Zum Inhalt springen

Preisträger

2019-2020

Gilad Evrony, MD, Ph.D., Assistenzprofessor, Zentrum für Humangenetik und Genomik, Abt. für Pädiatrie und Neurowissenschaften und Physiologie, New York University Langone Health

"TAPESTRY: Eine Single-Cell-Multi-Omics-Technologie für die hochauflösende Linienverfolgung des menschlichen Gehirns"

Es ist allgemein bekannt, dass jeder Mensch als einzelne Zelle mit einer einzelnen Reihe von DNA- „Anweisungen“ beginnt, Details darüber, wie diese eine Zelle zu Billionen wird - einschließlich der zig Milliarden Zellen im Gehirn - sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Dr. Evronys Forschung zielt darauf ab, eine Technologie namens TAPESTRY zu entwickeln, die diesen Prozess erhellt, indem sie einen „Stammbaum“ von Gehirnzellen erstellt, aus dem hervorgeht, aus welchen Vorläuferzellen die Hunderte von Typen reifer Zellen im menschlichen Gehirn hervorgehen.

Die Technologie könnte einige der Hauptprobleme lösen, mit denen Forscher konfrontiert sind, die sich mit der Entwicklung des menschlichen Gehirns befassen. Die Schlüsselmethode zur Untersuchung der Entwicklung durch Verfolgung von Abstammungslinien (Einbringen von Markern in Zellen unreifer Tiere und anschließende Untersuchung der Übertragung dieser Marker auf ihre Nachkommen) ist beim Menschen nicht möglich, da sie invasiv ist. Dr. Evronys frühere Arbeit zusammen mit Kollegen hat gezeigt, dass natürlich vorkommende Mutationen verwendet werden können, um Linien im menschlichen Gehirn zu verfolgen. TAPESTRY zielt darauf ab, diesen Ansatz weiterzuentwickeln und zu skalieren, indem verschiedene Einschränkungen der aktuellen Methoden gelöst werden. Erstens erfordert die Linienverfolgung eine zuverlässigere Isolierung und Amplifikation der winzigen DNA-Mengen einzelner Zellen. Zweitens muss ein detailliertes Verständnis der Entwicklung des menschlichen Gehirns kostengünstig sein, um das Profilieren von Tausenden oder Zehntausenden einzelner Zellen zu ermöglichen. Schließlich muss es auch Phänotypen von Zellen abbilden - nicht nur, wie eng die Zellen zusammenhängen, sondern auch, um welche Zelltypen es sich handelt. TAPESTRY versucht, diese Herausforderungen zu lösen.

Dr. Evronys Ansatz ist auf alle menschlichen Zellen anwendbar, ist jedoch von besonderem Interesse für Erkrankungen des Gehirns. Sobald gesunde Hirnlinien kartiert sind, können sie als Basis verwendet werden, um zu sehen, wie sich die Hirnentwicklung bei Personen mit verschiedenen Störungen, die wahrscheinlich in der Entwicklung auftreten, wie Autismus und Schizophrenie, unterscheidet.

Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D., Assistenzprofessor, Institut für Biomedizinische Wissenschaften, Marquette University

„Schnelle panoptische Bildgebung von Gehirnvolumina mittels zeitmarkierter viereckiger Stereoskopie“

Moderne optische Bildgebungstechniken für das Gehirn ermöglichen die Beobachtung einer dünnen Schicht des Gehirns, aber die Bildgebung einer Vielzahl von Gehirnaktivitäten im dreidimensionalen Raum - wie z. B. einem Gehirnvolumen - hat sich als entmutigend erwiesen. Dr. Savtchouk hat einen Ansatz entwickelt, mit dem Forscher sehen können, was nicht nur auf der Oberfläche eines Gehirns geschieht, sondern auch tief im Inneren und in einer viel höheren räumlich-zeitlichen Auflösung als jemals zuvor.

Der Kernprozess - die Zwei-Photonen-Mikroskopie - erfasst die Gehirnaktivität, indem nach Fluoreszenz in den genetisch veränderten Gehirnzellen von Labortieren gesucht wird. Mit einem einzelnen Laser werden Tiefeninformationen sehr langsam aufgezeichnet. Mit zwei Laserstrahlen erhalten Forscher im Wesentlichen eine binokulare Sicht - sie können sehen, was näher und weiter entfernt ist, aber es gibt immer noch visuelle „Schatten“, in denen nichts zu sehen ist (zum Beispiel, wenn eine Person auf eine Schachbrettkante schaut, einige Teile kann durch nähere Teile blockiert werden.) Dr. Savtchouk löst dieses Problem mit der Hinzufügung von zwei zusätzlichen Laserstrahlen, die Quad-Vision ermöglichen und tote Winkel erheblich reduzieren. Er sequenziert auch das Timing der Laser - die schnell pulsieren - damit die Forscher wissen, welcher Laser welche Aktivität gesehen hat, was für die Erstellung eines zeitgenauen dreidimensionalen Modells entscheidend ist.

Dr. Savtchouks Projekt besteht darin, das System zunächst in Computersimulationen zu entwerfen und dann seine Anwendung mit Mausmodellen zu beweisen. Sein Ziel ist es, Möglichkeiten zu entwickeln, um vorhandene Zwei-Photonen-Mikroskope sowohl durch Hinzufügen von Laserstrahlen als auch durch Upgrades von Hardware und Software zu aktualisieren, damit Labors von der Technologie profitieren können, ohne ein ganz neues System bezahlen zu müssen.

Nanthia Suthana, Ph.D., Außerordentlicher Professor, Abteilung für Psychiatrie und Bioverhaltenswissenschaften, Universität von Kalifornien, Los Angeles

„Drahtlose und programmierbare Aufzeichnung und Stimulation der Aktivität des tiefen Gehirns bei sich frei bewegenden Menschen in der virtuellen (oder erweiterten) Realität“

Die Untersuchung neurologischer Phänomene des Menschen ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Das menschliche Gehirn kann nicht direkt wie das tierische Gehirn untersucht werden, und es ist schwierig, die Phänomene in einer Laborumgebung nachzubilden (und deren Ergebnisse aufzuzeichnen). Dr. Suthana schlägt vor, ein System zu entwickeln, das virtuelle und erweiterte Realität verwendet, um realistische Testszenarien für ihre Probanden zu erstellen. Sie verwendet Daten, die von implantierbaren Gehirngeräten zur Behandlung von Epilepsie aufgezeichnet wurden.

Hunderttausende von Menschen lassen diese Geräte implantieren, und viele der implantierten Geräte ermöglichen die drahtlose Programmierung und Datenwiederherstellung. Dr. Suthanas Ansatz nutzt letzteres - diese Geräte zeichnen alle Arten von Tiefenhirnaktivität auf und sie kann auf Daten zurückgreifen, die aufgezeichnet wurden, während die Probanden in VR- oder AR-basierten Experimenten interagieren. Wichtig ist, dass sich die Probanden frei bewegen können, da sie den Gehirnaktivitätsmonitor und das Aufzeichnungsgerät mit sich führen. Bewegungserfassung und biometrische Messungen können gleichzeitig durchgeführt werden, um ein vollständiges Bild der Antworten zu erhalten.

Dr. Suthana arbeitet mit einem multidisziplinären Team zusammen, um das System zum Laufen zu bringen. Dieses Team besteht aus Elektrotechnikern, Physikern und Informatikern. Grundlegende Fakten wie die Signallatenz müssen ermittelt werden, damit Daten synchronisiert und genau gemessen werden können. Letztendlich glaubt sie, dass frei agierende Menschen, die mit möglichst realistischen Simulationen interagieren, es Forschern ermöglichen, die Funktionsweise des Gehirns genauer zu verstehen. Neben grundlegenden neurologischen Fragen - wie der Frage, welche Gehirnaktivität und körperlichen Reaktionen bestimmte Aktionen oder Reaktionen auf Reize begleiten - ist das System vielversprechend für die Erforschung posttraumatischer Belastungsstörungen und anderer Bedingungen, bei denen Umweltauslöser in einer kontrollierten virtuellen Umgebung simuliert werden können.

2018-2019

Michale S. Fee, Ph.D., Glen V. und Phyllis F. Dorflinger, Professorin für Computer- und Systemneurowissenschaften, Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften, Massachusetts Institute of Technology; und Investigator, McGovern Institute for Brain Research

„Neue Technologien zur Abbildung und Analyse neuronaler Zustandsraumtrajektorien bei frei lebenden Kleintieren“

Das Studium der neuronalen Aktivität im Gehirn von Tieren ist seit langem eine Herausforderung für die Forscher. Gegenwärtige Ansätze sind unvollkommen: Die gegenwärtige Größe von Mikroskopen erfordert, dass Tiere in ihrer Aktivität eingeschränkt werden, und diese Mikroskope bieten ein begrenztes Sichtfeld für Neuronen. Dr. Fee und sein Labor haben Durchbrüche in der Miniaturisierung von Mikroskopen erzielt und entwickeln nun die Tools, die erforderlich sind, um zu sehen, was im Gehirn eines Tieres vor sich geht, während das Tier die Freiheit hat, natürliche Verhaltensweisen auszuführen.

Mit dem Kopfmikroskop kann Dr. Fee Veränderungen im Gehirn von Jungvögeln beobachten, wenn sie lernen, ihre Lieder zu singen. Während sie zuhören, wiederholen und lernen, dokumentiert Dr. Fee die neuronalen Schaltkreise, die sich als Teil dieses komplexen Lernprozesses entwickeln. Diese Schaltkreise beziehen sich auf menschliche Schaltkreise, die sich während des komplexen Lernens motorischer Abläufe bilden, z. B. beim Fahrradfahren, und sind unter bestimmten Bedingungen, einschließlich der Parkinson-Krankheit, gestört. Angesichts seines Ziels, einen natürlichen Lernprozess zu dokumentieren, ist es von entscheidender Bedeutung, in der Lage zu sein, neuronale Aktivitäten während natürlicher Verhaltensweisen aufzuzeichnen.

Zusätzlich zur Miniaturisierung kann das neue Mikroskop eine Größenordnung mehr Neuronen aufnehmen als andere Techniken, die für sich frei verhaltende Tiere verwendet werden. Außerdem wird es mit neuen Datenanalysen kombiniert, mit denen Forscher in Echtzeit Beobachtungen durchführen und ihre Werte anpassen können Experimente, die den Forschungsprozess beschleunigen. Es wird sofortige und umfassende Anwendungen für Forscher haben, die alle Arten von Gehirnverhalten bei kleinen Tieren untersuchen.

Marco Gallio, Ph.D., Assistenzprofessor, Abteilung für Neurobiologie, Northwestern University

„Verbindungen im lebenden Gehirn neu verkabeln“

Diese Forschung zielt darauf ab, unser Verständnis der Funktionsweise des Gehirns zu erweitern, indem es Wissenschaftlern ermöglicht, synaptische Verbindungen selektiv zu beschneiden und neue Verbindungen zwischen Neuronen zu fördern. Durch diese Umverdrahtung des Gehirns können die Forscher genauer verstehen, welche Zusammenhänge in bestimmten Untergruppen neurologischer Effekte eine Rolle spielen.

Jedes Neuron innerhalb eines Gehirnkreislaufs ist mit mehreren Zielen verbunden. Jedes Ziel kann eine eindeutige Funktion haben und daher die gleichen eingehenden Informationen auf eine völlig andere Weise verarbeiten. Beispielsweise enthalten einige bestimmte Neuronen im Gehirn der Fruchtfliege Informationen über die äußere Umgebung, die verwendet werden, um sich schnell von drohenden Bedrohungen zu lösen (ein angeborenes Verhalten), aber auch, um durch Lernen dauerhafte Assoziationen hervorzurufen.

Die vorgeschlagene Technologie ermöglicht es Forschern, die für jeden Prozess wichtigen Verbindungen zu lokalisieren, indem Synapsen zu den Lernzentren selektiv entfernt werden, während alle anderen Verbindungen intakt bleiben. Das Projekt zielt darauf ab, gentechnisch veränderte Designerproteine herzustellen, die entweder Abstoßung oder Anziehung / Adhäsion zwischen genetisch definierten synaptischen Partnern im intakten Gehirn lebender Tiere vermitteln. Die Forschung wird nicht nur nachweisen, dass eine solche Neuverdrahtung des Gehirns möglich ist, sondern auch neue Fruchtfliegenstämme mit einer einzigartigen Genetik hervorbringen, die sofort mit anderen Forschern geteilt werden können. Aufgrund ihres Designs können diese Tools leicht für die Verwendung in jedem Tiermodell modifiziert oder auf verschiedene Teile des Gehirns angewendet werden. Dies ermöglicht eine völlig neue Klasse neurologischer Studien mit tiefgreifenden Auswirkungen auf unser Verständnis der Funktionsweise des menschlichen Gehirns.

Sam Sober, Ph.D. , Außerordentlicher Professor, Department of Biology, Emory University

Muhannad Bakir, Ph.D., Professor an der School of Electrical and Computer Engineering und stellvertretender Direktor am Interconnect and Packaging Center des Georgia Institute of Technology

„Flexible Elektrodenarrays zur großflächigen Aufzeichnung von Spikes aus Muskelfasern in frei lebenden Mäusen und Singvögeln“

Unser Verständnis, wie das Gehirn die Muskelaktivität während des Verhaltens von Fachleuten koordiniert, wurde durch die zur Aufzeichnung dieser Aktivität verwendete Technologie eingeschränkt - normalerweise Drähte, die in Muskeln eingeführt werden und die nur die summierte Aktivität vieler einzelner Signale erfassen können, die das Nervensystem zur Steuerung der Muskeln verwendet. Drs. Sober und Bakir entwickeln ein sogenanntes "High Definition" -Sensorarray (eine Sammlung von vielen kleinen Sensoren), das viele dieser Probleme löst, indem es Forschern ermöglicht, sehr genaue elektrische Signale von einzelnen Muskelfasern zu erfassen und aufzuzeichnen.

Der vorgeschlagene Sensor hat viele Detektoren, die von einem Muskel aufzeichnen, ohne ihn zu beschädigen. (Frühere Ansätze beruhten auf Drähten, die beim Einführen die Muskeln beschädigen könnten, insbesondere auf kleinen Muskeln, die für die Feinmotorik verwendet wurden.) Die Arrays sind aus flexiblen Materialien gefertigt, die der Form eines Muskels entsprechen und sich bei Bewegungen des Tieres ändern. Da die Arrays exponentiell mehr Daten sammeln als frühere Geräte, verfügen sie außerdem über integrierte Schaltkreise zum Sammeln und Packen von Daten, bevor die Signale an den Computer des Forschers übertragen werden.

Eine Prototypversion des Arrays enthüllte bereits neue Erkenntnisse: Früher glaubte man, dass das Nervensystem die Muskelaktivität steuert, indem es nur die Gesamtzahl der elektrischen Spitzen reguliert, die an einen Muskel gesendet werden. Die genaue Erkennung ergab jedoch, dass Schwankungen im Millisekundenbereich der Multi-Spike-Timing-Muster das Verhalten der Muskeln beeinflussen. Die neuen Arrays sind für die Verwendung in Mäusen und Singvögeln konzipiert und helfen uns, die neuronale Steuerung vieler verschiedener qualifizierter Verhaltensweisen zu verstehen und möglicherweise neue Einblicke in neurologische Störungen zu erhalten, die sich auf die Motorik auswirken.

2017-2018

Jose M. Carmena, Ph.D., Professor am Institut für Elektrotechnik und Informatik und am Helen Wills Neuroscience Institute der University of California in Berkeley

Michel M. Maharbiz, Ph.D., Professor, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, University of California Berkeley

Neural Dust: eine ultraschalltaugliche Extrem-Miniaturtechnologie mit geringem Stromverbrauch für vollständig drahtlose und nicht angeschlossene neuronale Aufzeichnungen im Gehirn

Drs. Carmena und Maharbiz arbeiten zusammen, um die nächste Generation von Brain-Machine-Interfaces (BMI) zu entwickeln. Dabei wird sogenannter „neuronaler Staub“ verwendet - implantierbare Ultraschallsensoren in Mote-Größe, die die Notwendigkeit von Drähten, die durch den Schädel verlaufen, beseitigen und ermöglichen könnten für kabellose kortikale Aufzeichnung in Echtzeit. Während Forscher in ihren Labors sowie andere Kollegen des Berkeley-Instituts für Elektrotechnik und Informatik der Universität von Kalifornien und des Helen Wills Neuroscience Institute das Potenzial der neuronalen Staubtechnologie für Muskeln und das periphere Nervensystem untersuchen, finanziert von McKnight wird es Forschern ermöglichen, das Konzept auf das zentrale Nervensystem anzuwenden, eine Methode, von der sie glauben, dass sie die Neurologie auf die gleiche Weise revolutionieren könnte, wie der Schrittmacher die Kardiologie revolutioniert hat. Carmena und Maharbiz stellen sich durch den geschlossenen Regelkreis der neuronalen Staubtechnologie eine Zukunft vor, in der das Gehirn trainiert oder behandelt werden kann, um nach einer Verletzung oder dem Auftreten einer neuropsychologischen Erkrankung die normale Funktionsfähigkeit wiederherzustellen.

Ali Gholipour, Ph.D., Assistenzprofessor für Radiologie an der Harvard Medical School; Direktor für translationale Radiologieforschung und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Computational Radiology Laboratory des Boston Children's Hospital

Bewegungsstabile Bildgebungstechnologie zur quantitativen Analyse der frühen Gehirnentwicklung 

Die Bewegung von Föten, Neugeborenen und Kleinkindern stellt eine besondere Herausforderung für Forscher dar, die sich auf fortgeschrittene Bildgebung konzentrieren, um die frühe Gehirnentwicklung zu analysieren und mögliche Störungen zu identifizieren. Die Arbeitsgruppe von Dr. Gholipour im Computational Radiology Laboratory des Boston Children's Hospital arbeitet an der Entwicklung, Evaluierung und Verbreitung neuer, bewegungsstabiler Magnetresonanztomographietechnologien und -software, mit deren Hilfe Forscher In-utero perinatal untersuchen und charakterisieren können und frühkindliche Gehirnfunktion und -struktur. Neue Bildgebungs- und Bildanalysewerkzeuge können die Fähigkeit der Neurowissenschaftler, Big Data zu sammeln und zu analysieren, dramatisch verbessern, um das Verständnis der frühen Gehirnentwicklung zu verbessern und einen klareren Zusammenhang mit Erkrankungen herzustellen, die möglicherweise aus den frühesten Lebensstadien stammen.

Alexander Schier, Ph.D., Leo Erikson Life Sciences Professor für Molekular- und Zellbiologie, Abteilung für Molekular- und Zellbiologie, Zentrum für Gehirnforschung, Harvard University

Aufzeichnung der Geschichte der neuronalen Aktivität durch Bearbeitung des Genoms

Dr. Schiers Labor verfolgt eine neuartige Technologie, um zu testen, ob genomische Bearbeitungstechnologien die Geschichte der neuronalen Aktivität aufzeichnen können. Der vorgeschlagene Ansatz namens GESTARNA (zur Genom-Bearbeitung von synthetischen Ziel-Arrays zur Aufzeichnung der neuronalen Aktivität) hat das langfristige Potenzial, die neuronale Aktivität von Millionen von Neuronen über längere Zeiträume aufzuzeichnen. Mit dem Modellsystem Zebrafisch könnten die von Dr. Schier und seinem Team entwickelten Werkzeuge und Konzepte eventuell auf andere neuronale Systeme angewendet werden, in denen die Bearbeitung des Genoms und die Sequenzierung der nächsten Generation möglich sind. Als ehemaliger Empfänger der Unterstützung der McKnight Foundation wurde Schier früh als McKnight-Stipendiat (1999-2002) anerkannt und erhielt den Brain Disorders Award (2006-2008).

2016-2017

Kwanghun Chung, Ph.D.,  Massachusetts Institute of Technology

Multiskalige proteomische Rekonstruktion von Zellen und deren gehirnweite Konnektivität

Dr. Chung und sein Labor entwickeln neue Technologien, um eine umfassende, hochauflösende Gehirnkarte zu erstellen. Er wird neue Gewebeverarbeitungstechnologien mit genetischen Markierungstechniken kombinieren. Die derzeitige Gehirnkartierung ist relativ niedrig aufgelöst und unvollständig. Chungs Forschung wird es Neurowissenschaftlern ermöglichen, viele Moleküle, Zelltypen und Schaltkreise in einzelnen Geweben abzufragen. Dr. Chung hofft, dass diese hochauflösende, umfassende Hirnkartierung das Entdeckungstempo in einer Vielzahl von neurowissenschaftlichen Anwendungen beschleunigen und es Wissenschaftlern ermöglichen wird, Tierseuchenmodelle schnell und unvoreingenommen zu charakterisieren.

Narayanan (Bobby) Kasthuri, Ph.D., MD, Universität von Chicago und Argonne National Labs

Brain-X: Nanoskalige Karten des gesamten Gehirns mit Synchrotron-basierten Hochenergie-Röntgenstrahlen

Dr. Kasthuris Labor verwendet energiereiche Röntgenstrahlen, um vollständige und umfassende Karten des Gehirns zu erstellen. Die erzeugten Bildstapel führen zu erstaunlichen Datenmengen, die segmentiert werden können, um die Position jedes Neurons, jedes Blutgefäßes und jeder Komponente des Gehirns zu identifizieren. Durch die Erstellung von Karten von gesunden Mäusen und menschlichen Gehirnen können Wissenschaftler diese mit pathologischen Proben vergleichen, um zelluläre und letztendlich synaptische Unterschiede bei kranken Gehirnen, die unter anderem von Autismus, Diabetes und Schlaganfall betroffen sind, besser zu verstehen.

Stephen Miller, Ph.D., Medizinische Fakultät der Universität von Massachusetts

Überwindung von Bildgebungsbarrieren im Gehirn

Die Bildgebung im Gehirn ist schwierig, da viele molekulare Sonden die Blut-Hirn-Schranke (BBB) nicht überwinden können. Dr. Miller und sein Labor haben Wege gefunden, um die Bildgebung im tiefen Gewebe des Gehirns zu verbessern, indem sie die Biolumineszenzeigenschaften der Glühwürmchen nutzen. Millers Team hat das natürliche Luciferinsubstrat für Glühwürmchen modifiziert, um den Zugang zum Gehirn lebender Tiere zu verbessern. Das Leuchten des Gehirns kann verwendet werden, um die Genexpression, die Enzymaktivität, das Fortschreiten der Krankheit zu überwachen oder die Wirksamkeit neuer Medikamente zu messen.

2015-2016

Long Cai, Ph.D., Kalifornisches Institut der Technologie

Entschlüsselung der molekularen Basis der Zellidentität im Gehirn durch Sequenzierung von FISH

Cais Labor hat eine leistungsstarke Bildgebungsmethode entwickelt, die auf der „Einzelmolekül-Fluoreszenz-In-situ-Hybridisierung“ (smFISH) basiert und es ermöglicht, genetische Informationen (z. B. RNA) in Zellen zu untersuchen. Er versucht nun, diese Methode anzupassen, um die Genexpression direkt in Gehirnen mit derselben hohen Auflösung unter Verwendung von sequenziellem FISH (seqFISH) zu profilieren.

Cynthia Chestek, Ph.D., Universität von Michigan

High-Density 90μ
mPech-Kohlenstoff-Mikrothread-Array zur Aufzeichnung jedes Neurons in Schicht 5

Das Chestek-Labor entwickelt eine Methode zur Aufzeichnung und Visualisierung gesunder, miteinander verbundener, aktiver Neuronen über einen Zeitraum hinweg mit größerer Dichte als jemals zuvor. Mit winzigen Kohlenstofffadenelektroden plant sie, Neuronen in einem Rattengehirn aus einer Reihe von Kanälen aufzunehmen und dann das Gehirn aufzuschneiden, um den gesamten Kreislauf zu visualisieren. Ziel ist es, ein 64-Kanal-Array zu erhalten, das mit einem herkömmlichen neurowissenschaftlichen Konnektor mit hoher Dichte beobachtet werden kann.

Spencer Smith, Ph.D., Universität von North Carolina in Chapel Hill

Multiphotonen-Bildgebung für große Gehirnvolumina

Einzelne Neuronen wirken auf komplexe Weise zusammen, um Gedanken und Verhalten zu formen. Die Multiphotonen-Bildgebung, mit der einzelne Neuronen aus einer Entfernung von mehreren Millimetern aufgelöst werden können, scheint eine innovative Möglichkeit zu sein, diesen Prozess zu untersuchen. Basierend auf früheren Forschungen mit der Zwei-Photonen-Mikroskopie ist Spencers Labor bestrebt, ein benutzerdefiniertes optisches System zu entwickeln, das den Zugang zu 1 Million Neuronen ermöglicht und gleichzeitig die Möglichkeit bietet, Neuronen einzeln zu beobachten.

2014-2015

Juan Carlos Izpisua Belmonte, Ph.D.Das Salk-Institut für biologische Studien

Ableitung, Charakterisierung und Genmodifikation von primordialen Marmoset-Keimzelllinien unter neuartigen Bedingungen

Das Labor in Izpisua Belmonte arbeitet daran, die Zeit zu verkürzen, die für die Entwicklung von Tiermodellen für nichtmenschliche Primaten erforderlich ist, insbesondere für Weißbüschelaffen. Belmonte hat eine Strategie entwickelt, um die Generierung von transgenen Krallenaffenmodellen unter Verwendung von primordialen Keimzellen (PGCs) zu erleichtern. Die Forschung hat das Potenzial, unbegrenzte Zellressourcen für die Untersuchung der Keimzellenentwicklung von Primaten in einer Schale bereitzustellen, und in Kombination mit Tools zur Bearbeitung des Genoms kann der Ansatz dazu beitragen, neuartige Tiermodelle für menschliche Krankheiten zu erstellen.

Sotiris Masmanidis, Ph.D., Universität von California, Los Angeles

Silizium-Mikrosonden zur Überwachung der Dynamik des Gehirns im mittleren Maßstab

Das Masmanidis-Labor entwickelt mikrobearbeitete Silizium-basierte Bauelemente oder Mikrosonden, die durch Massenproduktion in großem Umfang verfügbar gemacht werden können und gleichzeitig viele Neuronen mit einer Auflösung von Millisekunden aufzeichnen können. Mithilfe der Mikrosonden kann Masmanidis untersuchen, wie mehrere Gehirnzellen während des Verhaltens und Lernens interagieren. Darüber hinaus wird sein Labor Techniken entwickeln, mit denen sich Aufnahmeorte präzise beschriften lassen, wodurch die Genauigkeit der Kartierung der Gehirnaktivität verbessert wird.

Kate O'Connor-Giles, Ph.D., Universität von Wisconsin-Madison

Ein CRISPR / Cas9-Toolkit für die umfassende Analyse neuronaler Schaltkreise

O'Connor-Giles möchte modulare Toolkits entwickeln, mit denen sich neuronale Subtypen molekular identifizieren und genetisch steuern lassen. Diese Toolkits werden wichtige Ressourcen für die Charakterisierung der funktionellen Beiträge von Genen zur neuronalen Identität und neuronalen Subtypen zum Verhalten bereitstellen. Das O'Connor-Giles-Labor wird dieselben Technologien einsetzen, um zu verstehen, wie Neuronen während der Entwicklung miteinander verdrahten. Die Arbeit baut auf dem jüngsten Erfolg des Labors bei der Anpassung der CRISPR / Cas9-Gentechnologie an Fruchtfliegen auf.

2013-2014

Thomas R. Clandinin, Ph.D., Universität in Stanford

Eine genetische Methode zur Kartierung neuronaler Netzwerke, die durch elektrische Synapsen definiert sind

Der größte Teil der Forschung zu Hirnschaltungen konzentrierte sich auf chemische Synapsen, die leichter zu untersuchen sind als elektrische Synapsen. Dieses unvollständige Bild der Gehirnverdrahtung behindert jedoch die Bemühungen, Veränderungen in der Gehirnaktivität zu verstehen. Clandinin schlägt vor, eine verallgemeinerbare genetische Methode zu entwickeln, um festzustellen, welche Neuronen sich elektrisch mit anderen verbinden. Bis zum Ende der zweijährigen Bewilligungsfrist erwartet er eine Reihe funktionsfähiger Werkzeuge für alle Fruchtfliegen sowie eine Übersicht über die spezifischen elektrischen Verbindungen im Fliegengehirn und analoge Werkzeuge, die zum Testen in der Maus bereitstehen.

Matthew J. Kennedy, Ph.D., und Chandra L. Tucker, Ph.D., Universität von Colorado - Denver

Optische Werkzeuge zur Manipulation von Synapsen und Schaltkreisen

Die Optogenetik ist ein relativ neues Gebiet, in dem die neuronale Funktion mit Licht gesteuert wird. Kennedy und Tucker hoffen, das Feld durch die Entwicklung neuer Tools erweitern zu können, mit denen Benutzer mit Licht die nachgelagerten Prozesse steuern können vom neuronalen Feuern mit Schwerpunkt auf Signalmolekülen, die für die Bildung, Eliminierung und Plastizität von Synapsen wichtig sind. Sie planen auch die Entwicklung von Tools, mit denen Benutzer die grundlegenden molekularen Signalwege manipulieren können, die für das Lernen und das Gedächtnis im Gehirn verantwortlich sind.

Zachary A. Knight, Ph.D., Universität von Kalifornien - San Francisco

Sequenzierung der Neuromodulation mit gentechnisch hergestellten Ribosomen

Das Gehirn von Säugetieren enthält Hunderte neuronaler Zelltypen mit jeweils unterschiedlichen Genexpressionsmustern. Knights Labor baut Werkzeuge auf, um biochemische Ereignisse im Gehirn der Maus auf diese molekulare Vielfalt von Zellen abzubilden. Er wird Methoden für die RNA-Erfassung entwickeln, mit denen sich die molekulare Identität der zugrunde liegenden Zellen bestimmen lässt. Mithilfe dieser Tools können Neurowissenschaftler die spezifischen Neuronen identifizieren, die bei Änderungen des Verhaltens, der Physiologie oder der Krankheit moduliert werden. Diese identifizierten Zellen können dann genetisch manipuliert werden, um ihre Funktion zu verstehen.

2012-2013

Don B. Arnold, Ph.D., Außerordentlicher Professor für Molekular- und Computerbiologie an der University of Southern California

Ablation von Intrakörpern - Werkzeuge zur direkten Ablation endogener Proteine

Proteine werden im Gehirn kontinuierlich hergestellt und abgebaut. Dr. Arnold arbeitet an Tools, mit denen Wissenschaftler den Prozess des Proteinabbaus für die biomedizinische Forschung manipulieren können. Diese als ablating intrabodies bezeichneten Werkzeuge können den schnellen, effizienten und spezifischen Abbau von Proteinen vermitteln. Ein Protein kann abgebaut werden, um seine Funktion in normalen Zellen zu testen oder die schädlichen Auswirkungen eines bestimmten pathologischen Proteins zu untersuchen - beispielsweise bei einer neurodegenerativen Erkrankung. Gegenwärtig können Wissenschaftler eine Proteinablation nur indirekt verursachen, indem sie entweder das Gen oder die RNA, die das Protein codiert, löschen. Abtragende Intrakörper bewirken den direkten Abbau von Zielproteinen und arbeiten somit wesentlich schneller. Sie können auch auf Proteine mit bestimmten Konformationen oder mit spezifischen posttranslationalen Modifikationen abzielen. Dr. Arnold wird die Verwendung ablatierender Intrabodies testen, indem der Proteingehalt postsynaptischer Stellen manipuliert wird, um die synaptische Funktion, die Homöostase und die Plastizität im Gehirn zu untersuchen. Wenn dies gelingt, könnte die Forschung eine breite Anwendung in den biomedizinischen Wissenschaften finden.

James Eberwine, Ph.D., Professor für Pharmakologie und Ivan J. DmochowskiAssoziierter Professor für Chemie an der University of Pennsylvania

TIVA-Tag ermöglicht echte Genomik neuronaler Systeme

Während es seit mehreren Jahren möglich ist, die Genexpression in einzelnen Zellen in Laborkulturen zu untersuchen, erfordert ein kontinuierlicher Fortschritt in der Neurobiologie die Fähigkeit, die genetische Funktion und Regulation auf Systemebene in intakten Geweben oder lebenden Organismen zu untersuchen. Drs. Eberwine und Dmochowski arbeiten an einer Methode zur Isolierung von RNA aus lebenden Zellen mithilfe eines von ihnen eingeführten Ansatzes namens TIVA-tag (für Transcriptome In Vivo Analysis). Während des Gewährungszeitraums planen sie, die Chemie von TIVA-Tag-Verbindungen so anzupassen, dass RNA aus Zellen mit größerer Spezifität, Effizienz und weniger Gewebeschäden als bisher möglich gesammelt wird. Bis zum Ende des Bewilligungszeitraums wollen sie den TIVA-Tag-Ansatz als praktikable Methode für die Genomik auf Systemebene etablieren.

Doris Tsao, Ph.D., Assistenzprofessor für Biologie, California Institute of Technology, und William J. Tyler, Ph.D., Assistenzprofessor am Virginia Tech Carilion Research Institute, Fakultät für Biomedizinische Technik und Naturwissenschaften

Funktionelle Modulation intakter Hirnschaltungen von Primaten mit gepulstem Ultraschall

In der Neurowissenschaft fehlt ein Werkzeug zur nichtinvasiven Stimulation spezifischer 3D-Loci im gesamten menschlichen Gehirn. Frühere Arbeiten von Dr. Tyler zeigten, dass die Ultraschall-Neuromodulation nichtinvasiv Neuronen im Gehirn lebender Mäuse stimulieren kann. Der nächste Schritt besteht darin, zu charakterisieren, wie Ultraschall einen nicht-menschlichen Primaten, den Makaken, beeinflusst, dessen Gehirn größer und komplexer ist als das der Maus. Die Forscher planen, neuronale Reaktionen, den zerebralen Blutfluss und das Verhalten der Tiere während der fokussierten Ultraschall-Neuromodulation zu beobachten. Letztendlich hat Dr. Tsao und Tyler wollen eine Möglichkeit entwickeln, mit Ultraschall bestimmte Bereiche des menschlichen Gehirns zu stimulieren. Dies wird ein leistungsstarkes neues Instrument zum Verständnis der Schaltkreise des Gehirns beim Menschen darstellen und neue Strategien für die Behandlung allgegenwärtiger neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen liefern.

Samuel S.-H. Wang, Ph.D., Assoziierter Professor für Molekularbiologie an der Princeton University

Die dynamischen Grenzen genetisch kodierbarer Calciumindikatoren überwinden

Fluoreszierende Proteine, die ihre Helligkeit ändern, wenn Gehirnzellen aktiv sind, sind nützlich, um die neuronale Aktivität zu beobachten, die Wahrnehmung, Gedächtnis und anderen kognitiven Prozessen zugrunde liegt. Gegenwärtige Versionen dieser Proteine reagieren nur schleppend, und zwar auf Zeitskalen von einer Sekunde oder länger. Dr. Wangs Labor entwickelt diese Proteine neu, um schneller auf ein breiteres Spektrum von Aktivitäten zu reagieren. In Kombination mit fortschrittlichen optischen Methoden können durch diese Fortschritte kleine Teile des Gehirngewebes so verfolgt werden, dass die fMRT-Bildgebung das gesamte Gehirn verfolgt - mit dem Vorteil, dass die Forscher mit der neuen Methode einzelne Zellen und Veränderungen über Millisekunden hinweg beobachten können. Diese Forschung ist Teil einer größeren Anstrengung von Neurowissenschaftlern, Technologien zu entwickeln, um Gehirnnetzwerke zu untersuchen, während ein Tier lernt, oder um zu sehen, was bei Tieren mit neurologischen Defekten schief geht.

2011-2012

Sandra Bajjalieh, Ph.D., Professor für Pharmakologie an der University of Washington

Entwicklung von Biosensoren zur Signalübertragung von Lipiden

Änderungen der Membranlipide spielen eine Rolle bei der neuronalen Signalübertragung, aber die Forscher können die Lipidproduktion der Signalübertragung noch nicht zuverlässig verfolgen. Bajjalieh plant Sensoren zu generieren, um die Erzeugung von Signallipiden in Zellen in Echtzeit zu verfolgen. Sie wird Proteine entwickeln, die in Abwesenheit anderer Signale an zwei Signallipide binden, und daraus fluoreszierende Sonden entwickeln, um die Position dieser Lipide zu verfolgen. Diese Informationen ermöglichen es, den Ansatz auf andere Lipide auszudehnen.

Guoping Feng, Ph.D., Professor für Gehirn- und Kognitionswissenschaften, McGovern Institute for Brain Research, Massachusetts Institute of Technology

Entwicklung eines molekularen In-vivo-Werkzeugs zur genetischen Manipulation von verhaltensdefinierten neuronalen Mikrokreisläufen mithilfe der Koinzidenzdetektion von Aktivität und Licht

Um genauer zu untersuchen, wie das Gehirn Informationen verarbeitet, entwickelt Feng ein Tool, mit dem bestimmte neuronale Populationen, die durch tierisches Verhalten aktiviert werden, innerhalb eines kurzen Zeitraums, der durch Lichtimpulse definiert wird, erfasst und anhand dieser Aktivität Gehirnzellen für genetische Veränderungen ausgewählt werden können. Diese Zellen können dann getestet werden, um ihre Beteiligung am Verhalten zu beurteilen. Mit diesem Tool können Neurowissenschaftler im Erfolgsfall jede Gruppe von Neuronen, die durch ein bestimmtes Verhalten in einem genau definierten Zeitraum aktiviert werden, genetisch verändern.

Feng Zhang, Ph.D., Investigator, McGovern Institute for Brain Research; Kernmitglied, Broad Institute of MIT und Harvard; Assistenzprofessor für Gehirn- und Kognitionswissenschaften am Massachusetts Institute of Technology

Präzises Genom-Engineering mit Designer TAL Effectors-Rekombinasen

Die genetische Expression wird üblicherweise verwendet, um den Typ eines Neurons zu identifizieren. Die konventionelle genetische Manipulation ist jedoch ineffizient und weitgehend auf die Maus beschränkt. Zhang arbeitet an einer Möglichkeit, das Genom von Neuronen mithilfe von Reportergenen zu verändern, die in bestimmte Zellen und Gehirnschaltungen eingeführt werden können. Diese Technologie würde es ermöglichen, menschliche Mutationen in Tiermodelle einzuführen, um festzustellen, ob genetische Mutationen eine Krankheit verursachen. Die Technologie wird auch die Zeit verkürzen, die zur Erstellung eines Tiermodells benötigt wird.

2010-2011

Michael Berry II, Ph.D., Assoziierter Professor für Molekularbiologie an der Princeton University

Mikrofabrizierte Patch-Clamp-Mikropipette

Berry's Labor wird eine mikrofabrizierte Patch-Mikropipette entwickeln, die neuartige Experimente ermöglicht, die mit herkömmlichen Glas-Patch-Mikropipetten nicht möglich sind, beispielsweise die Fähigkeit, die chemische Umgebung von Neuronen durch schnelle Dialyse leicht zu kontrollieren. Das Gerät ist außerdem zuverlässiger und benutzerfreundlicher als vorhandene Mikropipetten und spart so viel Zeit und Mühe.

Robert Kennedy, Ph.D., Hobart H. Willard Professor für Chemie und Professor für Pharmakologie, University of Michigan

In-vivo-Überwachung von Neurotransmittern mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung

Um Neurotransmitter in vivo mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen, entwickelt Kennedys Labor eine miniaturisierte Sonde, die in jede Gehirnregion der Maus eindringen kann, um in regelmäßigen Abständen kleine Proben für die Analyse zu gewinnen. Diese Technologie bietet einen potenziellen Durchbruch für die Neurowissenschaften, da so viel genetische Arbeit und viele Krankheitsmodelle auf der Maus basieren.

Timothy Ryan, Ph.D., Professor für Biochemie, Weill Cornell Medical College

Entwicklung eines synaptischen ATP-Reporters

Ryans Labor entwickelt eine genauere Methode, um die ATP-Konzentration in bestimmten neuronalen Kompartimenten zu messen und dynamische Informationen zur Überwachung der ATP-Spiegel während der laufenden synaptischen Kommunikation zu erhalten. Dies sollte helfen, festzustellen, ob grundlegende Energieungleichgewichte bei verschiedenen Krankheiten auftreten und wie die ATP-Versorgung normalerweise an Synapsen reguliert wird.

W. Daniel Tracey, Ph.D., Professor für Anästhesiologie, Zellbiologie und Neurobiologie am Duke University Medical Center

Genetisch kodierte Rhabdoviren zur funktionierenden Kartierung von neuronalen Kon textennectivity

Traceys Labor entwickelt ein virales Genexpressionssystem, um neuronale Schaltkreise in der Fruchtfliege zu untersuchen. Ziel ist es, Nervenzellen genetisch zu manipulieren, ihre Verbindungen zu verfolgen und die Aktivität miteinander verbundener Neuronen zu manipulieren. Wenn dies bei Fruchtfliegen erfolgreich ist, hofft Tracey, dass die gleichen Techniken für Untersuchungen des Gehirns von Säugetieren nützlich sein werden.

2009-2010

Joseph Fetcho, Ph.D., Professor für Neurobiologie und Verhalten an der Cornell University

Mapping-Muster von synaptischen Verbindungen in vivo

Es gibt keine einfache Möglichkeit, alle Nervenzellen, die sich mit einer anderen Zelle verbinden, während diese Zellen am Leben sind, aufzudecken. In Zusammenarbeit mit Zebrafischen schlägt Fetcho die Verwendung optischer Methoden vor, bei denen alle Neuronen, die mit einer bestimmten Nervenzelle verbunden sind, Farbe annehmen, um das Verdrahtungsmuster im intakten lebenden Nervensystem abzubilden. Letztendlich könnte ein solcher Ansatz helfen, die Verdrahtungsmuster aufzudecken, die der Bewegung und anderem Verhalten zugrunde liegen.

Pavel Osten, MD, Ph.D., Assoziierter Professor für Neurowissenschaften, Cold Spring Harbor Laboratory

Automatisierte Anatomie mit hohem Durchsatz für fluoreszierendes Mausgehirn

Das Projekt von Osten soll helfen, die Lücke zwischen der Untersuchung molekularer und zellulärer Gehirnfunktionen und der Untersuchung des gesamten Gehirns zu schließen. Mit einer neuartigen Bildgebungstechnologie konzentriert er sich auf die Kartierung von Veränderungen in neuronalen Schaltkreisen bei Mäusen, die genetische Mutationen aufweisen, die mit Autismus und Schizophrenie verbunden sind. Er hofft, dass die Technologie eine schnelle und genaue Möglichkeit bietet, viele genetische Mausmodelle zu untersuchen, um eine Reihe von psychiatrischen Erkrankungen des Menschen besser zu verstehen.

Thomas Otis, Ph.D., Professor für Neurobiologie, Geffen School of Medicine, Universität von Kalifornien, Los Angeles

Entwicklung optischer Methoden zur Spannungsüberwachung in Gruppen neuroanatomisch definierter Neuronen

Otis und seine Kollegen, darunter auch der Co-Principal Investigator Julio Vergara, haben eine Sensortechnologie entwickelt, mit der Nervenimpulse mit neuartigen optischen Methoden mit hoher Wiedergabetreue gemessen werden können. Der Zweck des Stipendiums besteht darin, ihre optische Methode so zu perfektionieren, dass sie die neuronale Aktivität in vielen Neuronen gleichzeitig verfolgen kann.

Larry J. Young, Ph.D., William P. Timmie Professor für Psychiatrie und Verhaltensforschung und Abteilungsleiter, Zentrum für Verhaltensneurowissenschaften, Yerkes National Primate Research Center

Entwicklung transgener Technologien in Präriewühlmäusen zur Analyse der Genetik und neuronalen Schaltkreise sozialer Bindungen

Die Untersuchung komplexer sozialer Verhaltensweisen wie Mütterpflege und soziale Bindung ist durch die Schwierigkeit begrenzt, die Genexpression zu manipulieren, um zu lernen, wie bestimmte Gene das soziale Verhalten regulieren. Young zielt darauf ab, hochsoziale transgene Präriewühlmäuse zu erzeugen und die Gene zu identifizieren, die für individuelle Unterschiede im Sozialverhalten verantwortlich sind. Die Forschung wird insbesondere für Störungen wie Autismus und Schizophrenie von Bedeutung sein.

2008-2009

Henry Lester, Ph.D., Kalifornisches Institut der Technologie

Ionenkanäle für das Neuronal Engineering

Lester wird Ionenkanäle und Rezeptoren verwenden, um einen Einblick zu erhalten, wie Neuronen in Schaltkreisen verbunden sind und wie solche Schaltkreise das Verhalten steuern. Er wird neue Rezeptorkanäle entwickeln, die nur auf ein Medikament, Ivermectin, ansprechen, das in der Tierernährung abgegeben werden kann. Sobald diese Rezeptoren entwickelt sind, kann untersucht werden, wie die Aktivierung oder Hemmung ausgewählter Neuronen das Verhalten beeinflusst.

Charles M. Lieber, Ph.D., Harvard Universität

Nanoelektronische Bausteinarrays zur elektrischen und chemischen Abbildung neuronaler Netze

Lieber plant die Entwicklung und Demonstration neuer nanotechnologiebasierter elektrophysiologischer Instrumente zur Messung von elektrischen und biochemischen Signalen auf der Ebene natürlicher Synapsen anhand von Proben, die von kultivierten neuronalen Netzen bis zu Hirngewebe reichen. Langfristig können diese Werkzeuge als leistungsstarke neue Schnittstellen zwischen dem Gehirn und neuronalen Prothesen in der biomedizinischen Forschung und letztendlich in der Behandlung eingesetzt werden.

Fernando Nottebohm Ph.D., Rockefeller University

Entwicklung einer Technik zur Herstellung transgener Singvögel

Das Studium des stimmlichen Lernens in Singvögeln bietet eine hervorragende Möglichkeit zu untersuchen, wie Erinnerungen in einem komplexen Gehirn gespeichert werden und wie Schäden am Zentralnervensystem durch neuronalen Ersatz repariert werden können. Nottebohm möchte ein Protokoll für die effiziente Produktion von transgenen Singvögeln entwickeln, um die Beteiligung einzelner Gene am Lernen und an der Hirnreparatur zu testen.

Dalibor Sames, Ph.D., und David Sulzer, Ph.D., Universität von Columbia

Entwicklung fluoreszierender falscher Neurotransmitter: Neue Sonden zur direkten Visualisierung der Neurotransmitterfreisetzung von einzelnen präsynaptischen Terminals

Sames und Sulzer haben fluoreszierende falsche Neurotransmitter (FFN) entwickelt, die als optische Tracer für Dopamin fungieren und die erste Möglichkeit bieten, die Neurotransmission an einzelnen Synapsen optisch abzubilden. Mithilfe von FFNs werden Sames und Sulzer neue optische Methoden entwickeln, um die mit dem Lernen verbundenen synaptischen Veränderungen sowie pathologische Prozesse zu untersuchen, die für neurologische und psychiatrische Erkrankungen wie Morbus Parkinson und Schizophrenie relevant sind.

2007-2008

Paul Brehm, Ph.D., Oregon Health & Science University

Ein neuartiges grün fluoreszierendes Protein aus Stachelhäutern liefert eine Langzeitaufzeichnung der neuronalen Netzwerkaktivität

Brehm erforscht einen neuen Weg, um die Zellaktivität in gesundem und krankem Gewebe abzubilden. Er schlägt eine Alternative zum grün fluoreszierenden Protein der Quallen vor - das biolumineszierende Brittlestar Ophiopsila, dessen lang anhaltende Fluoreszenz in Nervenzellen eine langfristige Geschichte ihrer zellulären Aktivität liefern kann.

Timothy Holy, Ph.D., Washington University School of Medicine

Schnelle dreidimensionale optische Abbildung der neuronalen Aktivität in intaktem Gewebe

Holy entwickelt optische Methoden zur gleichzeitigen Aufzeichnung von sehr großen Populationen von Neuronen, indem dünne Lichtblätter verwendet werden, die das Gehirngewebe in drei Dimensionen schnell abtasten. Bei Erfolg kann die Studie Wissenschaftlern helfen, die Mustererkennung und das Lernen auf zellulärer Ebene zu beobachten.

Krishna Shenoy, Ph.D., Universität in Stanford

HermesC: Ein kontinuierliches neuronales Aufzeichnungssystem für frei lebende Primaten

In Shenoys Labor wird versucht, mehr über die Funktionsweise von Neuronen zu erfahren, indem ein hochqualitatives, am Kopf montiertes Miniatur-Aufzeichnungssystem für Affen entwickelt wird, die ihre alltäglichen Aktivitäten ausführen. Bei Erfolg wird mit dieser Arbeit ein Aufzeichnungsgerät erstellt, mit dem einzelne Neuronen tagelang und wochenlang im Verhalten von Affen verfolgt werden können.

Gina Turrigiano, Ph.D., Brandeis University

Kartierung der Position von synaptischen Proteinen mittels hochauflösender Fluoreszenz-Kryo-Mikroskopie

Turrigiano und ihr Mitarbeiter, David DeRosier, Ph.D., werden Werkzeuge entwickeln, um die Anordnung synaptischer Proteine in molekularen Maschinen abzubilden, die Erinnerungen und kognitive Funktionen erzeugen können. Wenn sich dies als erfolgreich erweist, können sie schließlich bestimmen, wie Synapsen bei Krankheitszuständen desorganisiert werden.

2006-2007

Pamela M. England, Ph.D.,Universität von Kalifornien in San Francisco

Überwachung des AMPA-Rezeptorhandels in Echtzeit

Das englische Labor wird eine Reihe neuartiger molekularer Werkzeuge entwickeln, die auf synthetischen Derivaten von Philanthotoxin basieren und zur Untersuchung des Zelloberflächenhandels des AMPA-Subtyps des Glutamatrezeptors eingesetzt werden können. Ziel ist die Herstellung einer Reihe von Toxinderivaten, die AMPA-Rezeptoren mit spezifischen Untereinheitszusammensetzungen inaktivieren und so eine pharmakologische Untersuchung der Rolle dieser verschiedenen Klassen von AMPA-Rezeptoren in lebenden Neuronen ermöglichen.

Alan Jasanoff, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Funktionelle MRT auf Zellebene mit Kalziumbildgebungsmitteln

Jasanoff wird eine in seinem Labor entwickelte neuartige Methode der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) untersuchen, die auf Eisenoxid-Nanopartikeln basiert, die bei Aggregation einen Bildkontrast erzeugen. Bei Erfolg ist die neue Methode ein direkteres Maß für die neuronale Aktivität, mit dem Potenzial für eine verbesserte räumliche und zeitliche Auflösung in der fMRT.

Richard J. Krauzlis, Ph.D., und Edward M. Callaway, Ph.D., Das Salk-Institut für biologische Studien

Verwendung viraler Vektoren zur Untersuchung von sensorisch-motorischen Schaltkreisen bei nichtmenschlichen Primaten

Krauzlis und Callaway werden eine Methode zur Inaktivierung spezifischer Subpopulationen von Neuronen in lokalisierten Regionen der Großhirnrinde von Affen entwickeln. Falls erfolgreich, wird ihre Methode eine Möglichkeit bieten, zu bewerten, wie bestimmte Subpopulationen von Neuronen in verschiedenen Gehirnregionen in Schaltkreisen funktionieren, um höhere Gehirnfunktionen wie Wahrnehmung, Gedächtnis und sensorisch-motorische Steuerung zu ermöglichen.

Markus Meister, Ph.D., Cal Tech

Kabellose Aufzeichnung von multi-neuronalen Spike-Zügen bei sich frei bewegenden Tieren

Meister und seine Mitarbeiter, Alan Litke von der Universität von Kalifornien, Santa Cruz, und Athanassios Siapas von Caltech, werden ein drahtloses Mikroelektrodensystem entwickeln, mit dem neuronale elektrische Signale von sich frei bewegenden Tieren ohne angeschlossene Drähte aufgezeichnet werden können. Dieses System kombiniert Miniaturisierungstechnologien mit leichten Materialien und soll die Messung der neuronalen Dynamik bei wirklich natürlichen Verhaltensweisen wie Graben, Klettern oder Fliegen ermöglichen.

2005-2006

Karl Deisseroth, MD, Ph.D., Universität in Stanford

Nichtinvasive, zeitlich hochauflösende Steuerung der neuronalen Aktivität mit einem lichtempfindlichen Ionenkanal der Alga C. Reinhardtii

Deisseroths Labor, in dem auch der Postdoktorand Edward Boyden mitarbeitet, wird ein neues Tool entwickeln, das auf einem genetisch kodierten lichtempfindlichen Ionenkanal aus Algen basiert und die elektrische Aktivität in bestimmten Neuronensätzen mit Licht stimuliert. Ihr Ziel ist es, einzelne Aktionspotentiale millisekundengenau zu stimulieren und zu steuern, welche Neuronen mithilfe genetischer Methoden stimuliert werden, um die Expression von Kanalproteinen zu steuern.

Samie R. Jaffrey, MD, Ph.D., Weill Medical College, Cornell Universität

Echtzeit-Bildgebung von RNA in lebenden Neuronen mit bedingt fluoreszierenden kleinen Molekülen

Jaffreys Labor wird ein System weiterentwickeln, mit dem RNA mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie in lebenden Zellen sichtbar gemacht werden kann. Seine Technik basiert auf der Konstruktion kurzer RNA-Sequenzen, die an ein Fluorophor binden und dessen Lichtemission stark erhöhen. Das Fluorophor leitet sich von dem ab, das in Green Fluorescent Protein (GFP) verwendet wird. Ziel ist es, die Untersuchung von RNA auf die gleiche Weise zu revolutionieren, wie die GFP-Technologie die Proteinvisualisierung revolutioniert hat.

Jeff W. Lichtman, MD, Ph.D., Harvard Universität Kenneth HayworthJanelia Farm Research Campus des Howard Hughes Medical Institute

Entwicklung eines automatischen Bandsammeldreh-Ultramikrotoms für die Rekonstruktion des Gehirns in großem Maßstab

Hayworth und Lichtman entwickeln ein Werkzeug zum Schneiden und automatischen Sammeln von Tausenden von Gewebeschnitten für die Bildgebung mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Die Rekonstruktion von TEM-Serienschnitten ist die einzige Technologie, die nachweislich in der Lage ist, bei höchster Auflösung die exakte synaptische Konnektivität aller Neuronen innerhalb eines Gehirngewebevolumens abzubilden. Die Anwendung ist jedoch begrenzt, da die ultradünnen Abschnitte manuell gesammelt werden müssen. Dieses Tool würde den Prozess automatisieren und die serielle Aufteilung vielen Labors zugänglich machen und bei größeren Gewebevolumina nützlich sein.

Alice Y. Ting, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Bildgebung des neuronalen Proteintransports durch optische und Elektronenmikroskopie unter Verwendung der Biotin-Ligase-Markierung

Ting schlägt eine verbesserte Technologie zur Visualisierung und Quantifizierung des Transports von Membranproteinen vor. Sie hat eine hochselektive enzymbasierte Markierungstechnik entwickelt, mit der Moleküle, die auf Neuronenoberflächen vor einem Stimulus existieren, von solchen unterschieden werden können, die nach dem Stimulus auftreten. Die räumliche Verteilung markierter Moleküle kann dann mit optischer Bildgebung beobachtet und mit einigen Modifikationen auch mit Elektronenmikroskopie in höherer Auflösung beobachtet werden.

2004-2005

EJ Chichilnisky, Ph.D., Das Salk-Institut
AM Litke, Ph.D., Santa Cruz Institut für Teilchenphysik

Untersuchung der Netzhaut

Der Neurobiologe Chichilnisky und der Experimentalphysiker Litke arbeiten gemeinsam an der Technologie, um die elektrische Aktivität von Hunderten von Neuronen gleichzeitig auf einer feinen räumlichen und zeitlichen Skala aufzuzeichnen und zu stimulieren. Auf diese Weise können sie untersuchen, wie große Populationen von Neuronen Informationen verarbeiten und codieren, um Wahrnehmung und Verhalten zu steuern. Sie planen zunächst, die Netzhaut und damit auch andere neuronale Systeme zu untersuchen.

Daniel T. Chiu, Ph.D., Universität von Washington

Räumlich und zeitlich aufgelöste Abgabe von Stimuli an einzelne neuronale Zellen

Nanokapseln sind außergewöhnlich kleine „Schalen“, die so klein wie ein Molekül sind und es an ein ausgewähltes Ziel abgeben können. Chiu entwickelt und perfektioniert neue Arten von Nanokapseln und verfeinert bestehende, um zu untersuchen, wie eine einzelne neuronale Zelle die Ankunft eines Signals an der Membranoberfläche verarbeitet. Nanokapseln werden nützlich sein, um Zelloberflächenproteine abzubilden und zu untersuchen, wie Rezeptoren Signale senden und die synaptische Übertragung auslösen.

Susan L. Lindquist, Ph.D., Whitehead Institute for Biomedical Research

Entwicklung und Anwendung von Hefemodellsystemen für neurodegenerative Erkrankungen und Hochdurchsatz-Screening

Lindquist schlägt vor, neurodegenerative Erkrankungen durch Untersuchung der Gene in Bäckerhefe zu untersuchen. Aufgrund des großen Erfolgs ihres Labors, Hefe als Modellsystem zur Untersuchung der Parkinson-Krankheit zu verwenden, plant sie, das Modell auf zwei weitere Krankheitsklassen auszudehnen - die Tauopathien (einschließlich Alzheimer) und die Spinocerebeller-Ataxie-3.

Daniel L. Minor Jr., Ph.D., Universität von Kalifornien, San Francisco

Gezielte Evolution von Ionenkanalmodulatoren aus natürlichen und entworfenen Bibliotheken

Minor arbeitet an einem neuen Ansatz, um Moleküle zu identifizieren, die Ionenkanäle blockieren oder öffnen. Diese Proteine sind der Schlüssel für die elektrische Signalübertragung im Gehirn. Er wird natürliche Peptide von giftigen Kreaturen untersuchen und giftähnliche Moleküle zum Testen herstellen. Die Herstellung von Molekülen, die die in der Natur nachahmen, und deren breite Verfügbarkeit beschleunigen die Suche nach Arzneimitteln, die auf bestimmte Ionenkanäle einwirken können.

Stephen J. Smith, Ph.D., Stanford University School of Medicine

Methoden zur Abgrenzung von Hirnschaltungen durch Reihenschnitt-Rasterelektronenmikroskopie

Smith entwirft Werkzeuge, mit denen die Neurowissenschaft von dem profitieren kann, was er das Mikroskop des 21. Jahrhunderts nennt. Es wurde von seinem Mitarbeiter Winfried Denk, Ph.D., einem Biophysiker am Max-Planck-Institut, erfunden. Sie entwickeln automatisierte S3EM-Verfahren (Serial-Sectioning Scanning Electron Microscopy), mit denen erstmals vollständige Gehirnschaltungen bis ins kleinste Detail analysiert werden können. Smith entwickelt Möglichkeiten, um Hirngewebe für die Analyse mit diesem Mikroskop zu färben, und Berechnungswerkzeuge, um das immense Informationsvolumen zu analysieren, das die neuen Techniken liefern werden.

2003-2004

Stuart Firestein, Ph.D., Universität von Columbia

Ein genetisch codierter optischer Sensor für die Membranspannung

Firestein und sein Mitarbeiter Josef Lazar, Ph.D., schlagen vor, eine neue Art von spannungserfassendem Protein zu testen, das möglicherweise in der Lage ist, sehr kleine elektrische Ereignisse zu erfassen und Spannungsänderungen in einer großen Anzahl von Zellen gleichzeitig sichtbar zu machen. Dies würde eine Untersuchung der Informationsverarbeitung im Gehirn fördern, die derzeit unerreichbar ist.

David Heeger, Ph.D., New Yorker Universität

Hochauflösende fMRI

Heeger und sein Mitarbeiter, Dr. Souheil Inati, planen zusammen mit den Wissenschaftlern der Stanford University, John Pauly und David Ress, einen neuen Ansatz zur Verbesserung der räumlichen Auflösung der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), um auch routinemäßig fMRI-Daten erfassen zu können bei extrem hoher Auflösung. Das Team möchte dabei helfen, einige der grundlegenden Probleme der konventionellen MRT zu lösen.

Paul Slesinger, Ph.D., Mount Sinai / Icahn School of Medicine

G Proteinrezeptorenergietransfersystem (GRET) zur Überwachung der Signaltransduktion in Neuronen

Die Modulation der Nervenzellkommunikation tritt auf, wenn chemische Neurotransmitter an bestimmte Typen von G-Protein-gekoppelten Neurotransmitterrezeptoren (GPCR) binden, die wiederum G-Proteine aktivieren. Um dynamische Veränderungen der G-Protein-Aktivität während der Nervenzellkommunikation zu untersuchen, schlägt Slesinger die Entwicklung eines proteinbasierten Fluoreszenzdetektors für G-Proteine vor, der auf der Eigenschaft des Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfers (FRET) basiert.

2002-2003

Bernardo Sabatini, MD, Ph.D., Harvard Medizinschule

Optische Instrumente zur Analyse der Proteintranslation in extrasomatischen neuronalen Kompartimenten

Um herauszufinden, wie Neuronen Kommunikationskanäle einrichten und wie das Gehirn Informationen speichert und abruft, entwickelt Sabatini Moleküle, die Licht emittieren, wenn Neuronen Proteine herstellen, und ein Mikroskop, um den Prozess tief im lebenden Gehirn zu beobachten.

Karel Svoboda, Ph.D., Cold Spring Harbor Laboratory

Regulation der synaptischen Übertragung in vivo mit hoher räumlicher und zeitlicher Spezifität

Svoboda entwickelt molekulare Werkzeuge, um zu verstehen, wie Synapsen die Schaltkreise des Gehirns organisieren.

Liqun Luo, Ph.D., Universität in Stanford

Einzelne Neuronenmarkierung und genetische Manipulation bei Mäusen

Luo arbeitet an einer genetischen Methode zur Manipulation und Verfolgung einzelner Neuronen in Mäusen, um zu lernen, wie neuronale Netzwerke während der Entwicklung zusammengesetzt und später durch Erfahrung modifiziert werden.

A. David Redish, Ph.D .; Babak Ziaie, Ph.D.; und Arthur G. Erdman, Ph.D., Universität von Minnesota

Drahtlose Aufnahme von neuronalen Ensembles im Wachzustand, Verhalten von Ratten

Die Mitarbeiter - ein Neurowissenschaftler, ein Elektrotechniker und ein Maschinenbauingenieur - entwickeln eine drahtlose Methode zur Aufzeichnung neuronaler Störsignale aus dem Wachzustand, um das Verständnis von Lernen und Verhalten bei Ratten zu verbessern.

2001-2002

Helen M. Blau, Ph.D., Stanford University

Minimalinvasive, regulierte Genabgabe an das Zentralnervensystem

Blaus Labor untersucht ein neues Mittel, um therapeutische Gene an das Zentralnervensystem weiterzuleiten. Dabei werden Knochenmarkszellen verwendet, die mit Genen ausgestattet sind, die auf Krankheiten abzielen können.

Graham CR Ellis-Davies, Ph.D., MCP Hahnemann University

Funktionelle Bildgebung von Neurorezeptoren in lebenden Hirnschnitten durch Zwei-Photonen-Uncaging von Neurotransmittern

Ellis-Davies entwickelt innovative Methoden, um Aspekte der Gehirnfunktion abzubilden, die zuvor noch nicht gesehen wurden. Dabei wird eine Form von Neurotransmittern entwickelt, die biologisch inert bleiben, bis sie durch einen intensiven Lichtblitz aktiviert werden.

Dwayne Godwin, Ph.D., Medizinische Fakultät der Wake Forest University

Enthüllung funktioneller Konnektivitätsketten mit viraler DNA

Durch die Injektion von viraler DNA in Zellen, die chemische Markierung des Virus und die Verfolgung seiner Ausbreitung auf verbundene Zellen erforscht Godwin neue Wege, um aufzudecken, wie Nervenzellen im Gehirn Nachrichten senden und empfangen.

Seong-Gi Kim, Ph.D., Medizinische Fakultät der Universität von Minnesota

Entwicklung eines In-vivo-Perfusions-basierten säulenauflösenden fMRI

Kim arbeitet daran, die Leistungsfähigkeit der funktionellen Magnetresonanztomographie zu steigern, um die Gehirnaktivität genauer untersuchen zu können.

2000-2001

Stephen Lippard, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

Synthetische Chemie zur Entwicklung von Zinksensoren zur Untersuchung neurochemischer Signale

Lippard synthetisiert neuartige Fluoreszenzsensoren, die Zinkionen und Stickoxide in lebenden Zellen erkennen und deren räumliches Muster aufdecken.

Partha Mitra, Ph.D., und Richard Andersen, Ph.D., California Institute of Technology

Entwicklung von Techniken zum Aufzeichnen und Auslesen von Bevölkerungscodes in Echtzeit aus der Parietal-Reach-Region

Mitra und Andersen verwenden mathematische Techniken, um die Aktivität von Neuronenensembles zu analysieren, in der Hoffnung, letztendlich die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und Verhalten zu entschlüsseln.

William NewsomeUnd Mark Schnitzer, Stanford University School of Medicine

In vivo Gehirndynamik Studiert mit Faseroptik und optischer Kohärenztomographie

Schnitzer und Newsome (mit einem Sonderpreis in Höhe von 50.000 US-Dollar ausgezeichnet) untersuchen die Dynamik des Gehirns, indem sie Aufzeichnungsorte lokalisieren, die Verteilung molekularer Marker kartieren und die Muster der Gehirnaktivität mithilfe von Licht genau überwachen.

Timothy Ryan, Ph.D., Weill Medical College der Cornell University, und Gero Miesenböck, Ph.D., Memorial Sloan Kettering Cancer Center

Design und Anwendung der pH-basierten optischen Erfassung der synaptischen Aktivität

Die Wissenschaftler entwickeln neuartige Fluoreszenzindikatoren für die synaptische Aktivität, die auf der Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des Säuregehalts basieren.

Daniel Turnbull, Ph.D., Medizinische Fakultät der New York University

In vivo µMR-Bildgebung der neuronalen Migration im Mausgehirn

Turnbull arbeitet an einer neuen Bildgebungsmethode, um die Migration von Neuronen im sich entwickelnden Mausgehirn zu visualisieren, neue Neuronen zu markieren und diese bei intakten Tieren über mehrere Tage mit Magnetresonanz-Mikroimaging zu verfolgen.

1999-2000

Michael E. Greenberg, Ph.D. und Ricardo E. Dolmetsch, Ph.D., Boston Children's Hospital

Neue Technologien zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Kontrolle von Transkription und Translation in intakten Neuronen

Die Wissenschaftler entwickeln eine Methode zur Visualisierung der Genaktivität in lebenden Nervenzellen mithilfe von Molekülverstärkern und Fluoreszenzdetektion, um zu sehen, wie Gene sich gegenseitig beeinflussen.

Paul W. Glimcher, Ph.D., New York University

Experimentelle Neurosonographie

Glimchers Forschung untersucht diagnostischen Ultraschall, um die präzise Platzierung von Aufzeichnungselektroden im Gehirn von wachen, aktiven Primaten zu ermöglichen.

Leslie C. Griffith, MD, Ph.D. und Jeffrey C. Hall, Ph.D., Brandeis University

Echtzeit-Signaltransduktionssensoren

Griffith und Hall entwickeln genetische Sensoren, die in einzelne Nervenzellen lebender Fruchtfliegen eingeführt werden können, um festzustellen, wann eine Zelle rekrutiert wird, um ihre Verhaltensrolle zu erfüllen.

Warren S. Warren, Ph.D., Princeton University

Zero Quantum Functional Magnetresonanztomographie

Warrens kühne Initiative zielt darauf ab, fMRI leistungsfähiger zu machen, indem die Auflösung um das 100-fache erhöht wird, sodass aktive Bereiche des Gehirns detaillierter und kontrastreicher sichtbar werden.

Deutsch
English ˜اَف صَومالي Français العربية 简体中文 ພາສາລາວ Tiếng Việt हिन्दी 한국어 ភាសាខ្មែរ Tagalog Español de Perú Español de México Hmoob አማርኛ Deutsch