 동시에 추적할 수 있으며 개인 간의 활동을 추적할 수 있어 그룹 조우 중 신경 활동에 대한 통찰력을 제공한다는 것입니다.
