30 يوليو 2021
أعلن صندوق McKnight Endowment for Neuroscience (MEFN) عن المستفيدين الثلاثة من $600،000 في تمويل المنح من خلال 2021 McKnight الابتكارات التكنولوجية في جوائز العلوم العصبية ، تقديراً لهذه المشاريع لقدرتها على تغيير طريقة إجراء أبحاث علم الأعصاب بشكل أساسي. سيتلقى كل مشروع ما مجموعه $200،000 على مدى العامين المقبلين ، مما يعزز تطوير هذه التقنيات الرائدة المستخدمة في رسم خريطة لوظائف الدماغ ومراقبتها ونمذجةها. الفائزون بجائزة 2021 هم:
- تيموثي دن ، دكتوراه ، من جامعة ديوك ، الذي يعمل على نظام لالتقاط حركة جسم الأشخاص باستخدام قياسات ثلاثية الأبعاد (بدلاً من قياسات بكسل ثنائية الأبعاد) من خلال الجمع بين عدة كاميرات فيديو وخوارزمية جديدة للتعلم الآلي. تسمح هذه الطريقة بتتبع عالي الدقة لأجزاء الجسم الصغيرة المنفصلة في الحيوانات التي تتصرف بحرية ، وتسمح بالدراسة في الفضاء الطبيعي ، ويمكنها حتى تتبع حيوانات متعددة تتفاعل اجتماعيًا ، وهي مجموعة من الميزات غير المتوفرة في الأنظمة الحالية.
- جيفري كيفت ، دكتوراه ، من كلية الطب بجامعة كولورادو ، من يطور طريقة لهندسة الحمض النووي الريبي (RNA) لإنشاء شكل من أشكال الحماية يمكن أن يقلل من معدل تدمير الرنا المرسال بواسطة الإنزيمات. بهذه الطريقة ، سيكون الباحثون قادرين على إدارة وفرة بروتينات الرنا المرسال المحددة في الخلايا ، وهي مفيدة في الدراسة وربما حتى في علاج اضطرابات معينة.
- Suhasa Kodandaramaiah ، دكتوراه ، جامعة مينيسوتا توين سيتيز ، الذي يستخدم أنظمة روبوتية لتمكين تتبع أكثر قوة لنشاط الدماغ في الحيوانات التي تتحرك بحرية. باستخدام الروبوتات لتحريك الأجهزة على طول محاور متعددة متزامنة مع الحيوان ، يسمح هذا النهج باستخدام أنظمة مراقبة أكبر وأكثر قوة وأعلى دقة من الإصدارات المصغرة التي غالبًا ما تستخدم للتجارب على الحيوانات التي تتحرك بحرية.
تعرف على المزيد حول كل من هذه المشاريع البحثية أدناه.
حول الابتكارات التكنولوجية في جوائز علم الأعصاب
منذ أن تم إنشاء جائزة McKnight للابتكارات التكنولوجية في علم الأعصاب في عام 1999 ، ساهمت MEFN بأكثر من مليون 1 تيرابايت 2 تيرابايت في التقنيات المبتكرة لعلم الأعصاب من خلال آلية الجائزة هذه. تهتم MEFN بشكل خاص بالعمل الذي يتخذ مناهج جديدة ومبتكرة لتطوير القدرة على معالجة وتحليل وظائف الدماغ. يجب أن تكون التقنيات التي تم تطويرها بدعم McKnight متاحة في النهاية للعلماء الآخرين.
قال ماركوس مايستر ، دكتوراه ، رئيس لجنة الجوائز وأستاذ العلوم البيولوجية في آن ب. وبنجامين ف. في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. "واجهنا هذا العام خيارًا صعبًا من بين العديد من التطورات المثيرة ، وتمتد جوائزنا إلى نطاق واسع ، من الهيكل الخارجي الآلي لدعم التسجيل العصبي في القوارض ، إلى التحكم الجزيئي في التعبير الجيني الدقيق ، إلى خوارزميات التتبع ثلاثي الأبعاد لسلوك الحيوان. "
تضمنت لجنة الاختيار لهذا العام أيضًا Adrienne Fairhall ، و Timothy Holy ، و Loren Looger ، و Mala Murthy ، و Alice Ting ، و Hongkui Zeng ، الذين اختاروا جوائز الابتكارات التكنولوجية في العلوم العصبية لهذا العام من مجموعة تنافسية للغاية من 73 متقدمًا.
خطابات النوايا لجوائز 2022 الابتكارات التكنولوجية في علم الأعصاب من المقرر يوم الإثنين 6 ديسمبر 2021. وسيصدر إعلان حول عملية 2022 في أغسطس. انقر لمزيد من المعلومات حول الجوائز.
2021 McKnight الابتكارات التكنولوجية في جوائز علم الأعصاب
تيموثي دن ، دكتوراه ، أستاذ مساعد ، قسم الهندسة الطبية الحيوية ، جامعة ديوك
القياس الكمي السلوكي ثلاثي الأبعاد متعدد المقاييس في الأفراد والمجموعات الاجتماعية
الأساليب الحالية لقياس حركة الحيوانات التي تتصرف بحرية لها قيود: تتطلب الملاحظات التفصيلية للغاية للحركات الصغيرة للحيوان (رقم واحد ، على سبيل المثال) نطاقات محدودة من الحركة. غالبًا ما تعني دراسة السلوك المتحرك بحرية في الفضاء ثلاثي الأبعاد تحديد الدقة ، وربما تتبع الموضع الكلي فقط ، أو الاعتماد على وصف المراقب. يتطلب التتبع التلقائي للفيديو في الحيوانات عادةً بيئة غير طبيعية وبسيطة ، ولا يتم تعقب أجزاء الجسم غير المرئية للكاميرات بدقة. تتطلب تنبؤات الذكاء الاصطناعي عالية الدقة (AI) على مساحات كبيرة ثلاثية الأبعاد باستخدام التمثيل المكاني الحجمي ، وهي تقنية تم تطويرها مؤخرًا للتغلب على هذه المشكلات ، قوة حوسبة هائلة. تقدم إضافة حيوانات متعددة للملاحظات الاجتماعية مشكلات إضافية.
نتيجة لذلك ، هناك ضعف في توافر البيانات المطلوبة: التتبع التلقائي عالي الدقة للحيوانات في مساحة ثلاثية الأبعاد تؤدي سلوكيات طبيعية ، بمفردها أو في مجموعات ، وتقدير هذه الحركة بتنسيق موحد. يعمل الدكتور دن على نهج جديد يهدف إلى تقريب هذا النموذج المثالي. بناءً على ما تم تعلمه من خوارزمية التعلم الآلي الهندسية ثلاثية الأبعاد التي استخدمها فريقه لتحسين دقة التنبؤات بشكل كبير ، يعمل الدكتور دن وفريقه الآن على أخذ عينات الصور المتكررة التكيفية (ARIS) التي تجمع بين الصور من كاميرات متعددة لبناء نموذج يمكنه قياس موضع الجسم والتنبؤ به على العديد من المقاييس ، حتى عندما لا يكون الجزء (مثل الذراع أو القدم) مرئيًا بشكل مباشر.
يعمل نظام ARIS بشكل انتقائي على تحسين دقة ميزات الجسم الدقيقة ، ويستخدم النمذجة التنبؤية بناءً على ما يعرفه عن موضوعه (ترتيب الأطراف وطولها ، وكيفية اتصالها ، وكيفية تحركها ، وما إلى ذلك) - تم تعلمها أولاً عن طريق تحليل كميات هائلة من بيانات التدريب من الفئران التي تتصرف بحرية ومن ثم تم ضبطها باستخدام بيانات التدريب في الأنواع الأخرى - للتركيز على الجزء من الفضاء الذي من المحتمل أن يكون فيه جزء الجسم. يستخدم هذا قوة حسابية أقل بكثير من أدوات القياس ثلاثية الأبعاد السابقة. في بحثه ، سيقوم الدكتور دن بتنفيذ نظام ARIS وتسجيل البيانات بمقاييس متعددة ، من الوضع العام والوضع وصولاً إلى حركة السمات الدقيقة لليدين والقدمين والوجه. سوف يستكشف مزيد من البحث فعاليته مع تفاعل حيوانات متعددة. هذه القدرة على قياس السلوك بطريقة جديدة وأكثر دقة لها آثار واسعة على دراسة الاضطرابات العصبية التي تؤثر على الحركة ، وربط نشاط الدماغ بالسلوك ، ودراسة التفاعلات الاجتماعية.
جيفري كيفت ، دكتوراه ، أستاذ بقسم الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة الجزيئية ، كلية الطب بجامعة كولورادو
تقنية جديدة للتحكم في النسخ
يُعرف Messenger RNA ، أو mRNA ، بأنه لاعب حيوي في حياة الخلايا وصحتها. جزيئات الحمض النووي الريبي هذه هي القوالب لصنع البروتين ، ويتم إنشاؤها داخل الخلايا لتحمل التعليمات إلى آلية صنع البروتين ، ثم يتم تدميرها بواسطة الإنزيمات. يُطلق على مجموع الرنا المرسال الذي يعبر عنه الكائن "ترنسكريبتوم".
ترتبط أوجه القصور في الرنا المرسال والرنا غير المشفر (ncRNA) ببعض الاضطرابات التنكسية العصبية والنمائية العصبية. إذا كان هناك القليل جدًا من mRNA أو ncRNA معين في النسخ ، فقد تتدهور بعض الوظائف الخلوية أو يتم تعطيلها. يستكشف الدكتور كيفت طريقة جديدة لإدارة الترنسكريبتوم عن طريق إبطاء تحلل الرنا المرسال والـ ncRNA. مع العلم أن بعض الإنزيمات التي تدمر الحمض النووي الريبي (RNAs) بشكل أساسي "تمضغها" من طرف إلى آخر ، استخدم الدكتور كيفت فهمه لكيفية هيكلة جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) وتنطوي على نفسها لتكوين قطعة هندسية من الحمض النووي الريبي المقاوم للنيوكلياز (xrRNA) التي ، عند تقديمه إلى mRNA أو ncRNA المتوافق ، يتحد ويثني لتشكيل بنية "معطلة" ، مما يؤدي حرفياً إلى تغيير شكل الحمض النووي الريبي عن طريق إدخال نتوء يوقف الإنزيمات في مساراتها.
من خلال إبطاء تحلل الرنا المرسال و ncRNA المستهدف ، يرى الدكتور كيفت الفرصة لإدارة وفرتها داخل النسخة النصية. يمكن لـ xrRNAs المهندسة التعرف على أهداف محددة فقط ، والارتباط بها ، وإنشاء الحماية ، بحيث يمكن للباحثين زيادة نسبة الهدف دون تغيير مقدار ما يتم إنشاؤه. يتميز هذا النهج بكونه أقل اضطرابًا للخلية المضيفة من تعزيز mRNA بشكل غير طبيعي ، كما أن الدقة التي يمكن بها هندسة xrRNA توفر إمكانية استهداف عدة RNAs في وقت واحد ، وربما تسمح أيضًا بضبط دقيق عن طريق إدارة معدل بدقة فساد. يرى الدكتور كيفت هذا التطبيق ، الذي نشأ من العلوم الأساسية التي تدرس الحمض النووي الريبي ، كأداة بحث قوية محتملة لعلماء الأعصاب ، وربما حتى الأساس للعلاجات في المستقبل البعيد.
Suhasa Kodandaramaiah ، دكتوراه ، بنيامين مايهوغ أستاذ مساعد ، قسم الهندسة الميكانيكية ، جامعة مينيسوتا المدن التوأم
ساعد الروبوت على التسجيلات على مستوى الدماغ في الفئران التي تتصرف بحرية
عادةً ما يتعين على علماء الأعصاب الذين يدرسون نشاط الدماغ أثناء السلوكيات إجراء مفاضلة: يستخدمون أجهزة استشعار عصبية مصغرة مثبتة على الرأس تكون خفيفة بدرجة كافية للسماح للحيوان الخاضع للتصرف بالتصرف بحرية ، ولكنها أقل دقة أو لا يمكنها مراقبة الدماغ بالكامل. أو يستخدمون أدوات أكثر قوة ، والتي تكون ثقيلة جدًا بالنسبة للحيوانات الخاضعة وتتطلب حلولًا أخرى ، مثل عدم الحركة أثناء السماح للحيوانات بالتحرك في حلقة مفرغة ، أو حتى استخدام تجارب الواقع الافتراضي التي مع ذلك تحد من سلوك الشخص.
يتعامل الدكتور كوداندارامايا مع التحدي بهيكل خارجي جمجمة آلي يحمل وزن أجهزة التسجيل والمراقبة العصبية مع السماح للموضوع (في هذه الحالة الفأر) بتدوير رأسه في جميع الدرجات الثلاث: دوران كامل بزاوية 360 درجة في الانعراج (الدوران الأفقي) ، وحوالي 50 درجة من الحركة في محاور الانعراج واللف ، أثناء التحرك في الحلبة. يحتوي الروبوت على ثلاثة أذرع متصلة مرتبة في شكل مثلث ، معلقة فوق الموضوع وتلتقي عند نقطة التثبيت على الرأس. ستكتشف المستشعرات الموجودة في الحامل الحركة التي يقوم بها الماوس وتوجه الروبوت لتمكين الحركة بأقل قوة مقاومة ممكنة ، مما يسمح للفأرة بالدوران والتحرك داخل حلبة تُستخدم عادةً في تجارب علم الأعصاب مع جميع المعدات الحسية الضرورية و أسلاك من الغرسات التي يدعمها الروبوت.
إن تلبية الحاجة إلى التصغير يسمح للباحثين باستخدام أي جهاز متطور متوفر ، مما يعني أنه يمكن ترقية الروبوت نظريًا لاستخدام أحدث التقنيات بعد طرحه بفترة وجيزة. للوصول إلى هذه النقطة ، سيخوض فريق الدكتور كوداندارامايا عدة خطوات - هندسة الهيكل الخارجي ؛ هندسة المسرح الرئيسي بأجهزة الاستشعار اللازمة بالإضافة إلى أقطاب وكاميرات عالية الكثافة للمراقبة الخارجية للعين والشعيرات وغير ذلك ؛ إجراء اختبار الفوق ؛ ضبط الروبوت على المدخلات التي يمكن أن يقدمها الماوس ؛ تحديد كيفية إدخال المجسات ؛ وأخيرًا إجراء تسجيل مباشر. مع هذا الأساس الميكانيكي ، يأمل الدكتور كودانداراماياه في مساعدة الباحثين على الاقتراب من الحالة حيث يمكنهم إجراء تسجيلات عصبية مفصلة على مستوى الدماغ لأشخاص يتصرفون بحرية على مدى فترات زمنية طويلة.
