Awardees

André Berndt, PhD, Profesor Asistente, Departamento de Bioingeniería, Universidad de Washington

Ingeniería masivamente paralela y de alto rendimiento de biosensores optogenéticos para la señalización neuronal

Las proteínas fluorescentes codificadas genéticamente han revolucionado el estudio de las células cerebrales y los circuitos neuronales. Al iluminarse literalmente en presencia de actividad neuronal específica, que luego puede ser registrada por microscopios y fibras de luz en cerebros vivos, esta herramienta ha descifrado muchos misterios y ha permitido a los investigadores visualizar la actividad cerebral y las vías neuronales. Pero ha habido un cuello de botella: desarrollar e identificar el mejor sensor para cada experimento. Estas proteínas codificadas necesitan reaccionar en presencia de solo estímulos específicos, en algunos casos pueden necesitar ser altamente sensibles, en otros casos pueden necesitar fluorescencia por un período de tiempo más largo, o un experimento puede necesitar dos sensores para ver cómo funcionan múltiples neurotransmisores. obrar recíprocamente.

En el pasado, cada sensor tenía que modificarse genéticamente, producirse y probarse individualmente. Tal vez solo se pudieron comparar unas pocas docenas o cientos, y los investigadores eligieron la mejor opción de una pequeña muestra, sin saber si había una opción mejor y más precisa disponible. El Dr. Berndt ha desarrollado un proceso para desarrollar y probar una gran cantidad de biosensores optogenéticos simultáneamente, con el objetivo de evaluar más de 10 000 por día y construir una biblioteca masiva de biosensores que pueden brindar a los investigadores acceso a proteínas diseñadas con precisión que pueden usar para ejecutar cada vez. experimentos más específicos.

La tecnología utiliza ingeniería genética rápida para crear un gran número de variantes de un biosensor y luego coloca las variantes individuales en una matriz de micropocillos. Los sensores están expuestos a neuropéptidos (actualmente, el Dr. Berndt se está enfocando en sensores de opioides específicos de ligandos) y luego los sensores ópticos leen la micromatriz, detectan el brillo y otras variables de cada variante, y seleccionan las mejores opciones para realizar más pruebas. En el transcurso de 2 años, se probarán unos 750 000 biosensores y se perfeccionará el proceso para su evaluación, lo que permitirá avanzar en la investigación sobre las acciones de los opioides en el cerebro y brindar un enfoque versátil que otros investigadores pueden usar para sus experimentos.

Ruixuangao, Ph.D., Profesor Asistente, Departamento de Química y Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad de Illinois Chicago

Perfil espacial sub-10 nm de proteínas sinápticas y transcritos de ARN con microscopía de expansión de alta isotropía utilizando un hidrogel altamente homogéneo construido a partir de monómeros similares a tetraedros

Para examinar cosas que son muy pequeñas, como las neuronas y sus sinapsis en el cerebro, los investigadores utilizan potentes microscopios. Pero hay otro enfoque que puede producir resultados impresionantes: literalmente expandir una muestra de tejido y las células dentro de ella mediante el uso de un hidrogel hinchable especial a través de un proceso llamado microscopía de expansión. El hidrogel se une a diferentes componentes moleculares de las células y se expande, idealmente manteniendo todos los componentes en la misma posición relativa entre sí, creando una muestra más grande y más accesible para estudiar, en principio, similar a escribir en un globo y luego inflarlo. .

Sin embargo, los hidrogeles actuales utilizados para este proceso tienen algunos inconvenientes cuando se trata de estudiar estructuras diminutas en el cerebro. El margen de error al mantener la posición relativa de las moléculas no es tan preciso como se desea. El nuevo gel que potencialmente supera este problema reacciona mal al calor utilizado en la desnaturalización y el tratamiento de muestras de tejido. Y puede limitar el uso de biomarcadores fluorescentes. El Dr. Gao tiene como objetivo mejorar la tecnología mediante el desarrollo de un nuevo tipo de "tetra-gel", que está diseñado químicamente para tener un monómero en forma de tetraedro que es extremadamente uniforme a medida que se expande, resiste el calor y permite el uso de marcadores bioluminiscentes. También desarrollará enlazadores químicos, moléculas especializadas que unirán diferentes componentes moleculares de la muestra al gel. El objetivo es tener una muestra expandida que coincida con la fidelidad del original dentro de los 10 nanómetros, igualando la resolución de los microscopios potentes.

La investigación del Dr. Gao ya ha identificado compuestos prometedores con los que desarrollar este tetragel. A medida que su laboratorio lo desarrolle y lo perfeccione, aplicará sus habilidades al estudio de, por ejemplo, cerebros afectados por la enfermedad de Parkinson de aparición temprana. Estudiar la estructura exacta de estos cerebros ha sido un desafío con los métodos tradicionales, y el objetivo es mapear con precisión las proteínas sinápticas y las transcripciones de genes asociadas, ayudando a descubrir cómo está estructurado molecularmente el cerebro de EP de inicio temprano.

Mirna Mihovilovic Skanata, Ph.D., Profesor Asistente, Departamento de Física, Universidad de Syracuse

Tecnología de seguimiento de dos fotones para leer y manipular patrones neuronales en animales que se mueven libremente

El estándar de oro para los neurocientíficos es poder registrar y manipular lo que sucede en el cerebro con un alto nivel de precisión, en un área grande, mientras un animal vivo se comporta libre y naturalmente. A lo largo de los años, la tecnología ha permitido a los investigadores avanzar hacia este ideal, pero siempre con algunas concesiones. A menudo, los animales necesitaban que se les arreglara la cabeza y/o se les implantaran sensores u ópticas intrusivas en sus cerebros y, a menudo, la grabación o manipulación de alta fidelidad se limitaba a un área relativamente pequeña del cerebro, mientras que las grabaciones y la manipulación de base amplia se limitaban a un área relativamente pequeña del cerebro. menos preciso

Uno de los desafíos clave es simplemente el movimiento y la distorsión del cerebro y las neuronas en un animal que se mueve libremente. Pero la Dra. Skanata está desarrollando una nueva tecnología de rastreo de dos fotones que le permite rastrear múltiples neuronas individuales en un animal en movimiento sin implantes invasivos, y activar o manipular ópticamente esas neuronas. El modelo utilizado son las larvas de la mosca de la fruta, que son naturalmente transparentes, y el sistema que seguirá desarrollando el Dr. Skanata utiliza microscopios de dos fotones (que permiten una orientación muy precisa) junto con un ingenioso algoritmo que puede detectar rápidamente el movimiento de neuronas individuales y ajuste la posición del sujeto en un escenario en movimiento para mantenerlo centrado bajo el microscopio. El sistema calcula las posiciones relativas de múltiples neuronas, se ajusta al movimiento y la deformación del cerebro durante el movimiento y rastrea la actividad neuronal en un área grande.

Al rastrear un animal que ha sido modificado para que las neuronas puedan activarse cuando se exponen a la luz óptica, el sistema permite a los investigadores activar las neuronas con alta precisión durante la actividad natural. Es importante destacar que el sistema que está desarrollando el Dr. Skanata tiene la capacidad de controlar de forma independiente dos rayos láser, por lo que puede rastrear múltiples áreas simultáneamente e incluso permitirá rastrear la actividad entre individuos, lo que permite conocer la actividad neuronal durante los encuentros grupales.

Timothy Dunn, Ph.D., Profesor asistente, Departamento de Ingeniería Biomédica, Universidad de Duke

Cuantificación del comportamiento tridimensional de múltiples escalas en individuos y grupos sociales

Los métodos actuales para medir el movimiento de animales que se comportan libremente tienen limitaciones: las observaciones muy detalladas de pequeños movimientos de un animal (un solo dígito, por ejemplo) requieren rangos de movimiento restringidos. Estudiar el comportamiento de movimiento libre en el espacio 3D a menudo significa limitar la resolución, tal vez solo rastrear la posición general o confiar en la descripción de un observador. El seguimiento automático de video en animales generalmente requiere un entorno simple y antinatural, y las partes del cuerpo que no son visibles para las cámaras no se rastrean con precisión. Las predicciones de inteligencia artificial (IA) de alta resolución en grandes espacios tridimensionales utilizando representación espacial volumétrica, una técnica desarrollada recientemente para superar estos problemas, requieren una potencia informática masiva. Agregar varios animales para observaciones sociales presenta problemas adicionales.

Como resultado, hay poca disponibilidad de los datos más deseados: alta resolución, seguimiento automático de animales en el espacio 3D que realizan comportamientos naturales, solos o en grupos, y cuantificación de ese movimiento en un formato estandarizado. El Dr. Dunn está trabajando en un nuevo enfoque que tiene como objetivo acercar ese ideal. Basándose en los aprendizajes de un algoritmo de aprendizaje automático geométrico 3D que su equipo utilizó para mejorar en gran medida la precisión de las predicciones, el Dr. Dunn y su equipo ahora están trabajando en el muestreo de imágenes recurrentes adaptativas (ARIS) que combina imágenes de varias cámaras para construir un modelo que puede medir y predecir la posición del cuerpo en muchas escalas, incluso cuando una parte (como un brazo o un pie) no es visible directamente.

ARIS mejora selectivamente la resolución de características corporales a escala fina y utiliza modelos predictivos basados en lo que sabe de su sujeto (disposición y longitud de las extremidades, cómo se conectan, cómo se mueven, etc.), aprendido primero analizando cantidades enormes de datos de entrenamiento de ratas que se comportan libremente y luego ajustados usando datos de entrenamiento en otras especies, para enfocarse en la parte del espacio donde es probable que esté la parte del cuerpo. Esto usa mucho menos poder computacional que las herramientas volumétricas 3D anteriores. En su investigación, el Dr. Dunn implementará ARIS y registrará datos en múltiples escalas, desde la posición general y la postura hasta el movimiento de los rasgos finos de las manos, los pies y la cara. La investigación adicional explorará su efectividad con la interacción de múltiples animales. Esta capacidad de medir el comportamiento de una manera nueva y más precisa tiene amplias implicaciones para el estudio de los trastornos neurológicos que afectan el movimiento, vinculando la actividad cerebral con el comportamiento y estudiando las interacciones sociales.

Jeffrey Kieft, Ph.D., Profesor, Departamento de Bioquímica y Genética Molecular, Facultad de Medicina de la Universidad de Colorado

Una nueva tecnología para controlar el transcriptoma

El ARN mensajero, o ARNm, es reconocido como un actor vital en la vida y la salud de las células. Estas moléculas de ARN son las plantillas para producir proteínas y se crean dentro de las células para llevar instrucciones a la maquinaria de producción de proteínas, y luego son destruidas por las enzimas. La totalidad del ARNm que expresa un organismo se denomina "transcriptoma".

Las deficiencias en el ARNm y el ARN no codificante (ncRNA) están relacionadas con ciertos trastornos neurodegenerativos y del neurodesarrollo. Si hay muy poco de un mRNA o ncRNA específico en el transcriptoma, ciertas funciones celulares pueden degradarse o desactivarse. El Dr. Kieft está explorando una forma novedosa de administrar el transcriptoma mediante la desaceleración de la descomposición del ARNm y del ARNnc. Sabiendo que algunas enzimas que destruyen los ARN esencialmente lo "mastican" de un extremo al otro, el Dr. Kieft usó su comprensión de cómo las moléculas de ARN se estructuran y se pliegan sobre sí mismas para crear una pieza de ARN resistente a exoribonucleasas (xrRNA) que , cuando se introduce en ARNm o ARNnc compatible, se combina y se pliega para formar una estructura de "bloqueo", que literalmente cambia la forma del ARN insertando una protuberancia que detiene las enzimas en su camino.

Al ralentizar la descomposición del ARNm y del ARNnc diana, el Dr. Kieft ve la oportunidad de administrar su abundancia dentro del transcriptoma. Los xrRNA diseñados podrían reconocer solo objetivos específicos, vincularse con ellos y crear la protección, de modo que los investigadores puedan aumentar la proporción del objetivo sin cambiar cuánto se crea. El enfoque tiene la ventaja de ser menos perjudicial para la célula huésped que el aumento de ARNm de forma no natural, y la precisión con la que se puede diseñar xrRNA ofrece el potencial de apuntar a múltiples ARN a la vez, y posiblemente incluso permitir un ajuste fino al administrar con precisión la tasa de decaer. El Dr. Kieft ve esta aplicación, nacida de la ciencia básica que estudia el ARN, como una herramienta de investigación potencialmente poderosa para los neurocientíficos, y quizás incluso la base para terapias en un futuro más lejano.

Suhasa Kodandaramaiah, Ph.D., Benjamin Mayhugh Profesor asistente, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Minnesota Twin Cities

Grabaciones cerebrales asistidas por robot en ratones que se comportan libremente

Los neurocientíficos que estudian la actividad cerebral durante los comportamientos generalmente tienen que hacer una compensación: usan sensores neurales miniaturizados montados en la cabeza que son lo suficientemente livianos como para permitir que un animal en cuestión se comporte libremente, pero tienen una resolución más baja o no pueden monitorear todo el cerebro. O usan herramientas más poderosas, que son demasiado pesadas para los animales sujetos y requieren otras soluciones, como la inmovilización mientras los animales se mueven en una cinta de correr, o incluso el uso de experiencias de realidad virtual que, sin embargo, limitan el comportamiento de un sujeto.

El Dr. Kodandaramaiah está abordando el desafío con un exoesqueleto craneal robótico que soporta el peso del hardware de grabación y monitoreo neuronal mientras permite que el sujeto (en este caso un mouse) gire la cabeza en los tres grados: un giro completo de 360 grados en el eje de guiñada (rotación horizontal) y unos 50 grados de movimiento en los ejes de cabeceo y balanceo, mientras se mueve en una arena. El robot tiene tres brazos articulados dispuestos en configuración triangular, suspendidos sobre el sujeto y reunidos en el punto de montaje en la cabeza. Los sensores en la montura detectarán qué movimiento está haciendo el mouse y dirigirán al robot para permitir el movimiento con la menor fuerza de resistencia posible, lo que permitirá que el mouse gire y se mueva dentro de una arena que se usa típicamente para experimentos de neurociencia con todo el equipo sensorial necesario y alambres de los implantes soportados por el robot.

Eliminar la necesidad de miniaturización permite a los investigadores utilizar cualquier hardware de última generación disponible, lo que significa que, en teoría, un robot puede actualizarse para utilizar la última tecnología poco después de su introducción. Para llegar a ese punto, el equipo del Dr. Kodandaramaiah pasará por varios pasos: diseñar el exoesqueleto; diseñar el escenario frontal con sus sensores necesarios, además de electrodos y cámaras de alta densidad para la observación externa de ojos, bigotes y más; realizar pruebas de banco; sintonizar el robot con las entradas que puede ofrecer un mouse; determinar cómo introducir sondas; y finalmente hacer una grabación en vivo. Con esta base mecánica, el Dr. Kodandaramaiah espera ayudar a los investigadores a acercarse al estado en el que pueden realizar grabaciones neuronales detalladas de todo el cerebro de sujetos que se comportan libremente durante largos períodos de tiempo.

Eva Dyer, Ph.D., Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter, Instituto de Tecnología de Georgia y Universidad Emory

"Comparación de conjuntos de datos neuronales a gran escala a través del tiempo, el espacio y el comportamiento ”

La capacidad de observar y registrar datos neuronales en grandes partes del cerebro ha dado como resultado enormes cantidades de datos, lo que permite encontrar patrones en los datos que pueden explicar cuántas neuronas trabajan juntas para codificar información sobre el mundo. Incluso con los nuevos avances en la búsqueda de patrones de baja dimensión en los conjuntos de datos, sigue siendo difícil comparar múltiples registros a gran escala, ya sea durante largos períodos de tiempo, o en diferentes personas que resuelven las mismas tareas o similares, o en diferentes estados de enfermedad. La experiencia de la Dra. Dyer usando el aprendizaje automático (ML) para decodificar la actividad cerebral la ha llevado a una solución novedosa para identificar patrones en múltiples conjuntos de datos neuronales grandes.

El trabajo del Dr. Dyer implica la creación de algoritmos de aprendizaje automático para extraer información significativa de conjuntos de datos neuronales, que están etiquetados para identificar si el animal estaba dormido, despierto, alimentándose o participando en diversos movimientos o comportamientos. Las nuevas reglas matemáticas inspiradas en la criptografía guían los algoritmos para identificar patrones similares en conjuntos de datos separados, buscando específicamente que coincidan con la actividad neuronal generada por diferentes estados del cerebro como un punto de partida para alinear los datos. Alinear la actividad neuronal puede mostrar cómo los patrones neuronales se relacionan con el comportamiento y el estado del sujeto, así como prevenir la corrupción por el ruido, y proporciona un trampolín crítico para técnicas de análisis más potentes.

El segundo objetivo del Dr. Dyer ayudará a los investigadores a reenfocarse en neuronas individuales para comprender cómo contribuyen a los cambios generales en la actividad neuronal y si pueden usarse para predecir estados cerebrales específicos. La investigación explorará más a fondo si las diferencias en los comportamientos se pueden rastrear a tipos de células específicas y cómo las diferencias observadas en los conjuntos de datos se pueden usar para caracterizar la variación entre animales individuales. La capacidad de decodificar y comparar grandes conjuntos de datos neuronales será invaluable en la investigación neurológica al indicar cómo la enfermedad neurodegenerativa afecta el procesamiento de la información del cerebro.

Rikky Muller, Ph.D., Profesor Asistente de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Universidad de California - Berkeley

"Un dispositivo holográfico de alta velocidad para el control optogenético de miles de neuronas "

La optogenética, que modifica genéticamente las neuronas para que sean sensibles a la luz para que los investigadores puedan activarlas o silenciarlas a voluntad, ha revolucionado la investigación en neurociencia. Junto con los moduladores de luz espacial que transforman la luz en hologramas 3D, los investigadores pueden controlar individualmente muchas neuronas distribuidas en una región tridimensional del cerebro. en vivo. Pero hasta ahora, no ha habido un proyector holográfico capaz de controlar las neuronas a las velocidades que se encuentran en el cerebro de forma natural.

El Dr. Muller está diseñando y construyendo un proyector holográfico para resolver este problema. Su dispositivo transmitirá imágenes de luz holográficas a velocidades de 10,000 fotogramas por segundo (Hz). Muchos televisores de la generación actual actualizan 60 cuadros por segundo, en comparación, y las herramientas holográficas más rápidas disponibles comercialmente alcanzan los 500 Hz. Esta alta frecuencia de actualización es necesaria para replicar la señalización neural natural, lo que implica tiempos de acción potenciales de aproximadamente 1/1000 de segundo (equivalente a 1,000 Hz cuando se consideran las frecuencias de actualización). Además, Muller apunta a miles de neuronas con precisión milimétrica, y al igual que las tasas más altas en televisores producen imágenes más nítidas, un holograma de 10,000 Hz ofrecerá mayor precisión.

La Dra. Muller, una ingeniera eléctrica que se enfoca en neurotecnología, consulta regularmente con neurocientíficos mientras diseña, prueba y construye el dispositivo para garantizar que satisfaga sus necesidades. El dispositivo usará una matriz de micromirror, que esculpirá patrones de luz en 3D en ubicaciones y profundidades específicas a través de la actuación eléctrica de espejos en miniatura; La luz se transmite a través de una serie de lentes. El proyecto primero diseñará y fabricará dos matrices: una matriz más pequeña para pruebas y prueba de concepto, y una matriz de formato más grande, junto con los controladores y controles asociados que se utilizarán para la medición y la calibración. Finalmente, el equipo del Dr. Muller producirá un modulador de luz espacial con todas las funciones. Se espera que esta herramienta brinde a los investigadores una capacidad sin precedentes para controlar y probar la conectividad neuronal.

Gilad Evrony, MD, Ph.D., Profesor Asistente, Centro de Genética Humana y Genómica, Dptos. de Pediatría y Neurociencia y Fisiología, Langone Health de la Universidad de Nueva York

“TAPESTRY: una tecnología multiótica de una célula para el trazado de linajes de alta resolución del cerebro humano”

Es de conocimiento general que cada ser humano comienza como una sola célula con un solo conjunto de "instrucciones" de ADN, pero los detalles de cómo esa célula se convierte en billones, incluidas las decenas de miles de millones de células en el cerebro, aún son en gran parte desconocidos. La investigación del Dr. Evrony tiene como objetivo desarrollar una tecnología llamada TAPESTRY, que puede iluminar este proceso al construir un "árbol genealógico" de células cerebrales, que muestra qué células progenitoras dan origen a los cientos de tipos de células maduras en el cerebro humano.

La tecnología puede resolver algunos de los problemas clave que enfrentan los investigadores que estudian el desarrollo del cerebro humano. El método clave para estudiar el desarrollo mediante el rastreo de linajes (introducir marcadores en células de animales inmaduros y luego estudiar cómo se transmiten esos marcadores a su progenie) es imposible en los seres humanos porque es invasivo. El trabajo anterior del Dr. Evrony junto con sus colegas ha demostrado que las mutaciones que ocurren naturalmente pueden usarse para rastrear linajes en el cerebro humano. TAPESTRY pretende avanzar y escalar este enfoque resolviendo varias limitaciones de los métodos actuales. Primero, el trazado del linaje requiere un aislamiento y una amplificación más confiables de las pequeñas cantidades de ADN de células individuales. En segundo lugar, una comprensión detallada del desarrollo del cerebro humano debe ser rentable para permitir el perfil de miles o decenas de miles de células individuales. Finalmente, también necesita mapear los fenotipos de las células, no solo viendo cuán estrechamente están relacionadas las células, sino también qué tipo de células son. TAPESTRY busca resolver estos retos.

El enfoque del Dr. Evrony es aplicable a todas las células humanas, pero es de especial interés en los trastornos cerebrales. Una vez que se mapean los linajes cerebrales sanos, se pueden usar como una línea de base para ver cómo difiere el desarrollo cerebral en individuos con diversos trastornos que probablemente surjan en el desarrollo, como el autismo y la esquizofrenia.

Iaroslav 'Alex' Savtchouk, Ph.D.Profesor Asistente, Departamento de Ciencias Biomédicas, Universidad de Marquette

“Imágenes panópticas rápidas de volúmenes cerebrales mediante estereoscopia cuadrangular con marca de tiempo”

Las técnicas modernas de imágenes cerebrales ópticas permiten la observación de una capa delgada del cerebro, pero la imagen de mucha actividad cerebral en el espacio tridimensional, como un volumen de cerebro, ha demostrado ser desalentadora. El Dr. Savtchouk ha desarrollado un enfoque que permite a los investigadores ver lo que está sucediendo no solo en la superficie de un cerebro, sino en lo profundo y en una resolución espacio-temporal mucho más alta que nunca.

El proceso central, la microscopía de dos fotones, capta la actividad cerebral al buscar la fluorescencia en las células cerebrales modificadas genéticamente de los animales de laboratorio. Con un solo láser, la información de profundidad se registra muy lentamente. Con dos rayos láser, los investigadores obtienen esencialmente una visión binocular: pueden ver lo que está más cerca y más lejos, pero todavía hay "sombras" visuales donde no se puede ver nada (por ejemplo, cuando una persona mira el borde de un tablero de ajedrez, algunas piezas puede estar bloqueado por piezas más cercanas.) El Dr. Savtchouk está resolviendo este problema con la adición de dos rayos láser adicionales, que proporcionan una visión cuádruple y reducen en gran medida los puntos ciegos. También está secuenciando el tiempo de los láseres, que pulsan rápidamente, para que los investigadores sepan qué láser vio qué actividad, fundamental para construir un modelo tridimensional preciso en el tiempo.

El proyecto del Dr. Savtchouk primero consiste en diseñar el sistema en simulaciones por computadora y luego probar su aplicación con modelos de mouse. Su objetivo es desarrollar formas de actualizar los microscopios de dos fotones existentes mediante la adición de rayos láser y las actualizaciones de hardware y software, lo que permite a los laboratorios beneficiarse de la tecnología sin tener que pagar por un sistema completamente nuevo.

Michale S. Fee, Ph.D., Glen V. y Phyllis F. Dorflinger, profesora de neurociencia computacional y de sistemas, Departamento de Cerebro y Ciencias Cognitivas, Instituto de Tecnología de Massachusetts; e investigador, McGovern Institute for Brain Research

“Nuevas tecnologías para obtener imágenes y analizar las trayectorias del espacio de estado neural en pequeños animales de comportamiento libre”

El estudio de la actividad neuronal en los cerebros de los animales es un desafío de larga data para los investigadores. Los enfoques actuales son imperfectos: el tamaño actual de los microscopios requiere que los animales tengan una actividad restringida, y estos microscopios ofrecen un campo de visión limitado de las neuronas. Al hacer avances en la miniaturización con microscopio, el Dr. Fee y su laboratorio están desarrollando las herramientas necesarias para ver qué sucede en el cerebro de un animal, mientras que el animal es libre de realizar comportamientos naturales.

El microscopio montado en la cabeza permite al Dr. Fee observar los cambios en los cerebros de las aves juveniles mientras aprenden a cantar sus canciones. Mientras escuchan, repiten y aprenden, el Dr. Fee documenta los circuitos neuronales que se desarrollan como parte de este complejo proceso de aprendizaje. Estos circuitos están relacionados con los circuitos humanos que se forman durante el aprendizaje complejo de secuencias motoras, como aprender a andar en bicicleta, y se interrumpen en ciertas condiciones, incluida la enfermedad de Parkinson. Dado su objetivo de documentar un proceso de aprendizaje natural, es de vital importancia poder registrar la actividad neuronal durante los comportamientos naturales.

Además de la miniaturización, el nuevo microscopio tendrá la capacidad de registrar un orden de magnitud más neuronas que otras técnicas utilizadas en animales de comportamiento libre y se combinará con un nuevo análisis de datos que permitirá a los investigadores realizar observaciones en tiempo real y ajustar su Experimentos, acelerando el proceso de investigación. Tendrá aplicaciones inmediatas y amplias para los investigadores que exploran todo tipo de comportamientos cerebrales en animales pequeños.

Marco Gallio, Ph.D., Profesor Asistente, Departamento de Neurobiología, Universidad Northwestern

“Re-cableando conexiones en el cerebro vivo”

Esta investigación tiene como objetivo ampliar nuestra comprensión de cómo funcionan los cerebros permitiendo a los científicos podar de forma selectiva las conexiones sinápticas y fomentar nuevas conexiones entre las neuronas. Este nuevo cableado del cerebro permitirá a los investigadores comprender con mayor precisión qué conexiones desempeñan un papel en subconjuntos específicos de efectos neurológicos.

Cada neurona dentro de un circuito cerebral se conecta a múltiples objetivos. Cada objetivo puede tener una función única y, por lo tanto, procesar la misma información entrante de una manera completamente diferente. Por ejemplo, algunas neuronas específicas en el cerebro de la mosca de la fruta llevan información sobre el entorno externo que se usa para alejarse rápidamente de amenazas inminentes (un comportamiento innato), pero también para producir asociaciones duraderas a través del aprendizaje.

La tecnología propuesta permitirá a los investigadores identificar las conexiones que son fundamentales para cada proceso mediante la eliminación selectiva de las sinapsis de los centros de aprendizaje, dejando intactas todas las demás conexiones. El objetivo del proyecto es utilizar la ingeniería genética para producir proteínas de diseño que medien la repulsión o la atracción / adhesión entre socios sinápticos definidos genéticamente en el cerebro intacto de los animales vivos. Además de demostrar que este tipo de recableado de cerebros es posible, la investigación dará como resultado nuevas cepas de moscas de la fruta con una genética única que se puede compartir de inmediato con otros investigadores. Por diseño, estas herramientas pueden modificarse fácilmente para su uso en cualquier modelo animal o aplicarse a diferentes partes del cerebro, permitiendo una nueva clase de estudios neurológicos con profundas implicaciones para nuestra comprensión de cómo funcionan los cerebros humanos.

Jose M. Carmena, Ph.D., Profesor, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, y el Instituto de Neurociencias Helen Wills, Universidad de California Berkeley

Michel M. Maharbiz, Ph.D. Profesor, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Universidad de California Berkeley

Polvo neural: una tecnología ultrasónica, de baja potencia, en miniatura extrema para grabaciones neurales completamente inalámbricas y sin ataduras en el cerebro

Los Dres. Carmena y Maharbiz están colaborando para crear la próxima generación de interfaz cerebro-máquina (BMI) utilizando el llamado "polvo neural": sensores ultrasónicos implantables del tamaño de un mote que podrían eliminar la necesidad de cables que atraviesan el cráneo y permiten Para grabación cortical inalámbrica en tiempo real sin ataduras. Mientras investigadores en sus laboratorios y otros colegas del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de la Universidad de California Berkeley y el Instituto de Neurociencia Helen Wills están estudiando el potencial de la tecnología de polvo neural aplicada a los músculos y al sistema nervioso periférico, fondos de McKnight permitirá a los investigadores aplicar el concepto al sistema nervioso central, un método que creen podría revolucionar la neurología de la misma manera que el marcapasos revolucionó la cardiología. A través de la operación de circuito cerrado de la tecnología de polvo neural, Carmena y Maharbiz imaginan un futuro en el que el cerebro podría ser entrenado o tratado para restablecer la funcionalidad normal luego de una lesión o la aparición de una enfermedad neuropsicológica.

Ali Gholipour, Ph.D., Profesor Asistente de Radiología, Escuela de Medicina de Harvard; Director de Investigación en Radiología Traslacional, y científico del personal en el Laboratorio de Radiología Computacional, en el Hospital de Niños de Boston

Tecnología de imágenes con movimiento robusto para el análisis cuantitativo del desarrollo cerebral temprano 

El movimiento de los fetos, los recién nacidos y los niños pequeños plantea un desafío especial para los investigadores centrados en imágenes avanzadas para analizar el desarrollo temprano del cerebro e identificar posibles trastornos. El grupo de investigación del Dr. Gholipour en el Laboratorio de Radiología Computacional en el Boston Children's Hospital está trabajando para desarrollar, evaluar y diseminar una nueva tecnología y software de imágenes de resonancia magnética (MRI, por sus siglas en inglés) que permitan a los investigadores estudiar y caracterizar inuterino, perinatal. y la función y estructura del cerebro en la primera infancia. Las nuevas herramientas de análisis de imágenes y de imágenes pueden llevar a mejoras dramáticas en la capacidad de la comunidad de neurociencias para recopilar y analizar grandes datos para mejorar la comprensión del desarrollo cerebral temprano y establecer un vínculo más claro con los trastornos que pueden originarse desde las primeras etapas de la vida.

Narayanan (Bobby) Kasthuri, Ph.D., MDUniversidad de Chicago y los laboratorios nacionales de Argonne

Brain-X: mapas a nanoescala de cerebros enteros que utilizan rayos X de alta energía basados en sincrotrón

El laboratorio del Dr. Kasthuri está utilizando rayos X de alta energía para crear mapas completos y completos del cerebro. Las pilas de imágenes generadas dan como resultado cantidades asombrosas de datos que pueden segmentarse para identificar la ubicación de cada neurona, vaso sanguíneo y componente del cerebro. Al generar mapas de ratones y cerebros humanos sanos, los científicos pueden compararlos con muestras patológicas para comprender mejor las diferencias celulares y finalmente sinápticas en los cerebros enfermos afectados por el autismo, la diabetes y los accidentes cerebrovasculares, entre otras enfermedades.

Stephen Miller, Ph.D.Escuela de Medicina de la Universidad de Massachusetts

Superar las barreras para obtener imágenes en el cerebro

Las imágenes en el cerebro son difíciles, ya que muchas sondas moleculares no pueden cruzar la barrera hematoencefálica (BBB). El Dr. Miller y su laboratorio han encontrado formas de mejorar las imágenes en el tejido profundo del cerebro al aprovechar las propiedades bioluminiscentes de la luciérnaga. El equipo de Miller ha modificado el sustrato de luciferina de luciérnaga natural para aumentar su capacidad de acceso a los cerebros de los animales vivos. El brillo del cerebro se puede usar para detectar la expresión de genes, la actividad de las enzimas, monitorear la progresión de la enfermedad o medir la efectividad de los nuevos medicamentos.

Long Cai, Ph.D.Instituto de Tecnología de California

Descifrando las bases moleculares de la identidad celular en el cerebro mediante la secuenciación de FISH

El laboratorio de Cai ha desarrollado un método de imágenes de gran potencia basado en la "hibridación in situ de fluorescencia de una sola molécula", o smFISH, que permite observar información genética (por ejemplo, ARN) dentro de las células. Ahora busca adaptar este método para perfilar la expresión génica directamente en el cerebro a la misma alta resolución utilizando FISH secuencial (seqFISH).

Cynthia Chestek, Ph.D., Universidad de Michigan

Alta densidad 90μmetrotono de matriz de microtitulación de carbono para registrar cada neurona en la capa 5

El laboratorio de Chestek está desarrollando una forma de registrar y visualizar neuronas activas, interconectadas y sanas en un lapso de tiempo con mayor densidad que nunca. Usando electrodos minúsculos de hilo de carbono, planea grabar neuronas en un cerebro de rata desde una serie de canales y luego cortar el cerebro para visualizar todo el circuito. El objetivo es lograr una matriz de 64 canales que se pueda observar a una alta densidad utilizando un conector de neurociencia convencional.

Spencer Smith, Ph.D.Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill

Imagen multifotónica para grandes volúmenes cerebrales

Las neuronas individuales actúan juntas en formas complejas para moldear los pensamientos y comportamientos. La imagen multifotónica, que puede resolver neuronas individuales a milímetros de distancia, parece ofrecer una forma innovadora de estudiar este proceso. Basándose en investigaciones previas con microscopía de dos fotones, el laboratorio de Spencer está tratando de construir un sistema óptico personalizado para obtener acceso a 1 millón de neuronas, a la vez que conserva la capacidad de observar las neuronas individualmente.

Juan Carlos Izpisua Belmonte, Ph.D., El Instituto Salk de Estudios Biológicos

Derivación, caracterización y modificación génica de líneas de células germinales primordiales de tití común bajo una condición nueva

El laboratorio de Izpisua Belmonte está trabajando para acortar el tiempo necesario para desarrollar modelos animales de primates no humanos, específicamente los titíes. Belmonte ha desarrollado una estrategia para facilitar la generación de modelos de titíes transgénicos utilizando células germinales primordiales (PGC). La investigación tiene el potencial de ofrecer recursos celulares ilimitados para estudiar el desarrollo de células germinales de primates en un plato y, combinado con las herramientas de edición del genoma, el enfoque puede ayudar a crear modelos animales novedosos para enfermedades humanas.

Sotiris Masmanidis, Ph.D., Universidad de California, Los Angeles

Microbios de silicio para monitorizar la dinámica cerebral de mesoescala

El laboratorio de Masmanidis está desarrollando dispositivos basados en silicio micromaquinado, o microprocesadores, que pueden estar ampliamente disponibles a través de la producción en masa y pueden grabar muchas neuronas a la vez con una resolución de milisegundos. Los microprocesadores permitirán a Masmanidis estudiar cómo interactúan múltiples células cerebrales durante el comportamiento y el aprendizaje. Además, su laboratorio será pionero en las técnicas para etiquetar con precisión los lugares de grabación, mejorando la precisión del mapeo de la actividad cerebral.

Kate O'Connor-Giles, Ph.D., Universidad de Wisconsin-Madison

Un conjunto de herramientas CRISPR / Cas9 para un análisis completo del circuito neuronal

O'Connor-Giles busca desarrollar kits de herramientas modulares para identificar molecularmente y obtener control genético de subtipos neuronales. Estos kits de herramientas proporcionarán recursos críticos para caracterizar las contribuciones funcionales de los genes a la identidad neuronal y los subtipos neuronales al comportamiento. El laboratorio de O'Connor-Giles empleará estas mismas tecnologías para comprender cómo se conectan las neuronas durante el desarrollo. El trabajo se basa en el reciente éxito del laboratorio en la adaptación de la tecnología de ingeniería del genoma CRISPR / Cas9 en moscas de la fruta.

Thomas R. Clandinin, Ph.D., Universidad Stanford

Un método genético para mapear redes neuronales definidas por sinapsis eléctricas.

La mayoría de las investigaciones sobre circuitos cerebrales se han centrado en las sinapsis químicas, que son más fáciles de estudiar que las sinapsis eléctricas. Pero esta imagen incompleta del cableado cerebral dificulta los esfuerzos para comprender los cambios en la actividad cerebral. Clandinin propone desarrollar un método genético generalizable para determinar qué neuronas se conectan eléctricamente con otras. Para el final del período de dos años de la subvención, espera tener un conjunto de herramientas para las moscas de la fruta, así como un estudio de las conexiones eléctricas específicas en el cerebro de la mosca y herramientas análogas listas para probar en el ratón.

Matthew J. Kennedy, Ph.D., y Chandra L. Tucker, Ph.D. Universidad de Colorado - Denver

Herramientas ópticas para manipular sinapsis y circuitos.

La optogenética es un campo relativamente nuevo que implica controlar la función neuronal con la luz. Kennedy y Tucker esperan ampliar el campo mediante la ingeniería de nuevas herramientas que permitirán a los usuarios utilizar la luz para controlar los procesos en sentido descendente desde el disparo neuronal, con un enfoque en las moléculas de señalización importantes para la formación de sinapsis, la eliminación y la plasticidad. También planean desarrollar herramientas que permitan a los usuarios manipular las vías fundamentales de señalización molecular responsables del aprendizaje y la memoria en el cerebro.

Zachary A. Knight, Ph.D. Universidad de California - San Francisco

Secuenciación de neuromodulación con ribosomas modificados.

El cerebro de los mamíferos contiene cientos de tipos de células neuronales, cada uno con distintos patrones de expresión génica. El laboratorio de Knight está desarrollando herramientas para mapear eventos bioquímicos en el cerebro del ratón en esta diversidad molecular de células. Desarrollará métodos para la captura de ARN que pueden ayudar a determinar la identidad molecular de las células subyacentes. Estas herramientas permitirán a los neurocientíficos identificar las neuronas específicas que se modulan durante los cambios en el comportamiento, la fisiología o la enfermedad. Estas células identificadas pueden manipularse genéticamente para comprender su función.

Don B. Arnold, Ph.D. Profesor Asociado de Biología Molecular y Computacional, Universidad del Sur de California

Ablación de intrabodies: herramientas para la ablación directa de proteínas endógenas

Las proteínas se producen y degradan continuamente en el cerebro. El Dr. Arnold está trabajando en herramientas que permitan a los científicos manipular el proceso de degradación de proteínas para la investigación biomédica. Estas herramientas, conocidas como intracuerpos intracuerpos, pueden mediar la degradación rápida, eficiente y específica de las proteínas. Una proteína podría degradarse para probar su función en células normales o investigar los efectos dañinos de una proteína patológica en particular, en una enfermedad neurodegenerativa, por ejemplo. Actualmente, los científicos solo pueden causar la ablación de proteínas de manera indirecta, eliminando el gen o el ARN que codifica la proteína. La ablación de los intracuerpos causa la degradación directa de las proteínas diana y, por lo tanto, funciona mucho más rápidamente. También pueden dirigirse a proteínas en conformaciones particulares o con modificaciones postraduccionales específicas. El Dr. Arnold probará el uso de intracuerpos de ablación mediante la manipulación del contenido de proteínas de los sitios postsinápticos para estudiar la función sináptica, la homeostasis y la plasticidad en el cerebro. La investigación, si tiene éxito, podría tener una amplia aplicación en las ciencias biomédicas.

James EberwinePh.D. Profesor de farmacología, y Ivan J. Dmochowski, Profesor Asociado de Química, Universidad de Pennsylvania

La etiqueta TIVA permite la verdadera genómica de los sistemas neuronales

Si bien ha sido posible durante varios años estudiar la expresión génica en células individuales en cultivos de laboratorio, el progreso continuo en neurobiología requiere la capacidad de examinar la función genética y la regulación a nivel de sistemas, en tejidos intactos u organismos vivos. Los Dres. Eberwine y Dmochowski están trabajando en un método para aislar el ARN de las células vivas a través de un enfoque pionero, llamado TIVA-tag (para Transcriptome In Vivo Analysis). Durante el período de concesión, planean adaptar la química de los compuestos TIVA-tag para recolectar el ARN de las células con mayor especificidad, eficiencia y menos daño tisular de lo que antes era posible. Al final del período de concesión, pretenden haber establecido el enfoque TIVA-tag como una metodología viable para la genómica a nivel de sistemas.

Doris Tsao, Ph.D., Profesor Asistente de Biología, Instituto de Tecnología de California, y William J. Tyler, Ph.D., Profesor asistente en el Instituto de Investigación Virginia Tech Carilion, Escuela de Ingeniería Biomédica y Ciencias

Modulación funcional de los circuitos cerebrales de primates intactos mediante ultrasonido pulsado

A la neurociencia le falta una herramienta para estimular de forma no invasiva loci 3D específicos en cualquier parte del cerebro humano. Un trabajo previo del Dr. Tyler demostró que la neuromodulación ultrasónica puede estimular de forma no invasiva las neuronas en el cerebro de un ratón vivo. El siguiente paso es caracterizar cómo el ultrasonido afecta a un primate no humano, el macaco, cuyo cerebro es más grande y más complejo que el del ratón. Los investigadores planean observar las respuestas neuronales, el flujo sanguíneo cerebral y el comportamiento animal durante la neuromodulación ultrasónica enfocada. En última instancia, los Dres. Tsao y Tyler pretenden desarrollar una forma de utilizar el ultrasonido para estimular áreas específicas del cerebro humano, lo que proporcionará una herramienta nueva y poderosa para comprender los circuitos cerebrales en los seres humanos y brindará estrategias novedosas para el tratamiento de enfermedades neurológicas y psiquiátricas generalizadas.

Samuel S.-H. Wang, Ph.D., Profesor asociado de biología molecular, Universidad de Princeton

Trascendiendo los límites dinámicos de los indicadores de calcio codificables genéticamente

Las proteínas fluorescentes que cambian su brillo cuando las células del cerebro están activas son útiles para observar la actividad neural que subyace en la percepción, la memoria y otros procesos cognitivos. Las versiones actuales de estas proteínas solo responden con lentitud, en escalas de tiempo de un segundo o más. El laboratorio del Dr. Wang está rediseñando estas proteínas para responder más rápidamente y para un rango más amplio de actividad. Combinados con métodos ópticos avanzados, estos avances permitirán rastrear pequeñas partes del tejido cerebral de la forma en que las imágenes de resonancia magnética nuclear rastrean todo el cerebro, con la ventaja de que el nuevo método permitirá a los investigadores ver células individuales y los cambios que se producen en milisegundos. Esta investigación es parte de un esfuerzo mayor de los neurocientíficos para desarrollar tecnologías para estudiar redes cerebrales mientras un animal aprende, o para ver qué falla en animales con defectos neurológicos.

Sandra Bajjalieh, Ph.D. Profesor de Farmacología, Universidad de Washington

Desarrollo de biosensores para señalización de lípidos

Los cambios en los lípidos de la membrana desempeñan un papel en la señalización neuronal, pero los investigadores aún no pueden rastrear de manera confiable la producción de lípidos de señalización. Bajjalieh planea generar sensores para rastrear la generación de lípidos de señalización en las células en tiempo real. Ella diseñará proteínas que se unen a dos lípidos de señalización en ausencia de otras señales y las utilizará para desarrollar sondas fluorescentes para rastrear la ubicación de estos lípidos. Esta información permitirá ampliar el enfoque a otros lípidos.

Guoping Feng, Ph.D., Profesor de Cerebro y Ciencias Cognitivas, Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro, Instituto de Tecnología de Massachusetts

Desarrollo de una herramienta molecular in vivo para la manipulación genética de microcircuitos neuronales definidos por el comportamiento mediante la detección de actividad y luz por coincidencia

Para estudiar más de cerca cómo el cerebro procesa la información, Feng está desarrollando una herramienta para capturar poblaciones neuronales específicas activadas por comportamientos de animales dentro de un breve período definido por pulsos de luz, y seleccionar células cerebrales para la alteración genética en función de esa actividad. Estas células se pueden analizar para evaluar su participación en el comportamiento. Si tiene éxito, la herramienta permitirá a los neurocientíficos modificar genéticamente cualquier grupo de neuronas activadas por un comportamiento específico en un período definido con precisión.

Feng Zhang, Ph.D. Investigador, Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro; Miembro base, Instituto Broad del MIT y Harvard; Profesor Asistente de Cerebro y Ciencias Cognitivas, Instituto de Tecnología de Massachusetts

Ingeniería precisa del genoma utilizando proyectores TAL Recombinasas

La expresión genética se usa comúnmente para identificar el tipo de una neurona, pero la manipulación genética convencional es ineficiente y se limita en gran medida al ratón. Zhang está trabajando en una forma de modificar el genoma de las neuronas utilizando genes informadores que pueden introducirse en células y circuitos cerebrales específicos. Esta tecnología permitiría la introducción de mutaciones humanas en modelos animales para determinar si las mutaciones genéticas causan una enfermedad. La tecnología también acortará el tiempo que lleva generar un modelo animal.

Michael Berry II, Ph.D., Profesor asociado de biología molecular, Universidad de Princeton

Micropipeta de pinza de parche microfabricada

El laboratorio de Berry desarrollará una micropipeta de parche microfabricada que permitirá nuevos experimentos no posibles con las micropipetas de parche de vidrio convencionales, como la capacidad de controlar fácilmente el entorno químico de las neuronas mediante diálisis rápida. El dispositivo también será más confiable y más fácil de usar que las micropipetas existentes, lo que ahorrará tiempo y esfuerzo significativos.

Robert Kennedy, Ph.D., Hobart H. Willard Profesor de Química y Profesor de Farmacología, Universidad de Michigan

Monitoreo in vivo de neurotransmisores a alta resolución espacial y temporal

Para medir los neurotransmisores in vivo a alta resolución espacial y temporal, el laboratorio de Kennedy está desarrollando una sonda miniaturizada que puede llegar a cualquier región del cerebro del ratón para generar pequeñas muestras para su análisis a intervalos frecuentes. Esta tecnología ofrece un avance potencial para la neurociencia, porque tanto el trabajo genético como los modelos de enfermedades se basan en el ratón.

Timothy Ryan, Ph.D., Profesor de bioquímica, Weill Cornell Medical College

Desarrollo de un reportero sináptico ATP.

El laboratorio de Ryan está desarrollando una forma más precisa de medir la concentración de ATP en compartimentos neuronales específicos y obtener información dinámica para monitorear los niveles de ATP durante la comunicación sináptica en curso. Esto debería ayudar a determinar si los desequilibrios de energía fundamentales se manifiestan en diversas enfermedades y cómo los suministros de ATP se regulan normalmente en las sinapsis.

W. Daniel Tracey, Ph.D., Profesor de anestesiología, biología celular y neurobiología, Duke University Medical Center

Rabdovirus codificados genéticamente para el mapeo funcional de la neuronalnectividad

El laboratorio de Tracey está desarrollando un sistema de expresión de genes virales para explorar los circuitos neuronales en la mosca de la fruta. El objetivo es utilizarlo para manipular genéticamente las células nerviosas, rastrear sus conexiones y manipular la actividad de las neuronas interconectadas. Si esto tiene éxito con las moscas de la fruta, Tracey espera que las mismas técnicas sean útiles para los estudios de cerebros de mamíferos.

Joseph Fetcho, Ph.D. Profesor de neurobiología y comportamiento, Universidad de Cornell

Mapeo de patrones de conexiones sinápticas in vivo.

No hay una manera fácil de revelar todas las células nerviosas que se conectan con otra célula mientras esas células están vivas. Trabajando con el pez cebra, Fetcho propone usar métodos ópticos, por lo que todas las neuronas conectadas a una célula nerviosa en particular se volverían de color, para mapear el patrón de cableado en el sistema nervioso vivo intacto. En última instancia, tal enfoque podría ayudar a revelar los patrones de cableado que subyacen al movimiento y otras conductas.

Pavel Osten, MD, Ph.D., Profesor Asociado de Neurociencias, Cold Spring Harbor Laboratory

Anatomía automatizada de alto rendimiento para cerebro de ratón fluorescente

El proyecto de Osten busca ayudar a cerrar la brecha entre el estudio de las funciones cerebrales moleculares y celulares y el estudio de todo el cerebro. Utilizando una nueva tecnología de imágenes, se está enfocando en mapear los cambios en los circuitos neuronales en ratones que tienen mutaciones genéticas relacionadas con el autismo y la esquizofrenia. Espera que la tecnología proporcione una manera rápida y precisa de estudiar muchos modelos genéticos de ratones para comprender mejor una gama de enfermedades psiquiátricas humanas.

Thomas Otis, Ph.D., Profesor de neurobiología, Geffen School of Medicine, Universidad de California, Los Ángeles

Desarrollo de métodos ópticos para monitorizar el voltaje en grupos de neuronas definidas neuroanatómicamente

Otis y sus colegas, incluido el investigador coautor Julio Vergara, han desarrollado una tecnología de sensores que permite medir los impulsos nerviosos con alta fidelidad utilizando métodos ópticos novedosos. El propósito de la subvención es perfeccionar su método óptico para que pueda rastrear la actividad neuronal en muchas neuronas simultáneamente.

Larry J. Young, Ph.D., William P. Timmie Profesor de Ciencias Psiquiátricas y del Comportamiento y Jefe de División, Centro de Neurociencia del Comportamiento, Centro Nacional de Investigación de Primates Yerkes

Desarrollo de tecnologías transgénicas en praderas para la disección de la genética y los circuitos neuronales de los vínculos sociales.

El estudio de los comportamientos sociales complejos, como la crianza materna y el vínculo social, está limitado por la dificultad de manipular la expresión génica para aprender cómo los genes específicos regulan el comportamiento social. Young tiene como objetivo generar praderas transgénicas, que son altamente sociales, e identificar los genes responsables de las variaciones individuales en el comportamiento social. La investigación tendrá especial relevancia para trastornos como el autismo y la esquizofrenia.

Henry Lester, doctorado, Instituto de Tecnología de California

Canales de iones para la ingeniería neuronal

Lester utilizará los canales iónicos y los receptores para comprender cómo están conectadas las neuronas dentro de los circuitos y cómo controlan el comportamiento de dichos circuitos. Diseñará nuevos canales de receptores que solo responden a un medicamento, la ivermectina, que puede administrarse en la dieta de un animal. Una vez que se desarrollen estos receptores, será posible estudiar cómo la activación o inhibición de las neuronas seleccionadas influye en el comportamiento.

Charles M. Lieber, Ph.D. Universidad Harvard

Arreglos de dispositivos nanoelectrónicos para el mapeo eléctrico y químico de redes neuronales

Lieber planea desarrollar y demostrar nuevas herramientas de electrofisiología con nanotecnología para medir la señalización eléctrica y bioquímica en la escala de las sinapsis naturales, utilizando muestras que van desde redes neuronales cultivadas hasta tejido cerebral. A largo plazo, estas herramientas se pueden utilizar como nuevas y poderosas interfaces entre el cerebro y los dispositivos protésicos neurales en la investigación biomédica y, en última instancia, en el tratamiento.

Fernando Nottebohm Ph.D.Universidad de Rockefeller

Desarrollo de una técnica para hacer aves canoras transgénicas

El estudio del aprendizaje vocal en pájaros cantores proporciona una excelente manera de explorar cómo se almacenan los recuerdos en un cerebro complejo y cómo el daño al sistema nervioso central puede ser reparado por un reemplazo neuronal. Nottebohm busca desarrollar un protocolo para la producción eficiente de aves canoras transgénicas para probar la participación que los genes individuales pueden tener en el aprendizaje y la reparación del cerebro.

Dalibor Sames, Ph.D. y David Sulzer, Ph.D., Universidad de Colombia

Desarrollo de neurotransmisores falsos fluorescentes: sondas novedosas para la visualización directa de la liberación de neurotransmisores desde terminales presinápticos individuales

Sames y Sulzer han desarrollado neurotransmisores fluorescentes falsos (FFN, por sus siglas en inglés) que actúan como marcadores ópticos de la dopamina y permiten el primer medio para obtener una imagen óptica de la neurotransmisión en las sinapsis individuales. Al aplicar FFNs, Sames y Sulzer desarrollarán nuevos métodos ópticos para examinar los cambios sinápticos asociados con el aprendizaje, así como los procesos patológicos relevantes para los trastornos neurológicos y psiquiátricos, como la enfermedad de Parkinson y la esquizofrenia.

Paul Brehm, Ph.D. Universidad de Salud y Ciencia de Oregon

Una nueva proteína verde fluorescente de los equinodermos proporciona un registro a largo plazo de la actividad de la red neuronal

Brehm está explorando una nueva forma de visualizar la actividad celular en tejidos sanos y enfermos. Propone una alternativa a la proteína verde fluorescente de la medusa: la brittlestar bioluminiscente Ophiopsila, cuya fluorescencia de larga duración en las células nerviosas puede proporcionar una historia a largo plazo de su actividad celular.

Timothy Holy, Ph.D., Escuela de Medicina de la Universidad de Washington

Imágenes ópticas tridimensionales de alta velocidad de la actividad neuronal en tejido intacto

Holy está desarrollando métodos ópticos para registrar simultáneamente poblaciones muy grandes de neuronas mediante el uso de láminas delgadas de luz que escanean rápidamente el tejido cerebral en tres dimensiones. Si tiene éxito, el estudio puede ayudar a los científicos a observar el reconocimiento de patrones y el aprendizaje a nivel celular.

Krishna Shenoy, Ph.D. Universidad Stanford

HermesC: un sistema de grabación neural continua para primates que se comportan libremente.

El laboratorio de Shenoy está tratando de aprender más sobre cómo actúan las neuronas al desarrollar un sistema de grabación en miniatura, de alta calidad y montado en la cabeza, para usar en monos que realizan sus actividades diarias. Si tiene éxito, este trabajo creará un dispositivo de grabación que puede rastrear neuronas individuales en monos que se comportan durante días y semanas.

Gina Turrigiano, Ph.D., Universidad de Brandeis

Mapeo de la posición de proteínas sinápticas usando crio-microscopía de fluorescencia de súper resolución

Turrigiano y su colaborador, David DeRosier, Ph.D., desarrollarán herramientas para mapear la forma en que las proteínas sinápticas se organizan en máquinas moleculares que pueden generar memorias y funciones cognitivas. Si esto resulta exitoso, eventualmente podrán determinar cómo las sinapsis se desorganizan en los estados de enfermedad.

Pamela M. Inglaterra, Ph.D.,Universidad de California en San Francisco

Monitoreo de tráfico de receptores AMPA en tiempo real

El laboratorio de Inglaterra desarrollará un nuevo conjunto de herramientas moleculares, basadas en derivados sintéticos de la filanotoxina, que podrían utilizarse para estudiar el tráfico de la superficie celular del subtipo AMPA del receptor de glutamato. El objetivo es producir un conjunto de derivados de toxinas que inactivarán los receptores AMPA con composiciones de subunidades específicas, lo que permitirá la investigación farmacológica del papel de estas diferentes clases de receptores AMPA en las neuronas vivas.

Alan Jasanoff, Ph.D., Instituto de Tecnología de Massachusetts

MRI funcional a nivel celular con agentes de imágenes de calcio

Jasanoff explorará un método novedoso de imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI), desarrollado en su laboratorio, basado en nanopartículas de óxido de hierro que producen contraste de imagen cuando se agregan. Si tiene éxito, el nuevo método será una medida más directa de la actividad neuronal, con el potencial de mejorar la resolución espacial y temporal en fMRI.

Richard J. Krauzlis, Ph.D.y Edward M. Callaway, Ph.D., El Instituto Salk de Estudios Biológicos

Uso de vectores virales para sondear circuitos sensoriomotores en comportamientos de primates no humanos

Krauzlis y Callaway desarrollarán un método para inactivar subpoblaciones específicas de neuronas en regiones localizadas de la corteza cerebral de mono. Si tienen éxito, su método proporcionará un medio para evaluar cómo las subpoblaciones específicas de neuronas en diferentes regiones del cerebro funcionan en circuitos para permitir funciones cerebrales superiores, como la percepción, la memoria y el control sensorio-motor.

Markus Meister, Ph.D., Cal Tech

Grabación inalámbrica de trenes de espigas multi-neuronales en animales que se mueven libremente

Meister y sus colaboradores, Alan Litke de la Universidad de California, Santa Cruz, y Athanassios Siapas de Caltech, diseñarán un sistema de microelectrodo inalámbrico que permitirá el registro de señales eléctricas neuronales de animales que se mueven libremente sin cables. Combinando tecnologías para la miniaturización y materiales livianos, este sistema debería facilitar la medición de la dinámica neuronal durante comportamientos verdaderamente naturales, como enterrar, escalar o volar.

Karl Deisseroth, MD, Ph.D., Universidad Stanford

Control no invasivo y de alta resolución temporal de la actividad neuronal mediante un canal de iones sensible a la luz del Alga C. Reinhardtii

El laboratorio de Deisseroth, incluido el colaborador postdoctoral Edward Boyden, desarrollará una nueva herramienta, basada en un canal de iones sensible a la luz codificado genéticamente de algas, para estimular la actividad eléctrica en conjuntos específicos de neuronas con luz. Su objetivo es estimular los potenciales de acción individuales con una precisión de milisegundos y controlar qué neuronas se estimulan mediante métodos genéticos para dirigir la expresión de proteínas del canal.

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

Imágenes en tiempo real de ARN en neuronas vivas usando moléculas pequeñas fluorescentes condicionales

El laboratorio de Jaffrey desarrollará aún más un sistema para permitir la visualización de ARN mediante microscopía de fluorescencia de células vivas. Su técnica se basa en la construcción de secuencias cortas de ARN que se unen a un fluoróforo y aumentan considerablemente su emisión de luz. El fluoróforo se deriva del que se utiliza en la proteína fluorescente verde (GFP). El objetivo es revolucionar el estudio del ARN de la misma manera que la tecnología GFP ha revolucionado la visualización de proteínas.

Jeff W. Lichtman, MD, Ph.D. Universidad Harvard Kenneth Hayworth, Janelia Farm Research Campus del Instituto Médico Howard Hughes

Desarrollo de un Lathe-Ultramicrotome recolector de cinta automático para la reconstrucción cerebral a gran escala

Hayworth y Lichtman están desarrollando una herramienta para cortar y recolectar automáticamente miles de secciones de tejido para obtener imágenes a través de microscopía electrónica de transmisión (TEM). La reconstrucción de la sección en serie TEM es la única tecnología probada capaz de trazar, en el mejor nivel de resolución, la conectividad sináptica exacta de todas las neuronas dentro de un volumen de tejido cerebral. Pero la aplicación es limitada porque las secciones ultrafinas tienen que ser recolectadas manualmente. Esta herramienta automatizaría el proceso, haciendo que el corte en serie sea accesible para muchos laboratorios y sea útil en volúmenes de tejido más grandes.

Alice Y. Ting, Ph.D., Instituto de Tecnología de Massachusetts

Obtención de imágenes del tráfico de proteínas neuronales mediante microscopía óptica y electrónica utilizando el etiquetado de biotina ligasa

Ting propone una tecnología mejorada para visualizar y cuantificar el tráfico de proteínas de membrana. Ella ha desarrollado una técnica de etiquetado basada en enzimas altamente selectiva mediante la cual se distinguen las moléculas que existen en las superficies de las neuronas antes de un estímulo de las que aparecen después del estímulo. La distribución espacial de las moléculas marcadas se puede observar con imágenes ópticas y, con algunas modificaciones, también se puede ver en una resolución más alta con microscopía electrónica.

EJ Chichilnisky, Ph.D., El instituto salk
AM Litke, Ph.D. Instituto Santa Cruz de Física de Partículas

Sondeando la retina

Chichilnisky, un neurobiólogo, y Litke, un físico experimental, están colaborando en la tecnología para registrar y estimular la actividad eléctrica en cientos de neuronas a la vez en una escala espacial y temporal fina. Esto les permitirá estudiar cómo las grandes poblaciones de neuronas procesan y codifican la información para controlar la percepción y el comportamiento. Primero planean estudiar la retina y, a su vez, otros sistemas neuronales.

Daniel T. Chiu, Ph.D., Universidad de Washington

Administración espacial y temporal de la administración de estímulos a células neuronales únicas

Las nanocápsulas son “conchas” extraordinariamente pequeñas que pueden contener algo tan diminuto como una molécula y entregarlo a un objetivo seleccionado. Chiu está desarrollando y perfeccionando nuevos tipos de nanocápsulas y refinando los existentes para estudiar cómo una sola célula neuronal procesa la llegada de una señal a la superficie de su membrana. Las nanocápsulas serán útiles para mapear las proteínas de la superficie celular y explorar cómo los receptores envían señales y desencadenan la transmisión sináptica.

Susan L. Lindquist, Ph.D., Instituto Whitehead para la Investigación Biomédica

Desarrollo y uso de sistemas modelo de levadura para enfermedades neurodegenerativas y detección de alto rendimiento

Lindquist propone examinar enfermedades neurodegenerativas mediante el estudio de los genes en la levadura de panadería. Debido al gran éxito que ha tenido su laboratorio con el uso de la levadura como un sistema modelo para estudiar la enfermedad de Parkinson, planea extender el modelo a dos clases más de enfermedades: las tauopatías (incluida la enfermedad de Alzheimer) y la ataxia espinocerebeller.

Daniel L. Minor, Jr., Ph.D., Universidad de California, San Francisco

Evolución dirigida de moduladores de canales iónicos de bibliotecas naturales y diseñadas

Minor está trabajando en un nuevo enfoque para identificar las moléculas que bloquean o abren los canales iónicos, las proteínas que son la clave para la señalización eléctrica en el cerebro. Estudiará péptidos naturales de criaturas venenosas y fabricará moléculas similares al veneno para su análisis. Crear moléculas que imiten a las de la naturaleza y hacerlas ampliamente disponibles acelerará la búsqueda de medicamentos que puedan actuar sobre canales iónicos específicos.

Stephen J. Smith, Ph.D., Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford

Métodos para la delineación de los circuitos cerebrales mediante microscopía electrónica de barrido con corte en serie

Smith está diseñando herramientas para permitir que la neurociencia se beneficie de lo que él llama el microscopio del siglo XXI, inventado por su colaborador, Winfried Denk, Ph.D., un biofísico en el Instituto Max Planck. Están desarrollando métodos automatizados de microscopía electrónica de barrido por sección en serie (S3EM) que, por primera vez, proporcionarán la capacidad de analizar circuitos cerebrales completos en detalle. Smith está desarrollando formas de teñir los tejidos cerebrales para su análisis con este microscopio, y herramientas computacionales para analizar el inmenso volumen de información que las nuevas técnicas brindarán.

Stuart Firestein, Ph.D., Universidad de Colombia

Un sensor óptico genéticamente codificado de voltaje de membrana

Firestein y su colaborador, Josef Lazar, Ph.D., proponen probar un nuevo tipo de proteína sensora de voltaje que puede detectar eventos eléctricos muy pequeños y visualizar cambios de voltaje en un gran número de células simultáneamente. Esto promovería un nivel de investigación sobre el procesamiento de la información en el cerebro que actualmente está fuera de nuestro alcance.

David Heeger, Ph.D., Universidad de Nueva York

FMRI de alta resolución

Heeger y su colaborador, Souheil Inati, Ph.D., junto con los científicos de la Universidad de Stanford, John Pauly y David Ress, planean adoptar un nuevo enfoque para mejorar la resolución espacial de la imagen de resonancia magnética funcional (fMRI) para permitir que también adquiera datos de forma rutinaria. a una resolución extremadamente alta. El equipo tiene como objetivo ayudar a resolver algunos de los problemas fundamentales de la resonancia magnética convencional.

Paul Slesinger, Ph.D. Monte Sinai / Escuela de Medicina Icahn

Sistema de transferencia de energía del receptor de proteína G (GRET) para monitorizar la transducción de señales en las neuronas

La modulación de la comunicación de las células nerviosas ocurre cuando los neurotransmisores químicos se unen a tipos específicos de receptores de neurotransmisores acoplados a proteínas G (GPCR) que, a su vez, activan las proteínas G. Para estudiar los cambios dinámicos en la actividad de la proteína G durante la comunicación de las células nerviosas, Slesinger propone desarrollar un detector fluorescente basado en proteínas para las proteínas G que se basa en la propiedad de transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FRET).

Bernardo Sabatini, MD, Ph.D., Escuela Médica de Harvard

Herramientas ópticas para el análisis de la traducción de proteínas en compartimientos neuronales extrasomáticos

Para explorar cómo las neuronas establecen canales de comunicación y cómo el cerebro almacena y recuerda información, Sabatini está desarrollando moléculas que emiten luz cuando las neuronas producen proteínas, y un microscopio para ver el proceso en el cerebro vivo.

Karel Svoboda, Ph.D., Laboratorio de Cold Spring Harbor

Regulación de la transmisión sináptica in vivo con alta especificidad espacial y temporal

Svoboda está desarrollando herramientas moleculares para mejorar la comprensión de cómo las sinapsis organizan los circuitos cerebrales.

Liqun Luo, Ph.D. Universidad Stanford

Etiquetado de neurona única y manipulación genética en ratones

Luo está trabajando en un método genético para manipular y rastrear neuronas individuales en ratones para aprender cómo se ensamblan las redes neuronales durante el desarrollo y luego se modifican por la experiencia.

A. David Redish, Ph.D .; Babak Ziaie, Ph.D.; y Arthur G. Erdman, Ph.D., Universidad de Minnesota

Grabación inalámbrica de conjuntos neuronales en ratas despiertas y en comportamiento

Los colaboradores, un neurocientífico, un ingeniero eléctrico y un ingeniero mecánico, están desarrollando un método inalámbrico para registrar los trenes de picos neuronales desde ratas despiertas y de comportamiento para mejorar la comprensión del aprendizaje y el comportamiento.

Helen M. Blau, Ph.D., Universidad de Stanford

Entrega de genes regulados, mínimamente invasivos, al sistema nervioso central

El laboratorio de Blau está investigando un nuevo medio para administrar genes terapéuticos al sistema nervioso central, utilizando células de la médula ósea diseñadas con genes capaces de atacar enfermedades.

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

Imágenes funcionales de neurorreceptores en cortes cerebrales vivos por dos fotones Uncaging de neurotransmisores

Ellis-Davies está desarrollando métodos innovadores para crear imágenes de aspectos de la función cerebral que no se han visto antes, ideando una forma de neurotransmisores que permanecen biológicamente inertes hasta que se activan mediante un intenso destello de luz enfocada.

Dwayne Godwin, Ph.D., Wake Forest University School of Medicine

Revelando cadenas de conectividad funcional con ADN viral

Al inyectar células con ADN viral, marcar químicamente el virus y rastrear su propagación a las células conectadas, Godwin está explorando nuevas formas de revelar cómo las células nerviosas en el cerebro envían y reciben mensajes.

Seong-Gi Kim, Ph.D., Facultad de Medicina de la Universidad de Minnesota

Desarrollo de fMRI de resolución columnar basada en perfusión in vivo

Kim está trabajando para aumentar el poder de la resonancia magnética funcional para estudiar la actividad cerebral con mayor detalle.

Stephen Lippard, Ph.D., Instituto de Tecnología de Massachusetts

Química sintética para desarrollar sensores de zinc para sondear señales neuroquímicas

Lippard está sintetizando nuevos sensores fluorescentes que detectarán iones de zinc y óxido nítrico en células vivas y revelarán su patrón espacial.

Partha Mitra, Ph.D., y Richard Andersen, Ph.D., Instituto de Tecnología de California

Desarrollo de técnicas para registrar y leer códigos de población en tiempo real desde la región de alcance parietal

Mitra y Andersen usan técnicas matemáticas para analizar la actividad de los conjuntos de neuronas, esperando finalmente descifrar la relación entre la actividad neuronal y el comportamiento.

William Newsome, Ph.D., y Mark Schnitzer, Ph.D., Stanford University School of Medicine

In Vivo Brain Dynamics estudiado con fibra óptica y tomografía de coherencia óptica

Schnitzer y Newsome (que recibieron un premio especial de $ 50,000) están estudiando la dinámica del cerebro mediante la localización de los sitios de registro, el mapeo de la distribución de marcadores moleculares y el monitoreo de patrones de actividad cerebral mediante el uso preciso de la luz.

Timothy ryan, Ph.D., Weill Medical College de la Universidad de Cornell, y Gero Miesenböck, Ph.D., Memorial Sloan Kettering Cancer Center

Diseño y aplicación de detección óptica de actividad sináptica basada en pH

Los científicos están desarrollando nuevos indicadores fluorescentes de actividad sináptica basados en la sensibilidad a los cambios en la acidez.

Daniel Turnbull, Ph.D., Escuela de Medicina de la Universidad de Nueva York

Imágenes in vivo de µMR de la migración neuronal en el cerebro del ratón

Turnbull está trabajando en un nuevo método de imágenes para visualizar la migración de las neuronas en el cerebro del ratón en desarrollo, etiquetar nuevas neuronas y seguirlas en animales intactos durante varios días con microimagen de resonancia magnética.

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

Nuevas tecnologías para estudiar el control temporal y espacial de la transcripción y la traducción en neuronas intactas

Los científicos están desarrollando un método para visualizar la actividad de los genes en las células nerviosas vivas, utilizando amplificadores moleculares y detección de fluorescencia, para ver cómo los genes se afectan entre sí.

Paul W. Glimcher, Ph.D., Universidad de Nueva York

Neurosonografia Experimental

La investigación de Glimcher explora el ultrasonido de diagnóstico para hacer posible la colocación precisa de los electrodos de registro en el cerebro de los primates activos y despiertos.

Leslie c. Griffith, MD, Ph.D., y Jeffrey C. Hall, Ph.D., Universidad Brandeis

Sensores de transducción de señal en tiempo real

Griffith y Hall están desarrollando sensores genéticos que pueden introducirse en las células nerviosas individuales de las moscas de la fruta vivas, en un esfuerzo por determinar cuándo se recluta una célula para desempeñar su papel de comportamiento.

Warren S. Warren, Ph.D., Universidad de Princeton

Imagen de resonancia magnética funcional de Quantum cero

La audaz iniciativa de Warren busca hacer que la resonancia magnética funcional sea más poderosa, aumentando su resolución más de 100 veces, permitiéndole revelar áreas activas del cerebro con mucho mayor detalle y con mejor contraste.