Premios académicos McKnight 2022

La junta directiva de The McKnight Endowment Fund for Neuroscience se complace en anunciar que seleccionó a seis neurocientíficos para recibir el premio McKnight Scholar Award 2022.

Los Premios McKnight Scholar se otorgan a jóvenes científicos que se encuentran en las primeras etapas de establecer 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 jóvenes neurocientíficos líderes de la actualidad de todo el país”, dijo Richard Mooney, PhD, presidente del comité de premios y profesor de neurobiología George Barth Geller en la Facultad de Medicina de la Universidad de Duke.

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

Desde que se introdujo el premio en 1977, este prestigioso premio de inicio de 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 Award recibirá $75,000 por año durante tres años.

Hubo 53 postulantes para los premios McKnight Scholar Awards de este año, que representan a la mejor facultad joven de neurociencia del país. Los profesores solo son elegibles para el premio durante sus primeros cuatro años en un puesto de profesor de tiempo completo. Además de Mooney, el comité de selección de los 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 cronograma 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 utilizara 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, Ciudad de Nueva York, NY

Mecanismos de circuito neuronal de inferencia

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 o no tomar 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 las decisiones deben tomarse con información incompleta o no reconocida, ¿cómo deciden los animales cómo hacer una "apuesta" en la mejor acción?

En su investigación, la Dra. Constantinople 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 volver a la acción habitual. El experimento consiste en 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 le 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, y al inactivar regiones cerebrales específicas y vías neuronales en diferentes ensayos, el Dr. Constantine propone identificar los mecanismos involucrados en la inferencia. Ella propone que se involucran diferentes procesos cuando se elige una acción basada en un modelo mental versus 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 que involucren condiciones, 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 el comportamiento.

Bradley Dickerson, PhD, Profesor Asistente, Instituto de Neurociencia de Princeton, Universidad de Princeton, Princeton, NJ

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 ha trabajado 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 conocidas como halteres.

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

El Dr. Dickerson propone que el halterio tenga mecanismos de control separados que puedan activarse durante las perturbaciones para ofrecer el máximo control a la mosca. En la jerga de la ingeniería de controles, él cree que el halterio puede reaccionar tanto a la retroalimentación proporcional (el tamaño de una perturbación) como integral (cómo cambia la perturbación con el tiempo), una sofisticación mayor 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 puede avanzar en nuestra comprensión de cómo se controla el movimiento.

Markita Landry, Doctora en Filosofía, 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 de infrarrojo cercano

Se cree que los desequilibrios químicos en el cerebro están asociados con una amplia gama de trastornos neurológicos en 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 la investigación que puede ayudar a confirmar el papel de los neuropéptidos en el día a día. vida, y más precisamente diagnosticar desequilibrios neuroquímicos que pueden conducir a 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 un 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 social. 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 solo permitirá investigar sus efectos en el cerebro, sino también toda una clase de neuropéptidos como este.

Es importante destacar que estos nanotubos pueden introducirse externamente en el tejido cerebral; la fluorescencia no es el resultado de la codificación genética, por lo que puede usarse en animales que no han sido modificados. Debido a que emiten luz infrarroja cercana, es posible que la luz se pueda detectar a través del cráneo, lo que permitiría una mínima perturbación para los sujetos. En el experimento del Dr. Landry, el desarrollo de los nanosensores y detectores se validará mediante pruebas in vitro con 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 los 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, a menudo asociado con alteraciones en el comportamiento social. En muchos casos, el TEA está asociado 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 descubrió 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 alteración comportamientos sociales Su investigación actual se centrará en si las neuronas sensoriales periféricas de los ganglios de la raíz dorsal (DRG, por sus siglas en inglés) que detectan estímulos en el tracto gastrointestinal también son anormales en modelos de ratón para ASD, y si esto contribuye a problemas gastrointestinales como un aumento del dolor gastrointestinal que es notablemente común 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 involucran 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 enfocará en traducir sus hallazgos de estudios preclínicos en ratones para comprender los problemas sensoriales asociados con los 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 derivadas de humanos para identificar compuestos que se dirijan a las neuronas sensoriales periféricas como un enfoque manejable para mejorar los problemas sensoriales y los comportamientos relacionados con los TEA.

Kanaka Rajan, doctorado., Profesor Asistente, Departamento de Neurociencia y Instituto del Cerebro Friedman en la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai, Ciudad de 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 pueden ayudarnos a comprender cómo funciona el cerebro. Pero la gran pregunta es: ¿Cuál es el nivel adecuado para estudiar los sistemas neuronales? ¿Es a nivel de neuronas individuales, circuitos cerebrales, capas, regiones o alguna combinación?

El Dr. Rajan está abordando esta pregunta aprovechando el poder de los modelos basados en IA y combinándolos con conjuntos de datos adquiridos de grabaciones en múltiples especies para hacer representaciones mejores y más predictivas del cerebro. Mediante el uso de modelos de redes neuronales recurrentes (RNN), el Dr. Rajan descubrió que imponer más restricciones a los modelos computacionales dio como resultado hallazgos más consistentes y espacios de solución más pequeños y robustos. Desde entonces, ha recurrido al desarrollo de RNN multiescala donde las restricciones son datos neuronales, de comportamiento y anatómicos de experimentos reales, y se aplican simultáneamente. Su próximo paso será crear RNN de múltiples escalas utilizando dichos 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 usarlos para descubrir similitudes y divergencias inesperadas en estos sistemas. Estos conjuntos comunes y discretos de neuronas activas que están vinculadas a comportamientos y estados similares, independientemente de la especie, nos ayudarán a inferir cómo funcionan los cerebros a un nivel fundamental sin sesgos o asignando estructuras como regiones cerebrales con funciones específicas a priori. Con los datos disponibles, estos modelos pueden ejecutar muchos escenarios e identificar qué cambios en la estructura o la 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 de 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 la teoría y los modelos computacionales pueden enseñarnos sobre el cerebro.

Weiwei Wang, doctorado., Profesor Asistente, Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas, Dallas, TX

Comprensión de la construcción y función de los ensamblajes 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, lo que indica a los receptores sinápticos de la neurona receptora que se abran y formen canales que permitan el paso de iones y transmitan 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 junten en altas concentraciones, estudiando en detalle el glicinérgico. sinapsis

A pesar de estar bastante bien documentado, quedan muchas preguntas sobre la sinapsis glicinérgica. Hay una serie de subtipos (uno de los cuales está presente muy temprano en el desarrollo del cerebro) con diferentes roles y distribuciones cuya estructura no está clara, al igual que el mecanismo por el cual reaccionan a una proteína de andamiaje para formar grupos. El papel de la formación en un grupo es en sí mismo un misterio: no está claro si necesitan estar juntos en una determinada 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 el andamiaje en el 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 se agrupan con mayor frecuencia en una neurona viva.