2022 Giải thưởng Học giả McKnight

Hội đồng quản trị của Quỹ McKnight Endowment dành cho Khoa học Thần kinh vui mừng thông báo rằng họ đã chọn ra sáu nhà khoa học thần kinh để nhận Giải thưởng Học giả McKnight 2022.

Giải thưởng Học giả McKnight được trao cho các nhà khoa học trẻ đang trong giai đoạn đầu thành lập các phòng thí nghiệm độc lập và sự nghiệp nghiên cứu của riêng họ và những người đã thể hiện cam kết đối với khoa học thần kinh. Richard Mooney, Tiến sĩ, Chủ tịch hội đồng giải thưởng và George Barth Geller, Giáo sư Sinh học Thần kinh tại Đại học Y Duke, cho biết: “Các Học giả năm nay thể hiện sự sáng tạo và kỹ thuật tinh vi của các nhà khoa học thần kinh trẻ hàng đầu trên toàn quốc hiện nay.

“Tận dụng các phương pháp tiếp cận từ sinh học cấu trúc, quang học, di truyền, sinh lý học, tính toán và hành vi, các học giả tìm cách hiểu sâu hơn về các chủ đề khác nhau, từ lý sinh của tín hiệu tế bào thần kinh đến cấu trúc quy mô lớn của các mạch tế bào thần kinh và làm sáng tỏ cơ sở quyết định của tế bào thần kinh. Mooney nói. “Thay mặt toàn thể ủy ban, tôi chúc mừng tất cả các ứng viên về những nỗ lực ấn tượng của họ trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học thần kinh hàng đầu.”

Kể từ khi giải thưởng được giới thiệu vào năm 1977, giải thưởng danh giá ban đầu này đã tài trợ cho hơn 250 nhà điều tra sáng tạo và thúc đẩy hàng trăm khám phá đột phá. Mỗi người nhận Giải thưởng McKnight Scholar sau đây sẽ nhận được $75.000 mỗi năm trong ba năm.

Có 53 ứng viên cho Giải thưởng McKnight Scholar năm nay, đại diện cho các giảng viên khoa học thần kinh trẻ xuất sắc nhất trong nước. Các giảng viên chỉ đủ điều kiện nhận giải thưởng trong bốn năm đầu tiên của họ ở vị trí giảng viên toàn thời gian. Ngoài Mooney, ủy ban lựa chọn Giải thưởng Học giả bao gồm Gordon Fishell, Tiến sĩ, Đại học Harvard; Mark Goldman, Tiến sĩ, Đại học California, Davis; Kelsey Martin, MD, Ph.D., Simons Foundation; Jennifer Raymond, Tiến sĩ, Đại học Stanford; Vanessa Ruta, Tiến sĩ, Đại học Rockefeller; và Michael Shadlen, MD, Ph.D., Columbia University.

Lịch trình nhận hồ sơ cho giải thưởng năm sau sẽ có vào đầu tháng 9. Để biết thêm thông tin về các chương trình giải thưởng khoa học thần kinh của McKnight, vui lòng truy cập Trang web của Quỹ tài trợ.

Về Quỹ hỗ trợ thần kinh McKnight cho khoa học thần kinh

Quỹ hỗ trợ thần kinh McKnight là một tổ chức độc lập được tài trợ duy nhất bởi Quỹ McKnight của thành phố Minneapolis, bang Minnesota và được lãnh đạo bởi một hội đồng gồm các nhà thần kinh học nổi tiếng từ khắp đất nước. Quỹ McKnight đã hỗ trợ nghiên cứu khoa học thần kinh từ năm 1977. Quỹ đã thành lập Quỹ tài trợ vào năm 1986 để thực hiện một trong những ý định của người sáng lập William L. McKnight (1887-1979). Một trong những nhà lãnh đạo đầu tiên của Công ty 3M, ông có mối quan tâm cá nhân đối với các bệnh về trí nhớ và não và muốn một phần di sản của ông được sử dụng để giúp tìm ra phương pháp chữa trị. Quỹ tài trợ thực hiện ba loại giải thưởng mỗi năm. Ngoài Giải thưởng Học giả McKnight, họ còn là Giải thưởng Sáng tạo Công nghệ McKnight trong Giải thưởng Thần kinh học, cung cấp tiền hạt giống để phát triển các phát minh kỹ thuật để tăng cường nghiên cứu não bộ; và Giải thưởng McKnight Neurobiology of Brain Disference Awards, dành cho các nhà khoa học làm việc để áp dụng kiến thức đạt được thông qua nghiên cứu lâm sàng và tịnh tiến cho các rối loạn não ở người.

2022 Giải thưởng Học giả McKnight

Tiến sĩ Christine Constantinople., Trợ lý giáo sư, Trung tâm Khoa học Thần kinh Đại học New York, Thành phố New York, NY

Cơ chế suy luận của vi mạch thần kinh

Bộ não động vật thích nghi tốt một cách kỳ diệu để đưa ra quyết định dựa trên suy luận - sự hiểu biết về cách thức hoạt động của thế giới giúp định hướng có nên thực hiện một hành động nhất định trong một tình huống nhất định hay không. Nếu một con vật có một “mô hình” bên trong của thế giới, thì có thể đưa ra quyết định dựa trên mô hình đó. Nhưng làm thế nào để các tế bào thần kinh đại diện cho mọi thứ trên thế giới? Những mạch và quy trình thực tế nào có liên quan? Và trong một thế giới năng động, nơi cần phải đưa ra những lựa chọn với thông tin không đầy đủ hoặc không được công nhận, làm cách nào để các loài động vật quyết định “đặt cược” vào hành động tốt nhất?

Trong nghiên cứu của mình, Tiến sĩ Constantinople đang làm việc với một mô hình chuột để khám phá những phần nào của não có liên quan đến việc suy luận mọi thứ về thế giới và sự khác biệt về thần kinh giữa việc đưa ra quyết định nhận thức trong một môi trường không chắc chắn hoặc quay trở lại hành động theo thói quen. Thử nghiệm liên quan đến việc chờ đợi một phần thưởng nước đã biết hoặc "chọn không tham gia" với hy vọng rằng phần thưởng tiếp theo được cung cấp đáng giá hơn. Có những số tiền thưởng khác nhau và chúng được trình bày theo một mô hình cho phép chuột xây dựng mô hình về phạm vi kết quả mong đợi, mặc dù nó không thể chắc chắn, bởi vì một số phần thưởng không rõ ràng về trạng thái của nhiệm vụ.

Bằng cách theo dõi hoạt động của não ở nhiều vùng và trong các dự báo cụ thể trong cả giai đoạn có thể dự đoán và không thể đoán trước và sự chuyển đổi giữa chúng, đồng thời vô hiệu hóa các vùng não và đường dẫn thần kinh cụ thể trong các thử nghiệm khác nhau, Tiến sĩ Constantine đề xuất xác định các cơ chế liên quan đến suy luận. Cô ấy đề xuất rằng các quá trình khác nhau có liên quan khi lựa chọn hành động dựa trên mô hình tinh thần so với các quyết định không có mô hình; rằng các hạt nhân đồi thị khác nhau mã hóa phần thưởng và lịch sử của loài chuột một cách riêng biệt; và rằng vỏ não mặt trước (OFC) tích hợp hai đầu vào chồng chéo nhưng riêng biệt này để suy ra các trạng thái chưa biết. Công việc này có thể giúp ích cho các nghiên cứu trong tương lai liên quan đến các bệnh lý, chẳng hạn như tâm thần phân liệt hoặc rối loạn ám ảnh cưỡng chế, trong đó những người mắc phải dường như có một mô hình bên trong của thế giới bị suy giảm để giúp hướng dẫn hành vi.

Bradley Dickerson, Tiến sĩ, Trợ lý giáo sư, Viện Khoa học Thần kinh Princeton, Đại học Princeton, Princeton, NJ

Phản hồi Tỷ lệ-Tích phân trong 'Con quay hồi chuyển' Sinh học

Hệ thống thần kinh thu thập và hành động đối với thông tin đến trong vòng mili giây - đôi khi với phản xạ có dây, đôi khi có chủ đích. Nhưng việc nghiên cứu cách những tín hiệu này ảnh hưởng đến chuyển động của động vật sống là một thách thức. Đã có công việc ở cấp độ các tế bào thần kinh riêng lẻ, cũng như ở quy mô chuyển động của toàn bộ cơ thể. Tiến sĩ Dickerson đề xuất thu hẹp các quy mô khác nhau này và cũng giải quyết mức độ kiểm soát của ruồi giấm đối với các tổ hợp cơ cánh nhất định thông qua một thí nghiệm nghiên cứu các cơ quan cảm ứng cơ học chuyên biệt chỉ có ở ruồi gọi là ruồi giấm.

Các dây chuyền phát hiện các lực quay tác động đến con ruồi và cung cấp các hướng dẫn không tự nguyện trực tiếp cho các cơ cánh để bù đắp, hoạt động như một loại con quay hồi chuyển tự động. Nhưng trong nghiên cứu trước đó, Tiến sĩ Dickerson đã chỉ ra rằng cây đàn cò cũng có thể kích hoạt các hành động lái chính xác của cánh trong trường hợp không có chuyển động quay, phản ứng với các hướng dẫn điều khiển chủ động từ não. Trong nghiên cứu mới của mình, ông sẽ khám phá các mô hình điều khiển của các thao tác bay khi ruồi tiếp xúc với đầu vào cảm giác. Những con ruồi này được buộc chặt trong một đấu trường và được theo dõi bằng kính hiển vi huỳnh quang có thể phát hiện hoạt động của tế bào thần kinh trong các cơ bán hoa. Trong các thí nghiệm riêng biệt, một kính hiển vi hai photon phía trên con ruồi sẽ theo dõi hoạt động của não, với một camera bên dưới theo dõi chuyển động của cánh. Các kích thích thị giác xuất hiện trước khi bay, tạo ra các sự kiện lái và cho phép Tiến sĩ Dickerson quan sát trên nhiều thang đo cách chuyển động xảy ra.

Tiến sĩ Dickerson đề xuất rằng chó săn có các cơ chế điều khiển riêng biệt có thể được sử dụng trong quá trình nhiễu loạn để cung cấp khả năng kiểm soát tối đa cho con ruồi. Trong biệt ngữ kỹ thuật điều khiển, ông tin rằng trò chơi bán hoa có thể phản ứng với cả phản hồi tỷ lệ (kích thước của nhiễu loạn) và tích phân (cách nhiễu loạn thay đổi theo thời gian) - một sự tinh vi hơn những gì được tin tưởng trước đây. Ngoài ra, anh ấy hy vọng sẽ ghi lại cách tất cả các hệ thống này hoạt động cùng nhau, tìm hiểu xem tế bào thần kinh nào gửi tín hiệu đến cơ nào và điều này dẫn đến chuyển động cụ thể như thế nào - tạo ra một mô hình về cách não, tế bào thần kinh và cơ giao tiếp có thể nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách chuyển động được kiểm soát.

Markita Landry, Ph.D., Trợ lý giáo sư, Đại học California - Berkeley, Khoa Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học, Ber started, CA

Phát sáng tín hiệu oxytocin trong não bằng cảm biến nano huỳnh quang hồng ngoại gần

Sự mất cân bằng hóa học trong não được cho là có liên quan đến một loạt các chứng rối loạn thần kinh ở người, nhưng hiện tại người ta không thể nhìn thấy những hóa chất nào có trong não với độ chính xác của tế bào. Trong nghiên cứu của mình, Tiến sĩ Landry tìm cách tạo ra một cảm biến nano có thể phát hiện ra oxytocin, một trong những loại peptit thần kinh được cho là có vai trò điều chỉnh tâm trạng và hành vi, và do đó cho phép nghiên cứu có thể giúp xác nhận vai trò của các peptit thần kinh hàng ngày. cuộc sống, và chẩn đoán chính xác hơn là sự mất cân bằng hóa thần kinh có thể dẫn đến các bệnh về sức khỏe tâm thần.

Công việc của Tiến sĩ Landry liên quan đến việc tạo ra “các đầu dò quang học” - các ống nano carbon cực nhỏ với một peptide liên kết với bề mặt sẽ phát huỳnh quang trong ánh sáng cận hồng ngoại khi có oxytocin. Sự phát huỳnh quang này có thể được phát hiện với độ chính xác cao trên một mili giây thời gian, cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy chính xác vị trí và thời điểm nó hiện diện trong não, và do đó xác định trong những điều kiện nào việc giải phóng oxytocin có thể bị suy giảm (và do đó có thể điều trị được) trong tâm trạng, hành vi và xã hội các rối loạn. Tiến sĩ Landry đã tạo ra các đầu dò tương tự cho serotonin và dopamine, nhưng việc tạo ra một đầu dò mới cho oxytocin sẽ không chỉ cho phép nghiên cứu về tác động của nó đối với não mà còn đối với toàn bộ lớp neuropeptide giống như nó.

Điều quan trọng là, những ống nano này có thể được đưa vào mô não từ bên ngoài; huỳnh quang không phải là kết quả của mã hóa di truyền, vì vậy nó có thể được sử dụng trên động vật chưa bị biến đổi. Bởi vì chúng phát ra ánh sáng hồng ngoại gần, có thể ánh sáng có thể được phát hiện qua hộp sọ, điều này sẽ tạo ra sự nhiễu loạn tối thiểu cho các đối tượng. Trong thí nghiệm của Tiến sĩ Landry, sự phát triển của cảm biến nano và máy dò sẽ được xác nhận bằng cách thử nghiệm trong ống nghiệm sử dụng các lát cắt não, và cuối cùng là áp dụng in vivo, tại thời điểm đó nó sẽ được xác định xem có thể chụp ảnh qua hộp sọ hay không. Với những cảm biến này như một công cụ, Tiến sĩ Landry hy vọng sẽ giúp cải thiện chẩn đoán các rối loạn thần kinh, đồng thời định hướng và cải thiện việc điều trị nhiều bệnh như vậy.

Lauren Orefice, Ph.D., Bệnh viện Đa khoa Massachusetts / Trường Y Harvard, Boston, MA

Sự phát triển, chức năng và rối loạn chức năng của hệ thống cảm giác và nội tạng trong rối loạn phổ tự kỷ

Rối loạn phổ tự kỷ (ASD) là một rối loạn thần kinh phổ biến nhưng rất phức tạp, thường liên quan đến những thay đổi trong hành vi xã hội. Trong nhiều trường hợp, ASD có liên quan đến những thay đổi di truyền nhất định và nó thường đi kèm với một số bệnh đồng mắc nhất định, một số bệnh phổ biến nhất bao gồm quá mẫn cảm với xúc giác và một loạt các vấn đề về đường tiêu hóa.

ASD theo truyền thống được cho là chỉ gây ra bởi những bất thường trong não, nhưng trong nghiên cứu của mình, Tiến sĩ Orefice đã phát hiện ra rằng những thay đổi trong tế bào thần kinh cảm giác ngoại vi góp phần vào sự phát triển của các triệu chứng ASD ở chuột, bao gồm quá mẫn cảm với da và thay đổi các hành vi xã hội. Nghiên cứu hiện tại của cô sẽ tập trung vào việc liệu các tế bào thần kinh cảm giác ngoại vi của hạch rễ lưng (DRG) phát hiện các kích thích trong đường tiêu hóa có bất thường trên mô hình chuột đối với ASD hay không và liệu điều này có góp phần gây ra các vấn đề về đường tiêu hóa như đau đường tiêu hóa tăng lên đáng kể ở ASD.

Công trình nghiên cứu của Tiến sĩ Orefice đã xác định rằng quá mẫn cảm với xúc giác trong quá trình phát triển dẫn đến những thay đổi trong hành vi xã hội ở chuột trưởng thành. Giống như con người, nhiều khía cạnh của các hành vi xã hội của chuột liên quan đến xúc giác. Trong phần thứ hai của nghiên cứu của mình, Tiến sĩ Orefice hy vọng sẽ hiểu được những thay đổi trong sự phát triển mạch cảm giác âm thanh do rối loạn chức năng thần kinh cảm giác ngoại vi dẫn đến những thay đổi đối với các mạch não được kết nối điều chỉnh hoặc sửa đổi các hành vi xã hội.

Cuối cùng, Tiến sĩ Orefice sẽ tập trung vào việc dịch những phát hiện của cô ấy từ các nghiên cứu tiền lâm sàng trên chuột để tìm hiểu các vấn đề cảm giác liên quan đến ASD ở người. Trước tiên, Tiến sĩ Orefice sẽ kiểm tra xem liệu các phương pháp làm giảm kích thích tế bào thần kinh cảm giác ngoại vi có thể cải thiện phản ứng quá mức của xúc giác và các vấn đề về đường tiêu hóa ở chuột hay không. Cô ấy sẽ tận dụng những phát hiện này ở chuột để hiểu rõ hơn về sinh lý học của con người bằng cách sử dụng các nghiên cứu về các tế bào được nuôi cấy lấy từ những người bị ASD. Công trình của Tiến sĩ Orefice cũng nhằm mục đích sử dụng các nghiên cứu trên chuột và các tế bào có nguồn gốc từ con người để xác định các hợp chất nhắm mục tiêu đến các tế bào thần kinh cảm giác ngoại vi như một cách tiếp cận có thể điều chỉnh để cải thiện các vấn đề về giác quan và các hành vi ASD liên quan.

Kanaka Rajan, Ph.D., Trợ lý Giáo sư, Khoa Khoa học Thần kinh & Viện Não Friedman tại Trường Y Icahn ở Mount Sinai, Thành phố New York, NY

Mô hình mạng thần kinh đa cấp độ để suy ra các mô hình chức năng trong não

Với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học, các nhà khoa học thần kinh đang tận dụng những công cụ này để xây dựng các mô hình tính toán có thể giúp chúng ta hiểu cách hoạt động của bộ não. Nhưng câu hỏi lớn đặt ra là: Đâu là cấp độ phù hợp để nghiên cứu hệ thống thần kinh? Nó có ở cấp độ các tế bào thần kinh riêng lẻ, các mạch não, các lớp, các vùng, hoặc một số kết hợp không?

Tiến sĩ Rajan đang giải quyết câu hỏi này bằng cách khai thác sức mạnh của các mô hình dựa trên AI và kết hợp chúng với các bộ dữ liệu thu được từ các bản ghi ở nhiều loài để tạo ra các đại diện dự đoán tốt hơn của não. Sử dụng mô hình mạng nơ-ron tuần hoàn (RNN), Tiến sĩ Rajan đã phát hiện ra rằng việc đặt nhiều ràng buộc hơn vào các mô hình tính toán dẫn đến kết quả nhất quán hơn và không gian giải pháp nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn. Kể từ đó, cô đã chuyển sang phát triển các RNN đa quy mô trong đó các ràng buộc là dữ liệu thần kinh, hành vi và giải phẫu từ các thí nghiệm thực tế và được áp dụng đồng thời. Bước tiếp theo của cô ấy sẽ là tạo ra các RNN đa quy mô bằng cách sử dụng dữ liệu được ghi lại từ nhiều loài được nghiên cứu kỹ trong khoa học thần kinh — cá ngựa vằn ấu trùng, ruồi giấm và chuột — để tạo ra các mô hình.

Cuối cùng, việc sử dụng bộ dữ liệu từ các loài khác nhau sẽ cho phép Tiến sĩ Rajan xác định “Mô hình chức năng” và sử dụng chúng để khám phá những điểm chung và sự khác biệt không mong đợi giữa các hệ thống này. Những tập hợp chung, rời rạc của các tế bào thần kinh hoạt động được liên kết với các hành vi và trạng thái tương tự, bất kể loài nào, sẽ giúp chúng ta suy ra cách bộ não hoạt động ở mức cơ bản mà không có thành kiến hoặc chỉ định các cấu trúc như các vùng não với các chức năng cụ thể. Với dữ liệu có sẵn, các mô hình này có thể chạy nhiều kịch bản và xác định những thay đổi nào trong cấu trúc hoặc hoạt động thần kinh dẫn đến các kết quả hành vi khác nhau. Điều này có khả năng làm sáng tỏ các rối loạn chức năng thần kinh liên quan đến một loạt các bệnh tâm thần kinh. Với sự ra đời của các bộ dữ liệu lớn hơn và chi tiết hơn nhiều trong khoa học thần kinh, khả năng tiếp cận ngày càng tăng của sức mạnh tính toán lớn hơn cũng như những tiến bộ trong toán học và thuật toán, Tiến sĩ Rajan tin rằng chúng ta đang ở đỉnh cao của một cuộc cách mạng về những gì mà các mô hình và lý thuyết tính toán có thể dạy chúng ta về não.

Weiwei Wang, Ph.D., Trợ lý giáo sư, Trung tâm Y tế Tây Nam Đại học Texas, Dallas, TX

Tìm hiểu cấu tạo và chức năng của các tổ hợp sau synap Glycinergic

Cách các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau rất phức tạp: chất dẫn truyền thần kinh được truyền từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh kế tiếp qua các khớp thần kinh, các thụ thể tiếp hợp truyền tín hiệu trên tế bào thần kinh tiếp nhận mở ra và hình thành các kênh cho phép các ion đi qua, và do đó truyền tín hiệu điện. Tuy nhiên, nếu các khớp thần kinh không hoạt động hoặc không hình thành, sự suy giảm các tín hiệu này có thể góp phần gây ra rối loạn thần kinh. Tiến sĩ Wang tìm cách mở rộng sự hiểu biết của chúng ta về các khớp thần kinh này, cách chúng hình thành và cách chúng hoạt động - đặc biệt, cách chúng tổ chức các thụ thể ở khớp thần kinh thành các cụm và tại sao các thụ thể lại tập hợp ở nồng độ cao lại quan trọng - bằng cách nghiên cứu chi tiết về glycinergic khớp thần kinh.

Mặc dù đã được ghi chép khá đầy đủ, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi về khớp thần kinh glycinergic. Có một số loại phụ (một trong số đó chỉ xuất hiện rất sớm trong quá trình phát triển não bộ) với các vai trò và sự phân bố khác nhau mà cấu trúc không rõ ràng, cũng như cơ chế mà chúng phản ứng với một protein giàn giáo để tạo thành các cụm. Bản thân vai trò của việc hình thành trong một cụm là một bí ẩn - không rõ liệu chúng có cần ở cùng nhau trong một mật độ nhất định để hoạt động chính xác hay không, và nếu có thì tại sao. Mỗi điều chưa biết này lại đưa ra một điểm khác mà tại đó một số rối loạn chức năng có thể gây ra rối loạn thần kinh, chẳng hạn như chứng tăng tiết máu (gọi là “hội chứng giật mình”) và có thể là đau do viêm.

Tiến sĩ Wang sẽ hướng tới mục tiêu tìm hiểu thêm về từng bí ẩn này một cách có hệ thống, sử dụng kính hiển vi điện tử lạnh để xác định chính xác cấu trúc phân tử của từng tiểu loại vẫn chưa được giải quyết và do đó xác định chức năng của từng loại; kiểm tra cách thức mà giàn giáo mà các thụ thể glycine tập hợp lại được hình thành từ các protein gephyrin, neuroligin-2 và collybistin; và cuối cùng là kiểm tra các thụ thể đã được tinh khiết hóa trên màng nhân tạo, đầu tiên là cô lập, sau đó gắn với giàn giáo, và sau đó liên kết với giàn giáo trong một cụm để xem chức năng thay đổi như thế nào. Trong khi nghiên cứu đã được thực hiện về cách các kênh ion đơn độc hoạt động, nghiên cứu này về tác động của sự phân cụm có thể mở ra những hướng hiểu biết mới, vì các thụ thể synap thường tập trung nhiều nhất trong một tế bào thần kinh sống.