Prêmio Acadêmico McKnight de 2022

O Conselho de Administração do McKnight Endowment Fund for Neuroscience tem o prazer de anunciar que selecionou seis neurocientistas para receber o Prêmio McKnight Scholar 2022.

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. “Os bolsistas deste ano exemplificam a criatividade e a sofisticação técnica dos principais jovens neurocientistas de todo o país”, disse Richard Mooney, PhD, presidente do comitê de premiação e professor de neurobiologia George Barth Geller na Faculdade de Medicina da Universidade Duke.

“Aproveitando abordagens de biologia estrutural, óptica, genética, fisiologia, computação e comportamento, os estudiosos procuram obter insights sobre tópicos que vão desde a biofísica da sinalização neuronal até a estrutura em grande escala dos circuitos neuronais, e elucidar a base neuronal da decisão produção, processamento sensorial e voo”, disse Mooney. “Em nome de todo o comitê, parabenizo todos os candidatos por seus esforços impressionantes na vanguarda da pesquisa em neurociências.”

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. Cada um dos seguintes ganhadores do McKnight Scholar Award receberá $75.000 por ano durante três anos.

Houve 53 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 Mooney, o comitê de seleção do Scholar Awards incluiu Gordon Fishell, Ph.D., Universidade de Harvard; Mark Goldman, Ph.D., Universidade da Califórnia, Davis; Kelsey Martin, MD, Ph.D., Fundação Simons; Jennifer Raymond, Ph.D., Universidade de Stanford; Vanessa Ruta, Ph.D., Universidade Rockefeller; e Michael Shadlen, MD, Ph.D., Universidade de Columbia.

O calendário de inscrições para os prêmios do próximo ano estará disponível no início de setembro. Para obter mais informações sobre os programas de premiação de neurociências da McKnight, visite o Site do Fundo de Doação.

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 2022

Christine Constantinopla, Ph.D.., Professor assistente, Centro de Ciências Neurais da Universidade de Nova York, Nova York, NY

Mecanismos de Inferência de Circuitos Neurais

O cérebro animal está maravilhosamente bem adaptado para tomar decisões baseadas em inferências – uma compreensão de como o mundo funciona que ajuda a orientar se deve ou não tomar uma determinada acção numa determinada situação. Se um animal tem um “modelo” interno de mundo, uma decisão pode ser tomada com base nesse modelo. Mas como os neurônios passam a representar as coisas no mundo? Quais circuitos e processos reais estão envolvidos? E num mundo dinâmico, onde as escolhas precisam ser feitas com informações incompletas ou não reconhecidas, como é que os animais decidem como fazer uma “aposta” na melhor acção?

Em sua pesquisa, a Dra. Constantinopla está trabalhando com um modelo de rato para descobrir quais partes do cérebro estão envolvidas na inferência de coisas sobre o mundo e as diferenças neurológicas entre tomar uma decisão cognitiva em um ambiente incerto ou recorrer à ação habitual. O experimento envolve esperar por uma recompensa de água conhecida ou “desistir” na esperança de que a próxima recompensa oferecida valha mais a pena. Existem diferentes valores de recompensa, e eles são apresentados em um padrão que permite ao rato construir um modelo de qual gama de resultados esperar, embora ele não possa ter certeza, porque algumas das recompensas são ambíguas quanto ao estado da tarefa.

Ao monitorar a atividade cerebral em múltiplas regiões e em projeções específicas durante períodos previsíveis e imprevisíveis e as transições entre eles, e inativar regiões cerebrais específicas e vias neurais em diferentes ensaios, o Dr. Constantine propõe identificar os mecanismos envolvidos na inferência. Ela propõe que diferentes processos estão envolvidos na escolha de ações baseadas em um modelo mental versus decisões sem modelo; que diferentes núcleos talâmicos codificam as recompensas e a história do rato separadamente; e que o córtex orbitofrontal (OFC) integra essas duas entradas sobrepostas, mas distintas, para inferir estados desconhecidos. Este trabalho pode ajudar pesquisas futuras envolvendo condições, como esquizofrenia ou transtorno obsessivo-compulsivo, nas quais os pacientes parecem ter um modelo interno de mundo prejudicado para ajudar a orientar o comportamento.

Bradley Dickerson, Ph.D., Professor Assistente, Instituto de Neurociências de Princeton, Universidade de Princeton, Princeton, NJ

Feedback Integral Proporcional em um 'Giroscópio' Biológico

O sistema nervoso coleta e atua com base nas informações recebidas em milissegundos – às vezes com reflexos programados, às vezes com intenção. Mas estudar como estes sinais afetam o movimento de um animal vivo apresenta desafios. Tem havido trabalho no nível dos neurônios individuais, bem como na escala do movimento de todo o corpo. Dickerson propõe unir essas diferentes escalas e também resolver o nível de controle que as moscas-das-frutas têm sobre certos conjuntos de músculos das asas por meio de um experimento que estuda órgãos mecanossensoriais especializados, exclusivos das moscas, conhecidos como halteres.

Os halteres detectam forças rotacionais que afetam a mosca e fornecem instruções involuntárias diretamente aos músculos das asas para compensar, agindo como uma espécie de giroscópio automático. Mas em pesquisas anteriores, o Dr. Dickerson mostrou que o haltere também pode ativar ações precisas de direção das asas na ausência de rotações, respondendo a instruções de controle ativo do cérebro. Em sua nova pesquisa, ele explorará os motivos de controle das manobras de vôo quando as moscas são expostas a estímulos sensoriais. Essas moscas são amarradas em uma arena e monitoradas por um microscópio epifluorescente que pode detectar atividade neuronal nos músculos haltere. Em experimentos separados, um microscópio de dois fótons acima da mosca monitorará a atividade cerebral, com uma câmera abaixo rastreando o movimento da asa. Os estímulos visuais aparecem antes da mosca, desencadeando eventos de direção e permitindo ao Dr. Dickerson observar em múltiplas escalas como o movimento ocorre.

Dr. Dickerson propõe que o haltere tem mecanismos de controle separados que podem ser recrutados durante perturbações para oferecer o máximo controle da mosca. No jargão da engenharia de controles, ele acredita que o haltere pode reagir tanto ao feedback proporcional (o tamanho de uma perturbação) quanto ao feedback integral (como a perturbação muda ao longo do tempo) – uma sofisticação maior do que se acreditava anteriormente. Além disso, ele espera documentar como todos esses sistemas funcionam juntos, aprendendo quais neurônios enviam quais sinais para quais músculos e como isso leva a movimentos específicos – criando um modelo de como cérebros, neurônios e músculos se comunicam, que pode avançar nossa compreensão de como o movimento é controlado.

Markita Landry, Ph.D., Professor Assistente, Universidade da Califórnia – Berkeley, Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, Berkely, CA

Iluminando a sinalização de oxitocina no cérebro com nanosensores fluorescentes de infravermelho próximo

Acredita-se que os desequilíbrios químicos no cérebro estejam associados a uma ampla gama de distúrbios neurológicos em humanos, mas atualmente é impossível ver quais substâncias químicas estão presentes no cérebro com precisão celular. Em sua pesquisa, a Dra. Landry busca criar um nanosensor que possa detectar oxitocina, um de uma classe de neuropeptídeos que se acredita ter um papel na modulação do humor e do comportamento, e assim permitir pesquisas que possam ajudar a confirmar o papel dos neuropeptídeos no dia a dia. vida e diagnosticar com mais precisão desequilíbrios neuroquímicos que podem levar a doenças de saúde mental.

O trabalho do Dr. Landry envolve a criação de “sondas ópticas” – minúsculos nanotubos de carbono com um peptídeo ligado à superfície que irá fluorescer na luz infravermelha próxima quando na presença de oxitocina. Essa fluorescência pode ser detectada com alta precisão em uma escala de tempo de milissegundos, permitindo que os pesquisadores vejam exatamente onde e quando ela está presente no cérebro e, assim, identifiquem sob quais condições a liberação de oxitocina pode ser prejudicada (e, portanto, tratável) no humor, no comportamento e nas relações sociais. distúrbios. Landry criou sondas semelhantes para a serotonina e a dopamina, mas a criação de uma nova sonda para a oxitocina não só permitirá a investigação dos seus efeitos no cérebro, mas também para toda uma classe de neuropeptídeos semelhantes.

É importante ressaltar que esses nanotubos podem ser introduzidos externamente no tecido cerebral; a fluorescência não é resultado de codificação genética, portanto pode ser utilizada em animais que não foram modificados. Como emitem luz infravermelha próxima, é possível que a luz possa ser detectada através do crânio, o que permitiria perturbação mínima aos sujeitos. No experimento do Dr. Landry, o desenvolvimento dos nanosensores e detectores será validado por testes in vitro usando fatias cerebrais e, finalmente, aplicado in vivo, momento em que será determinado se a imagem através do crânio é possível. Com esses sensores como ferramenta, o Dr. Landry espera ajudar a melhorar o diagnóstico de distúrbios neurológicos e, assim, desestigmatizar e melhorar o tratamento de muitas dessas condições.

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

Desenvolvimento, função e disfunção dos sistemas somatossensoriais e viscerossensoriais no transtorno do espectro do autismo

O Transtorno do Espectro Autista (TEA) é um distúrbio neurológico altamente prevalente, mas muito complexo, frequentemente associado a alterações no comportamento social. Em muitos casos, o TEA está associado a certas alterações genéticas e muitas vezes vem com certas comorbidades, algumas das mais comuns incluem hipersensibilidade ao toque e uma série de problemas gastrointestinais.

Tradicionalmente, acredita-se que o TEA seja causado apenas por anormalidades no cérebro, mas em sua pesquisa, a Dra. Orefice descobriu que alterações nos neurônios sensoriais periféricos contribuem para o desenvolvimento de sintomas de TEA em camundongos, incluindo hipersensibilidade ao toque da pele e alteração comportamentos sociais. Sua pesquisa atual se concentrará em saber se os neurônios sensoriais periféricos dos gânglios da raiz dorsal (DRG) que detectam estímulos no trato gastrointestinal também são anormais em modelos de camundongos para TEA, e se isso contribui para problemas gastrointestinais, como aumento da dor gastrointestinal, que é notavelmente comum em TEA.

O trabalho do Dr. Orefice identificou que a hipersensibilidade ao toque durante o desenvolvimento leva a mudanças nos comportamentos sociais em ratos adultos. Como os humanos, muitos aspectos do comportamento social dos ratos envolvem o sentido do tato. Em uma segunda parte de sua pesquisa, a Dra. Orefice espera compreender como as alterações no desenvolvimento do circuito somatossensorial devido à disfunção dos neurônios sensoriais periféricos resultam em mudanças nos circuitos cerebrais conectados que regulam ou modificam comportamentos sociais.

Finalmente, a Dra. Orefice se concentrará em traduzir suas descobertas de estudos pré-clínicos com ratos para a compreensão de problemas sensoriais associados ao TEA em humanos. Orefice testará primeiro se abordagens que reduzem a excitabilidade dos neurônios sensoriais periféricos podem melhorar a reatividade excessiva ao toque e os problemas gastrointestinais em camundongos. Ela aproveitará essas descobertas em ratos para entender melhor a fisiologia humana usando estudos de células cultivadas retiradas de pessoas com TEA. O trabalho do Dr. Orefice também visa usar estudos em camundongos e células derivadas de humanos para identificar compostos que têm como alvo neurônios sensoriais periféricos como uma abordagem tratável para melhorar problemas sensoriais e comportamentos relacionados ao TEA.

Kanaka Rajan, Ph.D.., Professor assistente, Departamento de Neurociências e Friedman Brain Institute da Icahn School of Medicine em Mount Sinai, Nova York, NY

Modelos de redes neurais multiescala para inferir motivos funcionais no cérebro

Com o surgimento da inteligência artificial (IA) e do aprendizado de máquina, os neurocientistas estão aproveitando essas ferramentas para construir modelos computacionais que podem nos ajudar a compreender como o cérebro funciona. Mas a grande questão é: Qual é o nível certo para estudar sistemas neurais? Está no nível de neurônios individuais, circuitos cerebrais, camadas, regiões ou alguma combinação?

Dr. Rajan está abordando essa questão aproveitando o poder dos modelos baseados em IA e combinando-os com conjuntos de dados adquiridos de gravações em múltiplas espécies para fazer representações melhores e mais preditivas do cérebro. Usando modelos de redes neurais recorrentes (RNNs), o Dr. Rajan descobriu que colocar mais restrições em modelos computacionais resultou em descobertas mais consistentes e espaços de solução menores e mais robustos. Desde então, ela passou a desenvolver RNNs em múltiplas escalas, onde as restrições são dados neurais, comportamentais e anatômicos de experimentos reais e são aplicadas simultaneamente. Seu próximo passo será criar RNNs em multiescala usando dados registrados de múltiplas espécies bem estudadas em neurociência – larvas de peixe-zebra, moscas-das-frutas e ratos – para criar modelos.

Em última análise, o uso de conjuntos de dados de diferentes espécies permitirá ao Dr. Rajan identificar “motivos funcionais” e usá-los para descobrir semelhanças e divergências inesperadas entre esses sistemas. Esses conjuntos comuns e discretos de neurônios ativos que estão ligados a comportamentos e estados semelhantes, independentemente da espécie, nos ajudarão a inferir como os cérebros operam em um nível fundamental, sem preconceitos ou atribuindo a priori estruturas como regiões cerebrais com funções específicas. Com os dados disponíveis, esses modelos podem executar muitos cenários e identificar quais mudanças na estrutura ou na atividade neural resultam em diferentes resultados comportamentais. Isto tem o potencial de esclarecer disfunções neurais associadas a uma ampla gama de doenças neuropsiquiátricas. Com o advento de conjuntos de dados muito maiores e mais detalhados na neurociência, a crescente acessibilidade de maior poder de computação e os avanços na matemática e nos algoritmos, o Dr. Rajan acredita que estamos à beira de uma revolução no que os modelos computacionais e a teoria podem nos ensinar sobre o cérebro.

Weiwei Wang, Ph.D.., Professor Assistente, Centro Médico Southwestern da Universidade do Texas, Dallas, TX

Compreendendo a construção e a função das montagens pós-sinápticas glicinérgicas

A maneira como os neurônios se comunicam entre si é extremamente complexa: os neurotransmissores passam de um neurônio para o próximo através de sinapses, sinalizando aos receptores sinápticos no neurônio receptor para abrirem e formarem canais que permitem a passagem dos íons, transmitindo assim um sinal elétrico. No entanto, se as sinapses não funcionarem ou não se formarem, o comprometimento desses sinais pode contribuir para distúrbios neurológicos. Wang procura ampliar nossa compreensão dessas sinapses, como elas se formam e como funcionam – em particular, como elas organizam os receptores sinápticos em agrupamentos, e por que é importante que os receptores se agrupem em altas concentrações – estudando detalhadamente o sistema glicinérgico. sinapse.

Apesar de estar bastante bem documentado, muitas questões permanecem sobre a sinapse glicinérgica. Existem vários subtipos (um dos quais está presente apenas muito cedo no desenvolvimento do cérebro) com diferentes funções e distribuições cuja estrutura não é clara, assim como o mecanismo pelo qual reagem a uma proteína de estrutura para formar aglomerados. O papel da formação num aglomerado é em si um mistério – não está claro se eles precisam estar juntos numa certa densidade para funcionarem corretamente e, em caso afirmativo, porquê. Cada uma dessas incógnitas apresenta outro ponto em que alguma disfunção pode causar um distúrbio neurológico, como hiperecplexia (chamada “síndrome do susto”) e possivelmente dor inflamatória.

Wang procurará sistematicamente aprender mais sobre cada um desses mistérios, usando microscopia crioeletrônica para identificar com precisão a estrutura molecular de cada subtipo que ainda não foi resolvida e, assim, identificar como cada um funciona; testar como a estrutura em que os receptores de glicina se agrupam é formada a partir das proteínas gefirina, neuroligina-2 e colibistina; e, finalmente, testar receptores purificados em uma membrana artificial, primeiro isoladamente, depois ligados à estrutura e, em seguida, ligados à estrutura em um cluster para ver como a função muda. Embora tenham sido feitas pesquisas sobre como funcionam os canais iônicos solitários, este estudo do efeito do agrupamento pode abrir novos caminhos de compreensão, uma vez que os receptores sinápticos estão mais frequentemente agrupados em um neurônio vivo.