Mga nagawa

Andre Berndt, PhD, Katulong na Propesor, Kagawaran ng Bioengineering, Unibersidad ng Washington

Massively parallel, high throughput engineering ng optogenetic biosensors para sa neuronal signaling

Binago ng mga Florescent, genetically encoded na protina ang pag-aaral ng mga selula ng utak at neural circuit. Sa pamamagitan ng literal na pag-iilaw sa pagkakaroon ng partikular na aktibidad ng neural, na maaaring maitala ng mga mikroskopyo at magaan na mga hibla sa mga buhay na utak, ang tool na ito ay na-unlock ang maraming misteryo at pinahintulutan ang mga mananaliksik na mailarawan ang aktibidad ng utak at mga neural pathway. Ngunit nagkaroon ng bottleneck: Pagbuo at pagtukoy ng pinakamahusay na sensor para sa bawat eksperimento. Ang mga naka-encode na protina na ito ay kailangang mag-react sa pagkakaroon lamang ng mga partikular na stimuli, sa ilang mga kaso ay maaaring maging lubhang sensitibo, sa ibang mga kaso ay maaaring kailanganing mag-fluoresce ng mas mahabang panahon, o ang isang eksperimento ay maaaring mangailangan ng dalawang sensor upang makita kung gaano karami ang mga neurotransmitter. Makipag-ugnayan.

Noong nakaraan, ang bawat sensor ay kailangang baguhin, gawin, at subukan nang isa-isa. Marahil ilang dosena o daan lamang ang maihahambing, at pinili ng mga mananaliksik ang pinakamahusay na opsyon mula sa isang maliit na sample - hindi alam kung mayroong mas mahusay, mas tumpak na opsyon na magagamit. Si Dr. Berndt ay bumuo ng isang proseso para sa pagbuo at pagsubok ng napakaraming bilang ng mga optogenetic biosensors nang sabay-sabay, na naglalayong mag-screen ng higit sa 10,000 bawat araw at bumuo ng isang napakalaking library ng mga biosensor na maaaring magbigay sa mga mananaliksik ng access sa mga tumpak na engineered na protina na magagamit nila upang tumakbo kailanman- mas tiyak na mga eksperimento.

Gumagamit ang teknolohiya ng mabilis na genetic engineering upang lumikha ng malaking bilang ng mga variant ng isang biosensor, pagkatapos ay inilalagay ang mga indibidwal na variant sa isang microwell array. Ang mga sensor ay nakalantad sa mga neuropeptide - sa kasalukuyan, si Dr. Berndt ay tumutuon sa mga ligand-specific na opioid sensor - at pagkatapos ay binabasa ng mga optical sensor ang microarray, na nakikita ang liwanag at iba pang mga variable ng bawat variant, at pinipili ang pinakamahusay na mga opsyon para sa karagdagang pagsubok. Sa loob ng 2 taon, mga 750,000 biosensor ang susuriin at ang proseso para sa kanilang screening ay pinino, na nagsusulong ng pananaliksik sa mga aksyong opioid sa utak at nagbibigay ng maraming paraan na magagamit ng ibang mga mananaliksik para sa kanilang mga eksperimento.

Ruixuan Gao, Ph.D., Assistant Professor, Department of Chemistry at Department of Biological Sciences, University of Illinois Chicago

Sub-10 nm spatial profiling ng synaptic proteins at RNA transcripts na may high-isotropy expansion microscopy gamit ang isang highly homogenous hydrogel na itinayo mula sa tetrahedron-like monomers

Upang suriin ang mga bagay na napakaliit - tulad ng mga neuron at ang kanilang mga synapses sa utak - ang mga mananaliksik ay gumagamit ng makapangyarihang mga mikroskopyo. Ngunit may isa pang diskarte na maaaring magbunga ng mga kahanga-hangang resulta: literal na pagpapalawak ng sample ng tissue at ang mga cell sa loob nito sa pamamagitan ng paggamit ng isang espesyal na swellable hydrogel sa pamamagitan ng isang proseso na tinatawag na expansion microscopy. Ang hydrogel ay nagbubuklod sa iba't ibang molekular na bahagi ng mga cell at lumalawak, na perpektong humahawak sa lahat ng bahagi ng bahagi sa parehong relatibong posisyon sa isa't isa, na lumilikha ng mas malaki at mas madaling ma-access na sample upang pag-aralan - sa prinsipyo, katulad ng pagsusulat sa isang lobo, pagkatapos ay pagpapalaki nito .

Gayunpaman, ang kasalukuyang mga hydrogel na ginagamit para sa prosesong ito ay may ilang mga kakulangan pagdating sa pag-aaral ng mga maliliit na istruktura sa utak. Ang margin ng error sa paghawak sa kamag-anak na posisyon ng mga molekula ay hindi kasing-tiyak ng ninanais. Ang bagong gel na posibleng magtagumpay sa isyung ito ay hindi maganda ang reaksyon sa init na ginagamit sa pag-denaturasyon at paggamot sa mga sample ng tissue. At maaari nitong limitahan ang paggamit ng mga fluorescing biomarker. Nilalayon ni Dr. Gao na pahusayin ang teknolohiya sa pamamagitan ng pagbuo ng bagong uri ng "tetra-gel", na chemically engineered upang magkaroon ng hugis-tetrahedron na monomer na sobrang pare-pareho habang lumalawak, lumalaban sa init at nagbibigay-daan sa paggamit ng mga bioluminescent marker. Gagawa rin siya ng mga chemical linker, mga espesyal na molekula na magbubuklod sa iba't ibang molekular na bahagi ng sample sa gel. Ang layunin ay magkaroon ng pinalawak na sample na tumutugma sa katapatan ng orihinal sa loob ng 10 nanometer, na tumutugma sa resolution ng malalakas na mikroskopyo.

Natukoy na ng pananaliksik ni Dr. Gao ang mga promising compound kung saan bubuo ang tetra-gel na ito. Habang binubuo at pinipino ito ng kanyang lab, ilalapat niya ang mga kakayahan nito sa pag-aaral ng, halimbawa, ang maagang pagsisimula ng mga utak na apektado ng Parkinson's Disease. Ang pag-aaral sa eksaktong istruktura ng mga utak na ito ay naging mahirap sa mga tradisyunal na pamamaraan, at ang layunin ay ang tumpak na pagmapa ng mga synaptic na protina at nauugnay na mga transcript ng gene, na tumutulong sa pagtuklas kung paano ang maagang pagsisimula ng utak ng PD ay nakabalangkas sa molekular.

Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., Assistant Professor, Physics Department, Syracuse University

Dalawang-photon na teknolohiya sa pagsubaybay upang basahin at manipulahin ang mga neural pattern sa malayang gumagalaw na mga hayop

Ang gintong pamantayan para sa mga neuroscientist ay ang makapag-record at manipulahin kung ano ang nangyayari sa utak sa isang mataas na antas ng katumpakan, sa isang malaking lugar, habang ang isang buhay na hayop ay kumikilos nang malaya at natural. Sa paglipas ng mga taon, pinahintulutan ng teknolohiya ang mga mananaliksik na lumipat patungo sa ideal na ito, ngunit palaging may ilang mga kompromiso. Kadalasan, ang mga hayop ay kailangang maayos ang ulo, at/o may mga nakakasagabal na sensor o optika sa kanilang utak, at kadalasan ang high-fidelity na pag-record o pagmamanipula ay limitado sa medyo maliit na bahagi ng utak, habang ang malawak na nakabatay sa mga pag-record at pagmamanipula ay hindi gaanong tumpak.

Ang isa sa mga pangunahing hamon ay ang paggalaw at pagbaluktot ng utak at mga neuron sa isang malayang gumagalaw na hayop. Ngunit si Dr. Skanata ay gumagawa ng bagong teknolohiya sa pagsubaybay ng dalawang-photon na nagbibigay-daan sa kanya na subaybayan ang maraming indibidwal na mga neuron sa isang gumagalaw na hayop nang walang anumang invasive implants, at optically i-activate o manipulahin ang mga neuron na iyon. Ang ginamit na modelo ay fruit fly larvae, na natural na transparent, at ang system na patuloy na bubuoin ni Dr. Skanata ay gumagamit ng dalawang-photon microscope (na nagbibigay-daan sa napaka-tumpak na pag-target) kasama ng isang mapanlikhang algorithm na maaaring mabilis na makakita ng paggalaw ng mga indibidwal na neuron at ayusin ang posisyon ng paksa sa isang gumagalaw na yugto upang mapanatili itong nakasentro sa ilalim ng mikroskopyo. Kinakalkula ng system ang mga relatibong posisyon ng maraming neuron, nag-aayos para sa paggalaw at pagpapapangit ng utak sa panahon ng paggalaw, at sinusubaybayan ang aktibidad ng neural sa isang malaking lugar.

Kapag sinusubaybayan ang isang hayop na binago upang ma-activate ang mga neuron kapag nalantad sa optical light, hinahayaan ng system ang mga mananaliksik na i-on ang mga neuron na may mataas na katumpakan sa panahon ng natural na aktibidad. Ang mahalaga, ang sistemang binuo ni Dr. Skanata ay may kakayahan na independiyenteng kontrolin ang dalawang laser beam, kaya masusubaybayan nito ang maraming lugar nang sabay-sabay, at pahihintulutan pa ang aktibidad sa pagsubaybay sa mga indibidwal, na nagbibigay-daan sa insight sa aktibidad ng neural sa mga pagkikita ng grupo.

Timothy Dunn, Ph.D., Katulong na Propesor, Kagawaran ng Biomedical Engineering, Duke University

Multi-scale na Tatlong Dimensional na Pag-uugali ng Quantification sa Mga Indibidwal at Mga Pangkat ng Panlipunan

Ang mga kasalukuyang pamamaraan ng pagsukat sa paggalaw ng malayang pag-uugali ng mga hayop ay may mga limitasyon: Ang detalyadong mga pagmamasid sa maliliit na paggalaw ng isang hayop (isang solong digit, halimbawa) ay nangangailangan ng mga pinaghihigpitang saklaw ng paggalaw. Ang pag-aaral ng malayang paglipat ng pag-uugali sa puwang ng 3D ay madalas na nangangahulugang nililimitahan ang resolusyon, marahil ay sinusubaybayan lamang ang pangkalahatang posisyon, o umaasa sa paglalarawan ng isang tagamasid. Ang awtomatikong pagsubaybay sa video sa mga hayop ay karaniwang nangangailangan ng isang hindi likas, simpleng kapaligiran, at mga bahagi ng katawan na hindi nakikita ng mga camera ay hindi tumpak na sinusubaybayan. Ang mga hula ng mataas na resolusyon ng Artipisyal na Intelihensiya (AI) sa malalaking mga sukat na tatlong-dimensional na gumagamit ng volumetric spatial na representasyon, isang pamamaraan na binuo kamakailan upang mapagtagumpayan ang mga isyung ito, nangangailangan ng napakalaking lakas sa computing. Ang pagdaragdag ng maraming hayop para sa mga obserbasyong panlipunan ay nagpapakilala ng karagdagang mga isyu.

Bilang isang resulta, may mahinang kakayahang magamit ang pinaka-nais na data: Mataas na resolusyon, awtomatikong pagsubaybay ng mga hayop sa 3D space na gumaganap ng natural na pag-uugali, nag-iisa o sa mga pangkat, at pagsukat sa paggalaw na iyon sa isang istandardisadong format. Gumagawa si Dr. Dunn ng isang bagong diskarte na naglalayong mailapit ang ideal na iyon. Ang pagbuo ng mga natututo mula sa isang 3D geometric machine-learning algorithm na ginamit ng kanyang koponan upang lubos na mapabuti ang kawastuhan ng mga hula, nagtatrabaho ngayon si Dr. Dunn at ang kanyang koponan sa adaptive recurrent image sampling (ARIS) na pinagsasama ang mga imahe mula sa maraming mga camera upang makabuo ng isang modelo na maaaring sukatin at mahulaan ang posisyon ng katawan sa maraming kaliskis, kahit na ang isang bahagi (tulad ng isang braso o paa) ay hindi direktang nakikita.

Pinili ng ARIS na mapagbuti ang resolusyon ng mga magagandang tampok sa katawan, at gumagamit ng mahuhulaan na pagmomodelo batay sa alam nito tungkol sa paksa nito (pag-aayos at haba ng mga limbs, kung paano sila kumonekta, kung paano sila kumilos, atbp.) - Natutunan muna sa pamamagitan ng pag-parse ng napakaraming halaga ng data ng pagsasanay mula sa malayang pag-uugali ng mga daga at pagkatapos ay maayos na gamit ang data ng pagsasanay sa iba pang mga species - upang tumutok sa bahagi ng puwang kung saan may posibilidad na bahagi ng katawan. Gumagamit ito ng mas kaunting lakas sa computational kaysa sa mga nakaraang tool ng 3D volumetric. Sa kanyang pagsasaliksik, ipapatupad ni Dr. Dunn ang ARIS at itatala ang data sa maraming kaliskis, mula sa pangkalahatang posisyon at pustura hanggang sa paggalaw ng mga magagandang tampok ng mga kamay, paa, at mukha. Ang karagdagang pananaliksik ay tuklasin ang pagiging epektibo nito sa maraming mga hayop na nakikipag-ugnay. Ang kakayahang sukatin ang pag-uugali sa bago, mas tumpak na paraan ay may malawak na implikasyon para sa pag-aaral ng mga karamdaman sa neurological na nakakaapekto sa paggalaw, pag-uugnay sa aktibidad ng utak sa pag-uugali, at pag-aaral ng mga pakikipag-ugnay sa lipunan.

Jeffrey Kieft, Ph.D., Propesor, Kagawaran ng Biochemistry at Molecular Genetics, University of Colorado School of Medicine

Isang Bagong Teknolohiya upang Makontrol ang Transcriptome

Ang Messenger RNA, o mRNA, ay kinikilala bilang isang mahalagang manlalaro sa buhay at kalusugan ng mga cells. Ang mga RNA Molekyul na ito ay ang mga template upang gumawa ng protina, at nilikha sa loob ng mga cell upang magdala ng mga tagubilin sa makinarya na gumagawa ng protina, pagkatapos ay nawasak ng mga enzyme. Ang kabuuan ng mRNA na isinasaad ng isang organismo ay tinatawag na "transcriptome."

Ang mga kakulangan sa mRNA at non-coding RNA (ncRNA) ay naka-link sa ilang mga karamdaman na neurodegenerative at neurodevelopmental. Kung mayroong masyadong maliit ng isang tukoy na mRNA o ncRNA sa transcriptome, ang ilang mga cellular function ay maaaring mapasama o hindi paganahin. Si Dr. Kieft ay nagsisiyasat ng isang nobela na paraan upang pamahalaan ang transcriptome sa pamamagitan ng pagbagal ng pagkabulok ng mRNA at ncRNA. Alam na ang ilang mga enzyme na sumisira sa mga RNA ay mahalagang "ngumunguya" mula sa isang dulo hanggang sa kabilang panig, ginamit ni Dr. Kieft ang kanyang pag-unawa sa kung paano ang mga RNA molekula ay nakabalangkas at tiklop sa kanilang sarili upang lumikha ng isang ininhinyero na piraso ng exoribonuclease-lumalaban RNA (xrRNA) na , kapag ipinakilala sa katugmang mRNA o ncRNA, pinagsasama at natitiklop upang bumuo ng isang "nakaharang" na istraktura, literal na binabago ang hugis ng RNA sa pamamagitan ng pagpasok ng isang protrusion na humihinto sa mga enzyme sa kanilang mga track.

Sa pamamagitan ng pagbagal ng pagkabulok ng target na mRNA at ncRNA, nakikita ni Dr. Kieft ang pagkakataon na pamahalaan ang kanilang kasaganaan sa loob ng transcriptome. Ang mga ininhinyero na xrRNA ay maaaring makilala ang mga tukoy na target lamang, mag-link sa kanila, at lumikha ng proteksyon, upang mapataas ng mga mananaliksik ang proporsyon ng target nang hindi binabago kung magkano ang nilikha. Ang diskarte ay may kalamangan ng pagiging hindi gaanong nakakagambala sa host cell kaysa sa hindi natural na pagpapalakas ng mRNA, at ang katumpakan kung saan maaaring ma-engineered ang xrRNA ay nag-aalok ng potensyal na mag-target ng maraming RNA nang sabay-sabay, at posibleng payagan pa rin ang pagsasaayos sa pamamagitan ng tiyak na pamamahala ng rate ng pagkabulok Nakita ni Dr. Kieft ang application na ito, na isinilang sa pangunahing agham na nag-aaral ng RNA, bilang isang potensyal na makapangyarihang tool sa pagsasaliksik para sa mga neuroscientist, at marahil kahit na ang pundasyon para sa mga therapies sa mas malayong hinaharap.

Suhasa Kodandaramaiah, Ph.D., Benjamin Mayhugh Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Minnesota Twin Cities

Tinulungan ng Robot ang Mga Pagrekord sa Brain-Wide sa Malayang Pag-uugali ng mga Daga

Ang mga Neuros siyentista na nag-aaral ng aktibidad ng utak sa panahon ng pag-uugali ay karaniwang kailangang gumawa ng trade-off: Gumagamit sila ng miniaturized head-mount neural sensor na sapat na magaan upang payagan ang isang paksa na hayop na malayang kumilos, ngunit mas mababa ang resolusyon o hindi masubaybayan ang buong utak. O gumagamit sila ng mas malalakas na tool, na napakabigat para sa mga hayop na paksa at nangangailangan ng iba pang mga solusyon, tulad ng immobilization habang hinahayaan ang mga hayop na lumipat sa isang treadmill, o kahit na gumagamit ng mga virtual reality na karanasan na gayunpaman nililimitahan ang pag-uugali ng isang paksa.

Tinutugunan ni Dr. Kodandaramaiah ang hamon sa isang robotic cranial exoskeleton na nagdadala ng bigat ng neural recording at monitoring hardware habang pinapayagan pa rin ang paksa (sa kasong ito ng isang mouse) na paikutin ang ulo nito sa lahat ng tatlong degree: isang buong 360 degree turn sa yaw (pahalang na pag-ikot) axis, at halos 50 degree na paggalaw sa pitch at roll axes, habang gumagalaw sa isang arena. Ang robot ay may tatlong magkasanib na bisig na nakaayos sa isang tatsulok na pagsasaayos, na nasuspinde sa paksa at pagpupulong sa punto ng pag-mount sa ulo. Ang mga sensor sa bundok ay makakakita ng paggalaw na ginagawa ng mouse at idirekta ang robot upang paganahin ang paggalaw nang may maliit na puwersang resistive hangga't maaari, na pinapayagan ang mouse na lumiko at lumipat sa loob ng isang arena na karaniwang ginagamit para sa mga eksperimento sa neuroscience sa lahat ng kinakailangang kagamitan sa pandama at mga wire mula sa mga implant na suportado ng robot.

Ang pagkuha ng pangangailangan para sa miniaturization ay nagbibigay-daan sa mga mananaliksik na gumamit ng anumang state-of-the art hardware na magagamit, nangangahulugang ang isang robot ay maaaring mai-teoritikal na teoretikal upang magamit ang pinakabagong teknolohiya kaagad pagkatapos ng pagpapakilala nito. Upang makarating sa puntong iyon, ang koponan ni Dr. Kodandaramaiah ay dadaan sa maraming mga hakbang - pag-engineering ng exoskeleton; pag-engineering ng head-stage kasama ang mga kinakailangang sensor kasama ang high-density electrodes at camera para sa panlabas na pagmamasid sa mga mata, balbas at marami pa; pagsasagawa ng pagsubok sa benchtop; ang pag-tune ng robot sa mga input na maihahatid ng isang mouse; pagtukoy kung paano ipakilala ang mga probe; at sa wakas ay gumagawa ng live na pag-record. Sa pamamagitan ng mekanikal na ito ng pagsasailalim, inaasahan ni Dr. Kodandaramaiah na matulungan ang mga mananaliksik na mas malapit sa estado kung saan maaari silang gumawa ng detalyadong mga pag-record ng neural sa buong utak ng malayang pag-uugali ng mga paksa sa mahabang panahon.

Eva Dyer, Ph.D., Katulong na Propesor, Wallace H. Coulter Kagawaran ng Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology & Emory University

"Paghahambing ng Malalaking-scale na Mga Datasets sa Neural sa Tatapos na Oras, Puwang, at Pag-uugali ”

Ang kakayahang obserbahan at record ang neural data sa malalaking bahagi ng utak ay nagresulta sa napakalaking dami ng data, na ginagawang posible upang makahanap ng mga pattern sa data na maaaring ipaliwanag kung gaano karaming mga neuron ang nagtutulungan upang mai-encode ang impormasyon tungkol sa mundo. Kahit na may mga bagong pagsulong sa paghahanap ng mga mababang-dimensional na mga pattern sa mga datasets, mahinahon pa rin na ihambing ang maraming mga pag-record ng malakihan, maging sa mahabang panahon, o sa iba't ibang mga indibidwal na paglutas ng pareho o katulad na mga gawain, o sa buong estado ng sakit. Ang karanasan ni Dr Dyer gamit ang pag-aaral ng machine (ML) upang mabasa ang aktibidad ng utak ay humantong sa kanya sa isang solusyon sa nobela upang makilala ang mga pattern sa maraming malalaking mga datos ng neural.

Ang gawain ni Dr Dyer ay nagsasangkot ng paglikha ng mga algorithm sa pag-aaral ng makina upang kunin ang mga makabuluhang impormasyon mula sa mga datos sa neural, na may tatak upang makilala kung natutulog ang hayop, gising, foraging, o nakikisali sa iba't ibang mga galaw o pag-uugali. Ang mga bagong alituntunin ng matematika na inspirasyon ng matematika ay gumagabay sa mga algorithm upang makilala ang mga katulad na pattern sa magkakahiwalay na mga hanay ng data, na partikular na naghahanap upang tumugma sa aktibidad na neural na nabuo ng iba't ibang mga estado ng utak bilang panimulang punto para sa pagdala ng data sa pagkakahanay. Ang pag-align sa aktibidad na neural ay maaaring ipakita kung paano nauugnay ang mga pattern ng neural sa pag-uugali at estado ng paksa pati na rin maiwasan ang katiwalian sa pamamagitan ng ingay, at nagbibigay ng isang kritikal na hakbang-hakbang para sa mas malakas na diskarte sa pagsusuri.

Ang pangalawang layunin ni Dr Dyer ay makakatulong sa mga mananaliksik na magtuon muli sa mga solong neuron upang maunawaan kung paano sila nag-aambag sa pangkalahatang pagbabago sa aktibidad na neural, at kung maaari silang magamit upang mahulaan ang mga tiyak na estado ng utak. Ang pananaliksik ay karagdagang galugarin kung ang mga pagkakaiba-iba sa mga pag-uugali ay maaaring masubaybayan pabalik sa mga tukoy na uri ng cell, at kung paano magagamit ang mga pagkakaiba sa nakikita sa mga datasets upang makilala ang pagkakaiba-iba sa mga indibidwal na hayop. Ang kakayahang mag-decode at ihambing ang mga malalaking datasets ng neural ay magpapatunay na napakahalaga sa pananaliksik ng neurological sa pamamagitan ng pagpapahiwatig kung paano nakakaapekto ang neurodegenerative disease sa pagproseso ng impormasyon ng utak.

Rikky Muller, Ph.D., Katulong Propesor ng Elektronikong Teknikal at Agham sa Computer, University of California - Berkeley

"Isang High-Speed Holographic Device para sa Optogenetic Control ng Libu-libong mga Neuron ”

Ang Optogenetics - genetic na pagbabago ng mga neuron upang maging sensitibo sa ilaw upang ang mga mananaliksik ay maaaring maisaaktibo o patahimikin sila nang may kagustuhan - ay may rebolusyonaryong pananaliksik sa neuroscience. Ipares sa spatial light modulators na humuhubog sa ilaw ng 3D holograms, ang mga mananaliksik ay maaaring isa-isa na makontrol ang maraming mga neuron na ipinamamahagi sa buong isang three-dimensional na rehiyon ng isang utak sa vivo. Ngunit hanggang ngayon, wala pa ring holographic projector na makontrol ang mga neuron sa bilis na matatagpuan sa utak nang natural.

Muller ay nagdidisenyo at nagtatayo ng isang holographic projector upang malutas ang isyung ito. Ang kanyang aparato ay mag-stream ng mga imahe ng ilaw na holographic sa mga rate ng 10,000 mga frame sa bawat segundo (Hz). Maraming mga kasalukuyang mga henerasyon ng TV ang nag-refresh ng 60 mga frame sa bawat segundo, para sa paghahambing, at ang pinakamabilis na magagamit na komersyal na holographic na mga tool nangunguna sa 500 Hz. Ang mataas na rate ng pag-refresh ay kinakailangan upang kopyahin ang natural na neural signaling, na nagsasangkot ng mga potensyal na oras ng pagkilos ng mga 1 / 1,000 ng isang segundo (katumbas ng 1,000 Hz kapag isinasaalang-alang ang mga rate ng pag-refresh.) Bukod dito, naglalayong si Muller na i-target ang libu-libong mga neuron na may katumpakan ng pagturo, at tulad ng mas mataas na rate sa mga TV na nagreresulta sa mga mas matalas na imahe, isang 10,000 Hz hologram ang mag-aalok ng mas tumpak na katumpakan.

Muller, isang de-koryenteng inhinyero na nakatuon sa neurotechnology, regular na kumunsulta sa mga neuroscientist habang siya ay nag-disenyo, sumusubok, at nagtatayo ng aparato upang matiyak na nagsisilbi ito sa kanilang mga pangangailangan. Gumagamit ang aparato ng isang hanay ng micromirror, na mag-sculpt ng mga pattern ng 3D sa ilaw sa mga tukoy na lokasyon at kalaliman sa pamamagitan ng electrical actuation ng mga miniature na salamin; ang ilaw ay pagkatapos ay nai-relay sa pamamagitan ng isang serye ng mga lente. Ang proyekto ay unang magdisenyo at gumawa ng dalawang mga arrays - isang mas maliit na hanay para sa pagsubok at patunay ng konsepto, at isang mas malaking format ng format, kasama ang mga nauugnay na driver at mga kontrol na gagamitin para sa pagsukat at pagkakalibrate. Sa wakas, ang koponan ni Dr. Muller ay makagawa ng isang buong tampok na spatial light modulator. Inaasahan na ang tool na ito ay magbibigay sa mga mananaliksik ng walang nagawa na kakayahang kontrolin at subukan ang koneksyon sa neural.

Gilad Evrony, MD, Ph.D., Assistant Professor, Center for Human Genetics and Genomics, Depts. ng Pediatrics at Neuroscience & Physiology, New York University Langone Health

"TAPESTRY: Isang Teknolohiya ng Single-cell Multi-omics para sa Pagkakasunod-sunod ng Pagkakasunod-sunod ng High-resolution ng Human Utak"

Karaniwang kaalaman na ang bawat tao ay nagsisimula bilang isang solong cell na may isang solong hanay ng "mga tagubilin" ng DNA, ngunit ang mga detalye kung paano ang isang cell na nagiging trillions - kabilang ang sampu sa bilyun-bilyong mga selula sa utak - ay hindi pa rin gaanong kilala. Ang pananaliksik ni Dr. Evrony ay naglalayong pagbuo ng teknolohiya na tinatawag na TAPESTRY, na maaaring magpapaliwanag sa prosesong ito sa pamamagitan ng pagbuo ng "family tree" ng mga selula ng utak, na nagpapakita kung aling mga progenitor cell ang nagdudulot ng daan-daang mga uri ng mga mature na selula sa utak ng tao.

Maaaring malutas ng teknolohiya ang ilan sa mga pangunahing isyu na nakaharap sa mga mananaliksik na nag-aaral sa pagpapaunlad ng utak ng tao. Ang pangunahing paraan ng pag-aaral ng pag-unlad sa pamamagitan ng mga lineage ng pagsunod (pagpapasok ng mga marker sa mga selula ng mga hindi pa gulang na hayop at pagkatapos ay pag-aaral kung paano ang mga marker ay nakukuha sa kanilang mga anak) ay imposible sa mga tao dahil ito ay nagsasalakay. Ang nakaraang trabaho ni Dr. Evrony kasama ang mga kasamahan ay nagpakita na ang mga mutasyon na natural na nangyayari ay maaaring gamitin upang sumubaybay sa mga lineage sa utak ng tao. Nilalayon ng TAPESTRY na isulong at sukatin ang pamamaraan na ito sa pamamagitan ng paglutas ng ilang mga limitasyon ng mga kasalukuyang pamamaraan. Una, ang pagkakasunud-sunod ng lahi ay nangangailangan ng mas maaasahang paghihiwalay at paglaki ng mga maliliit na halaga ng DNA ng iisang mga selula. Ikalawa, ang isang detalyadong pag-unawa sa pagpapaunlad ng utak ng tao ay kailangang maging epektibo sa gastos upang pahintulutan ang pag-uulat ng libu-libo o libu-libong indibidwal na mga selula. Sa wakas, kailangan din itong mag-map ng phenotypes ng mga selula - hindi lamang nakikita kung gaano kalapit ang mga cell ay may kaugnayan, kundi pati na rin kung anong mga uri ng mga selula ang mga ito. Ang TAPESTRY ay naglalayong lutasin ang mga hamong ito.

Ang diskarte ni Dr. Evrony ay naaangkop sa lahat ng mga selula ng tao, ngunit may espesyal na interes sa mga sakit sa utak. Kapag ang mga malulusog na mga lineage sa utak ay nai-mapa, maaari silang magamit bilang isang baseline upang makita kung paano naiiba ang pag-unlad ng utak sa mga indibidwal na may iba't ibang mga karamdaman na malamang na lumabas sa pag-unlad, tulad ng autism at schizophrenia.

Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D., Assistant Professor, Kagawaran ng Biomedical Sciences, Marquette University

"Mabilis Panoptical Imaging ng Brain Volumes sa pamamagitan ng Time-tag na Quadrangular Stereoscopy"

Ang mga modernong optical brain imaging techniques ay nagpapahintulot sa pagmamasid ng isang manipis na layer ng utak, ngunit ang imaging ng maraming aktibidad sa utak sa 3-dimensional na espasyo - tulad ng isang dami ng utak - ay napatunayang masyado. Si Dr. Savtchouk ay bumuo ng isang diskarte na nagpapahintulot sa mga mananaliksik upang makita kung ano ang nangyayari hindi lamang sa ibabaw ng isang utak, ngunit malalim sa loob at sa mas mataas na spatio-temporal na resolusyon kaysa sa dati.

Ang proseso ng core - dalawang poton microscopy - Pinipili ang aktibidad ng utak sa pamamagitan ng paghanap ng pag-ilaw sa genetically modified brain cells ng mga laboratoryo na hayop. Sa isang solong laser, ang malalim na impormasyon ay naitala nang napakabagal. Sa pamamagitan ng dalawang laser beams, ang mga mananaliksik ay mahalagang nakakuha ng binokular na paningin - makikita nila kung ano ang mas malapit at mas malayo, ngunit may mga pa rin ang "mga anino" na kung saan walang makikita (halimbawa, kapag ang isang tao ay tumitingin sa isang gilid ng chess board, ang ilang piraso maaaring ma-block ng mas malapit na piraso.) Sinusubukan ni Dr. Savtchouk ang isyung ito sa pagdaragdag ng dalawang karagdagang laser beam, na nagbibigay ng quad-vision at lubos na binabawasan ang mga bulag na lugar. Siya ay din sequencing ang timing ng lasers - na pulso mabilis - kaya mga mananaliksik alam kung saan laser Nakita kung aling mga aktibidad, kritikal sa pagbuo ng isang oras-tumpak na tatlong-dimensional na modelo.

Ang proyekto ni Dr. Savtchouk ay unang nagsasangkot ng pagdidisenyo ng sistema sa mga simulation ng computer, at pagkatapos ay nagpapatunay ng application nito sa mga modelong mouse. Ang kanyang layunin ay upang bumuo ng mga paraan upang i-update ang umiiral na dalawang-photon microscopes parehong sa pamamagitan ng pagdaragdag ng laser beam at sa pamamagitan ng upgrade sa hardware at software, na nagpapahintulot sa mga laboratoryo upang makinabang mula sa teknolohiya nang hindi nagbabayad para sa isang buong bagong sistema.

Michale S. Fee, Ph.D., Glen V. at Phyllis F. Dorflinger Propesor ng Computational and Systems Neuroscience, Kagawaran ng Brain and Cognitive Sciences, Massachusetts Institute of Technology; at Investigator, McGovern Institute for Brain Research

"Mga bagong teknolohiya para sa imaging at pagtatasa ng neural state-space trajectories sa malayang-kumilos maliliit na hayop"

Ang pag-aaral ng aktibidad sa neural sa talino ng mga hayop ay isang matagal na hamon para sa mga mananaliksik. Ang kasalukuyang mga diskarte ay hindi perpekto: ang kasalukuyang laki ng microscopes ay nangangailangan ng mga hayop na mahigpit sa kanilang aktibidad, at ang mga microscope na ito ay nag-aalok ng isang limitadong larangan ng pagtingin sa mga neuron. Sa pamamagitan ng paggawa ng mga breakthroughs sa mikroskopyo miniaturization, Dr Fee at ang kanyang lab ay pagbuo ng mga tool na kinakailangan upang makita kung ano ang nangyayari sa isang hayop ng utak habang ang hayop ay libre upang maisagawa ang natural na pag-uugali.

Ang mikroskopyo sa ulo ay nagpapahintulot sa Dr Fee na obserbahan ang mga pagbabago sa mga talino ng mga ibon sa kabataan habang natututo silang kumanta ng kanilang mga kanta. Habang nakikinig sila, ulitin, at natutunan, tinatala ni Dr. Fee ang neural circuits na bumuo bilang bahagi ng komplikadong proseso ng pag-aaral. Ang mga circuit na ito ay may kaugnayan sa mga circuits ng tao na nabuo sa panahon ng kumplikadong pag-aaral ng mga pagkakasunud-sunod ng motor, tulad ng pag-aaral na sumakay ng bisikleta, at nasisira sa ilang mga kondisyon kabilang ang Parkinson's disease. Dahil sa kanyang layunin na idokumento ang isang natural na proseso ng pag-aaral, mahalagang mahalaga na magrekord ng aktibidad ng neural habang nasa likas na pag-uugali.

Bilang karagdagan sa miniaturization, ang bagong mikroskopyo ay magkakaroon ng kakayahang mag-record ng isang order ng magnitude mas neurons kaysa sa iba pang mga diskarte na ginagamit sa malayang-kumikilos hayop at ipares sa bagong pagtatasa ng data na magpapahintulot sa mga mananaliksik na gumawa ng mga obserbasyon sa real time at ayusin ang kanilang mga eksperimento, pagpapabilis sa proseso ng pananaliksik. Magkakaroon ito ng mga kagyat at malawak na aplikasyon para sa mga mananaliksik na pagtuklas sa lahat ng uri ng pag-uugali ng utak sa maliliit na hayop.

Marco Gallio, Ph.D., Assistant Professor, Kagawaran ng Neurobiology, Northwestern University

"Re-kable koneksyon sa buhay na utak"

Ang pananaliksik na ito ay naglalayong palawakin ang aming pag-unawa kung paano gumagana ang talino sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa mga siyentipiko na piliing pahinain ang mga koneksyon sa synaptic at upang hikayatin ang mga bagong koneksyon sa pagitan ng mga neuron. Ang muling pag-kable ng utak ay magpapahintulot sa mga mananaliksik upang maunawaan ang mas tiyak kung aling mga koneksyon ang naglalaro ng isang papel sa mga partikular na subset ng mga neurological effect.

Ang bawat neuron sa loob ng isang circuit ng utak ay nagkokonekta sa maramihang mga target. Ang bawat target ay maaaring magkaroon ng isang natatanging function, at samakatuwid iproseso ang parehong papasok na impormasyon sa isang ganap na naiibang paraan. Halimbawa, ang ilang mga tiyak na neurons sa prutas na fly utak ay nagdadala ng impormasyon tungkol sa panlabas na kapaligiran na ginagamit upang mabilis na makalayo mula sa napipintong pagbabanta (isang likas na pag-uugali), ngunit upang makagawa ng pangmatagalang mga asosasyon sa pamamagitan ng pag-aaral.

Ang ipinanukalang teknolohiya ay magpapahintulot sa mga mananaliksik na matukoy ang mga koneksyon na kritikal sa bawat proseso sa pamamagitan ng piliing pag-alis ng mga synapses sa mga sentro ng pag-aaral habang iniiwan ang lahat ng iba pang koneksyon na buo. Ang proyektong ito ay naglalayong gumamit ng genetic engineering upang makagawa ng mga protina ng designer na magpapamagitan sa alinman sa pag-urong o pagkahumaling / pagdirikit sa pagitan ng genetikong tinukoy na mga kasosyo sa synaptic sa buo ng utak ng mga nabubuhay na hayop. Bilang karagdagan sa pagpapatunay na ang ganitong uri ng rewiring ng talino ay posible, ang pananaliksik ay magreresulta sa mga bagong strains ng lumipad na prutas na may natatanging genetika na maaaring agad na maibahagi sa iba pang mga mananaliksik. Sa pamamagitan ng disenyo, ang mga tool na ito ay maaaring madaling mabago para sa paggamit sa anumang modelo ng hayop o inilalapat sa iba't ibang bahagi ng utak, na nagpapagana ng isang buong bagong klase ng neurological na pag-aaral na may malalim na implikasyon para sa aming pag-unawa sa kung paano gumagana ang mga utak ng tao.

Jose M. Carmena, Ph.D., Propesor, Kagawaran ng Electrical Engineering at Computer Sciences, at ang Helen Wills Neuroscience Institute, University of California Berkeley

Michel M. Maharbiz, Ph.D., Propesor, Department of Electrical Engineering at Computer Sciences, University of California Berkeley

Neural Dust: isang ultrasonic, mababa kapangyarihan, matinding miniature na teknolohiya para sa ganap na wireless at untethered neural recording sa utak

Drs. Ang Carmena at Maharbiz ay nakikipagtulungan upang lumikha ng susunod na henerasyon ng paggamit ng utak-machine interface (BMI) gamit ang tinatawag na "neural dust" -nag-implantable, mote-sized, ultrasonic sensors na maaaring alisin ang pangangailangan para sa mga wire na dumadaan sa skull, at pahintulutan para sa untethered, real-time na wireless cortical recording. Habang ang mga mananaliksik sa kanilang mga laboratoryo pati na rin ang iba pang mga kasamahan sa University of California Berkeley's Department of Electrical Engineering at Computer Sciences at ang Helen Wills Neuroscience Institute ay nag-aaral ng mga potensyal na teknolohiya ng neural na alikabok na inilalapat sa mga kalamnan at sa paligid nervous system, pagpopondo mula sa McKnight ay magpapahintulot sa mga mananaliksik na ilapat ang konsepto sa gitnang nervous system, isang paraan na pinaniniwalaan nilang maaaring magbago ng neurolohiya sa parehong paraan na binagong revolutionize ng cardiology ang pacemaker. Sa pamamagitan ng closed-loop na operasyon ng neural dust technology, si Carmena at Maharbiz ay naghahangad ng isang hinaharap na kung saan ang utak ay maaaring sanayin o tratuhin upang ibalik ang normal na pag-andar pagkatapos ng pinsala o ang pagsisimula ng neuropsychological disease.

Ali Gholipour, Ph.D., Assistant Professor sa Radiology, Harvard Medical School; Direktor ng Radiology Translational Research, at kawani ng siyentipiko sa Computational Radiology Laboratory, sa Boston Children's Hospital

Motion-robust imaging technology para sa quantitative analysis ng early brain development 

Ang paggalaw ng mga fetus, newborns, at toddlers ay nagbibigay ng isang espesyal na hamon para sa mga mananaliksik na nakatutok sa mga advanced na imaging upang pag-aralan ang maagang pag-unlad ng utak at makilala ang mga posibleng pagkagambala. Ang pananaliksik na grupo ni Dr. Gholipour sa Computational Radiology Laboratory sa Boston Children's Hospital ay nagtatrabaho upang bumuo, sumuri, at magpalaganap ng teknolohiya ng bagong paggalaw na malakas na resonance imaging (MRI) at software na magpapahintulot sa mga mananaliksik na pag-aralan at makilala ang in-utero, perinatal , at pag-andar at istraktura ng maagang pagkabata. Ang mga bagong imaging at mga tool sa pag-aaral ng imahe ay maaaring humantong sa mga dramatikong pagpapabuti sa kakayahan ng neuroscience community na mangolekta at pag-aralan ang malaking data upang mapabuti ang pag-unawa sa pag-unlad ng maagang utak at magtatag ng isang mas malinaw na link sa mga karamdaman na maaaring nagmula mula sa pinakamaagang yugto ng buhay.

Narayanan (Bobby) Kasthuri, Ph.D., MD, University of Chicago at Argonne National Labs

Utak-X: Mga mapa ng Nanoscale ng buong talino na gumagamit ng mga high-energy x-ray na batay sa synchrotron

Ang lab ni Dr. Kasthuri ay gumagamit ng mataas na enerhiya na X-ray upang lumikha ng kumpletong at komprehensibong mapa ng utak. Ang mga stack ng mga imahe na nabuo ay nagreresulta sa mga sobrang dami ng data na maaaring hatiin upang makilala ang lokasyon ng bawat neuron, daluyan ng dugo, at bahagi ng utak. Sa pamamagitan ng pagbuo ng mga mapa ng malusog na mga daga at talino ng tao, maaaring ihambing sila ng mga siyentipiko sa mga pathological sample upang mas mahusay na maunawaan ang cellular at sa huli ay magkakaibang pagkakaiba sa mga sakit na may sakit na apektado ng autism, diabetes at stroke, bukod sa iba pang mga sakit.

Stephen Miller, Ph.D., University of Massachusetts Medical School

Paghadlang ng mga balakid sa imaging sa utak

Mahirap ang imaging sa utak, dahil maraming mga molekular na probes ang hindi makatawid sa barrier ng dugo-utak (BBB). Si Dr. Miller at ang kanyang lab ay nakahanap ng mga paraan upang mapabuti ang imaging sa malalim na tisyu ng utak sa pamamagitan ng pag-tap sa mga bioluminescent properties ng firefly. Binago ng pangkat ng Miller ang natural na almirol na luciferin upang madagdagan ang kakayahang ma-access ang mga talino ng mga live na hayop. Ang glow ng utak ay maaaring magamit upang makita ang pagpapahayag ng gene, aktibidad enzyme, pag-unlad ng sakit ng monitor, o gauge ang pagiging epektibo ng mga bagong gamot.

Long Cai, Ph.D., California Institute of Technology

Pag-decipher ng molekular na batayan ng pagkakakilanlan ng cell sa utak sa pamamagitan ng pagkakasunud-sunod ng isda

Ang Cai's lab ay nakabuo ng isang high-powered imaging method batay sa "single molecule fluorescence in situ hybridization," o smFISH, na nagpapahintulot sa pagtingin sa genetic information (eg RNA) sa loob ng mga cell. Siya ngayon ay naglalayong iakma ang pamamaraang ito sa profile gene expression nang direkta sa talino sa parehong mataas na resolution gamit ang sunud-sunod na isda (seqFISH).

Cynthia Chestek, Ph.D., Unibersidad ng Michigan

Mataas na density 90μmpitch carbon microthread array upang i-record ang bawat neuron sa layer 5

Ang Chestek lab ay nagpapaunlad ng isang paraan upang i-record at maisalarawan ang malusog, interconnected, aktibong neurons sa loob ng isang span ng oras sa mas higit na densidad kaysa sa dati. Paggamit ng minuscule electrodes thread ng carbon, plano niyang i-record ang mga neuron sa isang utak ng daga mula sa isang hanay ng mga channel at pagkatapos ay hatiin ang utak upang mailarawan ang buong circuit. Ang layunin ay upang makamit ang isang 64-channel na array na maaaring sundin sa isang mataas na densidad gamit ang isang maginoo neuroscience connector.

Spencer Smith, Ph.D., University of North Carolina sa Chapel Hill

Multiphoton imaging para sa malaking volume ng utak

Ang mga neuron ay kumilos nang sama-sama sa mga kumplikadong paraan upang paghubog ng mga pag-iisip at pag-uugali. Ang Multiphoton imaging, na maaaring malutas ang mga indibidwal na mga neuron mula sa millimeters ang layo, ay lilitaw upang mag-alok ng isang makabagong paraan upang pag-aralan ang prosesong ito. Pagguhit sa nakaraang pananaliksik na may dalawang poton microscopy, ang Spencer's lab ay naghahanap upang bumuo ng isang pasadyang optical system upang makakuha ng access sa 1 milyong neurons habang napananatili ang kakayahan na obserbahan ang mga neurons nang paisa-isa.

Juan Carlos Izpisua Belmonte, Ph.D., Ang Salk Institute para sa Biological Studies

Ang pinagmulan, paglalarawan at pag-alis ng gene ng karaniwang mga marmoset primordial cell ng mikrobyo sa ilalim ng nobelang kondisyon

Ang lab ng Izpisua Belmonte ay nagtatrabaho upang paikliin ang oras na kinakailangan upang bumuo ng mga di-pantaong mga modelo ng hayop ng unggoy-partikular, mga marmoset. Si Belmonte ay bumuo ng estratehiya upang mapadali ang mga henerasyon ng mga transgenic marmoset na mga modelo gamit ang primordial germ cells (PGCs). Ang pananaliksik ay may potensyal na mag-alok ng walang limitasyong mga mapagkukunan ng cell upang pag-aralan ang pagpapaunlad ng cell ng unggoy sa isang ulam at, na sinamahan ng mga tool ng pag-edit ng genome, ang diskarte ay maaaring makatulong sa paglikha ng mga nobelang modelo ng hayop para sa mga sakit ng tao.

Sotiris Masmanidis, Ph.D., University of California, Los Angeles

Silicon microprobes para sa pagmamanman ng mesoscale brain dynamics

Ang Masmanidis lab ay bumubuo ng micromachined silikon na nakabatay sa mga aparatong, o microprobes, na maaaring magamit nang malawakan sa pamamagitan ng mass production at maaaring magtala ng maraming mga neurons sa isang pagkakataon sa millisecond resolution. Ang mga microprobes ay magbibigay-daan sa Masmanidis na pag-aralan kung paano nakikipag-ugnayan ang maraming mga selulang utak sa panahon ng pag-uugali at pag-aaral. Bilang karagdagan, ang kanyang lab ay mga diskarte sa pagpayunir upang tiyak na lagyan ng label ang mga lokasyon, na nagpapabuti sa katumpakan ng aktibidad ng utak ng pagmamapa.

Kate O'Connor-Giles, Ph.D., University of Wisconsin, Madison

Isang CRISPR / Cas9 toolkit para sa komprehensibong neural circuit analysis

Hinahanap ng O'Connor-Giles na bumuo ng mga modular toolkit upang makilala ang molecularly at makakuha ng genetic control ng neuronal subtypes. Ang mga toolkit na ito ay magkakaloob ng mga kritikal na mapagkukunan para sa pagpapamalas ng mga functional na kontribusyon ng mga genes sa neuronal identity at neuronal subtypes sa pag-uugali. Ang lab O'Connor-Giles ay gagamitin ang parehong mga teknolohiya upang maunawaan kung paano neurons wire sama-sama sa panahon ng pag-unlad. Ang trabaho ay nagtatayo sa kamakailang tagumpay ng lab na nakapagpapasigla ng CRISPR / Cas9 genome engineering technology sa mga lilipad ng prutas.

Thomas R. Clandinin, Ph.D., Unibersidad ng Stanford

Isang genetic na pamamaraan para sa pagmamapa ng mga neuronal na network na tinukoy ng mga electrical synapses

Karamihan sa mga pananaliksik sa utak circuitry ay nakatuon sa kemikal synapses, na kung saan ay mas madali sa pag-aaral kaysa sa electrical synapses. Ngunit ang hindi kumpletong larawan ng mga kable sa utak ay humahadlang sa pagsisikap na maunawaan ang mga pagbabago sa aktibidad ng utak. Inirerekomenda ni Clandinin na bumuo ng isang pangkalahatan, genetic na paraan upang matukoy kung aling mga neuron ang nakakonekta sa iba. Sa pagtatapos ng dalawang taon na grant period, inaasahan niya na magkaroon ng isang nagtatrabaho na hanay ng mga tool na lumilipad na prutas na sinisi pati na rin ang isang pagsisiyasat ng mga partikular na de-koryenteng mga koneksyon sa mabilisang utak, at mga analogong kasangkapan na handa na para sa pagsubok sa mouse.

Mateo J. Kennedy, Ph.D., at Chandra L. Tucker, Ph.D., University of Colorado - Denver

Optical tools upang manipulahin ang synapses at circuits

Optogeneticsis isang medyo bagong larangan na nagsasangkot ng pagkontrol ng neuronal function na may liwanag. Inaasahan ni Kennedy at Tucker na palawakin ang larangan ng mga bagong tool ng engineering na magpapahintulot sa mga gumagamit na gumamit ng liwanag upang makontrol ang mga proseso sa ibaba ng agos mula sa neuronal firing, na may pagtuon sa mga signaling molecule na mahalaga para sa synapse formation, pag-aalis at plasticity. Plano rin nilang bumuo ng mga tool na nagpapahintulot sa mga gumagamit na manipulahin ang pangunahing mga molekular signaling pathway na responsable para sa pag-aaral at memorya sa utak.

Zachary A. Knight, Ph.D., University of California - San Francisco

Sequencing neuromodulation na may engineered ribosomes

Ang mammalian utak ay naglalaman ng daan-daang mga uri ng neural cell, ang bawat isa ay may natatanging mga pattern ng expression ng gene. Ang lab ng Knight ay nagtatayo ng mga tool para sa pagmamapa ng mga biochemical event sa utak ng mouse sa ganitong molecular diversity of cells. Siya ay magkakaroon ng mga pamamaraan para sa pagkuha ng RNA na makatutulong upang matukoy ang molekular na pagkakakilanlan ng mga nakatagong selula. Ang mga tool na ito ay magpapahintulot sa mga neuroscientist na makilala ang mga tiyak na neuron na modulated sa panahon ng mga pagbabago sa pag-uugali, pisyolohiya o sakit. Ang mga natukoy na mga selula ay maaaring ma-manipulate genetically upang maunawaan ang kanilang function.

Don B. Arnold, Ph.D., Associate Professor of Molecular & Computational Biology, University of Southern California

Ablating Intrabodies-Tools para sa Direct Ablation of Endogenous Proteins

Ang mga protina ay patuloy na ginawa at nagpapahina sa utak. Si Dr. Arnold ay nagtatrabaho sa mga kasangkapan upang paganahin ng mga siyentipiko ang proseso ng pagkasira ng protina para sa biomedical na pananaliksik. Ang mga tool na ito, na kilala bilang ablating intrabodies, ay maaaring mamagitan sa mabilis, mahusay at tiyak na marawal na kalagayan ng mga protina. Ang isang protina ay maaaring napinsala upang subukan ang pag-andar nito sa mga normal na selula o pag-imbestiga ng mga nakakapinsalang epekto ng isang partikular na pathological na protina-sa isang neurodegenerative disease, halimbawa. Sa kasalukuyan, ang mga siyentipiko ay maaaring maging sanhi lamang ng ablation ng protina, sa pamamagitan ng pagtanggal sa alinman sa gene, o sa RNA, na naka-encode sa protina. Ang ablating intrabodies ay nagdudulot ng direktang pagkawasak ng mga target na protina at sa gayon ay mas mabilis na gumagana. Maaari din nilang i-target ang mga protina sa mga partikular na conformation o mga may tukoy na mga pagbabago sa translatibong post. Susuriin ni Dr. Arnold ang paggamit ng ablating intrabodies sa pamamagitan ng pagmamanipula ng nilalaman ng protina ng mga postsynaptic site upang pag-aralan ang synaptic function, homeostasis at plasticity sa loob ng utak. Ang pananaliksik, kung magtagumpay ito, ay maaaring magkaroon ng malawak na aplikasyon sa mga biomedical science.

James Eberwine, Ph.D., Propesor ng Pharmacology, at Ivan J. Dmochowski, Associate Professor of Chemistry, University of Pennsylvania

TIVA-tag Pinapagana ang True Neuronal Systems Genomics

Bagaman posible para sa ilang taon na pag-aralan ang pagpapahayag ng gene sa mga indibidwal na selula sa kultura ng laboratoryo, ang patuloy na pag-unlad sa neurobiology ay nangangailangan ng kakayahang suriin ang genetic function at regulasyon sa mga antas ng system, sa mga tisyu o mga organismong nabubuhay. Drs. Ang Eberwine at Dmochowski ay nagtatrabaho sa isang paraan upang ihiwalay ang RNA mula sa mga live na selula sa pamamagitan ng isang diskarte na pinasimunuan nila, na tinatawag na TIVA-tag (para sa Transcriptome In Vivo Analysis). Sa panahon ng pagbibigay, plano nilang ipasadya ang kimika ng mga compound ng TIVA-tag upang mangolekta ng RNA mula sa mga selula na may mas higit na pagtitiyak, kahusayan at mas kaunting pinsala sa tissue kaysa sa dati nang posible. Sa pagtatapos ng panahon ng grant ay nilayon nilang itatag ang TIVA-tag na diskarte bilang isang mabubuhay na pamamaraan para sa mga system-level na genomics.

Doris Tsao, Ph.D., Assistant Professor of Biology, California Institute of Technology, at William J. Tyler, Ph.D., Assistant Professor sa Virginia Tech Carilion Research Institute, School of Biomedical Engineering and Sciences

Functional Modulation ng Intact Primometer Brain Circuits gamit ang Pulsed Ultrasound

Nawawala ang isang neuroscience ng tool para sa hindi makapagpapalakas na espesipikong lokasyong 3D sa kahit saan sa utak ng tao. Ang nakaraang trabaho ni Dr. Tyler ay nagpakita na ang ultrasonic neuromodulation ay maaaring hindi makapagpapalakas ng mga neuron sa buhay na utak ng mouse. Ang susunod na hakbang ay upang malaman kung paano nakakaapekto sa ultrasound ang isang di-pantaong unggoy, ang unggoy, na ang utak ay mas malaki at mas kumplikado kaysa sa mouse. Ang mga mananaliksik ay nagpaplano na obserbahan ang mga tugon ng neuronal, daloy ng tserebral na dugo, at pag-uugali ng hayop sa panahon ng nakatuon na ultrasonic neuromodulation. Sa huli, Drs. Nilalayon ng Tsao at Tyler na bumuo ng isang paraan upang magamit ang ultrasound upang pasiglahin ang mga tiyak na lugar ng utak ng tao, na magbibigay ng isang malakas na bagong tool para maunawaan ang mga utak circuitry sa mga tao, at magbigay ng nobela estratehiya para sa pagpapagamot ng malaganap neurological at saykayatriko sakit.

Samuel S.-H. Wang, Ph.D., Associate Professor of Molecular Biology, Princeton University

Transcending ang Dynamic Limits ng Genetically Encodable Calcium Indicators

Ang mga protina ng fluorescent na nagbabago sa kanilang liwanag kapag ang mga cell ng utak ay aktibo ay kapaki-pakinabang sa pagmamasid sa aktibidad ng neural na nakabatay sa pang-unawa, memorya, at iba pang mga proseso ng pag-iisip. Ang mga kasalukuyang bersyon ng mga protina ay tumutugon lamang nang mabagal, sa oras na mga antas ng isang segundo o mas matagal. Ang lab ni Dr. Wang ay muling pagdidisenyo ng mga protina upang mas mabilis na tumugon at para sa mas malawak na hanay ng aktibidad. Pinagsama sa mga advanced na optical na pamamaraan, ang mga pagsulong na ito ay magbibigay-daan sa mga maliit na bahagi ng tisyu ng utak na subaybayan sa paraan na sinusubaybayan ng fMRI ang buong utak-na may pakinabang na ang bagong paraan ay magbibigay-daan sa mga mananaliksik na makita ang mga single cell at mga pagbabago na nagaganap sa mga millisecond. Ang pananaliksik na ito ay bahagi ng mas malaking pagsisikap ng mga neuroscientist upang bumuo ng mga teknolohiya upang pag-aralan ang mga network ng utak habang natututo ang isang hayop, o upang makita kung ano ang napipinsala sa mga hayop na may mga neurological defects.

Sandra Bajjalieh, Ph.D., Propesor ng Pharmacology, University of Washington

Pagbubuo ng mga Biosensors para sa Signaling Lipids

Ang mga pagbabago sa lipids ng lamad ay naglalaro ng isang papel sa neuronal signaling, ngunit ang mga mananaliksik ay hindi pa mapagkakatiwalaan subaybayan ang signaling production lipid. Ang plano ni Bajjalieh ay upang makabuo ng mga sensor upang masubaybayan ang henerasyon ng mga signaling na lipid sa mga cell sa real time. Magsasagawa siya ng mga protina na magbubuklod sa dalawang senyas ng pagbibigay ng senyas sa kawalan ng iba pang mga signal at gamitin ang mga ito upang bumuo ng fluorescent probes upang subaybayan ang lokasyon ng mga lipid na ito. Ang impormasyong ito ay magiging posible upang mapalawak ang diskarte sa iba pang mga lipid.

Guoping Feng, Ph.D., Propesor ng Brain and Cognitive Sciences, McGovern Institute for Brain Research, Massachusetts Institute of Technology

Pagbubuo ng isang Molecular, sa vivo Tool para sa Genetic Manipulation ng Behaviourally Defined Neuronal Microcircuits Paggamit ng Pagkakataon Detection ng Aktibidad at Banayad

Upang higit na pag-aralan ang impormasyon kung paano pinoproseso ng utak ang impormasyon, si Feng ay bumubuo ng isang tool upang makuha ang mga tiyak na neuronal na populasyon na ginawang aktibo ng mga pag-uugali ng hayop sa loob ng isang maikling panahon na tinukoy ng mga pulso ng liwanag, at piliin ang mga selula ng utak para sa genetic na pagbabago batay sa aktibidad na iyon. Ang mga selulang ito ay maaaring masuri upang masuri ang kanilang paglahok sa pag-uugali. Kung matagumpay, ang tool ay magbibigay-daan sa mga neuroscientists sa genetically baguhin ang anumang grupo ng mga neurons na ginawang aktibo ng isang partikular na pag-uugali sa isang tiyak na tinukoy na panahon.

Feng Zhang, Ph.D., Investigator, McGovern Institute for Brain Research; Core na Miyembro, Malawak na Institusyon ng MIT at Harvard; Assistant Professor of Brain and Cognitive Sciences, Massachusetts Institute of Technology

Totoong Genome Engineering Paggamit ng Designer TAL Effectors Recombinases

Karaniwang ginagamit ang genetic expression upang makilala ang uri ng neuron, ngunit ang maginoo na pagmamanipula ng genetiko ay hindi mabisa at limitado lamang sa mouse. Gumagawa si Zhang ng isang paraan upang baguhin ang genome ng mga neuron gamit ang mga genre ng reporter na maaaring ipakilala sa mga tiyak na selula at mga circuits sa utak. Ang teknolohiyang ito ay magpapahintulot sa mga mutation ng tao na ipakilala sa mga modelo ng hayop upang malaman kung ang genetic mutation ay nagiging sanhi ng isang sakit. Ang teknolohiya ay magpapaikli rin ng oras na kinakailangan upang bumuo ng isang modelo ng hayop.

Michael Berry II, Ph.D., Associate Professor of Molecular Biology, Princeton University

Microfabricated patch clamp micropipette

Ang lab ni Berry ay magkakaroon ng microfabricated patch micropipette na magpapahintulot sa mga eksperimento ng nobela na hindi posible sa mga maginoong glass patch micropipette, tulad ng kakayahang madaling kontrolin ang kemikal na kapaligiran ng neurons sa pamamagitan ng mabilis na dialysis. Ang aparato ay magiging mas maaasahan at mas simple upang gamitin kaysa sa mga umiiral na micropipettes, na nagse-save ng makabuluhang oras at pagsisikap.

Robert Kennedy, Ph.D., Hobart H. Willard Propesor ng Chemistry & Propesor ng Pharmacology, University of Michigan

Sa vivo monitoring ng neurotransmitters sa mataas na spatial at temporal resolution

Upang sukatin ang mga neurotransmitters sa vivo sa mataas na spatial at temporal resolution, ang Kennedy's lab ay gumagawa ng isang miniaturized probe na maaaring maabot sa anumang utak na rehiyon ng mouse upang bumuo ng mga maliit na sample para sa pagtatasa sa mga madalas na agwat. Ang teknolohiyang ito ay nag-aalok ng isang potensyal na tagumpay para sa neuroscience, dahil napakaraming genetic na trabaho at maraming mga modelo ng sakit ay batay sa mouse.

Timothy Ryan, Ph.D., Propesor ng Biochemistry, Weill Cornell Medical College

Pag-unlad ng isang synaptic ATP reporter

Ang lab na Ryan ay bumubuo ng isang mas tumpak na paraan upang masukat ang konsentrasyon ng ATP sa mga partikular na neuronal compartments at upang makuha ang dynamic na impormasyon para sa pagsubaybay ng mga antas ng ATP sa panahon ng patuloy na synaptic na komunikasyon. Ito ay makakatulong upang matukoy kung ang mga pangunahing imbalances ng enerhiya ay mahayag sa iba't ibang mga sakit at kung paano ang mga supplies ng ATP ay karaniwang regulated sa synapses.

W. Daniel Tracey, Ph.D., Propesor ng Anesthesiology, Cell Biology at Neurobiology, Duke University Medical Center

Genetically naka-encode rhabdoviruses para sa paggana ng mapping ng neuronal connektibo

Ang lab ni Tracey ay bumubuo ng isang viral expression system ng gene upang galugarin ang mga neural circuit sa lumipad ng prutas. Ang layunin ay gamitin ito sa genetically manipulahin ang mga cell nerve, sinubaybayan ang kanilang mga koneksyon at manipulahin ang aktibidad ng mga interconnected neurons. Kung ito ay matagumpay na may mga lilipad na prutas, inaasahan ni Tracey na ang mga parehong pamamaraan ay magiging kapaki-pakinabang para sa pag-aaral ng mga mammalian talino.

Joseph Fetcho, Ph.D., Propesor ng Neurobiology at Pag-uugali, Cornell University

Pag-map ng mga pattern ng synaptic na koneksyon sa vivo

Walang madaling paraan upang ibunyag ang lahat ng mga cell ng nerve na nakakonekta sa isa pang cell habang ang mga selula ay buhay. Paggawa gamit ang zebrafish, nagmumungkahi ang Fetcho na gumamit ng mga optical method, kung saan ang lahat ng mga neuron na nakakonekta sa isang partikular na cell ng nerve ay magiging kulay, upang i-map ang pattern ng mga kable sa buo na living nervous system. Sa huli, ang ganitong paraan ay maaaring makatulong sa pagbubunyag ng mga pattern ng mga kable na nagbigay ng kilusan at iba pang pag-uugali.

Pavel Osten, MD, Ph.D., Associate Professor of Neuroscience, Cold Spring Harbour Laboratory

Automated high-throughput anatomy para sa fluorescent mouse brain

Ang proyekto ni Osten ay naglalayong tulungan ang tulay sa pagitan ng pag-aaral ng mga pag-andar ng molekular at cellular na utak at pag-aaral ng buong utak. Gamit ang isang nobelang imaging technology, siya ay nakatuon sa pagmamapa ng mga pagbabago sa neural circuits sa mga daga na nagdadala ng genetic mutations na naka-link sa autism at schizophrenia. Inaasahan niya na ang teknolohiya ay magbibigay ng isang mabilis at tumpak na paraan upang pag-aralan ang maraming mga genetic mouse na mga modelo upang mas mahusay na maunawaan ang isang hanay ng mga psychiatric sakit.

Thomas Otis, Ph.D., Propesor ng Neurobiology, Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles

Pag-unlad ng mga optical na paraan para sa pagsubaybay ng boltahe sa mga pangkat ng neuroanatomically tinukoy na mga neuron

Si Otis at ang kanyang mga kasamahan, kabilang ang co-principal investigator na si Julio Vergara, ay bumuo ng isang sensor na teknolohiya na nagpapahintulot sa mga impresyon ng nerve na sukatin nang may mataas na katapatan gamit ang nobelang mga optical method. Ang layunin ng bigyan ay upang maperpekto ang kanilang optical method upang masubaybayan nito ang neural activity sa maraming neurons nang sabay-sabay.

Larry J. Young, Ph.D., William P. Timmie Propesor ng Psychiatric at Behavioral Science and Division Chief, Center for Behavioural Neuroscience, Yerkes National Primate Research Center

Ang pagpapaunlad ng mga transgenic technology sa mga hayop ng verma para sa pagpapakalat ng genetika at neural circuitry ng social bonding

Ang pag-aaral ng mga kumplikadong sosyal na pag-uugali, tulad ng pagtataguyod ng ina at panlipunang pagkakahati, ay limitado sa kahirapan sa pagmamanipula ng ekspresyon ng gene upang matutunan kung paanong ang mga partikular na genes ay nag-uugnay sa panlipunang pag-uugali. Ang layunin ng Young ay upang makabuo ng transgenic prairie voles, na mataas ang panlipunan, at kilalanin ang mga genes na responsable para sa mga indibidwal na pagkakaiba-iba sa panlipunang pag-uugali. Ang pananaliksik ay may partikular na kaugnayan sa mga karamdaman tulad ng autism at schizophrenia.

Henry Lester, Ph.D., California Institute of Technology

Ion Channels para sa Neuronal Engineering

Lester ay gagamit ng ion channels at receptors upang makakuha ng pananaw sa kung paano neurons ay konektado sa loob ng circuits at kung paano tulad circuits control pag-uugali. Magsasagawa siya ng mga bagong channel ng receptor na tumugon lamang sa isang gamot, ivermectin, na maaaring maihatid sa diyeta ng isang hayop. Kapag ang mga receptor na ito ay binuo, posible na pag-aralan kung paano ang pag-activate o pagbawalan ang mga napiling neurons ay nakakaimpluwensya sa pag-uugali.

Charles M. Lieber, Ph.D., unibersidad ng Harvard

Nanoelectronic Device Arrays para sa Electrical at Chemical Mapping ng Neural Networks

Ang mga plano ni Lieber na bumuo at magpakita ng mga bagong kasangkapan sa electrophysiology na pinagana ng nanotechnology upang masukat ang mga de-koryenteng at biochemical na pagbibigay ng senyas sa sukat ng mga natural na synapses, gamit ang mga sampol na mula sa mga nerbiyos na neural network hanggang sa utak ng tisyu. Sa mahabang panahon, ang mga tool na ito ay maaaring gamitin bilang malakas na bagong mga interface sa pagitan ng utak at neural prostetik na mga aparato sa biomedical na pananaliksik at, sa huli, paggamot.

Fernando Nottebohm Ph.D., Rockefeller University

Pag-unlad ng isang Diskarte para sa Paggawa ng mga Transgenic Songbird

Ang pag-aaral ng vocal na pag-aaral sa mga songbird ay nagbibigay ng isang mahusay na paraan upang tuklasin kung paano nakaimbak ang mga alaala sa isang komplikadong utak at kung paano pinsala sa central nervous system ay maaaring repaired ng neuronal na kapalit. Hinahanap ni Nottebohm ang isang protocol para sa mahusay na produksyon ng mga transgenic songbird upang subukan ang pagkakasangkot na maaaring magkaroon ng indibidwal na mga gene sa pag-aaral at pag-aayos ng utak.

Dalibor Sames, Ph.D., at David Sulzer, Ph.D., Columbia University

Pag-unlad ng Fluorescent False Neurotransmitters: Novel Probes para sa Direct Visualization ng Neurotransmitter Release mula sa Indibidwal na Presynaptic Terminals

Ang Sames at Sulzer ay nakabuo ng Fluorescent False Neurotransmitters (FFN) na kumikilos bilang optical tracers ng dopamine at paganahin ang unang paraan sa optically neurotransmission ng imahe sa mga indibidwal na synapses. Ang paglalapat ng FFNs, Sames at Sulzer ay magkakaroon ng mga bagong optical method upang suriin ang mga pagbabago sa synaptic na nauugnay sa pag-aaral pati na rin ang mga pathological na proseso na may kaugnayan sa mga neurological at saykayatriko disorder tulad ng Parkinson ng sakit at schizophrenia.

Paul Brehm, Ph.D., Oregon Health & Science University

Ang isang nobelang berde fluorescent protein mula sa echinoderms ay nagbibigay ng isang pang-matagalang tala ng neuronal na aktibidad ng network

Ang Brehm ay nagsisiyasat ng isang bagong paraan sa aktibidad ng cellular na imahe sa malusog at sira na tisyu. Siya ay nagmumungkahi ng isang alternatibo sa dikya ng berdeng fluorescent na protina-ang bioluminescent brittlestar Ophiopsila, na ang pangmatagalang pag-ilaw sa mga cell nerve ay maaaring magbigay ng isang pang-matagalang kasaysayan ng kanilang cellular na aktibidad.

Timothy Holy, Ph.D., Washington University School of Medicine

Mataas na bilis ng three-dimensional optical imaging ng neural activity sa buo ng tisyu

Ang Banal ay bumubuo ng mga optical method para sa pag-record nang sabay-sabay mula sa napakalaking populasyon ng neurons sa pamamagitan ng paggamit ng manipis na mga sheet ng ilaw na mabilis na i-scan ang utak ng tisyu sa tatlong dimensyon. Kung matagumpay, ang pag-aaral ay maaaring makatulong sa mga siyentipiko na obserbahan ang pagkilala at pag-aaral ng pattern sa antas ng cellular.

Krishna Shenoy, Ph.D., Unibersidad ng Stanford

HermesC: Isang tuloy-tuloy na sistema ng pag-record ng neural para sa malayang pag-uugali ng primates

Ang lab ng Shenoy ay nagsisikap na matuto nang higit pa tungkol sa kung paano kumilos ang mga neuron sa pamamagitan ng pagbuo ng isang miniature, ulo-mount, mataas na kalidad na sistema ng pag-record para magamit sa mga monkeys tungkol sa kanilang mga pang-araw-araw na gawain. Kung matagumpay, ang gawaing ito ay lilikha ng isang recording device na maaaring subaybayan ang mga indibidwal na neurons sa kumikilos na mga monkey para sa mga araw at linggo.

Gina Turrigiano, Ph.D., Brandeis University

Pagma-map sa posisyon ng synaptic proteins gamit ang super-resolution na fluorescence cryo-microscopy

Si Turrigiano at ang kanyang kolaborador, si David DeRosier, Ph.D., ay magkakaroon ng mga tool upang mapa ang paraan na ang synaptic na mga protina ay nakaayos sa molekular machine na maaaring makabuo ng mga alaala at nagbibigay-malay na pag-andar. Kung ito ay nagpapatunay na magtatagumpay, sa wakas ay matutukoy nila kung paano ginulo ang mga synapses sa mga estado ng sakit.

Pamela M. England, Ph.D.,University of California sa San Francisco

Pagsubaybay sa Trafficking ng AMPA Receptor sa Real Time

Ang England lab ay bubuo ng isang nobelang hanay ng mga molecular tool, batay sa mga sintetikong derivatives ng philanthotoxin, na maaaring magamit upang pag-aralan ang cell surface trafficking ng AMPA subtype ng glutamate receptor. Ang layunin ay upang makagawa ng isang hanay ng mga derivatives ng toxin na magpapawalang-bisa ng mga receptor ng AMPA na may mga partikular na komposisyon ng subunit, kaya ang pagpapagana ng pagsisiyasat sa pharmacological sa papel ng mga iba't ibang klase ng mga receptor ng AMPA sa mga buhay na neuron.

Alan Jasanoff, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Cellular-Level Functional MRI na may Calcium Imaging Agents

Sinisiyasat ni Jasanoff ang isang nobelang paraan ng pagganap na Magnetic Resonance Imaging (fMRI), na binuo sa kanyang lab, batay sa iron oxide nanoparticles na nagbubunga ng kaibahan ng imahe kapag sila ay nagtipon. Kung matagumpay, ang bagong paraan ay magiging mas direktang panukat ng aktibidad ng neural, na may posibilidad na mapabuti ang spatial at temporal resolution sa fMRI.

Richard J. Krauzlis, Ph.D., at Edward M. Callaway, Ph.D., Ang Salk Institute para sa Biological Studies

Paggamit ng Viral Vectors upang Suriin ang Sensory-Motor Circuits sa Pag-uugali sa mga Non-human Primates

Ang Krauzlis at Callaway ay bumuo ng isang paraan upang i-activate ang mga tiyak na subpopulasyon ng neurons sa mga naisalokal na rehiyon ng unggoy na cerebral cortex. Kung matagumpay, ang kanilang pamamaraan ay magkakaloob ng isang paraan upang masuri kung paano ang mga partikular na subpopulasyon ng mga neuron sa iba't ibang mga rehiyon ng utak ay nagtatrabaho sa mga sirkito upang paganahin ang mas mataas na mga pag-andar sa utak, tulad ng pang-unawa, memorya at pandama sa kontrol ng motor.

Markus Meister, Ph.D., Cal Tech

Wireless recording ng multi-neuronal spike train sa malayang paglipat ng mga hayop

Ang Meister at ang kanyang mga tagatulong, si Alan Litke ng Unibersidad ng California, Santa Cruz, at Athanassios Siapas ng Caltech, ay inhinyero ng isang wireless na sistema ng microelectrode na magpapahintulot sa pag-record ng mga neural electrical signal mula sa malayang paglipat ng mga hayop na walang wires na nakalakip. Ang pagsasama ng mga teknolohiya para sa miniaturization at magaan na materyales, ang sistemang ito ay dapat na mapadali ang pagsukat ng neural dynamics sa panahon ng tunay na likas na pag-uugali, tulad ng paglulukso, pag-akyat o paglipad.

Karl Deisseroth, MD, Ph.D., Unibersidad ng Stanford

Noninvasive, High Temporal Resolution Control ng Neuronal Activity Paggamit ng Light-Sensitive Ion Channel mula sa Alga C. Reinhardtii

Ang lab Deisseroth, kabilang ang postdoctoral fellow collaborator na si Edward Boyden, ay bubuo ng isang bagong tool, batay sa isang genetically naka-encode na light sensitive ion channel mula sa algae, upang pasiglahin ang electrical activity sa mga tiyak na hanay ng neurons na may liwanag. Ang kanilang layunin ay upang pasiglahin ang mga indibidwal na potensyal na aksyon na may katumpakan ng millisecond oras at upang makontrol kung ano ang stimulates ng neurons gamit ang mga genetic na paraan upang i-target ang proteksyon ng protina ng channel.

Samie R. Jaffrey, MD, Ph.D., Weill Medical College, Cornell University

Real-time Imaging ng RNA sa Mga Pamumuhay na Neurons Paggamit ng Mga Balanse ng Maliit na Molecular na Fluorescent

Ang Jaffrey's lab ay magkakaroon pa ng isang sistema upang paganahin ang visualization ng RNA gamit ang live-cell fluorescence microscopy. Ang kanyang pamamaraan ay batay sa pagtatayo ng maikling RNA sequences na nagbubuklod sa isang fluorophore at lubos na nadaragdagan ang liwanag na paglabas nito. Ang fluorophore ay nagmula sa na ginamit sa Green Fluorescent Protein (GFP). Ang layunin ay upang baguhin nang lubusan ang pag-aaral ng RNA sa parehong paraan na ang teknolohiya ng GFP ay nagbago ng visualization ng protina.

Jeff W. Lichtman, MD, Ph.D., unibersidad ng Harvard Kenneth Hayworth, Janelia Farm Research Campus ng Howard Hughes Medical Institute

Pag-unlad ng isang Awtomatikong Tape-pagkolekta ng Lathe-Ultramicrotome para sa malakihang Brain Reconstruction

Ang Hayworth at Lichtman ay bumubuo ng isang tool upang ihiwa at awtomatikong mangolekta ng libu-libong mga seksyon ng tissue para sa imaging sa pamamagitan ng paghahatid ng elektron mikroskopya (tem). Ang TEM serial seksyon ng pagbabagong-tatag ay ang tanging teknolohiya na napatunayan na may kakayahang mapping out, sa pinakamasasarap na antas ng resolusyon, ang eksaktong synaptic na pagkakakonekta ng lahat ng mga neuron sa loob ng dami ng tissue ng utak. Subalit limitado ang application dahil ang mga seksyon ng ultrathin ay dapat na mano-mano nang nakolekta. Ang tool na ito ay i-automate ang proseso, na gumagawa ng serial sectioning naa-access sa maraming mga laboratoryo at kapaki-pakinabang sa mas malaking mga volume ng tissue.

Alice Y. Ting, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Imaging Neuronal Protina Trafficking sa pamamagitan ng Optical at Electron Microscopy Paggamit ng Biotin Ligase Labelling

Hinihikayat ni Ting ang isang pinabuting teknolohiya upang mailarawan at ibilang ang membrane protein trafficking. Siya ay nakagawa ng isang mataas na pumipili na enzyme na nakabatay sa pamamaraan ng pag-label upang makilala ang mga molecule na umiiral sa ibabaw ng neuron bago ang isang pampasigla mula sa mga lumilitaw pagkatapos ng pampasigla. Ang spatial distribution ng mga labeled molekula ay maaaring pagkatapos ay sinusunod sa optical imaging at, na may ilang mga pagbabago, ay maaari ring makita sa mas mataas na resolution na may elektron mikroskopya.

EJ Chichilnisky, Ph.D., Ang Salk Institute
AM Litke, Ph.D., Santa Cruz Institute para sa Particle Physics

Pagsusulit sa Retina

Ang Chichilnisky, isang neurobiologist, at Litke, isang eksperimentong pisisista, ay nakikipagtulungan sa teknolohiya upang itala at pasiglahin ang mga aktibidad na elektrikal sa daan-daang neurons sa isang pagkakataon sa isang pinong spatial at temporal scale. Ito ay magbibigay-daan sa kanila upang pag-aralan kung gaano ang mga malalaking populasyon ng mga neuron ay nagpoproseso at nag-encode ng impormasyon upang kontrolin ang pang-unawa at pag-uugali. Una nilang plano na pag-aralan ang retina, at, sa turn, iba pang mga sistema ng neural.

Daniel T. Chiu, Ph.D., University of Washington

Spatially at Temporally Disolved Delivery of Stimuli to Single Neuronal Cells

Ang mga nanocapsules ay extraordinarily maliit na "shell" na maaaring maglaman ng isang bagay bilang minuto bilang isang Molekyul at ihahatid ito sa isang napiling target. Si Chiu ay bumubuo at nagpaparating ng mga bagong uri ng nanocapsules at pinipino ang mga umiiral na upang pag-aralan kung paano pinoproseso ng isang solong neuronal cell ang pagdating ng isang senyas sa ibabaw ng lamad nito. Ang mga nanocapsules ay magiging kapaki-pakinabang sa pag-mapping ng mga protina sa ibabaw ng cell at pag-usisa kung paano magpapadala ang mga receptor ng mga signal at mag-trigger ng synaptic transmission.

Susan L. Lindquist, Ph.D., Whitehead Institute for Biomedical Research

Pag-unlad at Paggamit ng Sistema ng Modelo ng lebadura para sa Neurodegenerative Sakit at High Throughput Screening

Nagmumungkahi ang Lindquist na suriin ang mga sakit sa neurodegenerative sa pamamagitan ng pag-aaral ng mga genes sa lebadura ng panadero. Dahil sa mahusay na tagumpay ang kanyang lab ay gumagamit ng pampaalsa bilang isang sistema ng modelo upang pag-aralan ang sakit na Parkinson, plano niyang pahabain ang modelo sa dalawa pang uri ng sakit-ang mga tauopathies (kabilang ang Alzheimer's) at spinocerebeller ataxia-3.

Daniel L. Minor, Jr., Ph.D., University of California, San Francisco

Itinuro ang Ebolusyon ng Mga Modulator ng Ion Channel mula sa Natural at Idinisenyo Mga Aklatan

Minor ay nagtatrabaho sa isang bagong diskarte upang makilala ang mga molecule na harangan o bukas ion channel, ang mga protina na ang susi sa electrical signaling sa utak. Pag-aaralan niya ang mga likas na peptide mula sa makamandag na mga nilalang at gagawa ng mga molecule-like molecule para sa pagsubok. Ang paggawa ng mga molecule na gayahin ang mga nasa likas na katangian at ginagawa itong malawak na magagamit ay mapabilis ang paghahanap para sa mga gamot na maaaring kumilos sa mga tiyak na mga channel ng ion.

Stephen J. Smith, Ph.D., Stanford University School of Medicine

Mga Paraan para sa Delineation ng Bruit Circuitry sa pamamagitan ng Serial-Sectioning Scanning Electron Microscopy

Ang Smith ay nagdidisenyo ng mga tool upang paganahin ang neuroscience upang makinabang mula sa tinatawag niyang microscope ng ika-21 siglo, na imbento ng kanyang tagatulong, Winfried Denk, Ph.D., isang biophysicist sa Max Planck Institute. Sila ay bumubuo ng mga automated na Serial-Sectioning Scanning Electron Microscopy (S3EM) na mga pamamaraan, na sa kauna-unahang pagkakataon, ay magbibigay ng kapasidad na pag-aralan ang kumpletong mga circuits ng utak sa minutong detalye. Nagbubuo ang Smith ng mga paraan upang makain ang mga tisyu ng utak para sa pag-aaral sa mikroskopyo na ito, at mga gamit sa computational upang pag-aralan ang napakalawak na dami ng impormasyon na ibubunga ng mga bagong pamamaraan.

Stuart Firestein, Ph.D., Columbia University

Isang Genetically Encoded Optical Sensor ng Membrane Voltage

Sinabi ni Firestein at ng kanyang tagatulong, si Josef Lazar, Ph.D., na subukan ang isang bagong uri ng boltahe-sensing na protina na maaaring makakita ng napakaliit na mga kaganapan sa kuryente at upang mailarawan ang mga pagbabago sa boltahe sa isang malaking bilang ng mga selulang magkasabay. Ito ay nagpo-promote ng isang antas ng pagsisiyasat sa pagproseso ng impormasyon sa utak na kasalukuyang hindi naabot.

David Heeger, Ph.D., New York University

High-Resolution fMRI

Si Heeger at ang kanyang tagatulong, si Souheil Inati, Ph.D., kasama ang mga siyentipiko ng Stanford University na si John Pauly at David Ress, ay nagplano na kumuha ng isang bagong diskarte sa pagpapabuti ng spatial na resolution ng functional magnetic resonance imaging (fMRI) upang paganahin ito sa regular na pagkuha ng fMRI data sa napakataas na resolution. Ang koponan ay naglalayong makatulong na malutas ang ilan sa mga pangunahing problema sa maginoo MRI.

Paul Slesinger, Ph.D., Mount Sinai / Icahn School of Medicine

G Protein Receptor Energy Transfer (GRET) System para sa Pagmamanman ng Signal Transduction sa Neurons

Ang modulasyon ng nerve cell communication ay nangyayari kapag ang mga neurotransmitters ng kemikal ay nakagapos sa mga tiyak na uri ng G protein-coupled neurotransmitter receptors (GPCR) na, sa gayon, ay buhayin ang mga protina ng G. Upang pag-aralan ang mga dynamic na pagbabago sa G protina aktibidad sa panahon ng komunikasyon ng cell nerve, nagmumungkahi Slesinger upang bumuo ng isang protina-based, fluorescent detektor para sa G protina na batay sa ari-arian ng fluorescence resonance transfer ng enerhiya (FRET).

Bernardo Sabatini, MD, Ph.D., Harvard Medical School

Optical Tools para sa Pagsusuri ng Protein Pagsasalin sa Extrasomatic Neuronal Compartments

Upang tuklasin kung paano ang mga neuron ay nagtatag ng mga channel ng komunikasyon at kung paano ang mga utak ay nag-iimbak at naalaala ang impormasyon, ang Sabatini ay bumubuo ng mga molecule na naglalabas ng ilaw kapag ang mga neuron ay gumagawa ng mga protina, at isang mikroskopyo upang tingnan ang proseso ng malalim sa loob ng buhay na utak.

Karel Svoboda, Ph.D., Cold Spring Harbour Laboratory

Regulasyon ng Synaptic Transmission sa vivo na may Mataas na Spatial at Temporal Specificity

Ang Svoboda ay bumubuo ng mga tool sa molekular upang higit pang maunawaan kung paano nag-organisa ang mga synapses ng brain circuitry.

Liqun Luo, Ph.D., Unibersidad ng Stanford

Single Neuron Labeling at Genetic Manipulation sa Mice

Luo ay nagtatrabaho sa isang genetic paraan upang manipulahin at bakas solong neurons sa mice upang malaman kung paano neural network ay binuo sa panahon ng pag-unlad at mamaya binago ng karanasan.

A. David Redish, Ph.D .; Babak Ziaie, Ph.D.; at Arthur G. Erdman, Ph.D., University of Minnesota

Pag-record ng Wireless ng Neural Ensemble sa Gumising, Pag-uugali ng Mga Rats

Ang mga tagatulong-isang neuroscientist, isang electrical engineer, at isang makina engineer-ay bumubuo ng isang wireless na paraan ng pag-record neuronal spike tren mula sa gising, kumilos ng mga daga upang mapahusay ang pag-unawa sa pag-aaral at pag-uugali.

Helen M. Blau, Ph.D., Stanford University

Minimally Invasive, Regulated Gene Delivery sa Central Nervous System

Ang lab ni Blau ay sinisiyasat ang isang nobelang paraan ng paghahatid ng mga nakakagaling na gene sa central nervous system, gamit ang mga cell sa utak ng buto na ininhinyero ng mga gene na may kakayahang magta-target ng sakit.

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

Functional Imaging ng Neuroreceptors sa Living Brain Slices by Two-photon Uncaging of Neurotransmitters

Ang Ellis-Davies ay bumubuo ng mga makabagong pamamaraan upang makagawa ng mga larawan ng mga aspeto ng pag-andar ng utak na hindi pa nakikita bago, na lumilikha ng isang anyo ng neurotransmitters na nananatiling biologically inert hanggang sa aktibo ng isang matinding flash ng nakatuon na liwanag.

Dwayne Godwin, Ph.D., Wake Forest University School of Medicine

Pag-unveiling Chain ng Functional Connectivity sa Viral DNA

Sa pamamagitan ng pag-inject ng mga cell na may viral DNA, ang chemically marking ang virus, at pagsubaybay sa pagkalat nito sa mga konektadong mga cell, ang paggalaw ng Diyos ay mga bagong paraan upang maipakita kung paano magpapadala at makatanggap ng mga mensahe ang mga cell ng nerbiyos.

Seong-Gi Kim, Ph.D., University of Minnesota Medical School

Pag-unlad ng Vivo Perfusion-based na Columnar-resolution na fMRI

Si Kim ay nagtatrabaho upang madagdagan ang lakas ng functional magnetic resonance imaging upang pag-aralan ang aktibidad ng utak nang mas detalyado.

Stephen Lippard, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Sintetikong Chemistry na Bumuo ng mga Sensor ng Sink sa Probe ng Neurochemical Signaling

Ang Lippard ay nagtatatag ng nobelang fluorescent sensors na makaka-detect ng zinc ions at nitric oxide sa mga cell na buhay at ibubunyag ang kanilang spatial pattern.

Partha Mitra, Ph.D., at Richard Andersen, Ph.D., California Institute of Technology

Pagbubuo ng mga Diskarte sa Pag-Record at Pag-read ng Mga Populasyon ng Kodigo sa Real Time mula sa Rehiyon ng Parietal Reach

Gumagamit si Mitra at Andersen ng mga diskarte sa matematika upang pag-aralan ang aktibidad ng ensembles ng neurons, umaasa sa huli na mabasa ang relasyon sa pagitan ng aktibidad ng neural at pag-uugali.

William Newsome, Ph.D., at Mark Schnitzer, Ph.D., Stanford University School of Medicine

Sa Vivo Brain Dynamics Studied sa Fiber Optics at Optical Coherence Tomography

Ang Schnitzer at Newsome (na nakatanggap ng isang espesyal na, $ 50,000 award) ay nag-aaral ng mga dynamics sa utak sa pamamagitan ng pag-localize ng mga site ng pag-record, pagmamapa sa pamamahagi ng mga molecular marker, at mga pattern ng pagmamanman ng aktibidad ng utak sa pamamagitan ng tumpak na paggamit ng liwanag.

Timothy Ryan, Ph.D., Weill Medical College ng Cornell University, at Gero Miesenböck, Ph.D., Memorial Sloan Kettering Cancer Center

Disenyo at Paggamit ng pH-based Optical Sensing ng Synaptic Activity

Ang mga siyentipiko ay bumubuo ng nobelang fluorescent indicator ng synaptic activity batay sa sensitivity sa mga pagbabago sa kaasalan.

Daniel Turnbull, Ph.D., New York University School of Medicine

Sa Vivo μMR Imaging ng Neuronal Migration sa Mouse Brain

Ang Turnbull ay nagtatrabaho sa isang bagong paraan ng imaging upang mailarawan ang paglipat ng mga neurons sa pagbuo ng utak ng mouse, pag-label ng mga bagong neuron at pagsunod sa mga ito sa mga buo na hayop sa loob ng ilang araw na may magnetic resonance microimaging.

Michael E. Greenberg, Ph.D., at Ricardo E. Dolmetsch, Ph.D., Boston Children's Hospital

Mga Bagong Teknolohiya para sa Pag-aaral ng Temporal at Spatial na Pagkontrol ng Transcription at Pagsasalin sa mga Natuklasang Neuron

Ang mga siyentipiko ay nagpapaunlad ng paraan upang maisalarawan ang aktibidad ng gene sa mga cell ng nerbiyos sa buhay, gamit ang detection ng molekular amplifiers at fluorescence, upang makita kung paano nakakaapekto ang mga genes sa isa't isa.

Paul W. Glimcher, Ph.D., New York University

Eksperimental Neurosonography

Sinusuri ng pananaliksik ni Glimcher ang diagnostic ultrasound upang gawing posible ang tumpak na pagkakalagay ng mga electrodes sa pag-record sa mga talino ng gising, aktibong mga primata.

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

Mga Real-time na Mga Sensor sa Transduction na Pag-sign

Ang Griffith at Hall ay bumubuo ng mga genetic sensor na maaaring maipakilala sa mga indibidwal na cell ng nerbiyos ng mga nabubuhay na prutas ng prutas, sa pagsisikap na matukoy kung ang isang selula ay hinikayat na gawin ang papel nito sa pag-uugali.

Warren S. Warren, Ph.D., Princeton University

Zero Quantum Functional Magnetic Resonance Imaging

Ang masigasig na inisyatiba ni Warren ay naghahangad na gawing mas malakas ang fMRI, pagdaragdag ng resolusyon nito nang higit sa 100 beses, na nagbibigay-daan upang maipakita ang mga aktibong lugar ng utak sa mas malaking detalye at may mas mahusay na kaibahan.