Người nhận giải thưởng

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, Tiến sĩ, 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.

Tiến sĩ Timothy Dunn Trợ lý Giáo sư, Khoa Kỹ thuật Y sinh, Đại học Duke

Định lượng hành vi ba chiều đa quy mô trong các cá nhân và nhóm xã hội

Các phương pháp đo chuyển động của động vật tự do hiện tại có những hạn chế: Các quan sát chi tiết cao về chuyển động nhỏ của động vật (ví dụ: một chữ số) đòi hỏi phạm vi chuyển động bị hạn chế. Nghiên cứu hành vi chuyển động tự do trong không gian 3D thường có nghĩa là giới hạn độ phân giải, có lẽ chỉ theo dõi vị trí tổng thể hoặc dựa vào mô tả của người quan sát. Theo dõi video tự động ở động vật thường yêu cầu môi trường không tự nhiên, đơn giản và các bộ phận cơ thể không hiển thị với máy ảnh sẽ không được theo dõi chính xác. Dự đoán Trí tuệ nhân tạo (AI) có độ phân giải cao trên không gian ba chiều lớn bằng cách sử dụng biểu diễn không gian thể tích, một kỹ thuật được phát triển gần đây để khắc phục những vấn đề này, đòi hỏi sức mạnh tính toán lớn. Thêm nhiều động vật để quan sát xã hội sẽ giới thiệu các vấn đề bổ sung.

Do đó, có rất ít dữ liệu mong muốn có sẵn: Độ phân giải cao, tự động theo dõi động vật trong không gian 3D thực hiện các hành vi tự nhiên, một mình hoặc theo nhóm và định lượng chuyển động đó ở định dạng chuẩn hóa. Tiến sĩ Dunn đang nghiên cứu một cách tiếp cận mới nhằm mục đích đưa lý tưởng đó đến gần hơn. Dựa trên những bài học từ thuật toán máy học hình học 3D mà nhóm của ông đã sử dụng để cải thiện đáng kể độ chính xác của các dự đoán, Tiến sĩ Dunn và nhóm của ông hiện đang nghiên cứu lấy mẫu hình ảnh lặp lại thích ứng (ARIS) kết hợp hình ảnh từ nhiều máy ảnh để tạo ra một mô hình có thể đo và dự đoán vị trí của cơ thể trên nhiều quy mô, ngay cả khi một bộ phận (chẳng hạn như cánh tay hoặc bàn chân) không được nhìn thấy trực tiếp.

ARIS cải thiện có chọn lọc độ phân giải của các đặc điểm cơ thể tỷ lệ nhỏ và sử dụng mô hình dự đoán dựa trên những gì nó biết về chủ thể của nó (cách sắp xếp và chiều dài của các chi, cách chúng kết nối, cách chúng di chuyển, v.v.) - được học trước bằng cách phân tích cú pháp số lượng lớn dữ liệu huấn luyện từ những con chuột có hành vi tự do và sau đó được tinh chỉnh bằng cách sử dụng dữ liệu huấn luyện ở các loài khác - để tập trung vào phần không gian có khả năng là bộ phận cơ thể. Điều này sử dụng sức mạnh tính toán ít hơn nhiều so với các công cụ thể tích 3D trước đây. Trong nghiên cứu của mình, Tiến sĩ Dunn sẽ triển khai ARIS và ghi lại dữ liệu ở nhiều tỷ lệ, từ vị trí tổng thể và tư thế cho đến chuyển động của các nét đẹp của bàn tay, bàn chân và khuôn mặt. Nghiên cứu sâu hơn sẽ khám phá hiệu quả của nó với nhiều loài động vật tương tác. Khả năng đo lường hành vi theo một cách mới, chính xác hơn này có ý nghĩa rộng rãi đối với việc nghiên cứu các rối loạn thần kinh ảnh hưởng đến chuyển động, liên kết hoạt động của não với hành vi và nghiên cứu các tương tác xã hội.

Jeffrey Kieft, Ph.D., Giáo sư, Khoa Hóa sinh và Di truyền Phân tử, Trường Y Đại học Colorado

Một công nghệ mới để kiểm soát bảng sao

Messenger RNA, hoặc mRNA, được công nhận là một nhân tố quan trọng trong sự sống và sức khỏe của tế bào. Các phân tử RNA này là khuôn mẫu để tạo ra protein, và được tạo ra bên trong tế bào để mang các chỉ thị đến bộ máy tạo ra protein, sau đó bị phá hủy bởi các enzym. Toàn bộ mRNA mà một sinh vật biểu hiện được gọi là “bộ sao chép” của nó.

Sự thiếu hụt mRNA và RNA không mã hóa (ncRNA) có liên quan đến một số rối loạn thoái hóa thần kinh và phát triển thần kinh. Nếu có quá ít mRNA hoặc ncRNA cụ thể trong bộ phiên mã, một số chức năng của tế bào có thể bị suy thoái hoặc vô hiệu hóa. Tiến sĩ Kieft đang khám phá một cách mới để quản lý bộ phiên mã bằng cách làm chậm sự phân hủy của mRNA và ncRNA. Biết rằng một số enzym phá hủy RNA về cơ bản "nhai" nó từ đầu này sang đầu kia, Tiến sĩ Kieft đã sử dụng hiểu biết của mình về cách các phân tử RNA được cấu trúc và tự gấp lại để tạo ra một đoạn RNA kháng exoribonuclease được thiết kế (xrRNA). , khi được đưa vào mRNA hoặc ncRNA tương thích, sẽ kết hợp và gấp lại để tạo thành cấu trúc “chặn”, theo nghĩa đen, thay đổi hình dạng của RNA bằng cách chèn một phần nhô ra để ngăn chặn các enzyme theo dõi của chúng.

Bằng cách làm chậm sự phân rã của mRNA và ncRNA mục tiêu, Tiến sĩ Kieft nhận thấy cơ hội để quản lý sự phong phú của chúng trong bộ phiên mã. Các xrRNA được thiết kế có thể chỉ nhận ra các mục tiêu cụ thể, liên kết với chúng và tạo ra sự bảo vệ, vì vậy các nhà nghiên cứu có thể tăng tỷ lệ mục tiêu mà không thay đổi số lượng được tạo ra. Phương pháp này có ưu điểm là ít gây rối loạn cho tế bào chủ hơn là tăng mRNA không tự nhiên và độ chính xác mà xrRNA có thể được thiết kế mang lại tiềm năng nhắm mục tiêu nhiều RNA cùng một lúc và thậm chí có thể cho phép tinh chỉnh bằng cách quản lý chính xác tốc độ sự thối rữa. Tiến sĩ Kieft coi ứng dụng này, được sinh ra từ khoa học cơ bản nghiên cứu RNA, là một công cụ nghiên cứu tiềm năng mạnh mẽ cho các nhà khoa học thần kinh, và thậm chí có thể là nền tảng cho các liệu pháp trong tương lai xa hơn.

Suhasa Kodandaramaiah, Ph.D., Benjamin Mayhugh Trợ lý Giáo sư, Khoa Cơ khí, Đại học Minnesota Twin Cities

Các bản ghi toàn bộ não được hỗ trợ bởi robot trong những con chuột tự do cư xử

Các nhà khoa học thần kinh nghiên cứu hoạt động của não trong các hành vi thường phải đánh đổi: Họ sử dụng các cảm biến thần kinh thu nhỏ gắn trên đầu đủ nhẹ để cho phép đối tượng hành động tự do, nhưng độ phân giải thấp hơn hoặc không thể giám sát toàn bộ não. Hoặc họ sử dụng các công cụ mạnh hơn, quá nặng đối với động vật chủ thể và yêu cầu các giải pháp khác, chẳng hạn như bất động trong khi để động vật di chuyển trên máy chạy bộ hoặc thậm chí sử dụng trải nghiệm thực tế ảo vẫn hạn chế hành vi của chủ thể.

Tiến sĩ Kodandaramaiah đang giải quyết thử thách bằng một bộ xương ngoài sọ robot mang trọng lượng của phần cứng ghi âm và giám sát thần kinh trong khi vẫn cho phép đối tượng (trong trường hợp này là chuột) xoay đầu của nó theo cả ba độ: xoay 360 độ hoàn toàn trong trục yaw (quay ngang), và khoảng 50 độ chuyển động trong các trục tung và ném trong khi di chuyển xung quanh trong một đấu trường. Robot có ba cánh tay khớp nối được sắp xếp theo hình tam giác, treo lơ lửng trên đối tượng và gặp nhau tại điểm gắn trên đầu. Các cảm biến trong giá đỡ sẽ phát hiện chuyển động của chuột và chỉ đạo rô-bốt cho phép chuyển động với lực điện trở nhỏ nhất có thể, cho phép chuột quay và di chuyển trong một đấu trường thường được sử dụng cho các thí nghiệm khoa học thần kinh với tất cả các thiết bị giác quan cần thiết và dây từ các mô cấy được hỗ trợ bởi rô bốt.

Việc loại bỏ nhu cầu thu nhỏ cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng bất kỳ phần cứng hiện đại nào có sẵn, nghĩa là về mặt lý thuyết, robot có thể được nâng cấp để sử dụng công nghệ mới nhất ngay sau khi được giới thiệu. Để đạt được điểm đó, nhóm của Tiến sĩ Kodandaramaiah sẽ trải qua một số bước - thiết kế bộ xương ngoài; thiết kế giai đoạn đầu với các cảm biến cần thiết cộng với các điện cực và camera mật độ cao để quan sát bên ngoài mắt, râu và hơn thế nữa; thực hiện thử nghiệm trên băng ghế dự bị; điều chỉnh robot theo các đầu vào mà chuột có thể cung cấp; xác định cách giới thiệu các đầu dò; và cuối cùng là ghi âm trực tiếp. Với nền tảng cơ học này, Tiến sĩ Kodandaramaiah hy vọng sẽ giúp các nhà nghiên cứu tiến gần hơn đến trạng thái mà họ có thể tạo ra các bản ghi thần kinh chi tiết trên toàn bộ não về các đối tượng tự do hoạt động trong khoảng thời gian dài.

Eva Dyer, tiến sĩ, Trợ lý Giáo sư, Khoa Kỹ thuật Y sinh Wallace H. Coulter, Viện Công nghệ & Đại học Georgia

CúcSo sánh các bộ dữ liệu thần kinh quy mô lớn xuyên thời gian, không gian và hành vi

Khả năng quan sát và ghi lại dữ liệu thần kinh trên các phần lớn của não đã dẫn đến một lượng dữ liệu khổng lồ, giúp tìm ra các mẫu trong dữ liệu có thể giải thích có bao nhiêu tế bào thần kinh phối hợp với nhau để mã hóa thông tin về thế giới. Ngay cả với những tiến bộ mới trong việc tìm kiếm các mẫu chiều thấp trong bộ dữ liệu, vẫn rất khó để so sánh nhiều bản ghi quy mô lớn, cho dù đó là trong thời gian dài, hoặc qua các cá nhân khác nhau giải quyết các nhiệm vụ tương tự hoặc tương tự, hoặc qua các trạng thái bệnh. Kinh nghiệm của Tiến sĩ Dyker sử dụng máy học (ML) để giải mã hoạt động của não đã đưa cô đến một giải pháp mới để xác định các mẫu trong nhiều bộ dữ liệu thần kinh lớn.

Công việc của Tiến sĩ liên quan đến việc tạo ra các thuật toán học máy để trích xuất thông tin có ý nghĩa từ các bộ dữ liệu thần kinh, được dán nhãn để xác định xem con vật đã ngủ, thức, tìm kiếm thức ăn hay tham gia vào các chuyển động hoặc hành vi khác nhau. Các quy tắc toán học lấy cảm hứng từ mật mã mới hướng dẫn các thuật toán xác định các mẫu tương tự trong các tập dữ liệu riêng biệt, trông đặc biệt phù hợp với hoạt động thần kinh được tạo ra bởi các trạng thái não khác nhau làm điểm khởi đầu để đưa dữ liệu vào vị trí. Sắp xếp hoạt động thần kinh có thể cho thấy các mô hình thần kinh có liên quan đến hành vi và trạng thái của chủ thể cũng như ngăn ngừa tham nhũng bằng tiếng ồn và cung cấp một bước đệm quan trọng cho các kỹ thuật phân tích mạnh mẽ hơn.

Mục đích thứ hai của Tiến sĩ Dyer sẽ giúp các nhà nghiên cứu tập trung vào các nơ-ron đơn lẻ để hiểu cách chúng đóng góp vào những thay đổi chung trong hoạt động thần kinh và liệu chúng có thể được sử dụng để dự đoán các trạng thái não cụ thể. Nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm hiểu xem sự khác biệt trong hành vi có thể được truy nguyên từ các loại tế bào cụ thể hay không và cách sử dụng sự khác biệt được thấy trên các bộ dữ liệu để mô tả sự khác nhau giữa các loài động vật. Khả năng giải mã và so sánh các bộ dữ liệu thần kinh lớn sẽ chứng minh được giá trị trong nghiên cứu thần kinh bằng cách chỉ ra bệnh thoái hóa thần kinh ảnh hưởng đến quá trình xử lý thông tin của não.

Rikky Muller, tiến sĩ, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, Đại học California - Berkeley

CúcMột thiết bị ba chiều tốc độ cao để kiểm soát quang học của hàng ngàn tế bào thần kinh

Optogenetic - tế bào thần kinh biến đổi gen là nhạy cảm với ánh sáng để các nhà nghiên cứu có thể kích hoạt hoặc im lặng chúng theo ý muốn - đã cách mạng hóa nghiên cứu khoa học thần kinh. Được kết hợp với các bộ điều biến ánh sáng không gian định hình ánh sáng thành hình ba chiều 3D, các nhà nghiên cứu có thể điều khiển riêng lẻ nhiều tế bào thần kinh phân bố trên một vùng ba chiều của não in vivo. Nhưng cho đến nay, vẫn chưa có một máy chiếu ba chiều nào có thể điều khiển tế bào thần kinh ở tốc độ tìm thấy trong não một cách tự nhiên.

Tiến sĩ Muller đang thiết kế và xây dựng một máy chiếu ba chiều để giải quyết vấn đề này. Thiết bị của cô sẽ truyền phát hình ảnh ánh sáng ba chiều với tốc độ 10.000 khung hình mỗi giây (Hz). Nhiều TV thế hệ hiện tại làm mới 60 khung hình mỗi giây, để so sánh, và các công cụ hình ba chiều có sẵn trên thị trường nhanh nhất có tốc độ 500 Hz. Tốc độ làm mới cao này là cần thiết để tái tạo tín hiệu thần kinh tự nhiên, bao gồm thời gian tiềm năng hành động khoảng 1 / 1.000 giây (tương đương 1.000 Hz khi xem xét tốc độ làm mới.) Ngoài ra, Muller nhắm đến mục tiêu hàng ngàn tế bào thần kinh với độ chính xác chính xác, và giống như tốc độ cao hơn trong TV dẫn đến hình ảnh sắc nét hơn, hình ba chiều 10.000 Hz sẽ mang lại độ chính xác cao hơn.

Tiến sĩ Muller, một kỹ sư điện tập trung vào công nghệ thần kinh, thường xuyên tư vấn với các nhà thần kinh học khi cô thiết kế, thử nghiệm và chế tạo thiết bị để đảm bảo nó phục vụ nhu cầu của họ. Thiết bị sẽ sử dụng một mảng micromirror, sẽ điêu khắc các mô hình ánh sáng 3D đến các vị trí và độ sâu cụ thể thông qua hoạt động điện của gương thu nhỏ; ánh sáng sau đó được chuyển qua một loạt thấu kính. Dự án trước tiên sẽ thiết kế và chế tạo hai mảng - một mảng nhỏ hơn để kiểm tra và chứng minh khái niệm, và một mảng định dạng lớn hơn, cùng với các trình điều khiển và điều khiển liên quan sẽ được sử dụng để đo lường và hiệu chuẩn. Cuối cùng, nhóm của Tiến sĩ Muller sẽ sản xuất một bộ điều biến ánh sáng không gian đầy đủ tính năng. Hy vọng rằng công cụ này sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng chưa từng có để kiểm soát và kiểm tra kết nối thần kinh.

Gilad Evrony, MD, Tiến sĩ, Trợ lý giáo sư, Trung tâm di truyền học và di truyền học người, Depts. Khoa Nhi và Khoa học Thần kinh & Sinh lý học, Đại học New York Langone Health

TAPESTRY: Công nghệ đa ô đơn cho việc tìm kiếm dòng dõi độ phân giải cao của bộ não con người

Một kiến thức phổ biến là mỗi con người bắt đầu như một tế bào duy nhất với một bộ hướng dẫn đơn lẻ, nhưng chi tiết về cách một tế bào đó trở thành hàng nghìn tỷ - bao gồm hàng chục tỷ tế bào trong não - vẫn chưa được biết đến. Nghiên cứu của Tiến sĩ Evrony nhằm phát triển một công nghệ gọi là TAPESTRY, có thể chiếu sáng quá trình này bằng cách xây dựng một tế bào não của họ, cho thấy các tế bào tiền thân tạo ra hàng trăm loại tế bào trưởng thành trong não người.

Công nghệ này có thể giải quyết một số vấn đề chính mà các nhà nghiên cứu phải đối mặt khi nghiên cứu phát triển não người. Phương pháp chính để nghiên cứu sự phát triển bằng cách truy tìm các dòng dõi (đưa các dấu hiệu vào các tế bào của động vật chưa trưởng thành và sau đó nghiên cứu cách các dấu hiệu đó được truyền đến thế hệ con cháu của chúng) là không thể ở người vì nó xâm lấn. Công việc trước đây của Tiến sĩ Evrony cùng với các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng các đột biến xảy ra tự nhiên có thể được sử dụng để theo dõi dòng dõi trong não người. TAPESTRY nhằm mục đích thúc đẩy và mở rộng quy mô của phương pháp này bằng cách giải quyết một số hạn chế của các phương pháp hiện tại. Đầu tiên, truy tìm dòng dõi đòi hỏi sự cô lập và khuếch đại đáng tin cậy hơn đối với số lượng nhỏ DNA của các tế bào đơn lẻ. Thứ hai, một sự hiểu biết chi tiết về sự phát triển não bộ của con người cần phải có hiệu quả về chi phí để cho phép cấu hình hàng ngàn hoặc hàng chục ngàn tế bào riêng lẻ. Cuối cùng, nó cũng cần ánh xạ các kiểu hình của các tế bào - không chỉ xem các tế bào có liên quan chặt chẽ với nhau như thế nào, mà còn là các loại tế bào chúng. TAPESTRY tìm cách giải quyết những thách thức này.

Phương pháp của Tiến sĩ Evrony được áp dụng cho tất cả các tế bào của con người, nhưng được đặc biệt quan tâm đến các rối loạn não. Một khi các dòng não khỏe mạnh được lập bản đồ, chúng có thể được sử dụng làm cơ sở để xem sự phát triển não bộ khác nhau như thế nào ở những người mắc các rối loạn khác nhau có khả năng phát triển, chẳng hạn như tự kỷ và tâm thần phân liệt.

Iar Tư 'Alex' Savtchouk, Ph.D., Trợ lý giáo sư, Khoa Khoa học y sinh, Đại học Marquette

Hình ảnh Panoptical Panoptical nhanh chóng của bộ não thông qua hình ảnh tứ giác được gắn thẻ thời gian

Các kỹ thuật hình ảnh não quang học hiện đại cho phép quan sát một lớp mỏng của não, nhưng hình ảnh rất nhiều hoạt động của não trong không gian 3 chiều - chẳng hạn như một khối não - đã được chứng minh là đáng ngại. Tiến sĩ Savtchouk đã phát triển một phương pháp cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy những gì đang xảy ra không chỉ trên bề mặt của bộ não, mà sâu bên trong và ở độ phân giải không gian cao hơn nhiều so với trước đây.

Quá trình cốt lõi - kính hiển vi hai photon - thu nhận hoạt động của não bằng cách tìm kiếm huỳnh quang trong các tế bào não biến đổi gen của động vật thí nghiệm. Với một tia laser duy nhất, thông tin độ sâu được ghi lại rất chậm. Với hai chùm tia laser, các nhà nghiên cứu về cơ bản có được thị giác hai mắt - họ có thể nhìn thấy những gì ở gần và xa hơn, nhưng vẫn có những bóng tối trực quan, nơi không thể nhìn thấy gì (ví dụ, khi một người nhìn vào cạnh bàn cờ, một số mảnh có thể bị chặn bởi các mảnh gần hơn.) Tiến sĩ Savtchouk đang giải quyết vấn đề này bằng việc bổ sung hai chùm tia laser bổ sung, cho tầm nhìn bốn phía và giảm đáng kể các điểm mù. Ông cũng đang giải trình tự thời gian của các tia laser - phát xung nhanh - vì vậy các nhà nghiên cứu biết tia laser nào đã thấy hoạt động nào, rất quan trọng để xây dựng mô hình ba chiều chính xác theo thời gian.

Dự án của Tiến sĩ Savtchouk trước tiên liên quan đến việc thiết kế hệ thống trong các mô phỏng máy tính, sau đó chứng minh ứng dụng của nó với các mô hình chuột. Mục tiêu của anh là phát triển các cách để cập nhật kính hiển vi hai photon hiện có cả thông qua việc bổ sung chùm tia laser và thông qua nâng cấp phần cứng và phần mềm, cho phép các phòng thí nghiệm được hưởng lợi từ công nghệ mà không phải trả tiền cho một hệ thống hoàn toàn mới.

Michale S. Phí, tiến sĩ., Glen V. và Phyllis F. Dorflinger Giáo sư Khoa học tính toán và hệ thống thần kinh, Khoa Khoa học não và nhận thức, Viện công nghệ Massachusetts; và điều tra viên, Viện nghiên cứu não McG McG

Công nghệ mới để chụp ảnh và phân tích quỹ đạo không gian trạng thái thần kinh ở động vật nhỏ có hành vi tự do

Nghiên cứu hoạt động thần kinh trong não của động vật là một thách thức lâu dài đối với các nhà nghiên cứu. Các phương pháp hiện tại là không hoàn hảo: kích thước hiện tại của kính hiển vi đòi hỏi động vật phải bị hạn chế trong hoạt động của chúng và những kính hiển vi này cung cấp một tầm nhìn hạn chế về các tế bào thần kinh. Bằng cách tạo ra những đột phá trong thu nhỏ kính hiển vi, Tiến sĩ Phí và phòng thí nghiệm của ông đang phát triển các công cụ cần thiết để xem những gì đang diễn ra trong não của động vật trong khi động vật có thể tự do thực hiện các hành vi tự nhiên.

Kính hiển vi gắn trên đầu cho phép Tiến sĩ Phí quan sát những thay đổi trong não của những con chim non khi chúng học hát những bài hát của chúng. Khi họ lắng nghe, lặp lại và học hỏi, Tiến sĩ Phí ghi lại các mạch thần kinh phát triển như một phần của quá trình học tập phức tạp này. Các mạch này có liên quan đến các mạch của con người hình thành trong quá trình học phức tạp các chuỗi động cơ, chẳng hạn như học lái xe đạp và bị gián đoạn trong một số điều kiện bao gồm cả bệnh Parkinson. Với mục đích của mình là ghi lại một quá trình học tập tự nhiên, điều quan trọng là có thể ghi lại hoạt động thần kinh trong các hành vi tự nhiên.

Ngoài việc thu nhỏ, kính hiển vi mới sẽ có khả năng ghi lại một số lượng tế bào thần kinh lớn hơn so với các kỹ thuật khác được sử dụng trên động vật có hành vi tự do và sẽ được kết hợp với phân tích dữ liệu mới cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện quan sát trong thời gian thực và điều chỉnh chúng thí nghiệm, đẩy nhanh quá trình nghiên cứu. Nó sẽ có các ứng dụng ngay lập tức và rộng rãi cho các nhà nghiên cứu khám phá tất cả các loại hành vi não ở động vật nhỏ.

Marco Gallio, tiến sĩ, Trợ lý giáo sư, Khoa Thần kinh học, Đại học Tây Bắc

Kết nối lại dây trong não sống

Nghiên cứu này nhằm mục đích mở rộng sự hiểu biết của chúng ta về cách thức bộ não hoạt động bằng cách cho phép các nhà khoa học cắt tỉa có chọn lọc các kết nối synap và khuyến khích các kết nối mới giữa các tế bào thần kinh. Việc nối lại não này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu hiểu chính xác hơn những kết nối nào đóng vai trò trong các tập hợp cụ thể của các hiệu ứng thần kinh.

Mỗi tế bào thần kinh trong một mạch não kết nối với nhiều mục tiêu. Mỗi mục tiêu có thể có một chức năng duy nhất và do đó xử lý cùng một thông tin đến theo một cách hoàn toàn khác nhau. Ví dụ, một số tế bào thần kinh cụ thể trong não ruồi giấm mang thông tin về môi trường bên ngoài được sử dụng để nhanh chóng thoát khỏi các mối đe dọa sắp xảy ra (một hành vi bẩm sinh), nhưng cũng tạo ra các mối liên hệ lâu dài thông qua học tập.

Công nghệ được đề xuất sẽ cho phép các nhà nghiên cứu xác định chính xác các kết nối quan trọng đối với từng quy trình bằng cách loại bỏ có chọn lọc các khớp thần kinh đến các trung tâm học tập trong khi vẫn giữ nguyên các kết nối khác. Dự án nhằm mục đích sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo ra các protein thiết kế sẽ làm trung gian cho lực đẩy hoặc lực hút / độ bám dính giữa các đối tác synap được xác định di truyền trong não nguyên vẹn của động vật sống. Ngoài việc chứng minh rằng việc tái tạo bộ não này là có thể, nghiên cứu sẽ dẫn đến các chủng ruồi giấm mới với di truyền độc đáo có thể được chia sẻ ngay lập tức với các nhà nghiên cứu khác. Theo thiết kế, những công cụ này có thể dễ dàng được sửa đổi để sử dụng trong bất kỳ mô hình động vật nào hoặc áp dụng cho các phần khác nhau của não, cho phép một lớp nghiên cứu thần kinh hoàn toàn mới có ý nghĩa sâu sắc đối với sự hiểu biết của chúng ta về cách thức hoạt động của bộ não con người.

Jose M. Carmena, Tiến sĩ, Giáo sư, Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, và Viện Khoa học Thần kinh Helen Wills, Đại học California Berkeley

Michel M. Maharbiz, Tiến sĩ, Giáo sư, Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, Đại học California Berkeley

Bụi thần kinh: một siêu âm, công suất cực thấp, công nghệ thu nhỏ cực độ cho các bản ghi thần kinh hoàn toàn không dây và không ràng buộc trong não

Tiến sĩ. Carmena và Maharbiz đang hợp tác để tạo ra thế hệ giao diện máy não (BMI) tiếp theo bằng cách sử dụng cái gọi là bụi thần kinh, bụi rậm có thể ghép được, có kích cỡ vi khuẩn, có thể loại bỏ nhu cầu về dây dẫn xuyên qua hộp sọ và cho phép để ghi âm vỏ não không dây thời gian thực. Trong khi các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của họ cũng như các đồng nghiệp khác tại Khoa Khoa học Điện và Máy tính của Đại học California và Viện Khoa học Thần kinh Helen Wills đang nghiên cứu tiềm năng của công nghệ bụi thần kinh như áp dụng cho cơ bắp và hệ thần kinh ngoại biên, tài trợ từ McKnight sẽ cho phép các nhà nghiên cứu áp dụng khái niệm này vào hệ thống thần kinh trung ương, một phương pháp mà họ tin rằng có thể cách mạng hóa thần kinh giống như cách mà máy tạo nhịp tim cách mạng hóa tim mạch. Thông qua hoạt động khép kín của công nghệ bụi thần kinh, Carmena và Maharbiz đã hình dung ra một tương lai trong đó não có thể được đào tạo hoặc điều trị để khôi phục chức năng bình thường sau chấn thương hoặc khởi phát bệnh thần kinh.

Ali Gholipour, tiến sĩ, Trợ lý giáo sư về X quang, Trường Y Harvard; Giám đốc nghiên cứu dịch thuật phóng xạ, và nhà khoa học nhân viên tại Phòng thí nghiệm X quang tính toán, tại Bệnh viện nhi Boston

Công nghệ hình ảnh chuyển động mạnh mẽ để phân tích định lượng phát triển não sớm 

Chuyển động của thai nhi, trẻ sơ sinh và trẻ mới biết đi đặt ra một thách thức đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu tập trung vào hình ảnh tiên tiến để phân tích sự phát triển não sớm và xác định những gián đoạn có thể xảy ra. Nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Gholipour trong Phòng thí nghiệm X quang tính toán tại Bệnh viện nhi Boston đang làm việc để phát triển, đánh giá và phổ biến công nghệ và phần mềm hình ảnh cộng hưởng từ chuyển động (MRI) mới, cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu và mô tả đặc điểm trong tử cung, chu sinh và chức năng và cấu trúc não thời thơ ấu. Các công cụ phân tích hình ảnh và hình ảnh mới có thể giúp cải thiện đáng kể khả năng thu thập và phân tích dữ liệu lớn của cộng đồng khoa học thần kinh để cải thiện sự hiểu biết về sự phát triển não bộ sớm và thiết lập mối liên kết rõ ràng hơn với các rối loạn có thể bắt nguồn từ giai đoạn sớm nhất của cuộc đời.

Narayaan (Bobby) Kasthuri, Tiến sĩ, MD, Đại học Chicago và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne

Brain-X: Bản đồ nano của toàn bộ não sử dụng tia X năng lượng cao dựa trên synchrotron

Phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Kasthuri đang sử dụng tia X năng lượng cao để tạo ra các bản đồ hoàn chỉnh và toàn diện về não. Các chồng hình ảnh được tạo ra dẫn đến lượng dữ liệu đáng kinh ngạc có thể được phân đoạn để xác định vị trí của mọi tế bào thần kinh, mạch máu và thành phần của não. Bằng cách tạo ra bản đồ của chuột khỏe mạnh và bộ não con người, các nhà khoa học có thể so sánh chúng với các mẫu bệnh lý để hiểu rõ hơn về sự khác biệt của tế bào và cuối cùng ở não bị bệnh bị ảnh hưởng bởi bệnh tự kỷ, tiểu đường và đột quỵ, trong số các bệnh khác.

Stephen Miller, tiến sĩ, Đại học Y Massachusetts

Vượt qua rào cản hình ảnh trong não

Hình ảnh trong não rất khó khăn, vì nhiều đầu dò phân tử không thể vượt qua hàng rào máu não (BBB). Tiến sĩ Miller và phòng thí nghiệm của ông đã tìm ra cách cải thiện hình ảnh trong mô sâu của não bằng cách khai thác các đặc tính phát quang sinh học của đom đóm. Đội ngũ của Miller đã sửa đổi chất nền luciferin của đom đóm tự nhiên để tăng khả năng tiếp cận bộ não của động vật sống. Sự phát sáng của não có thể được sử dụng để phát hiện biểu hiện gen, hoạt động của enzyme, theo dõi tiến triển bệnh hoặc đánh giá hiệu quả của các loại thuốc mới.

Long Cai, tiến sĩ, Viện Công nghệ California

Giải mã cơ sở phân tử của nhận dạng tế bào trong não bằng cách giải trình tự FISH

Phòng thí nghiệm của Cai đã phát triển một phương pháp hình ảnh công suất cao dựa trên huỳnh quang phân tử đơn lẻ trong lai tạo tại chỗ, hay hoặc smFISH, cho phép xem thông tin di truyền (ví dụ RNA) trong các tế bào. Bây giờ anh ta tìm cách điều chỉnh phương pháp này để xác định biểu hiện gen trực tiếp trong não ở cùng độ phân giải cao bằng cách sử dụng FISH tuần tự (seqFISH).

Cynthia Chestek, tiến sĩ, Đại học Michigan

Mật độ cao 90μmmảng microthread carbon để ghi lại mọi nơ ron trong lớp 5

Phòng thí nghiệm Chestek đang phát triển một cách để ghi lại và hình dung các tế bào thần kinh hoạt động, liên kết với nhau, khỏe mạnh trong một khoảng thời gian với mật độ lớn hơn bao giờ hết. Sử dụng các điện cực sợi carbon cực nhỏ, cô dự định ghi lại các tế bào thần kinh trong não chuột từ một loạt các kênh và sau đó cắt não để hình dung toàn bộ mạch. Mục tiêu là đạt được một mảng 64 kênh có thể được quan sát ở mật độ cao bằng cách sử dụng đầu nối khoa học thần kinh thông thường.

Spencer Smith, tiến sĩ, Đại học Bắc Carolina tại Đồi Chapel

Hình ảnh đa điểm cho khối lượng não lớn

Các nơ-ron đơn lẻ hành động cùng nhau theo những cách phức tạp để hình thành suy nghĩ và hành vi. Hình ảnh đa điểm, có thể giải quyết các nơ-ron riêng lẻ từ cách xa milimet, dường như cung cấp một cách sáng tạo để nghiên cứu quá trình này. Dựa trên nghiên cứu trước đây với kính hiển vi hai photon, phòng thí nghiệm của Spencer đang tìm cách xây dựng một hệ thống quang học tùy chỉnh để có quyền truy cập vào 1 triệu tế bào thần kinh trong khi vẫn giữ được khả năng quan sát từng tế bào thần kinh.

Juan Carlos Izpisua Belmonte, tiến sĩ, Viện nghiên cứu sinh học Salk

Dẫn xuất, đặc tính hóa và chỉnh sửa gen của các dòng tế bào mầm nguyên thủy marmoset phổ biến trong một điều kiện mới

Phòng thí nghiệm Izpisua Belmonte đang làm việc để rút ngắn thời gian cần thiết để phát triển các mô hình động vật linh trưởng không phải người, đặc biệt là marmosets. Belmonte đã phát triển một chiến lược để tạo điều kiện cho việc tạo ra các mô hình marmoset biến đổi gen bằng cách sử dụng các tế bào mầm nguyên thủy (PGCs). Nghiên cứu có khả năng cung cấp nguồn tế bào không giới hạn để nghiên cứu sự phát triển tế bào mầm linh trưởng trong một món ăn và kết hợp với các công cụ chỉnh sửa bộ gen, phương pháp này có thể giúp tạo ra các mô hình động vật mới cho các bệnh ở người.

Sotiris Masmanidis, tiến sĩ, Trường đại học California, Los Angeles

Các vi hạt silicon để theo dõi động lực học trung mô não

Phòng thí nghiệm Masmanidis đang phát triển các thiết bị dựa trên silicon, hoặc các vi khuẩn, có thể được cung cấp rộng rãi thông qua sản xuất hàng loạt và có thể ghi lại nhiều tế bào thần kinh cùng một lúc ở độ phân giải mili giây. Các vi sinh vật sẽ cho phép Masmanidis nghiên cứu cách nhiều tế bào não tương tác trong quá trình hành vi và học tập. Ngoài ra, phòng thí nghiệm của ông sẽ tiên phong các kỹ thuật để ghi nhãn chính xác các vị trí ghi âm, cải thiện độ chính xác của việc lập bản đồ hoạt động của não.

Kate O'Connor-Giles, tiến sĩ, Đại học Wisconsin-Madison

Bộ công cụ CRISPR / Cas9 để phân tích mạch thần kinh toàn diện

O'Connor-Giles tìm cách phát triển các bộ công cụ mô-đun để xác định phân tử và giành quyền kiểm soát di truyền của các kiểu phụ nơ-ron. Những bộ công cụ này sẽ cung cấp các tài nguyên quan trọng để mô tả các đóng góp chức năng của gen đối với nhận dạng nơ-ron và các kiểu phụ nơ-ron cho hành vi. Phòng thí nghiệm O'Connor-Giles sẽ sử dụng các công nghệ tương tự này để hiểu cách các nơ-ron kết nối với nhau trong quá trình phát triển. Công trình được xây dựng dựa trên thành công gần đây của phòng thí nghiệm thích ứng công nghệ kỹ thuật bộ gen CRISPR / Cas9 trên ruồi giấm.

Thomas R. Clandinin, tiến sĩ, Đại học Stanford

Một phương pháp di truyền để ánh xạ các mạng nơ ron được xác định bởi các khớp thần kinh điện

Hầu hết các nghiên cứu về mạch não đã tập trung vào các khớp thần kinh hóa học, dễ nghiên cứu hơn các khớp thần kinh điện. Nhưng bức tranh không hoàn chỉnh về hệ thống dây điện não này cản trở nỗ lực tìm hiểu những thay đổi trong hoạt động của não. Clandinin đề xuất phát triển một phương pháp di truyền tổng quát để xác định tế bào thần kinh nào kết nối điện với người khác. Vào cuối giai đoạn cấp hai năm, anh hy vọng sẽ có một bộ công cụ ruồi giấm tội lỗi cũng như khảo sát các kết nối điện cụ thể trong não ruồi và các công cụ tương tự sẵn sàng để thử nghiệm trên chuột.

Matthew J. Kennedy, Tiến sĩ, và Chandra L. Tucker, tiến sĩ, Đại học Colorado - Denver

Công cụ quang học để thao tác các khớp thần kinh và mạch

Optogenetic là một lĩnh vực tương đối mới liên quan đến việc kiểm soát chức năng tế bào thần kinh với ánh sáng. Kennedy và Tucker hy vọng sẽ mở rộng lĩnh vực bằng cách chế tạo các công cụ mới cho phép người dùng sử dụng ánh sáng để kiểm soát các quá trình xuôi dòng từ việc bắn nơ-ron thần kinh, tập trung vào các phân tử tín hiệu quan trọng cho sự hình thành, loại bỏ và dẻo. Họ cũng có kế hoạch phát triển các công cụ cho phép người dùng điều khiển các đường dẫn tín hiệu phân tử cơ bản chịu trách nhiệm học tập và ghi nhớ trong não.

Zachary A. Hiệp sĩ, Tiến sĩ, Đại học California - San Francisco

Giải mã trình tự thần kinh với ribosome được thiết kế

Bộ não động vật có vú chứa hàng trăm loại tế bào thần kinh, mỗi loại có các kiểu biểu hiện gen khác nhau. Phòng thí nghiệm của Knight đang xây dựng các công cụ để ánh xạ các sự kiện sinh hóa trong não chuột lên sự đa dạng phân tử của các tế bào này. Anh ta sẽ phát triển các phương pháp để bắt RNA có thể giúp xác định danh tính phân tử của các tế bào bên dưới. Những công cụ này sẽ cho phép các nhà thần kinh học xác định các tế bào thần kinh cụ thể được điều biến trong quá trình thay đổi hành vi, sinh lý hoặc bệnh tật. Những tế bào được xác định sau đó có thể được thao tác di truyền để hiểu chức năng của chúng.

Don B. Arnold, Tiến sĩ, Phó giáo sư sinh học phân tử & tính toán, Đại học Nam California

Ablating Intrabody Công cụ chia sẻ cho Ablation trực tiếp các protein nội sinh

Protein liên tục được tạo ra và xuống cấp trong não. Tiến sĩ Arnold đang nghiên cứu các công cụ để cho phép các nhà khoa học điều khiển quá trình thoái hóa protein cho nghiên cứu y sinh. Những công cụ này, được biết đến như là sự cắt bỏ nội tâm, có thể làm trung gian cho sự thoái hóa nhanh, hiệu quả và cụ thể của protein. Một protein có thể bị biến chất để kiểm tra chức năng của nó trong các tế bào bình thường hoặc điều tra các tác động có hại của một loại protein bệnh lý cụ thể trong một bệnh thoái hóa thần kinh, chẳng hạn. Hiện tại, các nhà khoa học chỉ có thể gây ra sự cắt bỏ protein một cách gián tiếp, bằng cách xóa gen hoặc RNA, mã hóa protein. Xâm nhập nội tạng gây ra sự xuống cấp trực tiếp của protein mục tiêu và do đó hoạt động nhanh hơn nhiều. Họ cũng có thể nhắm mục tiêu các protein trong sự phù hợp cụ thể hoặc các protein có sửa đổi sau dịch mã cụ thể. Tiến sĩ Arnold sẽ kiểm tra việc sử dụng các loại bỏ nội tạng bằng cách điều khiển hàm lượng protein của các vị trí sau synap để nghiên cứu chức năng khớp thần kinh, cân bằng nội môi và độ dẻo trong não. Nghiên cứu, nếu thành công, có thể có ứng dụng rộng rãi trong khoa học y sinh.

James Eberwine, Bằng tiến sĩ., Giáo sư dược lý, và Ivan J. Dmochowski, Phó Giáo sư Hóa học, Đại học Pennsylvania

Thẻ TIVA cho phép hệ gen thần kinh thực sự

Mặc dù trong nhiều năm đã có thể nghiên cứu biểu hiện gen trong các tế bào riêng lẻ trong nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, tiếp tục tiến bộ trong sinh học thần kinh đòi hỏi khả năng kiểm tra chức năng và quy định di truyền ở cấp độ hệ thống, trong các mô còn nguyên vẹn hoặc các sinh vật sống. Tiến sĩ. Eberwine và Dmochowski đang nghiên cứu một phương pháp phân lập RNA từ các tế bào sống thông qua một phương pháp mà họ đã tiên phong, được gọi là thẻ TIVA (để phân tích Transcriptome In Vivo). Trong thời gian cấp, họ có kế hoạch điều chỉnh hóa học của các hợp chất thẻ TIVA để thu thập RNA từ các tế bào với tính đặc hiệu, hiệu quả cao hơn và ít tổn thương mô hơn trước đây. Đến cuối giai đoạn cấp, họ dự định đã thiết lập phương pháp tiếp cận thẻ TIVA như một phương pháp khả thi cho hệ thống gen cấp hệ thống.

Doris Tsao, Tiến sĩ, Trợ lý Giáo sư Sinh học, Viện Công nghệ California, và William J. Tyler, Tiến sĩ, Trợ lý giáo sư tại Viện nghiên cứu Car kỹ thuật Virginia, Trường Khoa học và Kỹ thuật y sinh

Điều chế chức năng của mạch não linh trưởng nguyên vẹn bằng siêu âm xung

Khoa học thần kinh đang thiếu một công cụ để kích thích không xâm lấn các locus 3D cụ thể ở bất cứ đâu trong não người. Công trình trước đây của Tiến sĩ Tyler đã chỉ ra rằng siêu âm thần kinh có thể kích thích không xâm lấn tế bào thần kinh trong não chuột sống. Bước tiếp theo là mô tả cách siêu âm ảnh hưởng đến một loài linh trưởng không phải người, khỉ, có bộ não lớn hơn và phức tạp hơn so với chuột. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch quan sát phản ứng của tế bào thần kinh, lưu lượng máu não và hành vi của động vật trong quá trình điều trị thần kinh siêu âm tập trung. Cuối cùng, Tiến sĩ. Tsao và Tyler nhằm mục đích phát triển một cách sử dụng siêu âm để kích thích các khu vực cụ thể của não người, nó sẽ cung cấp một công cụ mới mạnh mẽ để hiểu mạch não ở người và cung cấp các chiến lược mới để điều trị các bệnh thần kinh và tâm thần lan tỏa.

Samuel S.-H. Vương, tiến sĩ, Phó giáo sư sinh học phân tử, Đại học Princeton

Vượt qua giới hạn động của các chỉ số canxi có thể mã hóa di truyền

Các protein huỳnh quang thay đổi độ sáng của chúng khi các tế bào não hoạt động rất hữu ích trong việc quan sát hoạt động thần kinh làm cơ sở cho nhận thức, trí nhớ và các quá trình nhận thức khác. Các phiên bản hiện tại của các protein này chỉ phản ứng chậm chạp, trên thang thời gian của một giây hoặc lâu hơn. Phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Wang đang thiết kế lại các protein này để đáp ứng nhanh hơn và cho phạm vi hoạt động rộng hơn. Kết hợp với các phương pháp quang học tiên tiến, những tiến bộ như vậy sẽ cho phép các phần nhỏ của mô não được theo dõi theo cách hình ảnh fMRI theo dõi toàn bộ não não với ưu điểm là phương pháp mới sẽ cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy các tế bào đơn lẻ và những thay đổi xảy ra trong một phần nghìn giây. Nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực lớn hơn của các nhà khoa học thần kinh nhằm phát triển các công nghệ nghiên cứu mạng lưới não trong khi một con vật học hoặc để xem điều gì sai ở động vật bị khiếm khuyết thần kinh.

Sandra Bajjalieh, tiến sĩ, Giáo sư Dược lý, Đại học Washington

Phát triển Biosensors cho tín hiệu lipid

Những thay đổi trong lipit màng đóng vai trò trong việc truyền tín hiệu thần kinh, nhưng các nhà nghiên cứu chưa thể theo dõi đáng tin cậy việc sản xuất lipid. Bajjalieh có kế hoạch tạo ra các cảm biến để theo dõi việc tạo ra lipit tín hiệu trong các tế bào trong thời gian thực. Cô sẽ thiết kế các protein liên kết với hai lipit tín hiệu trong trường hợp không có tín hiệu khác và sử dụng chúng để phát triển các đầu dò huỳnh quang để theo dõi vị trí của các lipid này. Thông tin này sẽ giúp mở rộng cách tiếp cận với các lipid khác.

Guoping Feng, tiến sĩ, Giáo sư Khoa học về não và nhận thức, Viện nghiên cứu não McG McG, Viện công nghệ Massachusetts

Phát triển một công cụ phân tử, in vivo để điều khiển di truyền các vi mạch thần kinh được xác định hành vi bằng cách sử dụng sự phát hiện ngẫu nhiên của hoạt động và ánh sáng

Để nghiên cứu kỹ hơn cách não xử lý thông tin, Feng đang phát triển một công cụ để nắm bắt các quần thể nơ-ron thần kinh cụ thể được kích hoạt bởi các hành vi của động vật trong một khoảng thời gian ngắn được xác định bởi các xung ánh sáng và chọn các tế bào não để thay đổi di truyền dựa trên hoạt động đó. Những tế bào này sau đó có thể được kiểm tra để đánh giá sự tham gia của chúng vào hành vi. Nếu thành công, công cụ này sẽ cho phép các nhà thần kinh học sửa đổi di truyền bất kỳ nhóm tế bào thần kinh nào được kích hoạt bởi một hành vi cụ thể trong một khoảng thời gian được xác định chính xác.

Feng Zhang, tiến sĩ, Điều tra viên, Viện nghiên cứu não McG McG; Thành viên cốt lõi, Viện MIT và Harvard rộng lớn; Trợ lý giáo sư khoa học não và nhận thức, Viện công nghệ Massachusetts

Kỹ thuật bộ gen chính xác bằng cách sử dụng trình thiết kế TAL Effector tái tổ hợp

Biểu hiện di truyền thường được sử dụng để xác định loại tế bào thần kinh, nhưng thao tác di truyền thông thường là không hiệu quả và bị hạn chế phần lớn ở chuột. Zhang đang nghiên cứu một cách để sửa đổi bộ gen của các tế bào thần kinh bằng cách sử dụng các gen phóng viên có thể được đưa vào các tế bào và mạch não cụ thể. Công nghệ này sẽ cho phép các đột biến ở người được đưa vào mô hình động vật để xác định xem đột biến gen có gây bệnh hay không. Công nghệ cũng sẽ rút ngắn thời gian cần thiết để tạo ra một mô hình động vật.

Michael Berry II, tiến sĩ, Phó giáo sư sinh học phân tử, Đại học Princeton

Kẹp micropipette kẹp microfipette

Phòng thí nghiệm của Berry sẽ phát triển một micropipette vá được chế tạo vi mô cho phép các thí nghiệm mới không thể thực hiện được với các micropipet thủy tinh thông thường, chẳng hạn như khả năng kiểm soát dễ dàng môi trường hóa học của tế bào thần kinh bằng cách lọc máu nhanh. Thiết bị cũng sẽ đáng tin cậy và sử dụng đơn giản hơn so với micropipettes hiện có, tiết kiệm thời gian và công sức đáng kể.

Robert Kennedy, tiến sĩ, Hobart H. Willard Giáo sư Hóa học & Giáo sư Dược lý, Đại học Michigan

Theo dõi in vivo các chất dẫn truyền thần kinh ở độ phân giải không gian và thời gian cao

Để đo các chất dẫn truyền thần kinh in vivo ở độ phân giải không gian và thời gian cao, phòng thí nghiệm của Kennedy đang phát triển một đầu dò thu nhỏ có thể đến bất kỳ vùng não nào của chuột để tạo ra các mẫu nhỏ để phân tích thường xuyên. Công nghệ này cung cấp một bước đột phá tiềm năng cho khoa học thần kinh, bởi vì rất nhiều công việc di truyền và nhiều mô hình bệnh tật dựa trên chuột.

Timothy Ryan, Tiến sĩ, Giáo sư hóa sinh, trường đại học y Weill Cornell

Phát triển một phóng viên ATP synap

Phòng thí nghiệm của Ryan đang phát triển một cách chính xác hơn để đo nồng độ ATP trong các ngăn thần kinh cụ thể và để có được thông tin động để theo dõi mức ATP trong quá trình liên lạc synap liên tục. Điều này sẽ giúp xác định xem sự mất cân bằng năng lượng cơ bản có biểu hiện trong các bệnh khác nhau hay không và cách cung cấp ATP thường được điều hòa tại các khớp thần kinh.

W. Daniel Tracey, tiến sĩ, Giáo sư gây mê, sinh học tế bào và sinh học thần kinh, Trung tâm y tế Đại học Duke

Rhabdovirus được mã hóa di truyền để lập bản đồ chức năng của tế bào thần kinhnectivity

Phòng thí nghiệm của Tracey đang phát triển một hệ thống biểu hiện gen virut để khám phá các mạch thần kinh ở ruồi giấm. Mục tiêu là sử dụng nó để điều khiển di truyền các tế bào thần kinh, theo dõi các kết nối của chúng và điều khiển hoạt động của các tế bào thần kinh liên kết với nhau. Nếu điều này thành công với ruồi giấm, Tracey hy vọng các kỹ thuật tương tự sẽ hữu ích cho các nghiên cứu về bộ não động vật có vú.

Joseph Fetcho, Tiến sĩ, Giáo sư Thần kinh học và Hành vi, Đại học Cornell

Các mẫu ánh xạ của các kết nối synap trong vivo

Không có cách nào dễ dàng để tiết lộ tất cả các tế bào thần kinh kết nối với một tế bào khác trong khi những tế bào đó còn sống. Làm việc với cá ngựa vằn, Fetcho đề xuất sử dụng các phương pháp quang học, theo đó tất cả các tế bào thần kinh được kết nối với một tế bào thần kinh cụ thể sẽ chuyển màu, để ánh xạ mô hình dây trong hệ thống thần kinh sống còn nguyên vẹn. Cuối cùng, một cách tiếp cận như vậy có thể giúp tiết lộ các mô hình của hệ thống dây điện làm nền tảng cho chuyển động và hành vi khác.

Pavel Osten, MD, Tiến sĩ, Phó giáo sư khoa học thần kinh, phòng thí nghiệm cảng suối nước lạnh

Giải phẫu thông lượng cao tự động cho não chuột huỳnh quang

Dự án của Osten tìm cách giúp thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu chức năng não phân tử và tế bào và nghiên cứu toàn bộ não. Sử dụng một công nghệ hình ảnh mới, ông đang tập trung vào việc lập bản đồ các thay đổi trong các mạch thần kinh ở những con chuột mang đột biến gen liên quan đến chứng tự kỷ và tâm thần phân liệt. Ông hy vọng công nghệ này sẽ cung cấp một cách nhanh chóng, chính xác để nghiên cứu nhiều mô hình chuột di truyền để hiểu rõ hơn về một loạt các bệnh tâm thần ở người.

Thomas Otis, Tiến sĩ, Giáo sư Thần kinh học, Trường Y Geffen, Đại học California, Los Angeles

Phát triển các phương pháp quang học để theo dõi điện áp trong các nhóm tế bào thần kinh được xác định thần kinh

Otis và các đồng nghiệp của ông, bao gồm cả điều tra viên chính Julio Vergara, đã phát triển một công nghệ cảm biến cho phép các xung thần kinh được đo với độ chính xác cao bằng các phương pháp quang học mới. Mục đích của khoản tài trợ là hoàn thiện phương pháp quang học của họ để có thể theo dõi hoạt động thần kinh ở nhiều nơ-ron đồng thời.

Larry J. Young, Tiến sĩ, William P. Timmie Giáo sư Khoa học Tâm thần và Hành vi và Trưởng phòng, Trung tâm Khoa học Thần kinh Hành vi, Trung tâm Nghiên cứu Linh trưởng Quốc gia Yerkes

Phát triển công nghệ biến đổi gen ở chuột đồng cỏ để mổ xẻ di truyền và mạch thần kinh của liên kết xã hội

Nghiên cứu về các hành vi xã hội phức tạp, như nuôi dưỡng mẹ và gắn kết xã hội, bị hạn chế bởi sự khó khăn trong việc điều khiển biểu hiện gen để tìm hiểu cách các gen cụ thể điều chỉnh hành vi xã hội. Young nhằm mục đích tạo ra những con chuột đồng cỏ biến đổi gen, có tính xã hội cao và xác định các gen chịu trách nhiệm cho các biến thể cá nhân trong hành vi xã hội. Nghiên cứu sẽ có liên quan đặc biệt đến các rối loạn như tự kỷ và tâm thần phân liệt.

Henry Lester, tiến sĩ, Viện công nghệ California

Kênh ion cho kỹ thuật thần kinh

Lester sẽ sử dụng các kênh ion và thụ thể để hiểu rõ hơn về cách các nơ-ron được kết nối trong các mạch và cách thức các mạch như vậy kiểm soát hành vi. Anh ta sẽ thiết kế các kênh thụ thể mới chỉ phản ứng với một loại thuốc, ivermectin, có thể được cung cấp trong chế độ ăn của động vật. Một khi các thụ thể này được phát triển, sẽ có thể nghiên cứu cách kích hoạt hoặc ức chế tế bào thần kinh được chọn ảnh hưởng đến hành vi.

Charles M. Lieber, Tiến sĩ, đại học Harvard

Thiết bị Nanoelectronic cho ánh xạ điện và hóa học của mạng lưới thần kinh

Lieber có kế hoạch phát triển và trình diễn các công cụ điện sinh lý hỗ trợ công nghệ nano mới để đo tín hiệu điện và sinh hóa ở quy mô của các khớp thần kinh tự nhiên, sử dụng các mẫu từ mạng lưới thần kinh nuôi cấy đến mô não. Về lâu dài, những công cụ này có thể được sử dụng như các giao diện mới mạnh mẽ giữa não và các thiết bị phục hình thần kinh trong nghiên cứu y sinh và cuối cùng là điều trị.

Tiến sĩ Fernando Nottebohm, Đại học Rockefeller

Phát triển một kỹ thuật để tạo ra các loài chim biết hót chuyển gen

Nghiên cứu về học thanh nhạc ở chim biết hót cung cấp một cách tuyệt vời để khám phá cách lưu trữ ký ức trong một bộ não phức tạp và làm thế nào tổn thương hệ thần kinh trung ương có thể được sửa chữa bằng cách thay thế nơ-ron thần kinh. Nottebohm tìm cách phát triển một giao thức để sản xuất hiệu quả các loài chim biết hót chuyển gen để kiểm tra sự liên quan mà các gen riêng lẻ có thể có trong học tập và sửa chữa não.

Dalibor Sames, Tiến sĩ, và David Sulzer, tiến sĩ, Đại học Columbia

Sự phát triển của các chất dẫn truyền thần kinh sai huỳnh quang: Các tiểu thuyết mới để hình dung trực tiếp các chất dẫn truyền thần kinh Phát hành từ các thiết bị đầu cuối trước sinh

Sames và Sulzer đã phát triển các chất dẫn truyền thần kinh giả huỳnh quang (FFN) hoạt động như các bộ dò quang của dopamine và cho phép phương tiện đầu tiên hình ảnh dẫn truyền thần kinh hình ảnh ở các khớp thần kinh riêng lẻ. Áp dụng FFN, Sames và Sulzer sẽ phát triển các phương pháp quang học mới để kiểm tra các thay đổi khớp thần kinh liên quan đến việc học cũng như các quá trình bệnh lý liên quan đến rối loạn thần kinh và tâm thần như bệnh Parkinson và tâm thần phân liệt.

Paul Brehm, Tiến sĩ, Đại học Khoa học & Sức khỏe Oregon

Một protein huỳnh quang màu xanh lá cây mới từ echinoderms cung cấp một bản ghi dài hạn về hoạt động của mạng nơ-ron thần kinh

Brehm đang khám phá một cách mới để hình ảnh hoạt động của tế bào trong mô khỏe mạnh và bệnh. Ông đề xuất một giải pháp thay thế cho protein huỳnh quang màu xanh lục của loài sứa, đó là Ophiopsila phát quang sinh học, có huỳnh quang lâu dài trong các tế bào thần kinh có thể cung cấp một lịch sử lâu dài về hoạt động tế bào của chúng.

Timothy Holy, Tiến sĩ, Đại học Y Washington

Hình ảnh quang học ba chiều tốc độ cao của hoạt động thần kinh trong mô nguyên vẹn

Holy đang phát triển các phương pháp quang học để ghi đồng thời từ các quần thể tế bào thần kinh rất lớn bằng cách sử dụng các tấm ánh sáng mỏng giúp quét nhanh mô não theo ba chiều. Nếu thành công, nghiên cứu có thể giúp các nhà khoa học quan sát nhận dạng và học tập ở cấp độ tế bào.

Krishna Shenoy, Tiến sĩ, Đại học Stanford

HermesC: Một hệ thống ghi chép thần kinh liên tục để linh trưởng cư xử tự do

Phòng thí nghiệm của Shenoy đang cố gắng tìm hiểu thêm về cách các nơ-ron hoạt động bằng cách phát triển một hệ thống ghi âm chất lượng cao, gắn trên đầu, thu nhỏ để sử dụng cho những con khỉ đi về các hoạt động hàng ngày của chúng. Nếu thành công, công việc này sẽ tạo ra một thiết bị ghi âm có thể theo dõi từng nơ-ron thần kinh trong việc cư xử với khỉ trong nhiều ngày và nhiều tuần.

Gina Turrigiano, tiến sĩ, Đại học Brandeis

Ánh xạ vị trí của protein synap bằng kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải

Turrigiano và cộng tác viên của cô, David DeRosier, Tiến sĩ, sẽ phát triển các công cụ để lập bản đồ cách thức các protein synap được sắp xếp thành các máy phân tử có thể tạo ra các ký ức và chức năng nhận thức. Nếu điều này chứng tỏ thành công, cuối cùng họ sẽ có thể xác định làm thế nào các khớp thần kinh trở nên vô tổ chức trong tình trạng bệnh.

Pamela M. Anh, Tiến sĩ,Đại học California tại San Francisco

Theo dõi buôn bán AMPA trong thời gian thực

Phòng thí nghiệm của Anh sẽ phát triển một bộ công cụ phân tử mới, dựa trên các dẫn xuất tổng hợp của philanthotoxin, có thể được sử dụng để nghiên cứu sự buôn bán bề mặt tế bào của phân nhóm AMPA của thụ thể glutamate. Mục tiêu là tạo ra một tập hợp các dẫn xuất độc tố sẽ làm bất hoạt các thụ thể AMPA với các thành phần tiểu đơn vị cụ thể, do đó cho phép điều tra dược lý về vai trò của các loại thụ thể AMPA khác nhau này trong các tế bào thần kinh sống.

Alan Jasanoff, tiến sĩ, Viện công nghệ Massachusetts

MRI chức năng cấp độ tế bào với các tác nhân hình ảnh canxi

Jasanoff sẽ khám phá một phương pháp mới của Chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI), được phát triển trong phòng thí nghiệm của ông, dựa trên các hạt nano oxit sắt tạo ra độ tương phản hình ảnh khi chúng tổng hợp. Nếu thành công, phương pháp mới sẽ là thước đo trực tiếp hơn cho hoạt động thần kinh, với khả năng cải thiện độ phân giải không gian và thời gian trong fMRI.

Richard J. Krauzlis, tiến sĩvà Edward M. Callaway, Tiến sĩ, Viện nghiên cứu sinh học Salk

Sử dụng vectơ virut để thăm dò các mạch động cơ cảm giác trong hành vi linh trưởng không phải người

Krauzlis và Callaway sẽ phát triển một phương pháp để vô hiệu hóa các quần thể tế bào thần kinh cụ thể ở các vùng cục bộ của vỏ não khỉ. Nếu thành công, phương pháp của họ sẽ cung cấp một phương tiện để đánh giá các quần thể tế bào thần kinh cụ thể ở các vùng não khác nhau hoạt động như thế nào trong các mạch để cho phép các chức năng não cao hơn, như nhận thức, trí nhớ và điều khiển động cơ cảm giác.

Markus Meister, tiến sĩ, Công nghệ cao

Ghi âm không dây của các chuyến tàu tăng vọt đa thần kinh ở động vật di chuyển tự do

Meister và các cộng tác viên của ông, Alan Litke của Đại học California, Santa Cruz và Athanassios Siapas của Caltech, sẽ thiết kế một hệ thống vi điện cực không dây cho phép ghi tín hiệu điện thần kinh từ động vật di chuyển tự do mà không cần dây nối. Kết hợp các công nghệ thu nhỏ và vật liệu nhẹ, hệ thống này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc đo động lực thần kinh trong các hành vi thực sự tự nhiên, như đào hang, leo trèo hoặc bay.

Karl Deisseroth, MD, Tiến sĩ, Đại học Stanford

Không xâm lấn, Kiểm soát độ phân giải tạm thời cao của hoạt động thần kinh bằng cách sử dụng Kênh ion nhạy cảm ánh sáng từ Alga C. Reinhardtii

Phòng thí nghiệm của Deisseroth, bao gồm cộng tác viên sau tiến sĩ Edward Boyden, sẽ phát triển một công cụ mới, dựa trên kênh ion nhạy cảm ánh sáng được mã hóa từ tảo, để kích thích hoạt động điện trong các bộ tế bào thần kinh cụ thể với ánh sáng. Mục tiêu của họ là kích thích tiềm năng hành động cá nhân với độ chính xác thời gian tính bằng mili giây và kiểm soát tế bào thần kinh nào được kích thích bằng phương pháp di truyền để nhắm mục tiêu biểu hiện protein kênh.

Samie R. Jaffrey, MD, Tiến sĩ, Đại học Y khoa Weill, Đại học Cornell

Hình ảnh RNA thời gian thực trong các tế bào thần kinh sống bằng cách sử dụng các phân tử nhỏ huỳnh quang có điều kiện

Phòng thí nghiệm của Jaffrey sẽ tiếp tục phát triển một hệ thống để cho phép trực quan hóa RNA bằng kính hiển vi huỳnh quang tế bào sống. Kỹ thuật của ông dựa trên việc xây dựng các chuỗi RNA ngắn liên kết với fluorophore và làm tăng đáng kể sự phát xạ ánh sáng của nó. Fluorophore có nguồn gốc từ được sử dụng trong Protein huỳnh quang xanh (GFP). Mục tiêu là cách mạng hóa việc nghiên cứu RNA giống như cách mà công nghệ GFP đã cách mạng hóa hình ảnh protein.

Jeff W. Lichtman, MD, Tiến sĩ, đại học Harvard Kenneth Hayworth, Cơ sở nghiên cứu Janelia Farm của Viện Y khoa Howard Hughes

Phát triển một máy tiện thu thập băng tự động - Ultramicrotome để tái tạo não quy mô lớn

Hayworth và Lichtman đang phát triển một công cụ để cắt và tự động thu thập hàng ngàn phần mô để chụp ảnh thông qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Tái tạo phần nối tiếp TEM là công nghệ duy nhất được chứng minh có khả năng vạch ra, ở mức độ phân giải tốt nhất, khả năng kết nối synap chính xác của tất cả các tế bào thần kinh trong một thể tích mô não. Nhưng ứng dụng bị hạn chế vì các phần siêu mỏng phải được thu thập bằng tay. Công cụ này sẽ tự động hóa quy trình, làm cho việc phân chia nối tiếp có thể truy cập được đến nhiều phòng thí nghiệm và hữu ích trên khối lượng mô lớn hơn.

Alice Y. Ting, Tiến sĩ, Viện công nghệ Massachusetts

Hình ảnh buôn bán protein thần kinh bằng kính hiển vi quang học và điện tử bằng cách sử dụng nhãn Biotin Ligase

Ting đề xuất một công nghệ cải tiến để trực quan hóa và định lượng việc buôn bán protein màng. Cô đã phát triển một kỹ thuật ghi nhãn dựa trên enzyme có tính chọn lọc cao để phân biệt các phân tử tồn tại trên bề mặt tế bào thần kinh trước khi một kích thích xuất hiện sau các kích thích xuất hiện sau kích thích. Sự phân bố không gian của các phân tử được dán nhãn sau đó có thể được quan sát bằng hình ảnh quang học và, với một số sửa đổi, cũng có thể được nhìn thấy ở độ phân giải cao hơn với kính hiển vi điện tử.

EJ Chichilnisky, tiến sĩ, Viện Salk
AM Litke, Tiến sĩ, Viện vật lý hạt Santa Cruz

Giám sát võng mạc

Chichilnisky, một nhà sinh học thần kinh và Litke, một nhà vật lý thực nghiệm, đang hợp tác về công nghệ để ghi lại và kích thích hoạt động điện ở hàng trăm tế bào thần kinh tại một quy mô không gian và thời gian tốt. Điều này sẽ cho phép họ nghiên cứu cách các quần thể tế bào thần kinh lớn xử lý và mã hóa thông tin để kiểm soát nhận thức và hành vi. Đầu tiên họ dự định nghiên cứu võng mạc, và lần lượt là các hệ thống thần kinh khác.

Daniel T. Chiu, Tiến sĩ, Đại học Washington

Cung cấp các kích thích không gian và tạm thời cho các tế bào thần kinh đơn

Các hạt nano là những vỏ sò nhỏ cực kỳ nhỏ có thể chứa thứ gì đó chỉ trong vài phút như một phân tử và đưa nó đến một mục tiêu đã chọn. Chiu đang phát triển và hoàn thiện các loại nanocapsules mới và tinh chỉnh các loại hiện có để nghiên cứu cách một tế bào thần kinh duy nhất xử lý sự xuất hiện của tín hiệu ở bề mặt màng của nó. Các hạt nano sẽ hữu ích trong việc lập bản đồ protein bề mặt tế bào và thăm dò cách các thụ thể gửi tín hiệu và kích hoạt truyền dẫn synap.

Susan L. Lindquist, Tiến sĩ, Viện nghiên cứu y sinh Whitehead

Phát triển và sử dụng các hệ thống mô hình nấm men cho các bệnh thoái hóa thần kinh và sàng lọc thông lượng cao

Lindquist đề xuất kiểm tra các bệnh thoái hóa thần kinh bằng cách nghiên cứu các gen trong nấm men của thợ làm bánh. Vì thành công lớn mà phòng thí nghiệm của cô đã sử dụng men làm hệ thống mô hình để nghiên cứu bệnh Parkinson, cô dự định mở rộng mô hình này sang hai loại bệnh khác - bệnh sốt rét (bao gồm Alzheimer) và spinocerebeller ataxia-3.

Daniel L. Minor, Jr., Tiến sĩ, Đại học California, San Francisco

Sự phát triển có định hướng của các bộ điều chế kênh ion từ các thư viện tự nhiên và được thiết kế

Tiểu thương đang nghiên cứu một phương pháp mới để xác định các phân tử chặn hoặc mở các kênh ion, các protein là chìa khóa để truyền tín hiệu điện trong não. Anh ta sẽ nghiên cứu các peptide tự nhiên từ các sinh vật có nọc độc và sẽ tạo ra các phân tử giống như nọc độc để thử nghiệm. Tạo ra các phân tử bắt chước những chất trong tự nhiên và làm cho chúng có sẵn rộng rãi sẽ đẩy nhanh việc tìm kiếm các loại thuốc có thể hoạt động trên các kênh ion cụ thể.

Stephen J. Smith, Tiến sĩ, Đại học Y khoa Stanford

Phương pháp phân định mạch não bằng kính hiển vi điện tử quét phân đoạn nối tiếp

Smith đang thiết kế các công cụ để cho phép khoa học thần kinh được hưởng lợi từ cái mà ông gọi là kính hiển vi của thế kỷ 21, được phát minh bởi cộng tác viên của ông, Winfried Denk, Tiến sĩ, nhà sinh lý học tại Viện Max Planck. Họ đang phát triển các phương pháp Kính hiển vi điện tử quét phân đoạn nối tiếp tự động (S3EM), lần đầu tiên, sẽ cung cấp khả năng phân tích các mạch não hoàn chỉnh một cách chi tiết. Smith đang phát triển các cách nhuộm các mô não để phân tích bằng kính hiển vi này và các công cụ tính toán để phân tích khối lượng thông tin khổng lồ mà các kỹ thuật mới sẽ mang lại.

Stuart Firestein, Tiến sĩ, Đại học Columbia

Một cảm biến quang được mã hóa di truyền của điện thế màng

Firestein và cộng tác viên của ông, Josef Lazar, Tiến sĩ, đề xuất thử nghiệm một loại protein cảm ứng điện áp mới có thể phát hiện các sự kiện điện rất nhỏ và đồng thời hình dung sự thay đổi điện áp ở một số lượng lớn tế bào. Điều này sẽ thúc đẩy một mức độ điều tra về xử lý thông tin trong não hiện đang vượt quá tầm với.

David Heeger, tiến sĩ, Đại học New York

FMRI độ phân giải cao

Heeger và cộng tác viên của ông, Souheil Inati, Tiến sĩ, cùng với các nhà khoa học của Đại học Stanford John Pauly và David Ress, dự định thực hiện một phương pháp mới để cải thiện độ phân giải không gian của hình ảnh cộng hưởng từ chức năng (fMRI) để cho phép nó có được dữ liệu fMRI thường xuyên ở độ phân giải cực cao. Nhóm nghiên cứu nhằm giúp giải quyết một số vấn đề cơ bản với MRI thông thường.

Paul Slesinger, Tiến sĩ, Trường Y khoa Mount Sinai / Icahn

Hệ thống truyền năng lượng thụ thể protein G (GRET) để theo dõi sự truyền tín hiệu trong tế bào thần kinh

Điều chế giao tiếp tế bào thần kinh xảy ra khi các chất dẫn truyền thần kinh hóa học liên kết với các loại thụ thể dẫn truyền thần kinh kết hợp protein G (GPCR) cụ thể, từ đó kích hoạt protein G. Để nghiên cứu những thay đổi năng động trong hoạt động của protein G trong quá trình giao tiếp tế bào thần kinh, Slesinger đề xuất phát triển máy dò huỳnh quang dựa trên protein cho protein G dựa trên đặc tính truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET).

Bernardo Sabatini, MD, Tiến sĩ, Trường Y Học Harvard

Các công cụ quang học để phân tích dịch protein trong các khoang thần kinh ngoại biên

Để khám phá cách các nơ-ron thiết lập các kênh liên lạc và cách não lưu trữ và thu hồi thông tin, Sabatini đang phát triển các phân tử phát ra ánh sáng khi các nơ-ron tạo ra protein và kính hiển vi để xem quá trình sâu bên trong não sống.

Karel Svoboda, tiến sĩ, Phòng thí nghiệm Cảng Xuân lạnh

Quy định truyền Synaptic in vivo với tính đặc hiệu không gian và thời gian cao

Svoboda đang phát triển các công cụ phân tử để hiểu thêm về cách các khớp thần kinh tổ chức mạch não.

Rượu Luo, Tiến sĩ, Đại học Stanford

Ghi nhãn đơn thần kinh và thao tác di truyền ở chuột

Luo đang nghiên cứu một phương pháp di truyền để thao túng và theo dõi các nơ-ron đơn lẻ ở chuột để tìm hiểu cách các mạng lưới thần kinh được lắp ráp trong quá trình phát triển và sau đó được sửa đổi theo kinh nghiệm.

A. David Redish, Tiến sĩ; Babak Ziaie, tiến sĩ; và Arthur G. Erdman, tiến sĩ, Đại học Minnesota

Ghi âm không dây của các tổ hợp thần kinh trong thức tỉnh, hành vi chuột

Các cộng tác viên - một nhà thần kinh học, một kỹ sư điện và một kỹ sư cơ khí - đang phát triển một phương pháp không dây để ghi lại các chuyến tàu thần kinh từ thức tỉnh, hành xử của chuột để tăng cường hiểu biết về học tập và hành vi.

Helen M. Blau, Tiến sĩ, Đại học Stanford

Sự xâm lấn tối thiểu, chuyển giao gen được điều chỉnh đến hệ thống thần kinh trung ương

Phòng thí nghiệm Blau đang nghiên cứu một phương tiện mới để đưa gen trị liệu vào hệ thần kinh trung ương, sử dụng các tế bào tủy xương được thiết kế với các gen có khả năng nhắm mục tiêu vào bệnh.

Graham CR Ellis-Davies, Tiến sĩ, Đại học MCP Hahnemann

Hình ảnh chức năng của các tế bào thần kinh trong các lát não sống bằng hai photon Uncaging của các chất dẫn truyền thần kinh

Ellis-Davies đang phát triển các phương pháp cải tiến để tạo ra hình ảnh về các khía cạnh của chức năng não chưa từng thấy trước đây, nghĩ ra một dạng chất dẫn truyền thần kinh vẫn trơ về mặt sinh học cho đến khi được kích hoạt bởi một ánh sáng cực mạnh của ánh sáng tập trung.

Dwayne Godwin, Tiến sĩ, Trường Đại học Y khoa Wake Forest

Hé lộ chuỗi kết nối chức năng với DNA virus

Bằng cách tiêm tế bào DNA DNA, đánh dấu hóa học virus và truy tìm sự lây lan của nó đến các tế bào được kết nối, Godwin đang khám phá những cách mới để tiết lộ cách các tế bào thần kinh trong não gửi và nhận tin nhắn.

Seong-Gi Kim, Tiến sĩ, Trường Đại học Y khoa Minnesota

Phát triển fMRI phân giải cột dựa trên Perfusion

Kim đang làm việc để tăng sức mạnh của hình ảnh cộng hưởng từ chức năng để nghiên cứu hoạt động của não một cách chi tiết hơn.

Stephen Lippard, Tiến sĩ, Viện Công nghệ Massachusetts

Hóa học tổng hợp để phát triển cảm biến kẽm để thăm dò tín hiệu thần kinh

Lippard đang tổng hợp các cảm biến huỳnh quang mới sẽ phát hiện các ion kẽm và oxit nitric trong các tế bào sống và tiết lộ mô hình không gian của chúng.

Partha Mitra, Tiến sĩ, và Richard Andersen, Tiến sĩ, Viện Công nghệ California

Phát triển các kỹ thuật để ghi lại và đọc mã số dân số trong thời gian thực từ Vùng tiếp cận Parietal

Mitra và Andersen sử dụng các kỹ thuật toán học để phân tích hoạt động của các nhóm tế bào thần kinh, hy vọng cuối cùng sẽ giải mã mối quan hệ giữa hoạt động và hành vi thần kinh.

William Newsome, Tiến sĩ, và Mark Schnitzer, Tiến sĩ, Trường Đại học Y Stanford

In Vivo Brain Dynamics được nghiên cứu với Quang học sợi quang và Chụp cắt lớp mạch lạc

Schnitzer và Newsome (người đã nhận được giải thưởng đặc biệt trị giá 50.000 đô la) đang nghiên cứu động lực học não bằng cách bản địa hóa các vị trí ghi âm, lập bản đồ phân phối các dấu phân tử và theo dõi mô hình hoạt động của não bằng cách sử dụng ánh sáng chính xác.

Timothy Ryan, Tiến sĩ, Đại học Y khoa Weill thuộc Đại học Cornell và Gero Miesenböck, Tiến sĩ, Trung tâm Ung thư Tưởng niệm Sloan Kettering

Thiết kế và ứng dụng cảm biến quang học dựa trên pH của hoạt động synap

Các nhà khoa học đang phát triển các chỉ số huỳnh quang mới của hoạt động synap dựa trên độ nhạy cảm với những thay đổi về độ axit.

Daniel Turnbull, Tiến sĩ, Trường Đại học Y New York

Trong hình ảnh Vivo TiếtMR về sự di cư của tế bào thần kinh trong não chuột

Turnbull đang nghiên cứu một phương pháp hình ảnh mới để hình dung sự di chuyển của các tế bào thần kinh trong não chuột đang phát triển, ghi nhãn các tế bào thần kinh mới và theo dõi chúng ở động vật nguyên vẹn trong nhiều ngày với vi mô cộng hưởng từ.

Michael E. Greenberg, Tiến sĩ, và Ricardo E. Dolmetsch, Tiến sĩ, Bệnh viện nhi Boston

Các công nghệ mới để nghiên cứu kiểm soát tạm thời và không gian của phiên mã và dịch thuật trong các tế bào thần kinh nguyên vẹn

Các nhà khoa học đang phát triển một phương pháp trực quan hóa hoạt động của gen trong các tế bào thần kinh sống, sử dụng các bộ khuếch đại phân tử và phát hiện huỳnh quang, để xem các gen ảnh hưởng đến nhau như thế nào.

Paul W. Glimcher, Tiến sĩ, Đại học New York

Thần kinh thực nghiệm

Nghiên cứu của Glimker khám phá siêu âm chẩn đoán để có thể đặt chính xác các điện cực ghi vào não của các loài linh trưởng hoạt động, tỉnh táo.

Leslie C. Griffith, MD, Tiến sĩ, và Jeffrey C. Hall, Tiến sĩ, Đại học Brandeis

Cảm biến truyền tín hiệu thời gian thực

Griffith và Hall đang phát triển các cảm biến di truyền có thể được đưa vào các tế bào thần kinh riêng lẻ của ruồi giấm sống, trong nỗ lực xác định khi nào một tế bào được tuyển dụng để thực hiện vai trò hành vi của nó.

Warren S. Warren, Tiến sĩ, Đại học Princeton

Hình ảnh cộng hưởng từ chức năng lượng tử bằng không

Sáng kiến táo bạo của Warren tìm cách làm cho fMRI mạnh hơn, tăng độ phân giải hơn 100 lần, cho phép nó tiết lộ các khu vực hoạt động của não một cách chi tiết hơn và có độ tương phản tốt hơn.