2021 年麦克奈特学者奖

麦克奈特神经科学捐赠基金董事会很高兴地宣布，它已选出七名神经科学家获得 2021 年麦克奈特学者奖。

麦克奈特学者奖授予处于建立自己的独立实验室和研究事业的早期阶段并已表现出对神经科学的承诺的年轻科学家。 “今年的学者班展示了来自全国各地的年轻、才华横溢、具有创新精神的神经科学家的多样性，”加州大学洛杉矶分校大卫格芬医学院奖项委员会主席兼院长 Kelsey C. Martin 医学博士说。自 1977 年设立该奖项以来，这一享有盛誉的早期职业奖项已资助了 250 多名创新研究人员，并促成了数百项突破性发现。

“McKnight Scholars 正在一起解决当今神经科学中一些最令人兴奋的问题，”Martin 说。 “使用一系列实验和计算方法，他们正在阐明感官体验如何在发育过程中塑造大脑，大脑回路如何产生特定性别的行为，在行为过程中如何感知和处理声音，睡眠如何影响认知和大脑健康，细胞生物学机制如何控制昼夜节律，以及神经回路如何处理信息和学习。我代表整个委员会，感谢今年麦克奈特学者奖的所有申请者，感谢他们的贡献和创造力。”

以下七位麦克奈特学者奖获得者将在三年内每年获得 $75,000。他们是：

今年的麦克奈特学者奖有 70 名申请者，代表了该国最优秀的年轻神经科学教师。教师只有在担任全职教师职位的前四年才有资格获得该奖项。除了 Martin，学者奖评选委员会还包括哈佛大学 Gordon Fishell 博士； Loren Frank，博士，加州大学旧金山分校； Mark Goldman，博士，加州大学戴维斯分校；杜克大学医学院 Richard Mooney 博士； Jennifer Raymond，斯坦福大学博士； Vanessa Ruta，洛克菲勒大学博士；和 Michael Shadlen，医学博士，哥伦比亚大学博士。

明年的奖项申请将于 8 月开始，截止日期为 2022 年 1 月 10 日。有关 McKnight 神经科学奖项计划的更多信息，请访问捐赠基金网站： https://www.mcknight.org/programs/the-mcknight-endowment-fund-for-neuroscience

关于McKnight神经科学捐赠基金

麦克奈特神经科学捐赠基金是一个独立组织，仅由明尼苏达州明尼阿波利斯市的麦克奈特基金会资助，并由全国各地著名的神经科学家委员会领导。麦克奈特基金会自1977年以来就一直支持神经科学研究。该基金会于1986年成立了捐赠基金会，以执行创始人威廉·麦克奈特（1887-1979）的宗旨之一。他是3M公司的早期领导人之一，对记忆力和脑部疾病有个人兴趣，并希望将其遗产的一部分用于帮助寻找治疗方法。捐赠基金每年颁发三种类型的奖项。除了McKnight学者奖之外，它们还获得了McKnight神经科学技术创新奖，用于为开发技术发明提供种子资金以增强大脑研究；和McKnight脑疾病神经生物学奖，该奖项旨在奖励致力于将通过转化和临床研究获得的知识应用于人脑疾病的科学家。

2021 年麦克奈特学者奖

卢卡斯·钱德尔, 纽约州冷泉港冷泉港实验室博士助理教授

揭示受刺激大脑中小胶质细胞功能的分子基础

历史上，大部分发育神经科学都专注于神经发育的硬连线方面——细胞如何通过基因“编程”以某种方式发育或提供特定功能。直到最近，研究才更仔细地研究了神经元本身，许多常用的工具和技术被优化以研究神经元的内在机制。在他的研究中，Cheadle 博士将注意力转向神经病学研究较少的领域：受外部环境因素影响的神经发育后期，以及称为小胶质细胞的脑免疫细胞在此过程中所起的作用。

在他的研究中，Cheadle 博士正在使用小鼠模型专门研究视觉神经连接的发育，其中一些小鼠在发育的关键阶段被饲养在无光环境中。他之前的研究表明，小胶质细胞本质上是在“塑造”视觉系统，剔除不太有益的突触连接。因此，在黑暗中饲养的老鼠与在光照下饲养的老鼠相比，神经系统那部分的物理顺序是不同的。在他正在进行的工作中，Cheadle 博士将寻求在分子水平上确定小胶质细胞如何受到外部因素（如光）的刺激，以及它们随后塑造突触的机制。

该研究提供了几种新方法，包括使用基因编辑技术敲除特定的小胶质细胞基因以定义它们在视觉电路发育中的作用，以及创建一个转基因小鼠系，标记大脑中功能活跃的小胶质细胞，这两种策略最有效。通常应用于 Cheadle 博士首次适应研究小胶质细胞的神经元。 Cheadle 博士希望他的研究能够帮助揭示关于非神经元细胞在大脑中的作用的新见解，这可能会导致未来在神经疾病的起源和治疗方面取得突破，尤其是那些出现较晚的自闭症和精神分裂症等疾病。发育并有一些免疫成分的迹象。

乔西·克劳尼, 密歇根大学分子、细胞和发育生物学系博士，助理教授，密歇根州安娜堡

无果的女权主义框架：男性作为对女性神经程序的抑制

男性和女性大脑之间的差异似乎很微妙，只影响大脑的 2-5%——毕竟，两性生物的大部分功能是相同的，包括吃、睡、学习和移动的需要——但那些差异对物种的生存至关重要。大量的研究是关于行为的，例如交配仪式的表现，但对驱动这些仪式的基因如何在大脑中进行调整的了解较少。

Clowney 博士假设这个过程是一种减法——两性大脑的编码开始时大致相同，然后某些基因在每个性别的某些模式中被关闭，从而产生男性和女性的大脑。此外，她迄今为止使用果蝇模型的研究表明，雄性大脑可能是由于从更接近雌性大脑的“基础模型”中移除神经程序，而不是创建新程序。该过程的关键是一种名为“Fruitless”的果蝇转录因子，这是一种仅在雄性果蝇大脑中产生的蛋白质，可调节大脑中性别特异性基因的开启或关闭，并在驱动基于性别的本能中发挥作用即使在成年人中。

在她的研究中，Clowney 博士将寻求在发育中和成人大脑中确定 Fruitless 的遗传目标；抑制性神经回路如何通过阻止雄性与其他雄性进行交配仪式来调节雄性求偶；以及雄性如何失去产卵的神经回路。所涉及的实验使用各种技术来观察动物在有或没有无果的情况下与性别相关的回路和行为的获得或损失。通过这个，她可以阐明大脑发育的过程，这可能会导致我们的大脑如何知道哪些先天行为该执行哪些不执行的新见解，并可能帮助神经和精神疾病的研究人员，其中许多是更常见的是一种性别。

绍尔·德鲁克曼, 博士，神经生物学和精神病学和行为科学助理教授，斯坦福大学，斯坦福，加利福尼亚

大脑如何使用分布在不同人群和大脑区域的活动进行计算？

经过数十年的研究，我们对大脑如何跨区域执行计算的了解仍然有限。这个非常基本的问题是 Druckmann 博士工作的核心，它利用大脑活动记录不断扩大的范围和细节来探索大脑在刺激和反应之间发生了什么，特别是当反应延迟和短期记忆时订婚了。

在一组实验中，老鼠被训练在刺激出现后的某个时间向两个方向之一舔，然后移除。由于刺激不再存在，大脑需要存储它的记忆，计划运动，将动作保留一段时间，然后再行动。在这几秒钟内，大脑活动会同时记录在多个大脑区域中。初步数据表明，活动在不同区域和不同神经元群体中存在并发生变化，而 Druckmann 旨在表明这种集体活动正在跨大脑区域进行交互，以及交互可以“修复”必要的记忆和运动意图的方式，即使当单个地区或人口的活动可能是错误的。使用人类的第二项研究跟踪语音期间的跨区域大脑活动——一种非常复杂的活动——在实验中得到相同的问题，即如何在大脑中进行计算。

Druckmann 博士将这些实验视为建立大脑整体运作模型的第一步。同时，他也希望拓展研究人员的工作方式；他的项目涉及与其他几位研究人员的密切合作，他希望能够探索基础科学并为他的发现寻求临床应用，特别是通过参与一个致力于神经接口的合作临床试验项目。解码大脑活动如何转化为复杂活动（如语音）的能力可能会导致技术可以恢复患有退行性疾病（如 ALS）的人的某些功能。

劳拉刘易斯博士, 波士顿大学生物医学工程系助理教授，马萨诸塞州波士顿

睡眠大脑中的神经和流体动力学成像

从短期和长期来看，睡眠对大脑健康都至关重要。神经活动和脑脊液 (CSF) 的流体动力学在睡眠期间都会发生变化，产生不同的后果——感觉系统从对外部刺激的感知转向记忆再激活，脑脊液流入大脑并清除在睡眠期间积累的有毒蛋白质醒着的时间。有趣的是，这两个过程密切相关。在她的研究中，刘易斯博士将研究睡眠期间神经和流体动力学之间的联系，以及两者与大脑健康的联系。

Lewis 博士研究的关键是能够在非快速眼动 (NREM) 睡眠期间研究患者并在短时间内观察大脑活动和流体动力学。为此，刘易斯博士将脑电图与快速功能磁共振成像 (fMRI) 创新结合，并使用她开发的算法进行改进以消除噪音，使她能够观察同步、精确的神经活动和脑脊液流动。她的研究将首先探索这些慢波是如何在大脑中被激活的，以及涉及哪些神经网络，使用可以增强慢波的听觉刺激。其次，她将检查这些慢波与脑脊液流动之间的联系；一种假设是，神经活动减慢会降低对血液的需求，当血液减少时，基本上会将 CSF 吸入大脑。使用组合成像技术，Lewis 博士将能够以 3D 方式在整个大脑中时刻观察耦合的血流和脑脊液流。

这种相互作用的影响是深远的。在这些慢波中，大脑的神经网络以一种对记忆重新激活和短期大脑健康至关重要的方式重组；与慢波相关的脑脊液流动对大脑的长期健康很重要。了解这些系统的工作原理将有助于未来的睡眠研究人员了解何时出现问题，尤其对神经和精神疾病的研究感兴趣，包括阿尔茨海默氏症，这可能与慢波睡眠中断有关。

Ashok Litwin-Kumar，博士, 纽约哥伦比亚大学神经科学系和祖克曼研究所助理教授

连接组约束的适应性行为模型

随着越来越复杂的神经系统的新电子显微镜 (EM) 接线图，研究人员即将更深入地了解这些系统如何导致行为。挑战：如何利用这些被称为连接组的庞大数据集，就果蝇而言，这些数据集包括数万个神经元和数千万个突触。完成这项任务很困难，因为许多成功的行为建模方法，包括受机器学习启发的技术，使用的模型不能反映大脑和神经系统如何连接的现实。

在他的研究中，Litwin-Kumar 博士旨在开发一种方法，通过开发方法来识别连接组内可以约束行为模型的相关结构，从而将连接组世界和行为功能模型结合在一起——例如，通过限制模型，所以他们只使用物理上存在于连接组中的突触连接，而不是在神经元之间进行物理上不可能的跳跃。

为了测试和改进这种方法，Litwin-Kumar 博士首先关注果蝇大脑中称为蘑菇体的部分的连接组，这是一个映射良好的区域，是联想学习的中心。 Kenyon 细胞接收的感觉输入被投射到输出神经元，从而触发接近或回避反应等行为。使用先进的建模，该团队将寻求有效地识别连接组内的结构，以反映信息如何传递到蘑菇体。然后，他们将测试受这些连接约束的深度学习模型，以了解与无约束模型相比，它们预测对刺激的反应的效率如何。进一步的测试将探索多巴胺神经元在更复杂的学习中的作用。总的来说，这项研究将为使用越来越复杂的连接组以及学习模型更准确地反映真实生物的行为奠定基础。

大卫施耐德，博士， 纽约大学神经科学中心助理教授，纽约，纽约

鼠标皮层中的坐标变换

在先进生物的大脑中发现的众多非凡能力之一是预测未来的能力，不仅是在长时间尺度上，而且是每时每刻，不断统计和记录来自感官输入的数据，并根据过去的经验创建预测模型。这些预测模型帮助我们更有效地导航和与世界互动——同样重要的是，识别可能是危险或机遇迹象的预期偏差。 Schneider 博士的工作重点是大脑的运动控制和感觉区域如何以这种方式协同工作，并将致力于揭示大脑如何学习和形成构成预期基础的记忆。

在他的实验中，施耐德博士专注于在小鼠大脑（和人类大脑）中发现的一条看似违反直觉的通路：连接运动控制区域和听觉感觉区域的管道。每当进行运动时，这两个区域都会以一种方式进行交流，告诉听觉系统忽略该运动产生的声音，就像照片底片消除声音一样。在他的实验中，老鼠会习惯于在推动杠杆时期待某种声音。当听到预期的声音时，将记录神经活动和行为反应，然后在声音发生微妙变化时再次记录。

这些实验将有助于确定特定神经元在预测感觉反应中的作用、大脑的运动控制和感觉中枢如何相互作用，以及当新声音成为“预期”时，运动和感觉区域之间的通路如何变化。进一步的研究将阻断大脑中的某些通路，以确定它们在预测中的作用，并了解大脑如何使用视觉输入来帮助预测自发声音。了解这些预测和学习系统如何工作可能有助于指导未来对一系列神经系统疾病的研究。

Swathi Yadlapalli，博士， 密歇根大学医学院细胞与发育生物学系助理教授，密歇根州安娜堡

控制昼夜节律的细胞机制

生物钟——一种 24 小时的内部时钟，驱动我们生物系统的许多节律，例如我们何时睡觉、醒来、我们如何代谢等等——几乎存在于我们身体的所有细胞中。但究竟是什么在任何给定的细胞内发生以创造这种节奏，我们知之甚少。之前的生化和遗传研究已经确定了作为转录因子的关键蛋白质，无论是积极的还是抑制性的，在昼夜节律中发挥作用，但并没有在亚细胞水平上确切地说明它们在活细胞中的功能，在生物学上相当于具有零件清单，但不了解它们是如何组合在一起的。

Yadlapalli 博士开发了创新方法，可以对这些蛋白质进行单细胞、高分辨率可视化，以及它们如何在 24 小时内在果蝇活细胞中相互作用，初步发现已经揭示了意想不到的结果见解。具体来说，一种称为 PER 的关键抑制转录因子聚集形成均匀分布在细胞核包膜周围的病灶，并在循环过程中改变时钟基因的核位置。以前，假设这些蛋白质是自由漂浮的或随机分布的。这些研究突出了生物钟系统中一个重要的新调节层。

在一系列实验中，Yadlapalli 博士将确定这一过程中涉及的机制——病灶如何形成及其定位，以及它们如何促进对时钟调节基因的抑制。更多地了解这些基本的、强大的细胞过程的工作原理，这些过程对整个生物体的行为和健康都有影响，将为研究许多睡眠和代谢紊乱以及神经系统疾病提供一个起点。