1º de agosto de 2022
O McKnight Endowment Fund for Neuroscience (MEFN) anunciou os três beneficiários de $600.000 em subsídios por meio do Prêmio McKnight de Inovações Tecnológicas em Neurociências de 2022, reconhecendo esses projetos por sua capacidade de mudar fundamentalmente a forma como a pesquisa em neurociência é conduzida. Cada um dos projetos receberá um total de $200.000 nos próximos dois anos, avançando no desenvolvimento dessas tecnologias inovadoras usadas para mapear, monitorar e modelar a função cerebral. Os premiados de 2022 e seus projetos:
- Andre Berndt, PhD, da Universidade de Washington, está desenvolvendo um sistema para criar e escanear um grande número de biossensores optogenéticos muito rapidamente, para que os pesquisadores possam identificar e refinar esses biossensores com mais precisão para seus experimentos. A tecnologia atual e as restrições de recursos limitam os pesquisadores a explorar apenas dezenas ou centenas de biossensores, e o pequeno tamanho da amostra significa que eles não podem ter certeza de que encontraram a melhor opção. Com a capacidade de criar e selecionar dezenas de milhares, suas opções se expandirão exponencialmente.
- Ruixuan Gao, Ph.D., da Universidade de Illinois Chicago, está projetando quimicamente um novo tipo de hidrogel para usar em uma nova prática de microscopia de expansão – essencialmente expandindo amostras de tecido e suas células componentes muitas vezes seu tamanho original para torná-las mais fáceis de estudar. Seu novo “tetra-gel” e moléculas especializadas que ancoram a amostra ao gel permitirão que ela se expanda com alta fidelidade e permaneça estável para que o perfil molecular do tecido cerebral possa ser melhor capturado.
- Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., da Syracuse University, está desenvolvendo um novo aplicativo de alta precisão para microscopia de dois fótons que permitirá aos pesquisadores rastrear e manipular opticamente a atividade neural em uma grande área em larvas de moscas-das-frutas que se comportam e se movem livremente. O sistema é totalmente não invasivo, usando um algoritmo para ajustar o movimento das larvas e acompanhar múltiplas células individuais simultaneamente, calculando e corrigindo o movimento e a deformação do cérebro à medida que o animal se move.
Saiba mais sobre cada um desses projetos de pesquisa abaixo.
Sobre o Prêmio Inovações Tecnológicas em Neurociências
Desde que o Prêmio McKnight de Inovações Tecnológicas em Neurociências foi criado em 1999, o MEFN contribuiu com mais de $16 milhões para tecnologias inovadoras para neurociências por meio deste mecanismo de premiação. O MEFN está especialmente interessado em trabalhos que adotem abordagens novas e inovadoras para aprimorar a capacidade de manipular e analisar a função cerebral. As tecnologias desenvolvidas com o apoio de McKnight devem, em última análise, ser disponibilizadas a outros cientistas.
“Mais uma vez, foi emocionante ver a engenhosidade que nossos candidatos estão trazendo para novas neurotecnologias”, disse Markus Meister, Ph.D., presidente do comitê de premiação e professor de ciências biológicas Anne P. e Benjamin F. Biaggini. na Caltech. “Nossos prêmios abrangem uma ampla gama, desde novos biossensores para moléculas sinalizadoras até métodos inteligentes que expandem o tecido neural antes da microscopia de alta resolução.”
O comitê de seleção deste ano também incluiu Adrienne Fairhall, Timothy Holy, Loren Looger, Mala Murthy, Alice Ting e Hongkui Zeng, que escolheram o Prêmio de Inovações Tecnológicas em Neurociências deste ano entre um grupo altamente competitivo de 90 candidatos.
Para mais informações sobre os prêmios, por favor visite o nosso site.
Prêmio McKnight de Inovações Tecnológicas em Neurociências 2022
Andre Berndt, PhD, professor assistente, Departamento de Bioengenharia, Universidade de Washington
Engenharia massivamente paralela e de alto rendimento de biossensores optogenéticos para sinalização neuronal
Proteínas fluorescentes e geneticamente codificadas revolucionaram o estudo das células cerebrais e dos circuitos neurais. Ao iluminar-se literalmente na presença de atividade neural específica, que pode então ser registada por microscópios e fibras de luz em cérebros vivos, esta ferramenta desvendou muitos mistérios e permitiu aos investigadores visualizar a atividade cerebral e as vias neurais. Mas houve um gargalo: desenvolver e identificar o melhor sensor para cada experimento. Essas proteínas codificadas precisam reagir apenas na presença de estímulos específicos, em alguns casos podem precisar ser altamente sensíveis, em outros casos podem precisar apresentar fluorescência por um longo período de tempo, ou um experimento pode precisar de dois sensores para ver como múltiplos neurotransmissores interagir.
No passado, cada sensor tinha que ser geneticamente modificado, produzido e testado individualmente. Talvez apenas algumas dezenas ou centenas pudessem ser comparadas, e os investigadores escolheram a melhor opção a partir de uma pequena amostra – sem saber se havia uma opção melhor e mais precisa disponível. Berndt desenvolveu um processo para desenvolver e testar um grande número de biossensores optogenéticos simultaneamente, com o objetivo de rastrear mais de 10.000 por dia e construir uma enorme biblioteca de biossensores que pode dar aos pesquisadores acesso a proteínas projetadas com precisão que eles podem usar para executar sempre. experimentos mais específicos.
A tecnologia utiliza engenharia genética rápida para criar um grande número de variantes de um biossensor e, em seguida, coloca variantes individuais em um conjunto de micropoços. Os sensores são expostos a neuropeptídeos – atualmente, o Dr. Berndt está se concentrando em sensores opioides específicos de ligantes – e os sensores ópticos leem o microarranjo, detectando o brilho e outras variáveis de cada variante e selecionando as melhores opções para testes adicionais. Ao longo de dois anos, cerca de 750.000 biossensores serão testados e o processo para a sua triagem será aperfeiçoado, avançando a investigação sobre as ações dos opiáceos no cérebro e proporcionando uma abordagem versátil que outros investigadores poderão utilizar nas suas experiências.
Ruixuan Gao, Ph.D., Professor Assistente, Departamento de Química e Departamento de Ciências Biológicas, Universidade de Illinois Chicago
Perfil espacial sub-10 nm de proteínas sinápticas e transcritos de RNA com microscopia de expansão de alta isotropia usando um hidrogel altamente homogêneo construído a partir de monômeros semelhantes a tetraedros
Para examinar coisas que são muito pequenas – como os neurônios e suas sinapses no cérebro – os pesquisadores usam microscópios poderosos. Mas há outra abordagem que pode produzir resultados impressionantes: literalmente expandir uma amostra de tecido e as células dentro dela através do uso de um hidrogel intumescente especial através de um processo chamado microscopia de expansão. O hidrogel se liga a diferentes componentes moleculares das células e se expande, idealmente mantendo todas as partes componentes na mesma posição relativa umas às outras, criando uma amostra maior e mais acessível para estudar – em princípio, semelhante a escrever em um balão e depois inflá-lo .
No entanto, os hidrogéis atuais utilizados para este processo apresentam algumas desvantagens quando se trata de estudar estruturas minúsculas no cérebro. A margem de erro na manutenção da posição relativa das moléculas não é tão precisa quanto desejado. O novo gel que potencialmente supera esse problema reage mal ao calor usado na desnaturação e no tratamento de amostras de tecido. E pode limitar o uso de biomarcadores fluorescentes. Gao pretende aprimorar a tecnologia desenvolvendo um novo tipo de “tetra-gel”, que é quimicamente projetado para ter um monômero em forma de tetraedro que é extremamente uniforme à medida que se expande, resiste ao calor e permite o uso de marcadores bioluminescentes. Ele também desenvolverá ligantes químicos, moléculas especializadas que ligarão diferentes componentes moleculares da amostra ao gel. O objetivo é ter uma amostra expandida que corresponda à fidelidade do original em até 10 nanômetros, correspondendo à resolução de microscópios poderosos.
A pesquisa do Dr. Gao já identificou compostos promissores para desenvolver este tetra-gel. À medida que seu laboratório o desenvolve e refina, ele aplicará suas habilidades ao estudo, por exemplo, de cérebros afetados pela doença de Parkinson de início precoce. Estudar a estrutura exata desses cérebros tem sido um desafio com os métodos tradicionais, e o objetivo é mapear com precisão as proteínas sinápticas e as transcrições genéticas associadas, ajudando a descobrir como o cérebro com DP de início precoce é estruturado molecularmente.
Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., professora assistente, Departamento de Física, Syracuse University
Tecnologia de rastreamento de dois fótons para ler e manipular padrões neurais em animais em movimento livre
O padrão-ouro para os neurocientistas é ser capaz de registar e manipular o que está a acontecer no cérebro com um elevado nível de precisão, numa grande área, enquanto um animal vivo se comporta livre e naturalmente. Ao longo dos anos, a tecnologia permitiu aos investigadores caminhar em direção a este ideal, mas sempre com alguns compromissos. Freqüentemente, os animais precisavam ter a cabeça fixada e/ou ter sensores ou ópticas intrusivas implantadas em seus cérebros, e muitas vezes a gravação ou manipulação de alta fidelidade era limitada a uma área relativamente pequena do cérebro, enquanto as gravações e manipulação de base ampla eram menos preciso.
Um dos principais desafios é simplesmente o movimento e a distorção do cérebro e dos neurônios em um animal que se move livremente. Mas a Dra. Skanata está desenvolvendo uma nova tecnologia de rastreamento de dois fótons que lhe permite rastrear múltiplos neurônios individuais em um animal em movimento sem quaisquer implantes invasivos, e ativar ou manipular opticamente esses neurônios. O modelo usado são larvas de mosca-das-frutas, que são naturalmente transparentes, e o sistema que o Dr. Skanata continuará a desenvolver usa microscópios de dois fótons (que permitem um direcionamento muito preciso) juntamente com um algoritmo engenhoso que pode detectar rapidamente o movimento de neurônios individuais e ajuste a posição do objeto em um palco móvel para mantê-lo centralizado sob o microscópio. O sistema calcula as posições relativas de vários neurônios, ajusta o movimento e a deformação do cérebro durante o movimento e rastreia a atividade neural em uma grande área.
Ao rastrear um animal que foi modificado para que os neurônios possam ser ativados quando expostos à luz óptica, o sistema permite que os pesquisadores liguem os neurônios com alta precisão durante a atividade natural. É importante ressaltar que o sistema que o Dr. Skanata está desenvolvendo tem a capacidade de controlar independentemente dois feixes de laser, de modo que pode rastrear múltiplas áreas simultaneamente e permitirá até mesmo rastrear atividades entre indivíduos, permitindo insights sobre a atividade neural durante encontros em grupo.
