Prêmio Acadêmico McKnight de 2021

O Conselho de Administração do McKnight Endowment Fund for Neuroscience tem o prazer de anunciar que selecionou sete neurocientistas para receber o Prêmio McKnight Scholar 2021.

Os McKnight Scholar Awards são concedidos a jovens cientistas que estão nos estágios iniciais de estabelecimento de seus próprios laboratórios independentes e carreiras de pesquisa e que demonstraram comprometimento com a neurociência. “A turma de acadêmicos deste ano mostra a diversidade de neurocientistas jovens, brilhantes e inovadores de todo o país”, diz Kelsey C. Martin MD, PhD, presidente do comitê de premiação e reitor da Escola de Medicina David Geffen da UCLA. Desde que o prémio foi introduzido em 1977, este prestigiado prémio para início de carreira financiou mais de 250 investigadores inovadores e estimulou centenas de descobertas revolucionárias.

“Juntos, os McKnight Scholars estão abordando algumas das questões mais interessantes da neurociência atualmente”, diz Martin. “Usando uma série de abordagens experimentais e computacionais, eles estão elucidando como a experiência sensorial molda o cérebro durante o desenvolvimento, como os circuitos cerebrais dão origem a comportamentos específicos do sexo, como o som é percebido e processado durante o comportamento, como o sono influencia a cognição e a saúde do cérebro, como os mecanismos biológicos celulares controlam os ritmos circadianos e como os circuitos neurais processam informações e aprendem. Em nome de todo o comitê, gostaria de agradecer a todos os candidatos ao McKnight Scholar Awards deste ano por suas contribuições e criatividade.”

Cada um dos sete ganhadores do McKnight Scholar Award receberá $75.000 por ano durante três anos. Eles são:

Houve 70 candidatos para o McKnight Scholar Awards deste ano, representando os melhores jovens professores de neurociências do país. O corpo docente só é elegível para o prêmio durante os primeiros quatro anos em um cargo de docente em tempo integral. Além de Martin, o comitê de seleção do Scholar Awards incluiu Gordon Fishell, PhD, Universidade de Harvard; Loren Frank, PhD, Universidade da Califórnia, São Francisco; Mark Goldman, PhD, Universidade da Califórnia, Davis; Richard Mooney, PhD, Faculdade de Medicina da Universidade Duke; Jennifer Raymond, PhD, Universidade de Stanford; Vanessa Ruta, PhD, Universidade Rockefeller; e Michael Shadlen, MD, PhD, Universidade de Columbia.

As inscrições para os prêmios do próximo ano estarão disponíveis em agosto e vencem em 10 de janeiro de 2022. Para obter mais informações sobre os programas de prêmios de neurociências de McKnight, visite o site do Endowment Fund em https://www.mcknight.org/programs/the-mcknight-endowment-fund-for-neuroscience

Sobre o McKnight Endowment Fund for Neuroscience

O McKnight Endowment Fund for Neuroscience é uma organização independente financiada exclusivamente pela Fundação McKnight de Minneapolis, Minnesota, e liderada por um conselho de neurocientistas proeminentes de todo o país. A Fundação McKnight apoia pesquisas em neurociências desde 1977. A Fundação criou o Endowment Fund em 1986 para levar a cabo uma das intenções do fundador William L. McKnight (1887-1979). Um dos primeiros líderes da 3M Company, ele tinha um interesse pessoal em memória e doenças cerebrais e queria que parte de seu legado fosse usado para ajudar a encontrar curas. O Fundo de Doação concede três tipos de prêmios a cada ano. Além dos McKnight Scholar Awards, eles são os McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards, que fornecem capital inicial para desenvolver invenções técnicas para aprimorar a pesquisa do cérebro; e o Prêmio McKnight de Neurobiologia de Distúrbios Cerebrais, para cientistas que trabalham para aplicar o conhecimento obtido por meio de pesquisas translacionais e clínicas a distúrbios cerebrais humanos.

Prêmio Acadêmico McKnight de 2021

Lucas Cheadle, Professor Assistente PhD, Laboratório Cold Spring Harbor, Cold Spring Harbor, NY

Descobrindo a base molecular da função microglial no cérebro estimulado

Grande parte da neurociência do desenvolvimento tem-se centrado historicamente nos aspectos inerentes ao desenvolvimento neural – como as células são geneticamente “programadas” para se desenvolverem de uma determinada forma ou fornecerem uma função específica. E até recentemente, a investigação examinou mais de perto os próprios neurónios, com muitas das ferramentas e técnicas habitualmente utilizadas a serem otimizadas para estudar mecanismos intrínsecos aos neurónios. Em sua pesquisa, o Dr. Cheadle está voltando a atenção para áreas menos estudadas da neurologia: um estágio final do desenvolvimento neural que é influenciado por fatores ambientais externos e o papel desempenhado pelas células imunológicas do cérebro chamadas microglia neste processo.

Em sua pesquisa, o Dr. Cheadle está estudando especificamente o desenvolvimento de conexões neurais visuais usando um modelo de camundongo no qual alguns camundongos são criados em um ambiente sem luz durante um estágio crucial de desenvolvimento. Sua pesquisa anterior mostra que a microglia essencialmente “esculpe” o sistema visual, selecionando conexões sinápticas que são menos benéficas. Como resultado, a ordenação física dessa parte do sistema neural é diferente em camundongos criados no escuro e naqueles criados na luz. Em seu trabalho contínuo, o Dr. Cheadle procurará identificar em nível molecular como a microglia é estimulada por fatores externos (como a luz) e os mecanismos pelos quais eles esculpem as sinapses.

A pesquisa oferece várias abordagens novas, incluindo o uso de tecnologia de edição genética para eliminar genes microgliais específicos para definir seus papéis no desenvolvimento do circuito visual, bem como a criação de uma linhagem transgênica de camundongos que marca células microgliais funcionalmente ativas no cérebro, ambas as táticas mais utilizadas. frequentemente aplicado a neurônios que o Dr. Cheadle está adaptando para estudar a microglia pela primeira vez. Cheadle espera que sua pesquisa possa ajudar a descobrir novos insights sobre os papéis das células não neuronais no cérebro, o que pode levar a avanços futuros sobre as origens e o tratamento de distúrbios neurais, especialmente aqueles como o autismo e a esquizofrenia, que surgem relativamente tarde em desenvolvimento e tem alguma indicação de um componente imunológico.

Josie Clowney, PhD, Professor Assistente, Universidade de Michigan, Departamento de Biologia Molecular, Celular e do Desenvolvimento, Ann Arbor, MI

Um enquadramento feminista do infrutífero: a masculinidade como uma supressão dos programas neurais femininos

As diferenças entre os cérebros masculino e feminino podem parecer subtis e afectar apenas 2-5% do cérebro – afinal, a maioria das funções dos seres vivos de ambos os sexos são as mesmas, incluindo a necessidade de comer, dormir, aprender e mover-se – mas essas diferenças diferenças são cruciais para a sobrevivência de uma espécie. Muitas pesquisas têm sido comportamentais, como a realização de rituais de acasalamento, mas pouco se sabe sobre como os genes que impulsionam esses rituais são sintonizados no cérebro.

Clowney levanta a hipótese de que o processo é de subtração – que o código para os cérebros de ambos os sexos começa basicamente o mesmo, e então certos genes são desligados em certos padrões para cada sexo, resultando em cérebros masculinos e femininos. Além disso, os seus estudos até à data utilizando um modelo de mosca da fruta sugerem que o cérebro masculino pode resultar da remoção de programas neurais de um “modelo base” que está muito mais próximo do cérebro feminino, em vez da criação de novos programas. A chave para o processo é um fator de transcrição da mosca da fruta chamado “Fruitless”, uma proteína criada apenas nos cérebros das moscas da fruta machos que regula se os genes específicos do sexo no cérebro são ligados ou desligados, e que tem um papel na condução dos instintos baseados no sexo. mesmo em adultos.

Em sua pesquisa, a Dra. Clowney procurará identificar os alvos genéticos de Fruitless em cérebros em desenvolvimento e adultos; como os circuitos neurais inibitórios regulam o namoro masculino, impedindo que os machos realizem rituais de acasalamento com outros machos; e como os machos perdem os circuitos neurais para botar ovos. Os experimentos envolvidos utilizam uma variedade de técnicas para observar o ganho ou perda de circuitos e comportamentos associados ao sexo em animais com ou sem Fruitless. Com isso, ela pode lançar luz sobre o processo de desenvolvimento do cérebro, o que pode levar a novos insights sobre como nossos cérebros sabem quais comportamentos inatos executar e quais não executar, e possivelmente ajudar pesquisadores de distúrbios neurológicos e psiquiátricos, muitos dos quais são mais comum é um sexo ou outro.

Shaul Druckmann, PhD, Professor Assistente de Neurobiologia e de Psiquiatria e Ciências do Comportamento, Universidade de Stanford, Stanford, CA

Como o cérebro calcula usando atividades distribuídas entre populações e áreas cerebrais?

Após décadas de pesquisa, ainda temos uma compreensão limitada de como o cérebro realiza cálculos entre regiões. Esta questão fundamental está no cerne do trabalho do Dr. Druckmann, que aproveita o crescente escopo e detalhe do registro da atividade cerebral para explorar o que acontece no cérebro entre o estímulo e a resposta, especificamente quando a resposta é atrasada e a memória de curto prazo esta noivo.

Em um conjunto de experimentos, ratos são treinados para lamber em uma das duas direções algum tempo depois que um estímulo é apresentado e então removido. Como o estímulo não está mais presente, o cérebro precisa armazenar a memória dele, planejar o movimento, reter a ação por um certo tempo e então agir. Durante esses segundos, a atividade cerebral é registrada em múltiplas regiões cerebrais simultaneamente. Dados preliminares mostram que a atividade está presente e mudando entre regiões e em diferentes populações neuronais, e Druckmann pretende mostrar que esta atividade coletiva está interagindo entre áreas do cérebro e as maneiras pelas quais as interações podem “consertar” as memórias e a intenção de movimento necessárias, mesmo quando um a atividade de uma única região ou população pode ser errônea. Uma segunda linha de investigação que utiliza seres humanos monitoriza a atividade cerebral inter-regional durante a fala – uma atividade extraordinariamente complexa – em experiências que abordam a mesma questão de como os cálculos são feitos no cérebro.

Dr. Druckmann vê esses experimentos como os primeiros passos para ter um modelo de como o cérebro funciona como um todo. Ao mesmo tempo, ele também espera expandir a forma como os pesquisadores trabalham; seu projeto envolve intensa colaboração com vários outros pesquisadores, e ele espera poder explorar a ciência básica e também buscar aplicações clínicas para suas descobertas, especificamente por meio de sua participação em um projeto de ensaio clínico colaborativo que trabalha em interfaces neurais. A capacidade de decodificar como a atividade cerebral se traduz em uma atividade complexa como a fala pode levar a uma tecnologia que possa restaurar algumas funções em pessoas com doenças degenerativas como a ELA.

Laura Lewis, PhD, Professor Assistente, Universidade de Boston, Departamento de Engenharia Biomédica, Boston, MA

Imagens da dinâmica neural e de fluidos no cérebro adormecido

O sono é extremamente importante para a saúde do cérebro, tanto a curto como a longo prazo. Tanto a atividade neural quanto a dinâmica dos fluidos do líquido cefalorraquidiano (LCR) mudam durante o sono, com consequências variadas – os sistemas sensoriais mudam da consciência dos estímulos externos para a reativação da memória, e o LCR flui para o cérebro e elimina as proteínas tóxicas que se acumulam durante o sono. horas de vigília. Curiosamente, os dois processos estão intimamente correlacionados. Em sua pesquisa, a Dra. Lewis investigará a conexão entre a dinâmica neural e dos fluidos durante o sono e a conexão de cada uma com a saúde do cérebro.

A chave para a pesquisa do Dr. Lewis é a capacidade de estudar pacientes durante o sono de movimento ocular não rápido (NREM) e observar a atividade cerebral e a dinâmica dos fluidos em curtos prazos. Para fazer isso, a Dra. Lewis está usando uma combinação inovadora de EEG com ressonância magnética funcional rápida (fMRI), aprimorada usando um algoritmo que ela desenvolveu para eliminar ruído, permitindo-lhe observar a atividade neural precisa e sincronizada e o fluxo do LCR. Sua pesquisa irá explorar primeiro como essas ondas lentas são ativadas no cérebro e quais redes neurais estão envolvidas, usando estímulos auditivos que podem aumentar as ondas lentas. Em segundo lugar, ela examinará a ligação entre estas ondas lentas e o fluxo do LCR; uma hipótese é que a atividade neural retardada diminui a demanda de sangue, essencialmente atraindo o LCR para o cérebro à medida que o sangue retrocede. Usando a técnica de imagem combinada, o Dr. Lewis será capaz de observar o fluxo sanguíneo acoplado e o fluxo do LCR momento a momento em 3D em todo o cérebro.

As implicações para esta interação são profundas. Durante essas ondas lentas, a rede neural do cérebro é reorganizada de uma forma que é crítica para a reativação da memória e para a saúde cerebral a curto prazo; o fluxo do LCR que está ligado às ondas lentas é importante para a saúde do cérebro a longo prazo. Compreender como estes sistemas funcionam ajudará futuros investigadores do sono a compreender quando algo corre mal, o que é de particular interesse em estudos de doenças neurológicas e psiquiátricas, incluindo a doença de Alzheimer, que pode estar ligada a perturbações do sono de ondas lentas.

Ashok Litwin-Kumar, PhD, Professor Assistente, Departamento de Neurociências e Instituto Zuckerman, Columbia University, Nova York, NY

Modelos de comportamento adaptativo restritos ao conectoma

Com novos diagramas de microscopia eletrônica (EM) de sistemas nervosos cada vez mais complexos, os pesquisadores estão prestes a desbloquear uma compreensão mais profunda de como esses sistemas levam ao comportamento. O desafio: como utilizar estes vastos conjuntos de dados, conhecidos como conectomas, que no caso da mosca da fruta incluem dezenas de milhares de neurónios e dezenas de milhões de sinapses. Realizar esta tarefa é difícil, pois muitas abordagens bem-sucedidas para modelar o comportamento, incluindo técnicas inspiradas no aprendizado de máquina, usam modelos que não refletem a realidade de como os cérebros e os sistemas nervosos estão conectados.

Em sua pesquisa, o Dr. Litwin-Kumar pretende desenvolver uma metodologia para reunir os mundos do conectoma e os modelos funcionais de comportamento, desenvolvendo maneiras de identificar estruturas relevantes dentro de um conectoma que podem restringir os modelos comportamentais - por exemplo, limitando o modelos para que eles usem apenas conexões sinápticas que existem fisicamente no conectoma, em vez de fazer saltos fisicamente impossíveis entre os neurônios.

Para testar e refinar essa abordagem, o Dr. Litwin-Kumar está primeiro se concentrando no conectoma de uma parte do cérebro da mosca da fruta chamada corpo do cogumelo, uma região bem mapeada que é um centro de aprendizagem associativa. As entradas sensoriais recebidas pelas células Kenyon são projetadas para produzir neurônios, que desencadeiam comportamentos como reações de aproximação ou evitação. Usando modelagem avançada, a equipe procurará identificar de forma eficiente a estrutura dentro do conectoma que reflete como a informação é transmitida ao corpo do cogumelo. Em seguida, eles testarão modelos de aprendizagem profunda limitados por essas conexões para ver com que eficácia eles prevêem respostas a estímulos, em comparação com modelos irrestritos. Outros testes irão explorar o papel dos neurônios dopaminérgicos na aprendizagem mais complexa. Coletivamente, esta pesquisa estabelecerá as bases para o uso de conectomas de complexidade crescente, juntamente com modelos de aprendizagem para refletir com mais precisão o comportamento de organismos reais.

David Schneider, PhD, Professor Assistente, Universidade de Nova York, Centro de Ciências Neurais, Nova York, NY

Coordenar transformações no córtex do mouse

Uma das muitas capacidades notáveis encontradas nos cérebros de organismos avançados é a capacidade de prever o futuro, não apenas em longas escalas de tempo, mas momento a momento, contabilizando e registando constantemente dados de entradas sensoriais e criando modelos preditivos baseados em experiências passadas. Estes modelos preditivos ajudam-nos a navegar e interagir de forma mais eficaz com o mundo – e, igualmente importante, a identificar aberrações do esperado que possam ser um sinal de perigo ou oportunidade. O trabalho do Dr. Schneider concentra-se em como o controle motor e as regiões sensoriais do cérebro trabalham juntas dessa maneira e trabalhará para descobrir como o cérebro aprende e forma memórias que formam a base do que é esperado.

Em seus experimentos, Schneider se concentra em um caminho aparentemente contra-intuitivo encontrado em cérebros de camundongos (e em cérebros humanos): um conduíte que conecta uma região de controle motor a uma região sensorial auditiva. Sempre que um movimento é feito, as duas regiões se comunicam de uma forma que diz ao sistema auditivo para desconsiderar o som criado por esse movimento, quase como um negativo fotográfico que cancela o som. Em seus experimentos, os ratos serão condicionados a esperar um certo som ao apertar uma alavanca. A atividade neural e as respostas comportamentais serão registradas quando o som esperado for experimentado e novamente quando o som for sutilmente alterado.

Estas experiências ajudarão a identificar o papel de neurónios específicos na antecipação de respostas sensoriais, como o controlo motor e os centros sensoriais do cérebro interagem e como os caminhos entre as regiões motoras e sensoriais mudam quando um novo som se torna “esperado”. Mais pesquisas bloquearão certas vias no cérebro para determinar seu papel na realização de previsões e também verão como o cérebro usa informações visuais para ajudar a antecipar sons autogerados. Compreender como funcionam esses sistemas preditivos e de aprendizagem pode ajudar a orientar pesquisas futuras sobre uma série de distúrbios neurológicos.

Swathi Yadlapalli, PhD, Professor Assistente, Faculdade de Medicina da Universidade de Michigan, Departamento de Biologia Celular e do Desenvolvimento, Ann Arbor, MI

Mecanismos celulares que controlam os ritmos circadianos

Os relógios circadianos – os relógios internos de 24 horas que controlam muitos dos ritmos do nosso sistema biológico, como quando dormimos, acordamos, como metabolizamos e muito mais – são encontrados em quase todas as células do nosso corpo. Mas exatamente o que está acontecendo dentro de qualquer célula para criar esse ritmo é pouco compreendido. Pesquisas bioquímicas e genéticas anteriores identificaram proteínas cruciais que são fatores de transcrição, positivos ou inibitórios, com um papel nos ritmos circadianos, mas não abordaram exatamente como elas funcionam em uma célula viva no nível subcelular, o equivalente biológico de ter um lista de peças, mas não entendendo como elas se encaixam.

Yadlapalli desenvolveu métodos inovadores para realizar pela primeira vez a visualização unicelular e de alta resolução dessas proteínas e como elas interagem durante um período de 24 horas nas células vivas de moscas da fruta, e as descobertas preliminares já revelaram resultados inesperados. percepções. Especificamente, um dos principais fatores inibitórios da transcrição, denominado PER, reúne-se para formar focos distribuídos uniformemente ao redor do envelope do núcleo da célula e desempenha um papel na alteração da localização nuclear dos genes do relógio durante o ciclo. Anteriormente, presumia-se que essas proteínas flutuavam livremente ou eram distribuídas aleatoriamente. Estes estudos destacam uma nova camada importante de regulação no sistema de relógio circadiano.

Numa série de experiências, o Dr. Yadlapalli determinará os mecanismos envolvidos neste processo – como os focos se formam e onde se localizam, e como promovem a repressão de genes regulados pelo relógio. Compreender mais sobre o funcionamento destes processos celulares fundamentais e poderosos, que têm efeitos até ao comportamento e à saúde de todo o organismo, fornecerá um ponto de partida para a investigação de muitos distúrbios do sono, distúrbios metabólicos e doenças neurológicas.