Premios Académicos McKnight 2022

La Junta Directiva del McKnight Endowment Fund for Neuroscience se complace en anunciar que ha seleccionado a seis neurocientíficos para recibir el Premio McKnight Scholar Award 2022.

Los premios McKnight Scholar Awards se otorgan a científicos jóvenes que se encuentran en las primeras etapas de establecimiento de sus propios laboratorios independientes y carreras de investigación y que han demostrado un compromiso con la neurociencia. "Los becarios de este año ejemplifican la creatividad y la sofisticación técnica de los principales neurocientíficos jóvenes de todo el país", dijo Richard Mooney, PhD, presidente del comité de premios y profesor George Barth Geller de Neurobiología en la Facultad de Medicina de la Universidad de Duke.

“Aprovechando enfoques de la biología estructural, la óptica, la genética, la fisiología, la computación y el comportamiento, los académicos buscan obtener conocimientos sobre temas que van desde la biofísica de la señalización neuronal hasta la estructura a gran escala de los circuitos neuronales, y dilucidar las bases neuronales de la decisión. creación, procesamiento sensorial y vuelo”, dijo Mooney. "En nombre de todo el comité, felicito a todos los solicitantes por sus impresionantes esfuerzos a la vanguardia de la investigación en neurociencia".

Desde que se introdujo el premio en 1977, este prestigioso premio al inicio de su carrera ha financiado a más de 250 investigadores innovadores y ha estimulado cientos de descubrimientos revolucionarios. Cada uno de los siguientes ganadores del Premio McKnight Scholar recibirá $75,000 por año durante tres años.

Hubo 53 solicitantes para los premios McKnight Scholar Awards de este año, lo que representa a los mejores profesores jóvenes de neurociencia del país. Los profesores solo son elegibles para el premio durante sus primeros cuatro años en un puesto docente de tiempo completo. Además de Mooney, el comité de selección de los premios Scholar Awards incluyó a Gordon Fishell, Ph.D., Universidad de Harvard; Mark Goldman, Ph.D., Universidad de California, Davis; Kelsey Martin, MD, Ph.D., Fundación Simons; Jennifer Raymond, Ph.D., Universidad de Stanford; Vanessa Ruta, Ph.D., Universidad Rockefeller; y Michael Shadlen, MD, Ph.D., Universidad de Columbia.

El calendario de solicitudes para los premios del próximo año estará disponible a principios de septiembre. Para obtener más información sobre los programas de premios de neurociencia de McKnight, visite el Sitio web del Fondo de Dotación.

Acerca de The McKnight Endowment Fund for Neuroscience

El McKnight Endowment Fund for Neuroscience es una organización independiente financiada únicamente por la Fundación McKnight de Minneapolis, Minnesota, y dirigida por una junta de destacados neurocientíficos de todo el país. La Fundación McKnight ha apoyado la investigación en neurociencia desde 1977. La Fundación estableció el Fondo de Dotación en 1986 para llevar a cabo una de las intenciones del fundador William L. McKnight (1887-1979). Uno de los primeros líderes de la Compañía 3M, tenía un interés personal en la memoria y las enfermedades cerebrales y quería que parte de su legado se usara para ayudar a encontrar curas. The Endowment Fund hace tres tipos de premios cada año. Además de los McKnight Scholar Awards, son los McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards, que proporcionan capital inicial para desarrollar inventos técnicos para mejorar la investigación del cerebro; y los Premios McKnight de Neurobiología de los Trastornos Cerebrales, para los científicos que trabajan para aplicar el conocimiento logrado a través de la investigación traslacional y clínica a los trastornos cerebrales humanos.

Premios Académicos McKnight 2022

Christine Constantinopla, Ph.D.., Profesor asistente, Centro de Ciencias Neurales de la Universidad de Nueva York, Nueva York, NY

Mecanismos de inferencia del circuito neuronal

El cerebro animal está maravillosamente bien adaptado para tomar decisiones basadas en inferencias: una comprensión de cómo funciona el mundo que ayuda a guiar si se debe tomar o no una acción determinada en una situación determinada. Si un animal tiene un “modelo” interno del mundo, se puede tomar una decisión basada en ese modelo. Pero, ¿cómo llegan las neuronas a representar cosas en el mundo? ¿Qué circuitos y procesos reales están involucrados? Y en un mundo dinámico, donde es necesario tomar decisiones con información incompleta o no reconocida, ¿cómo deciden los animales cómo hacer una “apuesta” por la mejor acción?

En su investigación, la Dra. Constantinopla está trabajando con un modelo de rata para descubrir qué partes del cerebro están involucradas en inferir cosas sobre el mundo y las diferencias neurológicas entre tomar una decisión cognitiva en un entorno incierto o recurrir a una acción habitual. El experimento implica esperar una recompensa de agua conocida, o “optar por no participar” con la esperanza de que la próxima recompensa ofrecida valga más la pena. Hay diferentes cantidades de recompensa y se presentan en un patrón que permite a la rata construir un modelo de qué rango de resultados esperar, aunque no puede estar seguro, porque algunas de las recompensas son ambiguas sobre el estado de la tarea.

Al monitorear la actividad cerebral en múltiples regiones y en proyecciones específicas durante períodos predecibles e impredecibles y las transiciones entre ellos, e inactivar regiones cerebrales específicas y vías neuronales en diferentes ensayos, el Dr. Constantine propone identificar los mecanismos involucrados en la inferencia. Propone que intervienen diferentes procesos a la hora de elegir una acción basada en un modelo mental frente a decisiones libres de modelo; que diferentes núcleos talámicos codifican las recompensas y la historia de la rata por separado; y que la corteza orbitofrontal (OFC) integra estas dos entradas superpuestas pero distintas para inferir estados desconocidos. Este trabajo puede ayudar a futuras investigaciones sobre enfermedades como la esquizofrenia o el trastorno obsesivo-compulsivo, en las que los pacientes parecen tener un modelo interno del mundo deteriorado para ayudar a guiar la conducta.

Bradley Dickerson, Ph.D., Profesor asistente, Instituto de Neurociencia de Princeton, Universidad de Princeton, Princeton, Nueva Jersey

Retroalimentación proporcional-integral en un 'giroscopio' biológico

El sistema nervioso recopila y actúa sobre la información entrante en milisegundos, a veces con reflejos programados, a veces con intención. Pero estudiar cómo estas señales afectan el movimiento en un animal vivo presenta desafíos. Se han realizado trabajos a nivel de neuronas individuales, así como a escala del movimiento de todo el cuerpo. El Dr. Dickerson propone unir estas diferentes escalas y también resolver el nivel de control que tienen las moscas de la fruta sobre ciertos conjuntos de músculos de las alas a través de un experimento que estudia órganos mecanosensoriales especializados exclusivos de las moscas conocidos como halterios.

Los halteres detectan las fuerzas de rotación que afectan a la mosca y proporcionan instrucciones involuntarias directamente a los músculos del ala para compensar, actuando como una especie de giroscopio automático. Pero en investigaciones anteriores, el Dr. Dickerson demostró que el halter también puede activar acciones precisas de dirección del ala en ausencia de rotaciones, respondiendo a instrucciones de control activo del cerebro. En su nueva investigación, explorará los motivos de control de las maniobras de vuelo cuando las moscas están expuestas a estímulos sensoriales. Estas moscas están atadas a una arena y monitoreadas por un microscopio epifluorescente que puede detectar la actividad neuronal en los músculos halter. En experimentos separados, un microscopio de dos fotones encima de la mosca controlará la actividad cerebral, con una cámara debajo siguiendo el movimiento del ala. Los estímulos visuales aparecen ante la mosca, lo que provoca eventos de dirección y permite al Dr. Dickerson observar en múltiples escalas cómo se produce el movimiento.

El Dr. Dickerson propone que el halter tiene mecanismos de control separados que pueden ser reclutados durante las perturbaciones para ofrecer a la mosca el máximo control. En la jerga de la ingeniería de controles, cree que el halterio puede reaccionar tanto a la retroalimentación proporcional (el tamaño de una perturbación) como a la integral (cómo cambia la perturbación con el tiempo), una mayor sofisticación de lo que se creía anteriormente. Más allá de esto, espera documentar cómo funcionan todos estos sistemas juntos, aprendiendo qué neuronas envían qué señales a qué músculos y cómo esto conduce a movimientos específicos, creando un modelo de cómo se comunican los cerebros, las neuronas y los músculos que pueda mejorar nuestra comprensión de cómo se controla el movimiento.

Markita Landry, Ph.D., Profesor asistente, Universidad de California – Berkeley, Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, Berkeley, CA

Iluminando la señalización de oxitocina en el cerebro con nanosensores fluorescentes del infrarrojo cercano

Se cree que los desequilibrios químicos en el cerebro están asociados con una amplia gama de trastornos neurológicos en los seres humanos, pero actualmente es imposible ver qué sustancias químicas están presentes en un cerebro con precisión celular. En su investigación, la Dra. Landry busca crear un nanosensor que pueda detectar la oxitocina, uno de una clase de neuropéptidos que se cree que tienen un papel en la modulación del estado de ánimo y el comportamiento, y así permitir investigaciones que puedan ayudar a confirmar el papel de los neuropéptidos en el día a día. vida y diagnosticar con mayor precisión desequilibrios neuroquímicos que pueden provocar enfermedades de salud mental.

El trabajo del Dr. Landry implica la creación de “sondas ópticas”: minúsculos nanotubos de carbono con un péptido unido a la superficie que emitirá fluorescencia en luz infrarroja cercana en presencia de oxitocina. Esta fluorescencia se puede detectar con alta precisión en una escala de tiempo de milisegundos, lo que permite a los investigadores ver exactamente dónde y cuándo está presente en el cerebro, y así identificar bajo qué condiciones la liberación de oxitocina podría verse afectada (y por lo tanto tratable) en el estado de ánimo, el comportamiento y las relaciones sociales. trastornos. El Dr. Landry ha creado sondas similares para la serotonina y la dopamina, pero la creación de una nueva sonda para la oxitocina no sólo permitirá investigar sus efectos en el cerebro, sino también toda una clase de neuropéptidos similares.

Es importante destacar que estos nanotubos se pueden introducir externamente en el tejido cerebral; La fluorescencia no es el resultado de una codificación genética, por lo que puede utilizarse en animales que no hayan sido modificados. Debido a que emiten luz infrarroja cercana, es posible que la luz pueda detectarse a través del cráneo, lo que permitiría una mínima molestia a los sujetos. En el experimento del Dr. Landry, el desarrollo de los nanosensores y detectores se validará mediante pruebas in vitro utilizando cortes de cerebro y, finalmente, se aplicará in vivo, momento en el que se determinará si es posible obtener imágenes a través del cráneo. Con estos sensores como herramienta, el Dr. Landry espera ayudar a mejorar el diagnóstico de trastornos neurológicos y así desestigmatizar y mejorar el tratamiento de muchas de estas afecciones.

Lauren Orefice, Ph.D., Hospital General de Massachusetts/Escuela de Medicina de Harvard, Boston, MA

Desarrollo, función y disfunción de los sistemas somatosensorial y viscerosensorial en el trastorno del espectro autista

El Trastorno del Espectro Autista (TEA) es un trastorno neurológico muy prevalente pero muy complejo, asociado a menudo a alteraciones en el comportamiento social. En muchos casos, el TEA se asocia con ciertos cambios genéticos y, a menudo, viene con ciertas comorbilidades, algunas de las más comunes incluyen hipersensibilidad al tacto y una variedad de problemas gastrointestinales.

Tradicionalmente se ha pensado que el TEA es causado únicamente por anomalías en el cerebro, pero en su investigación, la Dra. Orefice ha descubierto que las alteraciones en las neuronas sensoriales periféricas contribuyen al desarrollo de los síntomas del TEA en ratones, incluida la hipersensibilidad al tacto de la piel y la alteración de la piel. comportamientos sociales. Su investigación actual se centrará en si las neuronas sensoriales periféricas de los ganglios de la raíz dorsal (GRD) que detectan estímulos en el tracto gastrointestinal también son anormales en modelos de ratón para TEA, y si esto contribuye a problemas gastrointestinales como el aumento del dolor gastrointestinal que son notablemente comunes en TEA.

El trabajo del Dr. Orefice ha identificado que la hipersensibilidad al tacto durante el desarrollo conduce a cambios en los comportamientos sociales en ratones adultos. Al igual que los humanos, muchos aspectos del comportamiento social de los ratones implican el sentido del tacto. En una segunda parte de su investigación, la Dra. Orefice espera comprender cómo las alteraciones en el desarrollo del circuito somatosensorial debido a la disfunción de las neuronas sensoriales periféricas dan como resultado cambios en los circuitos cerebrales conectados que regulan o modifican los comportamientos sociales.

Finalmente, la Dra. Orefice se centrará en traducir sus hallazgos de estudios preclínicos en ratones para comprender los problemas sensoriales asociados al TEA en humanos. El Dr. Orefice probará primero si los enfoques que reducen la excitabilidad de las neuronas sensoriales periféricas pueden mejorar la hiperreactividad al tacto y los problemas gastrointestinales en ratones. Aprovechará estos hallazgos en ratones para comprender mejor la fisiología humana mediante estudios de células cultivadas extraídas de personas con TEA. El trabajo del Dr. Orefice también tiene como objetivo utilizar estudios en ratones y células de origen humano para identificar compuestos que se dirigen a las neuronas sensoriales periféricas como un enfoque manejable para mejorar los problemas sensoriales y los comportamientos relacionados con el TEA.

Kanaka Rajan, Ph.D.., Profesor asistente, Departamento de Neurociencia e Instituto Friedman Brain de la Facultad de Medicina Icahn de Mount Sinai, Nueva York, NY

Modelos de redes neuronales multiescala para inferir motivos funcionales en el cerebro

Con el auge de la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático, los neurocientíficos están aprovechando estas herramientas para construir modelos computacionales que puedan ayudarnos a comprender cómo funciona el cerebro. Pero la gran pregunta es: ¿Cuál es el nivel adecuado para estudiar los sistemas neuronales? ¿Está a nivel de neuronas individuales, circuitos cerebrales, capas, regiones o alguna combinación?

El Dr. Rajan está abordando esta cuestión aprovechando el poder de los modelos basados en IA y combinándolos con conjuntos de datos adquiridos a partir de grabaciones en múltiples especies para crear representaciones mejores y más predictivas del cerebro. Utilizando modelos de redes neuronales recurrentes (RNN), el Dr. Rajan descubrió que imponer más restricciones a los modelos computacionales daba como resultado hallazgos más consistentes y espacios de solución más pequeños y robustos. Desde entonces, ha recurrido al desarrollo de RNN de múltiples escalas donde las restricciones son datos neuronales, anatómicos y de comportamiento de experimentos reales, y se aplican simultáneamente. Su próximo paso será crear RNN de múltiples escalas utilizando datos registrados de múltiples especies bien estudiadas en neurociencia (larvas de pez cebra, moscas de la fruta y ratones) para crear modelos.

En última instancia, el uso de conjuntos de datos de diferentes especies permitirá al Dr. Rajan identificar "motivos funcionales" y utilizarlos para descubrir similitudes y divergencias inesperadas entre estos sistemas. Estos conjuntos comunes y discretos de neuronas activas que están vinculados a comportamientos y estados similares, independientemente de la especie, nos ayudarán a inferir cómo funcionan los cerebros a un nivel fundamental sin sesgos ni asignar estructuras como regiones del cerebro con funciones específicas a priori. Con los datos disponibles, estos modelos pueden ejecutar muchos escenarios e identificar qué cambios en la estructura o actividad neuronal dan como resultado diferentes resultados de comportamiento. Esto tiene el potencial de arrojar luz sobre las disfunciones neuronales asociadas con una amplia gama de enfermedades neuropsiquiátricas. Con la llegada de conjuntos de datos mucho más grandes y detallados en neurociencia, la creciente accesibilidad a una mayor potencia informática y los avances en matemáticas y algoritmos, el Dr. Rajan cree que estamos en la cúspide de una revolución en lo que los modelos y la teoría computacionales pueden enseñarnos sobre el cerebro.

Weiwei Wang, Ph.D.., Profesor asistente, Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas, Dallas, TX

Comprensión de la construcción y función de los conjuntos postsinápticos glicinérgicos

La forma en que las neuronas se comunican entre sí es notablemente compleja: los neurotransmisores pasan de una neurona a la siguiente a través de las sinapsis, indicando a los receptores sinápticos de la neurona receptora que se abran y formen canales que permitan el paso de los iones, transmitiendo así una señal eléctrica. Sin embargo, si las sinapsis no funcionan o no se forman, el deterioro de estas señales puede contribuir a los trastornos neurológicos. El Dr. Wang busca ampliar nuestra comprensión de estas sinapsis, cómo se forman y cómo funcionan (en particular, cómo organizan los receptores sinápticos en grupos y por qué es importante que los receptores se reúnan en altas concentraciones) mediante el estudio en detalle de la función glicinérgica. sinapsis.

A pesar de estar bastante bien documentada, quedan muchas preguntas sobre la sinapsis glicinérgica. Hay una serie de subtipos (uno de los cuales está presente sólo en una etapa muy temprana del desarrollo del cerebro) con diferentes funciones y distribuciones cuya estructura no está clara, como tampoco lo es el mecanismo por el cual reaccionan a una proteína de andamiaje para formar grupos. El papel de la formación en un cúmulo es en sí mismo un misterio: no está claro si necesitan estar juntos en una cierta densidad para funcionar correctamente y, de ser así, por qué. Cada una de estas incógnitas presenta otro punto en el que alguna disfunción podría causar un trastorno neurológico, como hiperekplexia (llamado “síndrome de sobresalto”) y posiblemente dolor inflamatorio.

El Dr. Wang intentará sistemáticamente aprender más sobre cada uno de estos misterios, utilizando microscopía crioelectrónica para identificar con precisión la estructura molecular de cada subtipo que aún no se ha resuelto y así identificar cómo funciona cada uno; probar cómo se forma la estructura en la que se agrupan los receptores de glicina a partir de las proteínas gefirina, neuroligina-2 y colibistina; y finalmente probar receptores purificados en una membrana artificial, primero de forma aislada, luego unidos al andamio y luego unidos al andamio en un grupo para ver cómo cambia la función. Si bien se han realizado investigaciones sobre cómo funcionan los canales iónicos solitarios, este estudio del efecto de la agrupación puede abrir nuevas vías de comprensión, ya que los receptores sinápticos suelen estar agrupados en una neurona viva.