Premiados

André 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., Professor 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.

Timothy Dunn, Ph.D., Professor Assistente, Departamento de Engenharia Biomédica, Duke University

Quantificação Comportamental Tridimensional Multiescala em Indivíduos e Grupos Sociais

Os métodos atuais de medição do movimento de animais que se comportam livremente têm limitações: observações altamente detalhadas de pequenos movimentos de um animal (um único dígito, por exemplo) requerem amplitudes de movimento restritas. Estudar o comportamento de movimento livre no espaço 3D muitas vezes significa limitar a resolução, talvez apenas rastrear a posição geral ou confiar na descrição de um observador. O rastreamento automático de vídeo em animais normalmente requer um ambiente simples e não natural, e partes do corpo não visíveis às câmeras não são rastreadas com precisão. Previsões de Inteligência Artificial (IA) de alta resolução em grandes espaços tridimensionais usando representação espacial volumétrica, uma técnica recentemente desenvolvida para superar esses problemas, requerem enorme poder de computação. Adicionar vários animais para observações sociais introduz questões adicionais.

Como resultado, há pouca disponibilidade dos dados mais desejados: rastreamento automático e de alta resolução de animais no espaço 3D realizando comportamentos naturais, sozinhos ou em grupos, e quantificação desse movimento em formato padronizado. Dr. Dunn está trabalhando em uma nova abordagem que visa aproximar esse ideal. Com base no aprendizado de um algoritmo geométrico 3D de aprendizado de máquina que sua equipe usou para melhorar significativamente a precisão das previsões, o Dr. Dunn e sua equipe estão agora trabalhando na amostragem adaptativa de imagens recorrentes (ARIS) que combina imagens de múltiplas câmeras para construir um modelo que pode medir e prever a posição do corpo em muitas escalas, mesmo quando uma parte (como um braço ou pé) não está diretamente visível.

O ARIS melhora seletivamente a resolução de características corporais em escala precisa e usa modelagem preditiva com base no que sabe sobre o objeto (disposição e comprimento dos membros, como eles estão conectados, como se movem, etc.) – aprendido primeiro analisando enormes quantidades de dados de treinamento de ratos que se comportam livremente e depois ajustados usando dados de treinamento em outras espécies – para focar na porção do espaço onde a parte do corpo provavelmente estará. Isso usa muito menos poder computacional do que as ferramentas volumétricas 3D anteriores. Em sua pesquisa, o Dr. Dunn implementará o ARIS e registrará dados em múltiplas escalas, desde a posição geral e postura até o movimento de características finas das mãos, pés e rosto. Outras pesquisas explorarão sua eficácia com a interação de vários animais. Esta capacidade de medir o comportamento de uma forma nova e mais precisa tem amplas implicações para o estudo de distúrbios neurológicos que afetam o movimento, ligando a atividade cerebral ao comportamento e estudando as interações sociais.

Jeffrey Kieft, Ph.D., Professor, Departamento de Bioquímica e Genética Molecular, Faculdade de Medicina da Universidade do Colorado

Uma nova tecnologia para controlar o transcriptoma

O RNA mensageiro, ou mRNA, é reconhecido como um ator vital na vida e na saúde das células. Essas moléculas de RNA são os modelos para a produção de proteínas e são criadas dentro das células para transportar instruções para o mecanismo de produção de proteínas e, em seguida, são destruídas por enzimas. A totalidade do mRNA que um organismo expressa é chamada de “transcriptoma”.

Deficiências em mRNA e RNA não codificante (ncRNA) estão ligadas a certos distúrbios neurodegenerativos e do neurodesenvolvimento. Se houver muito pouco mRNA ou ncRNA específico no transcriptoma, certas funções celulares podem ser degradadas ou desativadas. Dr. Kieft está explorando uma nova maneira de gerenciar o transcriptoma, retardando a decadência do mRNA e do ncRNA. Sabendo que algumas enzimas que destroem os RNAs essencialmente os “mastigam” de uma extremidade à outra, o Dr. Kieft usou sua compreensão de como as moléculas de RNA são estruturadas e se dobram sobre si mesmas para criar um pedaço projetado de RNA resistente à exoribonuclease (xrRNA) que , quando introduzido em mRNA ou ncRNA compatível, combina-se e dobra-se para formar uma estrutura de “bloqueio”, literalmente mudando a forma do RNA ao inserir uma saliência que interrompe o caminho das enzimas.

Ao retardar a decadência do mRNA e ncRNA alvo, o Dr. Kieft vê a oportunidade de gerenciar sua abundância dentro do transcriptoma. Os xrRNAs projetados poderiam reconhecer apenas alvos específicos, vincular-se a eles e criar a proteção, para que os pesquisadores possam aumentar a proporção do alvo sem alterar a quantidade criada. A abordagem tem a vantagem de ser menos perturbadora para a célula hospedeira do que aumentar o mRNA de forma não natural, e a precisão com a qual o xrRNA pode ser projetado oferece o potencial de atingir vários RNAs ao mesmo tempo e possivelmente até permitir o ajuste fino gerenciando com precisão a taxa de decair. Kieft vê esta aplicação, nascida da ciência básica que estuda o RNA, como uma ferramenta de pesquisa potencialmente poderosa para neurocientistas, e talvez até mesmo a base para terapias em um futuro mais distante.

Suhasa Kodandaramaiah, Ph.D., Benjamin Mayhugh Professor Assistente, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Minnesota Twin Cities

Gravações cerebrais assistidas por robô em ratos com comportamento livre

Os neurocientistas que estudam a atividade cerebral durante os comportamentos geralmente têm que fazer uma troca: eles usam sensores neurais miniaturizados montados na cabeça que são leves o suficiente para permitir que um animal se comporte livremente, mas têm resolução mais baixa ou não conseguem monitorar todo o cérebro. Ou utilizam ferramentas mais poderosas, que são demasiado pesadas para os animais sujeitos e requerem outras soluções, como a imobilização enquanto permitem que os animais se movam numa passadeira, ou mesmo a utilização de experiências de realidade virtual que, no entanto, limitam o comportamento de um sujeito.

Kodandaramaiah está enfrentando o desafio com um exoesqueleto craniano robótico que carrega o peso do hardware de gravação e monitoramento neural, ao mesmo tempo que permite que o sujeito (neste caso, um mouse) gire sua cabeça em todos os três graus: um giro completo de 360 graus no eixo de guinada (rotação horizontal) e cerca de 50 graus de movimento nos eixos de inclinação e rotação, enquanto se move em uma arena. O robô possui três braços articulados dispostos em configuração triangular, suspensos sobre o sujeito e reunidos no ponto de montagem na cabeça. Sensores na montagem detectarão qual movimento o mouse está fazendo e direcionarão o robô para permitir o movimento com o mínimo de força resistiva possível, permitindo que o mouse gire e se mova dentro de uma arena normalmente usada para experimentos de neurociência com todo o equipamento sensorial necessário e fios dos implantes suportados pelo robô.

Eliminar a necessidade de miniaturização permite que os pesquisadores usem qualquer hardware de última geração disponível, o que significa que um robô pode, teoricamente, ser atualizado para usar a tecnologia mais recente logo após sua introdução. Para chegar a esse ponto, a equipe do Dr. Kodandaramaiah passará por várias etapas – engenharia do exoesqueleto; projetar o head-stage com seus sensores necessários, além de eletrodos e câmeras de alta densidade para observação externa de olhos, bigodes e muito mais; realização de testes de bancada; ajustar o robô às entradas que um mouse pode fornecer; determinar como introduzir sondas; e finalmente fazendo gravações ao vivo. Com essa base mecânica, o Dr. Kodandaramaiah espera ajudar os pesquisadores a se aproximarem do estado em que possam fazer registros neurais detalhados em todo o cérebro de indivíduos que se comportam livremente em longos períodos de tempo.

Eva Dyer, Ph.D., Professor Assistente, Wallace H. Coulter Departamento de Engenharia Biomédica, Georgia Institute of Technology e Emory University

“Comparando conjuntos de dados neurais em grande escala ao longo do tempo, espaço e comportamento”

A capacidade de observar e registrar dados neurais em grandes partes do cérebro resultou em enormes quantidades de dados, tornando possível encontrar padrões nos dados que podem explicar quantos neurônios trabalham juntos para codificar informações sobre o mundo. Mesmo com novos avanços na descoberta de padrões de baixa dimensão em conjuntos de dados, ainda é um desafio comparar múltiplos registos em grande escala, quer sejam durante longos períodos de tempo, ou entre diferentes indivíduos que resolvem tarefas iguais ou semelhantes, ou entre estados de doença. A experiência da Dra. Dyer usando aprendizado de máquina (ML) para decodificar a atividade cerebral a levou a uma nova solução para identificar padrões em vários grandes conjuntos de dados neurais.

O trabalho do Dr. Dyer envolve a criação de algoritmos de aprendizado de máquina para extrair informações significativas de conjuntos de dados neurais, que são rotulados para identificar se o animal estava dormindo, acordado, forrageando ou realizando vários movimentos ou comportamentos. Novas regras matemáticas inspiradas na criptografia orientam os algoritmos para identificar padrões semelhantes em conjuntos de dados separados, procurando especificamente combinar a atividade neural gerada por diferentes estados cerebrais como ponto de partida para alinhar os dados. O alinhamento da atividade neural pode mostrar como os padrões neurais estão relacionados ao comportamento e ao estado do sujeito, bem como prevenir a corrupção por ruído e fornecer um trampolim crítico para técnicas de análise mais poderosas.

O segundo objetivo do Dr. Dyer ajudará os pesquisadores a se concentrarem novamente em neurônios individuais para entender como eles contribuem para as mudanças gerais na atividade neural e se podem ser usados para prever estados cerebrais específicos. A pesquisa irá explorar ainda mais se as diferenças nos comportamentos podem ser rastreadas até tipos de células específicos e como as diferenças observadas nos conjuntos de dados podem ser usadas para caracterizar a variação entre animais individuais. A capacidade de decodificar e comparar grandes conjuntos de dados neurais será inestimável na pesquisa neurológica, indicando como as doenças neurodegenerativas afetam o processamento de informações pelo cérebro.

Rikky Müller, Ph.D., Professor Assistente de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação, Universidade da Califórnia – Berkeley

“Um dispositivo holográfico de alta velocidade para controle optogenético de milhares de neurônios”

A optogenética – que modifica geneticamente os neurônios para serem sensíveis à luz, para que os pesquisadores possam ativá-los ou silenciá-los à vontade – revolucionou a pesquisa em neurociência. Emparelhados com moduladores de luz espacial que moldam a luz em hologramas 3D, os pesquisadores podem controlar individualmente muitos neurônios distribuídos por uma região tridimensional do cérebro. na Vivo. Mas até agora, não existia um projetor holográfico capaz de controlar os neurônios nas velocidades encontradas naturalmente no cérebro.

Dr. Muller está projetando e construindo um projetor holográfico para resolver esse problema. Seu dispositivo transmitirá imagens de luz holográfica a taxas de 10.000 quadros por segundo (Hz). Muitas TVs da geração atual atualizam 60 quadros por segundo, para comparação, e as ferramentas holográficas mais rápidas disponíveis no mercado chegam a 500 Hz. Essa alta taxa de atualização é necessária para replicar a sinalização neural natural, que envolve tempos de potencial de ação de cerca de 1/1.000 de segundo (equivalente a 1.000 Hz quando se considera as taxas de atualização). Além disso, Muller pretende atingir milhares de neurônios com extrema precisão, e assim como taxas mais altas em TVs resultam em imagens mais nítidas, um holograma de 10.000 Hz oferecerá maior precisão.

Muller, uma engenheira elétrica com foco em neurotecnologia, consulta regularmente neurocientistas enquanto projeta, testa e constrói o dispositivo para garantir que ele atenda às suas necessidades. O dispositivo usará um conjunto de microespelhos, que esculpirá padrões 3D de luz em locais e profundidades específicas por meio da atuação elétrica de espelhos em miniatura; a luz é então retransmitida através de uma série de lentes. O projeto irá primeiro projetar e fabricar dois arrays – um array menor para testes e prova de conceito, e um array de formato maior, junto com os drivers e controles associados que serão usados para medição e calibração. Finalmente, a equipe do Dr. Muller produzirá um modulador de luz espacial completo. Espera-se que esta ferramenta dê aos pesquisadores uma capacidade sem precedentes de controlar e testar a conectividade neural.

Gilad Evrony, MD, Ph.D., Professor Assistente, Centro de Genética Humana e Genômica, Depts. de Pediatria e Neurociências e Fisiologia, New York University Langone Health

“TAPESTRY: Uma tecnologia multiômica de célula única para rastreamento de linhagem de alta resolução do cérebro humano”

É do conhecimento comum que cada ser humano começa como uma única célula com um único conjunto de “instruções” de ADN, mas os detalhes de como essa célula se torna triliões – incluindo as dezenas de milhares de milhões de células no cérebro – ainda são em grande parte desconhecidos. A pesquisa do Dr. Evrony visa desenvolver uma tecnologia chamada TAPESTRY, que pode iluminar este processo através da construção de uma “árvore genealógica” de células cerebrais, mostrando quais células progenitoras dão origem às centenas de tipos de células maduras no cérebro humano.

A tecnologia pode resolver alguns dos principais problemas enfrentados pelos pesquisadores que estudam o desenvolvimento do cérebro humano. O método chave para estudar o desenvolvimento através do rastreamento de linhagens (introduzindo marcadores em células de animais imaturos e depois estudando como esses marcadores são transmitidos à sua descendência) é impossível em humanos porque é invasivo. O trabalho anterior do Dr. Evrony junto com colegas mostrou que mutações que ocorrem naturalmente podem ser usadas para rastrear linhagens no cérebro humano. TAPESTRY visa avançar e dimensionar esta abordagem resolvendo diversas limitações dos métodos atuais. Primeiro, o rastreamento da linhagem requer isolamento e amplificação mais confiáveis das pequenas quantidades de DNA de células individuais. Em segundo lugar, uma compreensão detalhada do desenvolvimento do cérebro humano precisa ser rentável para permitir o perfil de milhares ou dezenas de milhares de células individuais. Finalmente, é necessário também mapear os fenótipos das células – não apenas ver até que ponto as células estão relacionadas, mas também que tipos de células elas são. A TAPESTRY procura resolver estes desafios.

A abordagem do Dr. Evrony é aplicável a todas as células humanas, mas é de especial interesse em distúrbios cerebrais. Uma vez mapeadas as linhagens cerebrais saudáveis, elas podem ser usadas como base para ver como o desenvolvimento do cérebro difere em indivíduos com vários distúrbios que provavelmente surgem no desenvolvimento, como autismo e esquizofrenia.

Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D., Professor Assistente, Departamento de Ciências Biomédicas, Marquette University

“Imagem Panóptica Rápida de Volumes Cerebrais via Estereoscopia Quadrangular com Etiqueta de Tempo”

As modernas técnicas ópticas de imagem cerebral permitem a observação de uma fina camada do cérebro, mas a obtenção de imagens de muita atividade cerebral no espaço tridimensional – como um volume do cérebro – tem se mostrado assustadora. Dr. Savtchouk desenvolveu uma abordagem que permite aos pesquisadores ver o que está acontecendo não apenas na superfície de um cérebro, mas profundamente dentro e em uma resolução espaço-temporal muito maior do que nunca.

O processo central – microscopia de dois fótons – detecta a atividade cerebral procurando fluorescência nas células cerebrais geneticamente modificadas de animais de laboratório. Com um único laser, as informações de profundidade são registradas muito lentamente. Com dois feixes de laser, os pesquisadores obtêm essencialmente visão binocular – eles podem ver o que está mais próximo e mais distante, mas ainda existem “sombras” visuais onde nada pode ser visto (por exemplo, quando uma pessoa olha para a borda de um tabuleiro de xadrez, algumas peças pode ser bloqueado por peças mais próximas.) O Dr. Savtchouk está resolvendo esse problema com a adição de dois feixes de laser adicionais, o que proporciona visão quádrupla e reduz bastante os pontos cegos. Ele também está sequenciando o tempo dos lasers – que pulsam rapidamente – para que os pesquisadores saibam qual laser detectou qual atividade, o que é fundamental para a construção de um modelo tridimensional com precisão de tempo.

O projeto do Dr. Savtchouk envolve primeiro projetar o sistema em simulações de computador e depois provar sua aplicação com modelos de mouse. Seu objetivo é desenvolver maneiras de atualizar os microscópios de dois fótons existentes, tanto por meio da adição de feixes de laser quanto por meio de atualizações de hardware e software, permitindo que os laboratórios se beneficiem da tecnologia sem pagar por um sistema totalmente novo.

Michale S. Taxa, Ph.D.., Glen V. e Phyllis F. Dorflinger Professor de Neurociência Computacional e de Sistemas, Departamento de Ciências do Cérebro e Cognitivas, Instituto de Tecnologia de Massachusetts; e investigador, Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro

“Novas tecnologias para imagens e análise de trajetórias neurais no espaço de estados em pequenos animais que se comportam livremente”

Estudar a atividade neural no cérebro de animais é um desafio de longa data para os pesquisadores. As abordagens atuais são imperfeitas: o tamanho atual dos microscópios exige que a atividade dos animais seja restrita, e esses microscópios oferecem um campo de visão limitado dos neurônios. Ao fazer avanços na miniaturização de microscópios, o Dr. Fee e seu laboratório estão desenvolvendo as ferramentas necessárias para ver o que está acontecendo no cérebro de um animal enquanto ele está livre para realizar comportamentos naturais.

O microscópio montado na cabeça permite ao Dr. Fee observar mudanças nos cérebros dos pássaros juvenis à medida que aprendem a cantar suas canções. À medida que ouvem, repetem e aprendem, o Dr. Fee documenta os circuitos neurais que se desenvolvem como parte desse complexo processo de aprendizagem. Esses circuitos estão relacionados a circuitos humanos que se formam durante o aprendizado complexo de sequências motoras, como aprender a andar de bicicleta, e são interrompidos em certas condições, incluindo a doença de Parkinson. Dado o seu objetivo de documentar um processo natural de aprendizagem, é de vital importância ser capaz de registrar a atividade neural durante comportamentos naturais.

Além da miniaturização, o novo microscópio terá a capacidade de registar uma ordem de grandeza de mais neurónios do que outras técnicas utilizadas em animais de comportamento livre e será emparelhado com novas análises de dados que permitirão aos investigadores fazer observações em tempo real e ajustar as suas experimentos, acelerando o processo de pesquisa. Terá aplicações amplas e imediatas para pesquisadores que exploram todos os tipos de comportamentos cerebrais em pequenos animais.

Marco Gálio, Ph.D., Professor Assistente, Departamento de Neurobiologia, Northwestern University

“Religando conexões no cérebro vivo”

Esta pesquisa visa expandir nossa compreensão de como o cérebro funciona, permitindo que os cientistas podem seletivamente as conexões sinápticas e encorajem novas conexões entre os neurônios. Esta religação do cérebro permitirá aos investigadores compreender com mais precisão quais as ligações que desempenham um papel em subconjuntos específicos de efeitos neurológicos.

Cada neurônio dentro de um circuito cerebral se conecta a vários alvos. Cada alvo pode ter uma função única e, portanto, processar as mesmas informações recebidas de uma maneira completamente diferente. Por exemplo, alguns neurónios específicos no cérebro da mosca da fruta transportam informações sobre o ambiente externo que são utilizadas para fugir rapidamente de ameaças iminentes (um comportamento inato), mas também para produzir associações duradouras através da aprendizagem.

A tecnologia proposta permitirá aos pesquisadores identificar as conexões que são críticas para cada processo, removendo seletivamente as sinapses para os centros de aprendizagem, deixando todas as outras conexões intactas. O projeto visa usar a engenharia genética para produzir proteínas projetadas que irão mediar a repulsão ou a atração/adesão entre parceiros sinápticos geneticamente definidos no cérebro intacto de animais vivos. Além de provar que esse tipo de religação cerebral é possível, a pesquisa resultará em novas linhagens de moscas-das-frutas com genética única que poderão ser imediatamente compartilhadas com outros pesquisadores. Por definição, estas ferramentas podem ser facilmente modificadas para utilização em qualquer modelo animal ou aplicadas a diferentes partes do cérebro, permitindo toda uma nova classe de estudos neurológicos com implicações profundas para a nossa compreensão de como funciona o cérebro humano.

José M. Carmena, Ph.D., Professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação e do Instituto de Neurociências Helen Wills da Universidade da Califórnia em Berkeley

Michel M. Maharbiz, Ph.D., Professor, Departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação, Universidade da Califórnia em Berkeley

Poeira Neural: uma tecnologia ultrassônica, de baixo consumo de energia e em miniatura extrema para gravações neurais completamente sem fio e sem fio no cérebro

Drs. Carmena e Maharbiz estão colaborando para criar a próxima geração de interface cérebro-máquina (IMC) usando a chamada “poeira neural” – sensores ultrassônicos implantáveis do tamanho de partículas que poderiam eliminar a necessidade de fios que passam pelo crânio e permitir para gravação cortical sem fio em tempo real e sem fio. Enquanto pesquisadores em seus laboratórios, bem como outros colegas do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da Universidade da Califórnia em Berkeley e do Instituto de Neurociências Helen Wills estudam o potencial da tecnologia de poeira neural aplicada aos músculos e ao sistema nervoso periférico, o financiamento de McKnight permitirá aos pesquisadores aplicar o conceito ao sistema nervoso central, um método que eles acreditam que poderá revolucionar a neurologia da mesma forma que o marca-passo revolucionou a cardiologia. Através da operação em circuito fechado da tecnologia de poeira neural, Carmena e Maharbiz imaginam um futuro em que o cérebro poderia ser treinado ou tratado para restaurar a funcionalidade normal após uma lesão ou o início de uma doença neuropsicológica.

Ali Gholipour, Ph.D., Professor Assistente em Radiologia, Harvard Medical School; Diretor de Pesquisa Translacional em Radiologia e cientista da equipe do Laboratório de Radiologia Computacional do Hospital Infantil de Boston

Tecnologia de imagem robusta em movimento para análise quantitativa do desenvolvimento inicial do cérebro 

O movimento dos fetos, recém-nascidos e crianças pequenas representa um desafio especial para os investigadores focados em imagens avançadas para analisar o desenvolvimento inicial do cérebro e identificar possíveis perturbações. O grupo de pesquisa do Dr. Gholipour no Laboratório de Radiologia Computacional do Hospital Infantil de Boston está trabalhando para desenvolver, avaliar e disseminar novas tecnologias e softwares de ressonância magnética (MRI) robustos ao movimento que permitirão aos pesquisadores estudar e caracterizar intra-útero, perinatal e função e estrutura cerebral na primeira infância. Novas ferramentas de imagem e análise de imagens podem levar a melhorias dramáticas na capacidade da comunidade neurocientífica de coletar e analisar big data para melhorar a compreensão do desenvolvimento inicial do cérebro e estabelecer uma ligação mais clara com distúrbios que podem ter origem nos primeiros estágios da vida.

Narayanan (Bobby) Kasthuri, Ph.D., MD, Universidade de Chicago e Argonne National Labs

Brain-X: Mapas em nanoescala de cérebros inteiros usando raios X de alta energia baseados em síncrotron

O laboratório do Dr. Kasthuri está usando raios X de alta energia para criar mapas completos e abrangentes do cérebro. As pilhas de imagens geradas resultam em quantidades impressionantes de dados que podem ser segmentados para identificar a localização de cada neurônio, vaso sanguíneo e componente do cérebro. Ao gerar mapas de ratos saudáveis e cérebros humanos, os cientistas podem compará-los com amostras patológicas para compreender melhor as diferenças celulares e, em última análise, sinápticas em cérebros doentes afectados pelo autismo, diabetes e acidente vascular cerebral, entre outras doenças.

Stephen Miller, Ph.D., Faculdade de Medicina da Universidade de Massachusetts

Superando barreiras à imagem no cérebro

A obtenção de imagens do cérebro é difícil, pois muitas sondas moleculares são incapazes de cruzar a barreira hematoencefálica (BHE). Dr. Miller e seu laboratório encontraram maneiras de melhorar a imagem no tecido profundo do cérebro, aproveitando as propriedades bioluminescentes do vaga-lume. A equipe de Miller modificou o substrato natural da luciferina do vaga-lume para aumentar sua capacidade de acessar o cérebro de animais vivos. O brilho do cérebro pode ser usado para detectar a expressão genética, a atividade enzimática, monitorar a progressão da doença ou avaliar a eficácia de novos medicamentos.

Long Cai, Ph.D., Instituto de Tecnologia da Califórnia

Decifrando a base molecular da identidade celular no cérebro por meio do sequenciamento de FISH

O laboratório de Cai desenvolveu um método de imagem de alta potência baseado na “hibridização in situ por fluorescência de molécula única”, ou smFISH, que torna possível observar informações genéticas (por exemplo, RNA) dentro das células. Ele agora procura adaptar este método para traçar o perfil da expressão genética diretamente no cérebro na mesma alta resolução usando FISH sequencial (seqFISH).

Cynthia Chestek, Ph.D., Universidade de Michigan

Alta densidade 90μeupitch array de microthread de carbono para registrar cada neurônio na camada 5

O laboratório Chestek está desenvolvendo uma maneira de registrar e visualizar neurônios saudáveis, interconectados e ativos durante um período de tempo com maior densidade do que nunca. Usando minúsculos eletrodos de fio de carbono, ela planeja registrar neurônios no cérebro de um rato a partir de uma série de canais e depois fatiar o cérebro para visualizar todo o circuito. O objetivo é alcançar um conjunto de 64 canais que possa ser observado em alta densidade usando um conector de neurociência convencional.

Spencer Smith, Ph.D., Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill

Imagens multifotônicas para grandes volumes cerebrais

Neurônios individuais agem juntos de maneiras complexas para moldar pensamentos e comportamentos. A imagem multifotônica, que pode resolver neurônios individuais a milímetros de distância, parece oferecer uma forma inovadora de estudar esse processo. Com base em pesquisas anteriores com microscopia de dois fótons, o laboratório de Spencer está buscando construir um sistema óptico personalizado para obter acesso a 1 milhão de neurônios, mantendo a capacidade de observar os neurônios individualmente.

Juan Carlos Izpisua Belmonte, Ph.D., Instituto Salk de Estudos Biológicos

Derivação, caracterização e modificação genética de linhas celulares germinativas primordiais de sagui comum sob uma nova condição

O laboratório Izpisua Belmonte está trabalhando para reduzir o tempo necessário para desenvolver modelos animais de primatas não humanos – especificamente, saguis. Belmonte desenvolveu uma estratégia para facilitar a geração de modelos transgênicos de saguis usando células germinativas primordiais (PGCs). A investigação tem o potencial de oferecer recursos celulares ilimitados para estudar o desenvolvimento de células germinativas de primatas numa placa e, combinada com ferramentas de edição de genoma, a abordagem pode ajudar a criar novos modelos animais para doenças humanas.

Sotiris Masmanidis, Ph.D., Universidade da Califórnia, Los Angeles

Microsondas de silício para monitorar a dinâmica cerebral em mesoescala

O laboratório Masmanidis está desenvolvendo dispositivos microusinados à base de silício, ou microssondas, que podem ser amplamente disponibilizados por meio de produção em massa e podem registrar muitos neurônios ao mesmo tempo com resolução de milissegundos. As microssondas permitirão a Masmanidis estudar como múltiplas células cerebrais interagem durante o comportamento e a aprendizagem. Além disso, seu laboratório será pioneiro em técnicas para rotular com precisão os locais de gravação, melhorando a precisão do mapeamento da atividade cerebral.

Kate O'Connor-Giles, Ph.D., Universidade de Wisconsin-Madison

Um kit de ferramentas CRISPR/Cas9 para análise abrangente de circuitos neurais

O'Connor-Giles busca desenvolver kits de ferramentas modulares para identificar molecularmente e obter controle genético de subtipos neuronais. Esses kits de ferramentas fornecerão recursos críticos para caracterizar as contribuições funcionais dos genes para a identidade neuronal e os subtipos neuronais para o comportamento. O laboratório O'Connor-Giles empregará essas mesmas tecnologias para entender como os neurônios se conectam durante o desenvolvimento. O trabalho baseia-se no recente sucesso do laboratório na adaptação da tecnologia de engenharia do genoma CRISPR/Cas9 em moscas-das-frutas.

Thomas R. Clandinin, Ph.D., Universidade de Stanford

Um método genético para mapear redes neuronais definidas por sinapses elétricas

A maior parte da pesquisa sobre circuitos cerebrais concentrou-se nas sinapses químicas, que são mais fáceis de estudar do que as sinapses elétricas. Mas esta imagem incompleta da fiação cerebral dificulta os esforços para compreender as mudanças na atividade cerebral. Clandinin propõe desenvolver um método genético generalizável para determinar quais neurônios se conectam eletricamente a outros. Ao final do período de dois anos da concessão, ele espera ter um conjunto funcional de ferramentas para moscas-das-frutas, bem como um levantamento de conexões elétricas específicas no cérebro da mosca e ferramentas análogas prontas para testes no camundongo.

Matthew J. Kennedy, Ph.D., e Chandra L. Tucker, Ph.D., Universidade do Colorado-Denver

Ferramentas ópticas para manipular sinapses e circuitos

A optogenética é um campo relativamente novo que envolve o controle da função neuronal com luz. Kennedy e Tucker esperam ampliar o campo projetando novas ferramentas que permitirão aos usuários usar a luz para controlar processos a jusante do disparo neuronal, com foco em moléculas sinalizadoras importantes para a formação, eliminação e plasticidade de sinapses. Eles também planejam desenvolver ferramentas que permitam aos usuários manipular as vias de sinalização molecular fundamentais responsáveis pelo aprendizado e pela memória no cérebro.

Zachary A. Knight, Ph.D., Universidade da Califórnia – São Francisco

Sequenciamento da neuromodulação com ribossomos modificados

O cérebro dos mamíferos contém centenas de tipos de células neurais, cada uma com padrões distintos de expressão genética. O laboratório de Knight está construindo ferramentas para mapear eventos bioquímicos no cérebro de camundongos nesta diversidade molecular de células. Ele desenvolverá métodos para captura de RNA que podem ajudar a determinar a identidade molecular das células subjacentes. Estas ferramentas permitirão aos neurocientistas identificar os neurônios específicos que são modulados durante mudanças de comportamento, fisiologia ou doença. Essas células identificadas podem então ser manipuladas geneticamente para compreender sua função.

Don B. Arnold, Ph.D., Professor Associado de Biologia Molecular e Computacional, University of Southern California

Ablação de Intracorpos – Ferramentas para Ablação Direta de Proteínas Endógenas

As proteínas são continuamente produzidas e degradadas no cérebro. Dr. Arnold está trabalhando em ferramentas que permitam aos cientistas manipular o processo de degradação de proteínas para pesquisas biomédicas. Essas ferramentas, conhecidas como ablação intracorpos, podem mediar a degradação rápida, eficiente e específica de proteínas. Uma proteína pode ser degradada para testar a sua função em células normais ou investigar os efeitos nocivos de uma proteína patológica específica – numa doença neurodegenerativa, por exemplo. Atualmente, os cientistas só podem causar a ablação de proteínas indiretamente, excluindo o gene ou o RNA que codifica a proteína. A ablação intracorpos causa a degradação direta das proteínas alvo e, portanto, funciona muito mais rapidamente. Eles também podem ter como alvo proteínas em conformações específicas ou com modificações pós-traducionais específicas. Dr. Arnold testará o uso de ablação intracorpos manipulando o conteúdo proteico de locais pós-sinápticos para estudar a função sináptica, a homeostase e a plasticidade dentro do cérebro. A pesquisa, se tiver sucesso, poderá ter ampla aplicação nas ciências biomédicas.

James Eberwine, Ph.D., Professor de Farmacologia e Ivan J. Dmochowski, Professor Associado de Química, Universidade da Pensilvânia

TIVA-tag permite verdadeira genômica de sistemas neuronais

Embora tenha sido possível há vários anos estudar a expressão genética em células individuais em culturas laboratoriais, o progresso contínuo na neurobiologia requer a capacidade de examinar a função genética e a regulação ao nível dos sistemas, em tecidos intactos ou organismos vivos. Drs. Eberwine e Dmochowski estão trabalhando em um método para isolar RNA de células vivas por meio de uma abordagem pioneira, chamada TIVA-tag (para Transcriptome In Vivo Analysis). Durante o período de subvenção, planeiam adaptar a química dos compostos TIVA-tag para recolher ARN de células com maior especificidade, eficiência e menos danos nos tecidos do que anteriormente possível. Até ao final do período de subvenção, pretendem ter estabelecido a abordagem TIVA-tag como uma metodologia viável para a genómica a nível de sistemas.

Doris Tsao, Ph.D., Professor Assistente de Biologia, Instituto de Tecnologia da Califórnia, e William J. Tyler, Ph.D., Professor assistente do Virginia Tech Carilion Research Institute, Escola de Engenharia e Ciências Biomédicas

Modulação funcional de circuitos cerebrais intactos de primatas usando ultrassom pulsado

A neurociência carece de uma ferramenta para estimular de forma não invasiva loci 3D específicos em qualquer lugar do cérebro humano. Trabalhos anteriores do Dr. Tyler mostraram que a neuromodulação ultrassônica pode estimular de forma não invasiva os neurônios no cérebro vivo do rato. O próximo passo é caracterizar como o ultrassom afeta um primata não humano, o macaco, cujo cérebro é maior e mais complexo que o do camundongo. Os pesquisadores planejam observar as respostas neuronais, o fluxo sanguíneo cerebral e o comportamento animal durante a neuromodulação ultrassônica focada. Em última análise, os Drs. Tsao e Tyler pretendem desenvolver uma maneira de usar o ultrassom para estimular áreas específicas do cérebro humano, o que fornecerá uma nova ferramenta poderosa para a compreensão dos circuitos cerebrais em humanos e fornecerá novas estratégias para o tratamento de doenças neurológicas e psiquiátricas generalizadas.

Samuel S.-H. Wang, Ph.D., Professor Associado de Biologia Molecular, Universidade de Princeton

Transcendendo os limites dinâmicos dos indicadores de cálcio geneticamente codificáveis

Proteínas fluorescentes que mudam seu brilho quando as células cerebrais estão ativas são úteis na observação da atividade neural subjacente à percepção, memória e outros processos cognitivos. As versões atuais dessas proteínas respondem apenas lentamente, em escalas de tempo de um segundo ou mais. O laboratório do Dr. Wang está redesenhando essas proteínas para responder mais rapidamente e para uma gama mais ampla de atividades. Combinados com métodos ópticos avançados, tais avanços permitirão que pequenas partes do tecido cerebral sejam rastreadas da mesma forma que a ressonância magnética rastreia todo o cérebro – com a vantagem de que o novo método permitirá aos investigadores ver células individuais e alterações que ocorrem ao longo de milissegundos. Esta investigação faz parte de um esforço maior dos neurocientistas para desenvolver tecnologias para estudar as redes cerebrais enquanto um animal aprende, ou para ver o que corre mal em animais com defeitos neurológicos.

Sandra Bajjalieh, Ph.D., Professor de Farmacologia, Universidade de Washington

Desenvolvimento de biossensores para sinalização de lipídios

Mudanças nos lipídios da membrana desempenham um papel na sinalização neuronal, mas os pesquisadores ainda não conseguem rastrear de forma confiável a produção de lipídios de sinalização. Bajjalieh planeja gerar sensores para rastrear a geração de lipídios sinalizadores nas células em tempo real. Ela projetará proteínas que se ligam a dois lipídios sinalizadores na ausência de outros sinais e as usará para desenvolver sondas fluorescentes para rastrear a localização desses lipídios. Esta informação permitirá alargar a abordagem a outros lípidos.

Guoping Feng, Ph.D., Professor de Ciências do Cérebro e Cognitivas, Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro, Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Desenvolvendo uma ferramenta molecular in vivo para manipulação genética de microcircuitos neuronais definidos comportamentalmente usando detecção de coincidência de atividade e luz

Para estudar mais de perto como o cérebro processa a informação, Feng está desenvolvendo uma ferramenta para capturar populações neuronais específicas ativadas por comportamentos animais dentro de um breve período definido por pulsos de luz, e selecionar células cerebrais para alteração genética com base nessa atividade. Essas células podem então ser testadas para avaliar seu envolvimento no comportamento. Se for bem-sucedida, a ferramenta permitirá aos neurocientistas modificar geneticamente qualquer grupo de neurônios ativados por um comportamento específico em um período precisamente definido.

Feng Zhang, Ph.D., Investigador, Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro; Membro Principal, Broad Institute do MIT e Harvard; Professor Assistente de Ciências do Cérebro e Cognitivas, Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Engenharia precisa do genoma usando recombinases de efetores Designer TAL

A expressão genética é comumente usada para identificar o tipo de um neurônio, mas a manipulação genética convencional é ineficiente e está amplamente limitada ao camundongo. Zhang está trabalhando em uma maneira de modificar o genoma dos neurônios usando genes repórteres que podem ser introduzidos em células e circuitos cerebrais específicos. Esta tecnologia permitiria a introdução de mutações humanas em modelos animais para determinar se as mutações genéticas causam uma doença. A tecnologia também reduzirá o tempo necessário para gerar um modelo animal.

Michael Berry II, Ph.D., Professor Associado de Biologia Molecular, Universidade de Princeton

Micropipeta patch clamp microfabricada

O laboratório de Berry desenvolverá uma micropipeta microfabricada que permitirá novos experimentos que não são possíveis com micropipetas convencionais de vidro, como a capacidade de controlar prontamente o ambiente químico dos neurônios por diálise rápida. O dispositivo também será mais confiável e mais simples de usar do que as micropipetas existentes, economizando tempo e esforço significativos.

Robert Kennedy, Ph.D., Hobart H. Willard Professor de Química e Professor de Farmacologia, Universidade de Michigan

Monitoramento in vivo de neurotransmissores em alta resolução espacial e temporal

Para medir neurotransmissores in vivo em alta resolução espacial e temporal, o laboratório de Kennedy está desenvolvendo uma sonda miniaturizada que pode atingir qualquer região do cérebro do camundongo para gerar pequenas amostras para análise em intervalos frequentes. Esta tecnologia oferece um potencial avanço para a neurociência, porque grande parte do trabalho genético e muitos modelos de doenças são baseados no rato.

Timothy Ryan, Ph.D., Professor de Bioquímica, Weill Cornell Medical College

Desenvolvimento de um repórter ATP sináptico

O laboratório de Ryan está desenvolvendo uma maneira mais precisa de medir a concentração de ATP em compartimentos neuronais específicos e de obter informações dinâmicas para monitorar os níveis de ATP durante a comunicação sináptica contínua. Isto deverá ajudar a determinar se os desequilíbrios energéticos fundamentais se manifestam em várias doenças e como os fornecimentos de ATP são normalmente regulados nas sinapses.

W. Daniel Tracey, Ph.D., Professor de Anestesiologia, Biologia Celular e Neurobiologia, Duke University Medical Center

Rabdovírus geneticamente codificados para mapeamento funcional de conexões neuronaisconectividade

O laboratório de Tracey está desenvolvendo um sistema de expressão genética viral para explorar circuitos neurais na mosca da fruta. O objetivo é usá-lo para manipular geneticamente células nervosas, traçar suas conexões e manipular a atividade de neurônios interconectados. Se isso for bem-sucedido com moscas-das-frutas, Tracey espera que as mesmas técnicas sejam úteis para estudos de cérebros de mamíferos.

Joseph Fetcho, Ph.D., Professor de Neurobiologia e Comportamento, Universidade Cornell

Mapeando padrões de conexões sinápticas in vivo

Não há uma maneira fácil de revelar todas as células nervosas que se conectam a outra célula enquanto essas células estão vivas. Trabalhando com o peixe-zebra, Fetcho propõe o uso de métodos ópticos, por meio dos quais todos os neurônios conectados a uma determinada célula nervosa ficariam coloridos, para mapear o padrão de fiação no sistema nervoso vivo intacto. Em última análise, tal abordagem poderia ajudar a revelar os padrões de fiação subjacentes ao movimento e outros comportamentos.

Pavel Osten, MD, Ph.D., Professor Associado de Neurociência, Laboratório Cold Spring Harbor

Anatomia automatizada de alto rendimento para cérebro de camundongo fluorescente

O projeto de Osten procura ajudar a preencher a lacuna entre o estudo das funções cerebrais moleculares e celulares e o estudo de todo o cérebro. Usando uma nova tecnologia de imagem, ele está se concentrando no mapeamento de mudanças em circuitos neurais em camundongos que carregam mutações genéticas ligadas ao autismo e à esquizofrenia. Ele espera que a tecnologia forneça uma maneira rápida e precisa de estudar muitos modelos genéticos de camundongos para compreender melhor uma série de doenças psiquiátricas humanas.

Thomas Otis, Ph.D., Professor de Neurobiologia, Geffen School of Medicine, Universidade da Califórnia, Los Angeles

Desenvolvimento de métodos ópticos para monitoramento de tensão em grupos de neurônios definidos neuroanatomicamente

Otis e seus colegas, incluindo o co-investigador principal Julio Vergara, desenvolveram uma tecnologia de sensor que permite que os impulsos nervosos sejam medidos com alta fidelidade usando novos métodos ópticos. O objetivo da bolsa é aperfeiçoar seu método óptico para que possa rastrear a atividade neural em muitos neurônios simultaneamente.

Larry J. Young, Ph.D., William P. Timmie Professor de Ciências Psiquiátricas e Comportamentais e Chefe de Divisão, Centro de Neurociência Comportamental, Yerkes National Primate Research Center

Desenvolvimento de tecnologias transgênicas em ratos da pradaria para dissecar a genética e os circuitos neurais dos laços sociais

O estudo de comportamentos sociais complexos, como o cuidado materno e o vínculo social, é limitado pela dificuldade de manipular a expressão genética para aprender como genes específicos regulam o comportamento social. Young pretende gerar ratos transgênicos da pradaria, que são altamente sociais, e identificar os genes responsáveis pelas variações individuais no comportamento social. A investigação terá particular relevância para perturbações como o autismo e a esquizofrenia.

Henrique Lester, Ph.D., Instituto de Tecnologia da Califórnia

Canais Iônicos para Engenharia Neuronal

Lester usará canais iônicos e receptores para obter informações sobre como os neurônios estão conectados dentro dos circuitos e como esses circuitos controlam o comportamento. Ele projetará novos canais receptores que respondam apenas a um medicamento, a ivermectina, que pode ser administrado na dieta de um animal. Uma vez desenvolvidos esses receptores, será possível estudar como a ativação ou inibição de neurônios selecionados influencia o comportamento.

Charles M. Lieber, Ph.D., Universidade de Harvard

Matrizes de dispositivos nanoeletrônicos para mapeamento elétrico e químico de redes neurais

Lieber planeja desenvolver e demonstrar novas ferramentas de eletrofisiologia habilitadas para nanotecnologia para medir a sinalização elétrica e bioquímica na escala das sinapses naturais, usando amostras que vão desde redes neurais cultivadas até tecido cerebral. A longo prazo, estas ferramentas podem ser utilizadas como novas interfaces poderosas entre o cérebro e os dispositivos protéticos neurais na investigação biomédica e, em última análise, no tratamento.

Fernando Nottebohm Ph.D., Universidade Rockefeller

Desenvolvimento de uma técnica para fazer pássaros canoros transgênicos

O estudo da aprendizagem vocal em pássaros canoros oferece uma excelente maneira de explorar como as memórias são armazenadas em um cérebro complexo e como os danos ao sistema nervoso central podem ser reparados pela substituição neuronal. Nottebohm busca desenvolver um protocolo para a produção eficiente de pássaros canoros transgênicos, a fim de testar o envolvimento que genes individuais podem ter no aprendizado e no reparo cerebral.

Dalibor Sames, Ph.D., e David Sulzer, Ph.D., Universidade Columbia

Desenvolvimento de falsos neurotransmissores fluorescentes: novas sondas para visualização direta da liberação de neurotransmissores de terminais pré-sinápticos individuais

Sames e Sulzer desenvolveram falsos neurotransmissores fluorescentes (FFN) que atuam como traçadores ópticos de dopamina e permitem o primeiro meio de visualizar opticamente a neurotransmissão em sinapses individuais. Aplicando FFNs, Sames e Sulzer desenvolverão novos métodos ópticos para examinar as mudanças sinápticas associadas à aprendizagem, bem como processos patológicos relevantes para distúrbios neurológicos e psiquiátricos, como a doença de Parkinson e a esquizofrenia.

Paul Brehm, Ph.D., Universidade de Saúde e Ciências de Oregon

Uma nova proteína verde fluorescente de equinodermos fornece um registro de longo prazo da atividade da rede neuronal

Brehm está explorando uma nova maneira de visualizar a atividade celular em tecidos saudáveis e doentes. Ele propõe uma alternativa à proteína fluorescente verde da água-viva – a brittlestar bioluminescente Ophiopsila, cuja fluorescência duradoura nas células nervosas pode fornecer uma história de longo prazo de sua atividade celular.

Timothy Santo, Ph.D., Escola de Medicina da Universidade de Washington

Imagem óptica tridimensional de alta velocidade da atividade neural em tecido intacto

Holy está desenvolvendo métodos ópticos para registrar simultaneamente populações muito grandes de neurônios, usando finas folhas de luz que examinam rapidamente o tecido cerebral em três dimensões. Se for bem sucedido, o estudo pode ajudar os cientistas a observar o reconhecimento de padrões e a aprendizagem a nível celular.

Krishna Shenoy, Ph.D., Universidade de Stanford

HermesC: Um sistema de gravação neural contínuo para primatas que se comportam livremente

O laboratório de Shenoy está tentando aprender mais sobre como os neurônios agem, desenvolvendo um sistema de gravação de alta qualidade em miniatura, montado na cabeça, para uso em macacos em suas atividades diárias. Se for bem sucedido, este trabalho criará um dispositivo de gravação que pode rastrear neurônios individuais no comportamento de macacos durante dias e semanas.

Gina Turrigiano, Ph.D., Universidade Brandeis

Mapeando a posição das proteínas sinápticas usando criomicroscopia de fluorescência de super-resolução

Turrigiano e seu colaborador, David DeRosier, Ph.D., desenvolverão ferramentas para mapear a forma como as proteínas sinápticas são organizadas em máquinas moleculares que podem gerar memórias e funções cognitivas. Se isso for bem-sucedido, eles serão capazes de determinar como as sinapses se tornam desorganizadas nos estados de doença.

Pamela M. Inglaterra, Ph.D.,Universidade da Califórnia em São Francisco

Monitorando o tráfego de receptores AMPA em tempo real

O laboratório da Inglaterra desenvolverá um novo conjunto de ferramentas moleculares, baseadas em derivados sintéticos da filantotoxina, que poderão ser usadas para estudar o tráfego na superfície celular do subtipo AMPA de receptor de glutamato. O objetivo é produzir um conjunto de derivados de toxinas que inativem os receptores AMPA com composições de subunidades específicas, permitindo assim a investigação farmacológica do papel destas diferentes classes de receptores AMPA em neurônios vivos.

Alan Jasanoff, Ph.D., Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Ressonância magnética funcional em nível celular com agentes de imagem de cálcio

Jasanoff explorará um novo método de ressonância magnética funcional (fMRI), desenvolvido em seu laboratório, baseado em nanopartículas de óxido de ferro que produzem contraste de imagem quando se agregam. Se for bem-sucedido, o novo método será uma medida mais direta da atividade neural, com potencial para melhorar a resolução espacial e temporal na ressonância magnética funcional.

Richard J. Krauzlis, Ph.D., e Edward M. Callaway, Ph.D., O Instituto Salk de Estudos Biológicos

Usando vetores virais para sondar circuitos sensório-motores no comportamento de primatas não humanos

Krauzlis e Callaway desenvolverão um método para inativar subpopulações específicas de neurônios em regiões localizadas do córtex cerebral do macaco. Se for bem-sucedido, seu método fornecerá um meio de avaliar como subpopulações específicas de neurônios em diferentes regiões do cérebro funcionam em circuitos para permitir funções cerebrais superiores, como percepção, memória e controle sensório-motor.

Markus Meister, Ph.D., Cal Tech

Gravação sem fio de trens de picos multineurais em animais em movimento livre

Meister e seus colaboradores, Alan Litke, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, e Athanassios Siapas, da Caltech, projetarão um sistema de microeletrodos sem fio que permitirá a gravação de sinais elétricos neurais de animais em movimento livre, sem fios conectados. Combinando tecnologias de miniaturização e materiais leves, este sistema deverá facilitar a medição da dinâmica neural durante comportamentos verdadeiramente naturais, como escavar, escalar ou voar.

Karl Deisseroth, MD, Ph.D., Universidade de Stanford

Controle não invasivo de alta resolução temporal da atividade neuronal usando um canal iônico sensível à luz da Alga C. Reinhardtii

O laboratório de Deisseroth, incluindo o colaborador de pós-doutorado Edward Boyden, desenvolverá uma nova ferramenta, baseada em um canal iônico sensível à luz geneticamente codificado de algas, para estimular a atividade elétrica em conjuntos específicos de neurônios com luz. Seu objetivo é estimular potenciais de ação individuais com precisão de milissegundos e controlar quais neurônios são estimulados usando métodos genéticos para direcionar a expressão da proteína do canal.

Samie R. Jaffrey, MD, Ph.D., Faculdade de Medicina Weill, Universidade Cornell

Imagem em tempo real de RNA em neurônios vivos usando pequenas moléculas condicionalmente fluorescentes

O laboratório de Jaffrey desenvolverá ainda mais um sistema para permitir a visualização de RNA usando microscopia de fluorescência de células vivas. Sua técnica se baseia na construção de sequências curtas de RNA que se ligam a um fluoróforo e aumentam bastante sua emissão de luz. O fluoróforo é derivado daquele usado na Proteína Fluorescente Verde (GFP). O objetivo é revolucionar o estudo do RNA da mesma forma que a tecnologia GFP revolucionou a visualização de proteínas.

Jeff W. Lichtman, MD, Ph.D., Universidade de Harvard Kenneth Hayworth, Campus de Pesquisa Janelia Farm do Howard Hughes Medical Institute

Desenvolvimento de um torno-ultramicrótomo automático de coleta de fita para reconstrução cerebral em larga escala

Hayworth e Lichtman estão desenvolvendo uma ferramenta para cortar e coletar automaticamente milhares de seções de tecido para geração de imagens por meio de microscopia eletrônica de transmissão (TEM). A reconstrução de seções seriais TEM é a única tecnologia comprovadamente capaz de mapear, no melhor nível de resolução, a conectividade sináptica exata de todos os neurônios dentro de um volume de tecido cerebral. Mas a aplicação é limitada porque as seções ultrafinas precisam ser coletadas manualmente. Essa ferramenta automatizaria o processo, tornando o corte em série acessível a muitos laboratórios e útil em volumes maiores de tecido.

Alice Y. Ting, Ph.D., Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Imagens do tráfego de proteínas neuronais por microscopia óptica e eletrônica usando marcação com biotina ligase

Ting propõe uma tecnologia aprimorada para visualizar e quantificar o tráfego de proteínas de membrana. Ela desenvolveu uma técnica de marcação altamente seletiva baseada em enzimas para distinguir as moléculas existentes nas superfícies dos neurônios antes de um estímulo daquelas que aparecem após o estímulo. A distribuição espacial das moléculas marcadas pode então ser observada com imagens ópticas e, com algumas modificações, também pode ser vista em maior resolução com microscopia eletrônica.

EJ Chichilnisky, Ph.D., O Instituto Salk
AM Litke, Ph.D., Instituto Santa Cruz de Física de Partículas

Sondando a Retina

Chichilnisky, um neurobiólogo, e Litke, um físico experimental, estão colaborando em tecnologia para registrar e estimular a atividade elétrica em centenas de neurônios ao mesmo tempo, em uma escala espacial e temporal precisa. Isso lhes permitirá estudar como grandes populações de neurônios processam e codificam informações para controlar a percepção e o comportamento. Eles planejam primeiro estudar a retina e, por sua vez, outros sistemas neurais.

Daniel T. Chiu, Ph.D., universidade de Washington

Entrega de estímulos resolvida espacial e temporariamente para células neuronais únicas

Nanocápsulas são “invólucros” extraordinariamente pequenos que podem conter algo tão minúsculo quanto uma molécula e entregá-lo a um alvo selecionado. Chiu está desenvolvendo e aperfeiçoando novos tipos de nanocápsulas e refinando as existentes para estudar como uma única célula neuronal processa a chegada de um sinal à superfície de sua membrana. As nanocápsulas serão úteis no mapeamento de proteínas da superfície celular e na investigação de como os receptores enviam sinais e desencadeiam a transmissão sináptica.

Susan L. Lindquist, Ph.D., Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica

Desenvolvimento e uso de sistemas modelo de levedura para doenças neurodegenerativas e triagem de alto rendimento

Lindquist propõe examinar doenças neurodegenerativas estudando os genes do fermento de padeiro. Devido ao grande sucesso que seu laboratório obteve usando levedura como sistema modelo para estudar a doença de Parkinson, ela planeja estender o modelo para mais duas classes de doenças - as tauopatias (incluindo a doença de Alzheimer) e a ataxia espinocerebelar-3.

Daniel L. Menor, Jr., Ph.D., Universidade da Califórnia, São Francisco

Evolução dirigida de moduladores de canais iônicos de bibliotecas naturais e projetadas

Minor está trabalhando em uma nova abordagem para identificar moléculas que bloqueiam ou abrem canais iônicos, as proteínas que são a chave para a sinalização elétrica no cérebro. Ele estudará peptídeos naturais de criaturas venenosas e produzirá moléculas semelhantes a venenos para testes. A criação de moléculas que imitem as da natureza e a sua disponibilização generalizada acelerará a procura de medicamentos que possam atuar em canais iónicos específicos.

Stephen J. Smith, Ph.D., Escola de Medicina da Universidade de Stanford

Métodos para o delineamento de circuitos cerebrais por microscopia eletrônica de varredura de seccionamento serial

Smith está projetando ferramentas para permitir que a neurociência se beneficie do que ele chama de microscópio do século 21, inventado por seu colaborador, Winfried Denk, Ph.D., biofísico do Instituto Max Planck. Eles estão desenvolvendo métodos automatizados de microscopia eletrônica de varredura com seccionamento serial (S3EM) que, pela primeira vez, fornecerão a capacidade de analisar circuitos cerebrais completos nos mínimos detalhes. Smith está desenvolvendo maneiras de corar tecidos cerebrais para análise com este microscópio e ferramentas computacionais para analisar o imenso volume de informações que as novas técnicas produzirão.

Stuart Firestein, Ph.D., Universidade Columbia

Um sensor óptico de tensão de membrana geneticamente codificado

Firestein e seu colaborador, Josef Lazar, Ph.D., propõem testar um novo tipo de proteína sensível à voltagem que pode ser capaz de detectar eventos elétricos muito pequenos e visualizar mudanças de voltagem em um grande número de células simultaneamente. Isto promoveria um nível de investigação sobre o processamento de informações no cérebro que atualmente está fora de alcance.

David Heeger, Ph.D., Universidade de Nova York

fMRI de alta resolução

Heeger e seu colaborador, Souheil Inati, Ph.D., juntamente com os cientistas da Universidade de Stanford, John Pauly e David Ress, planejam adotar uma nova abordagem para melhorar a resolução espacial da ressonância magnética funcional (fMRI) para permitir a aquisição rotineira de dados de fMRI. em resolução extremamente alta. A equipe pretende ajudar a resolver alguns dos problemas fundamentais da ressonância magnética convencional.

Paul Slesinger, Ph.D., Escola de Medicina Monte Sinai/Icahn

Sistema de transferência de energia do receptor de proteína G (GRET) para monitoramento de transdução de sinal em neurônios

A modulação da comunicação das células nervosas ocorre quando os neurotransmissores químicos se ligam a tipos específicos de receptores de neurotransmissores acoplados à proteína G (GPCR) que, por sua vez, ativam as proteínas G. Para estudar mudanças dinâmicas na atividade da proteína G durante a comunicação das células nervosas, Slesinger propõe desenvolver um detector fluorescente baseado em proteínas para proteínas G que se baseia na propriedade de transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET).

Bernardo Sabatini, MD, Ph.D., Faculdade de Medicina de Harvard

Ferramentas ópticas para análise de tradução de proteínas em compartimentos neuronais extrassomáticos

Para explorar como os neurônios estabelecem canais de comunicação e como o cérebro armazena e recupera informações, Sabatini está desenvolvendo moléculas que emitem luz quando os neurônios produzem proteínas, e um microscópio para visualizar o processo nas profundezas do cérebro vivo.

Karel Svoboda, Ph.D., Laboratório Cold Spring Harbor

Regulação da transmissão sináptica in vivo com alta especificidade espacial e temporal

Svoboda está desenvolvendo ferramentas moleculares para aprofundar a compreensão de como as sinapses organizam os circuitos cerebrais.

Liqun Luo, Ph.D., Universidade de Stanford

Rotulagem de Neurônio Único e Manipulação Genética em Ratos

Luo está trabalhando em um método genético para manipular e rastrear neurônios individuais em camundongos para aprender como as redes neurais são montadas durante o desenvolvimento e posteriormente modificadas pela experiência.

A. David Redish, Ph.D.; Babak Ziaie, Ph.D.; e Arthur G. Erdman, Ph.D., Universidade de Minnesota

Gravação sem fio de conjuntos neurais em ratos acordados e comportados

Os colaboradores - um neurocientista, um engenheiro elétrico e um engenheiro mecânico - estão desenvolvendo um método sem fio para registrar trens de picos neuronais de ratos acordados e comportados para melhorar a compreensão do aprendizado e do comportamento.

Helen M. Azul, Ph.D., Universidade de Stanford

Entrega de genes regulada e minimamente invasiva ao sistema nervoso central

O laboratório de Blau está investigando um novo meio de fornecer genes terapêuticos ao sistema nervoso central, usando células da medula óssea projetadas com genes capazes de atingir doenças.

Graham CR Ellis-Davies, Ph.D., Universidade MCP Hahnemann

Imagem funcional de neurorreceptores em fatias cerebrais vivas por desencaixe de dois fótons de neurotransmissores

Ellis-Davies está desenvolvendo métodos inovadores para fazer imagens de aspectos da função cerebral que nunca foram vistos antes, desenvolvendo uma forma de neurotransmissores que permanecem biologicamente inertes até serem ativados por um intenso flash de luz focada.

Dwayne Godwin, Ph.D., Escola de Medicina da Universidade Wake Forest

Revelando cadeias de conectividade funcional com DNA viral

Ao injetar DNA viral nas células, marcar quimicamente o vírus e rastrear sua propagação até células conectadas, Godwin está explorando novas maneiras de revelar como as células nervosas do cérebro enviam e recebem mensagens.

Seong-Gi Kim, Ph.D., Faculdade de Medicina da Universidade de Minnesota

Desenvolvimento de fMRI de resolução colunar baseada em perfusão in vivo

Kim está trabalhando para aumentar o poder da ressonância magnética funcional para estudar a atividade cerebral com mais detalhes.

Stephen Lippard, Ph.D., Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Química Sintética para Desenvolver Sensores de Zinco para Sondar Sinalização Neuroquímica

Lippard está sintetizando novos sensores fluorescentes que detectarão íons de zinco e óxido nítrico em células vivas e revelarão seu padrão espacial.

Partha Mitra, Ph.D., e Richard Andersen, Ph.D., Instituto de Tecnologia da Califórnia

Desenvolvimento de técnicas para registrar e ler códigos populacionais em tempo real da região de alcance parietal

Mitra e Andersen usam técnicas matemáticas para analisar a atividade de conjuntos de neurônios, na esperança de, em última análise, decodificar a relação entre atividade neural e comportamento.

William Newsome, Ph.D., e Mark Schnitzer, Ph.D., Escola de Medicina da Universidade de Stanford

Dinâmica cerebral in vivo estudada com fibra óptica e tomografia de coerência óptica

Schnitzer e Newsome (que recebeu um prêmio especial $50.000) estão estudando a dinâmica cerebral localizando locais de registro, mapeando a distribuição de marcadores moleculares e monitorando padrões de atividade cerebral pelo uso preciso da luz.

Timóteo Ryan, Ph.D., Weill Medical College da Cornell University, e Gero Miesenböck, Ph.D., Memorial Sloan Kettering Cancer Center

Projeto e aplicação de detecção óptica de atividade sináptica baseada em pH

Os cientistas estão desenvolvendo novos indicadores fluorescentes da atividade sináptica baseados na sensibilidade às mudanças na acidez.

Daniel Turnbull, Ph.D., Faculdade de Medicina da Universidade de Nova York

Imagem µMR in vivo da migração neuronal no cérebro de camundongos

Turnbull está trabalhando em um novo método de imagem para visualizar a migração de neurônios no cérebro de camundongos em desenvolvimento, rotulando novos neurônios e acompanhando-os em animais intactos durante vários dias com microimagem de ressonância magnética.

Michael E. Greenberg, Ph.D., e Ricardo E. Dolmetsch, Ph.D., Hospital Infantil de Boston

Novas tecnologias para estudar o controle temporal e espacial da transcrição e tradução em neurônios intactos

Os cientistas estão desenvolvendo um método para visualizar a atividade genética em células nervosas vivas, usando amplificadores moleculares e detecção de fluorescência, para ver como os genes afetam uns aos outros.

Paul W. Glimcher, Ph.D., Universidade de Nova York

Neurossonografia Experimental

A pesquisa de Glimcher explora o ultrassom diagnóstico para tornar possível a colocação precisa de eletrodos de registro nos cérebros de primatas ativos e acordados.

Leslie C. Griffith, MD, Ph.D., e Jeffrey C. Hall, Ph.D., Brandeis University

Sensores de transdução de sinal em tempo real

Griffith e Hall estão desenvolvendo sensores genéticos que podem ser introduzidos em células nervosas individuais de moscas-das-frutas vivas, num esforço para determinar quando uma célula é recrutada para desempenhar o seu papel comportamental.

Warren S. Warren, Ph.D., Universidade de Princeton

Imagem de ressonância magnética funcional zero quântica

A ousada iniciativa de Warren procura tornar a fMRI mais poderosa, aumentando a sua resolução em mais de 100 vezes, permitindo revelar áreas ativas do cérebro com muito mais detalhes e com melhor contraste.