1 tháng 8 năm 2022
Quỹ McKnight Endowment Fund for Neuroscience (MEFN) đã công bố ba người nhận được $600.000 tài trợ thông qua Giải thưởng McKnight Technological Innovations in Neuroscience năm 2022, ghi nhận những dự án này có khả năng thay đổi cơ bản cách thức tiến hành nghiên cứu khoa học thần kinh. Mỗi dự án sẽ nhận được tổng cộng $200.000 trong hai năm tới, thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ đột phá này được sử dụng để lập bản đồ, giám sát và mô hình chức năng não. Những người được trao giải năm 2022 và các dự án của họ:
- Andre Berndt, Tiến sĩ, Đại học Washington, đang phát triển một hệ thống để tạo và quét số lượng rất lớn các cảm biến sinh học quang di truyền rất nhanh, để các nhà nghiên cứu có thể xác định và tinh chỉnh các cảm biến sinh học này chính xác hơn cho các thí nghiệm của họ. Những hạn chế về công nghệ và nguồn lực hiện tại giới hạn các nhà nghiên cứu chỉ khám phá hàng chục hoặc hàng trăm bộ cảm biến sinh học và kích thước mẫu nhỏ có nghĩa là họ không thể chắc chắn rằng họ đã tìm thấy lựa chọn tốt nhất. Với khả năng tạo và sàng lọc hàng chục nghìn, các tùy chọn của họ sẽ mở rộng theo cấp số nhân.
- Ruixuan Gao, Tiến sĩ, Đại học Illinois Chicago, là kỹ thuật hóa học một loại hydrogel mới để sử dụng trong thực hành mới của kính hiển vi mở rộng - về cơ bản là mở rộng các mẫu mô và tế bào thành phần của chúng lên gấp nhiều lần kích thước ban đầu để giúp chúng dễ nghiên cứu hơn. “Tetra-gel” mới của ông và các phân tử chuyên biệt gắn chặt mẫu vào gel sẽ cho phép nó mở rộng với độ trung thực cao và duy trì ổn định để cấu hình phân tử của mô não có thể được thu nhận tốt hơn.
- Mirna Mihovilovic Skanata, Tiến sĩ, Đại học Syracuse, đang phát triển một ứng dụng mới, có độ chính xác cao cho kính hiển vi hai photon sẽ cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi chính xác và thao tác quang học hoạt động thần kinh trên một khu vực rộng lớn của ruồi giấm ấu trùng hoạt động tự do, di chuyển tự do. Hệ thống hoàn toàn không xâm lấn, sử dụng một thuật toán để điều chỉnh chuyển động của ấu trùng và theo dõi nhiều tế bào riêng lẻ đồng thời bằng cách tính toán và điều chỉnh chuyển động và biến dạng của não khi động vật di chuyển.
Tìm hiểu thêm về từng dự án nghiên cứu này bên dưới.
Về những đổi mới công nghệ trong giải thưởng khoa học thần kinh
Kể từ khi Giải thưởng Sáng tạo Công nghệ McKnight trong Khoa học Thần kinh được thành lập vào năm 1999, MEFN đã đóng góp hơn $16 triệu cho các công nghệ đổi mới cho khoa học thần kinh thông qua cơ chế giải thưởng này. MEFN đặc biệt quan tâm đến công việc áp dụng các cách tiếp cận mới và mới lạ để nâng cao khả năng vận dụng và phân tích chức năng não. Các công nghệ được phát triển với sự hỗ trợ của McKnight cuối cùng phải được cung cấp cho các nhà khoa học khác.
Markus Meister, tiến sĩ, chủ tịch hội đồng giải thưởng và giáo sư khoa học sinh học Anne P. và Benjamin F. Biaggini cho biết: “Một lần nữa, thật là hồi hộp khi thấy những ứng viên của chúng tôi đang mang đến những công nghệ thần kinh mới. tại Caltech. “Các giải thưởng của chúng tôi trải dài trên một phạm vi rộng lớn, từ cảm biến sinh học mới để truyền tín hiệu cho các phân tử đến các phương pháp thông minh giúp mở rộng mô thần kinh trước kính hiển vi có độ phân giải cao”.
Hội đồng tuyển chọn năm nay cũng bao gồm Adrienne Fairhall, Timothy Holy, Loren Looger, Mala Murthy, Alice Ting và Hongkui Zeng, những người đã chọn Giải thưởng Công nghệ Đổi mới trong Khoa học Thần kinh năm nay từ một nhóm 90 ứng viên có tính cạnh tranh cao.
Để biết thêm thông tin về giải thưởng, vui lòng truy cập trang web của chúng tôi.
2022 Giải thưởng Đổi mới Công nghệ McKnight trong Khoa học Thần kinh
Andre Berndt, Tiến sĩ, Trợ lý Giáo sư, Khoa Kỹ thuật Sinh học, Đại học Washington
Kỹ thuật thông lượng cao, song song cực kỳ lớn của cảm biến sinh học quang di truyền để truyền tín hiệu tế bào thần kinh
Các protein được mã hóa di truyền dạng huỳnh quang đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc nghiên cứu các tế bào não và các mạch thần kinh. Bằng cách chiếu sáng theo nghĩa đen khi có hoạt động thần kinh cụ thể, sau đó có thể ghi lại bằng kính hiển vi và các sợi ánh sáng trong não sống, công cụ này đã mở ra nhiều bí ẩn và cho phép các nhà nghiên cứu hình dung hoạt động của não và các đường dẫn thần kinh. Nhưng đã có một điểm nghẽn: Phát triển và xác định cảm biến tốt nhất cho mỗi thử nghiệm. Các protein được mã hóa này cần phản ứng khi chỉ có các kích thích cụ thể, trong một số trường hợp có thể cần phải có độ nhạy cao, trong các trường hợp khác có thể cần phát huỳnh quang trong thời gian dài hơn hoặc một thí nghiệm có thể cần hai cảm biến để xem có bao nhiêu chất dẫn truyền thần kinh tương tác.
Trước đây, mỗi cảm biến phải được biến đổi gen, sản xuất và thử nghiệm riêng lẻ. Có lẽ chỉ có thể so sánh vài chục hoặc hàng trăm, và các nhà nghiên cứu đã chọn phương án tốt nhất từ một mẫu nhỏ - không biết có phương án nào tốt hơn, chính xác hơn không. Tiến sĩ Berndt đã phát triển một quy trình để phát triển và thử nghiệm đồng thời một số lượng lớn cảm biến sinh học quang di truyền, nhằm mục đích sàng lọc hơn 10.000 cảm biến sinh học mỗi ngày và xây dựng một thư viện khổng lồ các cảm biến sinh học có thể cung cấp cho các nhà nghiên cứu quyền truy cập vào các protein được thiết kế chính xác mà họ có thể sử dụng để chạy mãi mãi- thí nghiệm cụ thể hơn.
Công nghệ này sử dụng kỹ thuật di truyền nhanh chóng để tạo ra một số lượng lớn các biến thể của cảm biến sinh học, sau đó đặt các biến thể riêng lẻ vào một mảng vi sóng. Các cảm biến được tiếp xúc với các neuropeptide - hiện tại, Tiến sĩ Berndt đang tập trung vào các cảm biến opioid dành riêng cho phối tử - và các cảm biến quang học sau đó đọc microarray, phát hiện độ sáng và các biến khác của từng biến thể và chọn các tùy chọn tốt nhất để thử nghiệm thêm. Trong vòng 2 năm, khoảng 750.000 cảm biến sinh học sẽ được kiểm tra và quy trình sàng lọc của họ được tinh chỉnh, thúc đẩy nghiên cứu về các hoạt động opioid trong não và cung cấp một cách tiếp cận linh hoạt mà các nhà nghiên cứu khác có thể sử dụng cho các thí nghiệm của họ.
Ruixuan Gao, Ph.D., Trợ lý Giáo sư, Khoa Hóa học và Khoa Khoa học Sinh học, Đại học Illinois Chicago
Cấu hình không gian dưới 10 nm của các protein tiếp hợp và bản sao RNA với kính hiển vi mở rộng đẳng hướng cao sử dụng hydrogel đồng nhất cao được xây dựng từ các monome giống tứ diện
Để kiểm tra những thứ rất nhỏ - như tế bào thần kinh và khớp thần kinh của chúng trong não - các nhà nghiên cứu sử dụng kính hiển vi mạnh mẽ. Nhưng có một cách tiếp cận khác có thể mang lại kết quả ấn tượng: theo nghĩa đen, mở rộng một mẫu mô và các tế bào bên trong nó bằng cách sử dụng một loại hydrogel có thể trương nở đặc biệt thông qua một quá trình được gọi là kính hiển vi giãn nở. Hydrogel liên kết với các thành phần phân tử khác nhau của tế bào và mở rộng, lý tưởng là giữ tất cả các bộ phận thành phần ở cùng một vị trí tương đối với nhau, tạo ra một mẫu lớn hơn và dễ tiếp cận hơn để nghiên cứu - về nguyên tắc, tương tự như viết trên một quả bóng bay, sau đó thổi phồng nó. .
Tuy nhiên, các hydrogel hiện tại được sử dụng cho quá trình này có một số hạn chế khi nghiên cứu các cấu trúc nhỏ trong não. Biên độ sai số trong việc giữ vị trí tương đối của các phân tử không chính xác như mong muốn. Loại gel mới có khả năng khắc phục vấn đề này phản ứng kém với nhiệt được sử dụng trong việc làm biến tính và xử lý các mẫu mô. Và nó có thể hạn chế việc sử dụng các dấu ấn sinh học huỳnh quang. Tiến sĩ Gao đặt mục tiêu cải tiến công nghệ bằng cách phát triển một loại "tetra-gel" mới, được thiết kế về mặt hóa học để tạo ra một monome hình tứ diện cực kỳ đồng đều khi nó nở ra, chống lại nhiệt và cho phép sử dụng các chất đánh dấu phát quang sinh học. Ông cũng sẽ phát triển các chất liên kết hóa học, các phân tử chuyên biệt sẽ liên kết các thành phần phân tử khác nhau của mẫu với gel. Mục tiêu là có một mẫu mở rộng phù hợp với độ trung thực của bản gốc trong phạm vi 10 nanomet, phù hợp với độ phân giải của kính hiển vi mạnh mẽ.
Nghiên cứu của Tiến sĩ Gao đã xác định được các hợp chất đầy hứa hẹn để phát triển loại gel tetra này. Khi phòng thí nghiệm của anh ấy phát triển và hoàn thiện nó, anh ấy sẽ áp dụng khả năng của nó vào việc nghiên cứu, ví dụ, những bộ não bị ảnh hưởng bởi Bệnh Parkinson giai đoạn đầu. Việc nghiên cứu cấu trúc chính xác của những bộ não này là một thách thức với các phương pháp truyền thống và mục tiêu là lập bản đồ chính xác các protein tiếp hợp và các bản sao gen liên quan, giúp khám phá cách cấu trúc phân tử của bộ não PD khởi phát ban đầu.
Mirna Mihovilovic Skanata, Tiến sĩ, Trợ lý Giáo sư, Khoa Vật lý, Đại học Syracuse
Công nghệ theo dõi hai photon để đọc và thao tác các mẫu thần kinh ở động vật di chuyển tự do
Tiêu chuẩn vàng cho các nhà khoa học thần kinh là có thể ghi lại và điều khiển những gì đang xảy ra trong não ở mức độ chính xác cao, trên một khu vực rộng lớn, trong khi một động vật sống đang hành xử một cách tự do và tự nhiên. Trong những năm qua, công nghệ đã cho phép các nhà nghiên cứu hướng tới lý tưởng này, nhưng luôn có một số thỏa hiệp. Thông thường, động vật cần được cố định đầu và / hoặc được cấy ghép cảm biến hoặc quang học xâm nhập vào não của chúng, và việc ghi hoặc thao tác với độ trung thực cao thường được giới hạn ở một vùng tương đối nhỏ của não, trong khi các thao tác ghi và thao tác trên diện rộng là kém chính xác hơn.
Một trong những thách thức quan trọng chỉ đơn giản là chuyển động và sự biến dạng của não và tế bào thần kinh ở một động vật di chuyển tự do. Nhưng Tiến sĩ Skanata đang phát triển một công nghệ theo dõi hai photon mới cho phép cô theo dõi nhiều tế bào thần kinh riêng lẻ trong một động vật đang di chuyển mà không cần bất kỳ thiết bị cấy ghép xâm lấn nào và kích hoạt hoặc thao tác quang học với các tế bào thần kinh đó. Mô hình được sử dụng là ấu trùng ruồi giấm, có màu trong suốt tự nhiên và hệ thống mà Tiến sĩ Skanata sẽ tiếp tục phát triển sử dụng kính hiển vi hai photon (cho phép nhắm mục tiêu rất chính xác) cùng với một thuật toán khéo léo có thể nhanh chóng phát hiện chuyển động của các tế bào thần kinh riêng lẻ và điều chỉnh vị trí của đối tượng trên một giai đoạn chuyển động để giữ cho đối tượng chính giữa dưới kính hiển vi. Hệ thống tính toán vị trí tương đối của nhiều tế bào thần kinh, điều chỉnh chuyển động và biến dạng của não trong quá trình chuyển động và theo dõi hoạt động thần kinh trên một khu vực rộng lớn.
Khi theo dõi một con vật đã được sửa đổi để các tế bào thần kinh có thể được kích hoạt khi tiếp xúc với ánh sáng quang học, hệ thống cho phép các nhà nghiên cứu bật các tế bào thần kinh với độ chính xác cao trong quá trình hoạt động tự nhiên. Quan trọng hơn, hệ thống mà Tiến sĩ Skanata đang phát triển có khả năng điều khiển độc lập hai chùm tia laser, vì vậy nó có thể theo dõi nhiều khu vực đồng thời và thậm chí sẽ cho phép theo dõi hoạt động giữa các cá nhân, cho phép hiểu rõ hoạt động thần kinh trong các cuộc gặp gỡ nhóm.
