Carol A. Barnes

Dla brytyjskiego nadawcy, zobacz Carol Barnes .

Carol A. Barnes
Alma Mater	BA, University of California, Riverside MA, University of Ottawa Ph.D. Szkolenie podoktoranckie Carleton University w zakresie neurofizjologii na Uniwersytecie Dalhousie , Uniwersytecie w Oslo oraz w Grupie Funkcji Mózgowych na University College London
Kariera naukowa
Pola	Neurobiologia , pamięć , uczenie się
Instytucje	Uniwersytet Arizony
Doradca doktorski	Piotr Fried

Carol A. Barnes, Ph.D. , jest neurobiologiem i profesorem psychologii Regents na Uniwersytecie Arizony . Od 2006 roku przewodniczy katedrze Evelyn F. McKnight ds. uczenia się i pamięci w starzeniu się oraz jest dyrektorem Evelyn F. McKnight Brain Institute. Barnes był prezesem Society for Neuroscience i jest członkiem American Association for the Advancement of Science oraz członkiem zagranicznym Royal Norwegian Society of Sciences and Letters . W 2018 została wybrana do Narodowej Akademii Nauk .

Barnes wyprodukował ponad 170 recenzowanych publikacji. Ogólnie rzecz biorąc, jej badania koncentrują się na zmianach neurofizjologicznych i behawioralnych zachodzących w mózgu podczas starzenia. Zrozumienie tych zmian może rzucić światło na procesy, które przyczyniają się do związanych z wiekiem zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera . Barnes opracował również labirynt Barnesa , zadanie pamięci nawigacji przestrzennej, które służy do oceny pamięci zależnej od hipokampa.

Old Main, University of Arizona w Tucson

Edukacja

Rzeka Uniwersytetu Carleton

Barnes uzyskała tytuł Bachelor of Arts w dziedzinie psychologii z wyróżnieniem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside w 1971 r. Kontynuowała naukę na Uniwersytecie Carleton w Ottawie w Kanadzie, uzyskując tytuł magistra psychologii w 1972 r. W 1977 r. ukończyła studia z wyróżnieniem. z wyróżnieniem z tytułem doktora z psychologii na Uniwersytecie Carleton . Po ukończeniu pracy dyplomowej Barnes objęła stanowisko badacza podoktoranckiego w neuropsychologii i neurofizjologii na wydziale psychologii na Uniwersytecie Dalhousie , innym w instytucie neurofizjologii Uniwersytetu w Oslo , a także funkcji mózgu na University College of London .

Kariera

Jako dyrektor, Barnes zajmuje stanowisko obdarzonej katedry uczenia się-pamięci w starzeniu się w The Evelyn F. McKnight Brain Institute . Jest także profesorem regentów i dyrektorem Wydziału Systemów Neuronowych, Pamięci i Starzenia się na Uniwersytecie Arizony w Tucson w Arizonie. Barnes jest częścią Instytutu BIO5 , który jest finansowany przez Fundusz Technologii i Badań (TRIF). W instytucie BIO5 pracuje ze studentami zajmującymi się chorobą Alzheimera i innymi chorobami mózgu związanymi z wiekiem. Barnes uczy także biologii raka, neuronauki, psychologii i nauk fizjologicznych.

Badania

Barnes jest zaangażowany w społeczność badaczy neuronauki na poziomie krajowym i lokalnym. Badania Barnesa obejmują 4 dekady i mają na celu lepsze zrozumienie starzenia się mózgu w związku z chorobami poznawczymi. Zainteresowanie Barnes normatywnym starzeniem się mózgu wywodzi się od jej dziadka, kiedy ona i jej rodzina zauważyli, że jego pamięć słabnie. Jej badania są prowadzone z wykorzystaniem modeli zwierzęcych, takich jak naczelne i szczury, w celu zbadania i zrozumienia, w jaki sposób pamięć wpływa na normalny proces starzenia się mózgu i zaangażowane mechanizmy neurobiologiczne. Wykorzystanie modeli zwierzęcych w badaniach Barnesa przekłada się na terapie stosowane w przypadku nieprawidłowego funkcjonowania mózgu, mające na celu wydłużenie życia poznawczego osób starszych. Charakter badań Barnesa obejmuje wykorzystanie technik behawioralnych, anatomicznych, elektrofizjologicznych i molekularnych w celu zbadania wpływu normalnego starzenia się na mózg. Większość obszarów jej badań obejmuje badanie i obserwację struktury hipokampa w mózgach szczurów i małp, obserwację i rejestrację transmisji synaptycznej w sygnalizacji między komórkami oraz sekwencjonowanie genomu.

Labirynt Barnesa

Aby zbadać uczenie się przestrzenne i pamięć, Carol Barnes wykorzystała labirynt do sprawdzenia, czy myszy pamiętają lokalizację skrzynki ratunkowej na platformie. Labirynt Barnesa stał się standardowym narzędziem do testowania pamięci w laboratoriach. Zaprojektowany w 1979 roku labirynt Barnesa był alternatywą do badania pamięci bez stosowania zewnętrznej nagrody lub kary, jednocześnie zmniejszając stres wywierany na zwierzę podczas całego procesu.

Labirynt Barnesa

Oryginalne badanie składało się z platformy (o średnicy 122 cm) uniesionej 91 cm nad podłogą z 18 okrągłymi otworami (o średnicy 9,5 cm) rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie. Pod jednym z otworów znajduje się czarne escape box lub dowolny ciemny kolor kontrastujący z kolorem platformy; reszta otworów prowadzi do fałszywych skrzynek ewakuacyjnych.

Badanie składało się z 3 wariantów eksperymentu. Najpierw mysz musiała po prostu znaleźć komorę ewakuacyjną, która znajdowała się pod jednym z otworów. Po drugie, komora ewakuacyjna została przeniesiona do otworu obróconego o 120-140 stopni w stosunku do pierwotnego otworu; oryginalny otwór został zasłonięty. Po trzecie, zastosowano tę samą metodę, co w drugiej wariacji, z wyjątkiem tego, że oryginalny otwór nie został zakryty. Barnes i jej zespół odkryli, że ogólnie samce myszy radziły sobie lepiej we wszystkich wariantach eksperymentu. Co więcej, odkryli, że młodsze myszy również radziły sobie lepiej we wszystkich wariantach, podczas gdy starsze myszy wykazywały znaczne trudności w wariantach 2 i 3. Wskazuje to na upośledzenie pamięci przestrzennej związane z wiekiem .

hipokamp

Pamięć przestrzenna odpowiada funkcjonowaniu hipokampa , podczas gdy uczenie się trasy dotyczy układów prążkowia . Ogólnie rzecz biorąc, myszy i inne gryzonie w różnym wieku nauczyły się labiryntów T w tej samej liczbie prób, ale strategie stosowane do uczenia się i zapamiętywania labiryntów różniły się w zależności od wieku. Młode szczury stosowały głównie strategie „miejsca”, które opierają się na hipokampa , podczas gdy starsze szczury polegały na strategiach „reakcji”.

Wykorzystując techniki obrazowania MRI , Barnes i jej zespół byli w stanie zaobserwować, że w normalnie starzejących się mózgach gryzoni wielkość hipokampa nie zmieniała się. Zamiast tego zrobiła to objętość korowej istoty szarej . Ten model zwierzęcy pozwolił zrozumieć, jak wygląda mózg podczas normalnego funkcjonowania człowieka. Na podstawie tego zrozumienia porównano go z mózgami zdegenerowanymi z powodu choroby Alzheimera (gryzonie nie wykazują AD). Odkrycia te pokazują, że podczas normalnego starzenia się hipokamp pozostaje tej samej wielkości, jego funkcja może się zmniejszyć w porównaniu z funkcjami innych obszarów mózgu.

hipokamp składa się z 3 głównych typów komórek . Obserwując aktywność komórek i liczbę komórek hipokampu szczurów stwierdzono, że komórki piramidalne CA1 i CA3 nadal są aktywne i mają taką samą objętość. Jednak liczba komórek ziarnistych zakrętu zębatego stale malała wraz z wiekiem; funkcja tych komórek również spadła, co doprowadziło Barnesa i jej zespół do wniosku, że te komórki zakrętu są słabym ogniwem obwodu hipokampa zaangażowanego w pamięć.

Badania naczelnych

Regiony mózgu zaangażowane w tworzenie pamięci

Oprócz pracy nad modelami gryzoni, Barnes pomógł rozwinąć dziedzinę normatywnych badań nad starzeniem się przy użyciu modeli naczelnych innych niż ludzie, w szczególności makaków . Przede wszystkim wczesna praca Barnesa na makakach pomogła powiązać dane neurobiologiczne zebrane od gryzoni i dane z obrazowania czynnościowego starszych ludzi. W artykule „ Upośledzenie pamięci u starszych naczelnych jest związane z dysfunkcją sieci specyficzną dla regionu ” Barnes i jej zespół wykazali, że starsze małpy miały znaczne upośledzenie rozpoznawania obiektów.

Ponadto starsze małpy wykazywały niższą gęstość hamujących interneuronów somatostatynowo-dodatnich w podregionie CA3 hipokampa . Te interneurony są odpowiedzialne za regulację aktywności neuronów pobudzających w hipokampie . Przy mniejszej interneuronów podstawowa szybkość wyładowań neuronów pobudzających CA3 była podwyższona. To odkrycie odnosi się do zwiększonej aktywności hipokampu wykazanej w badaniach obrazowych starszych dorosłych ludzi. Zarówno spadek interneuronów , jak i wzrost podstawowych wskaźników wyładowań w hipokampie były związane ze słabymi funkcjami poznawczymi.

Co więcej, w artykule „Dowody na ewolucyjnie zachowany schemat kodowania pamięci w hipokampie ssaków” Barnes i jej zespół znaleźli dowody na to, że wszystkie ssaki wymagają tej samej liczby neuronów w hipokampie, aby zakodować pamięć pojedynczego doświadczenia. To odkrycie sugeruje, że wysokie ssaki używają stabilnej liczby neuronów do kodowania podobnych doświadczeń rzeczywistości wirtualnej. Jednak ze względu na zmienną wielkość hipokampu, proporcja neuronów wykorzystywanych do kodowania doświadczeń jest różna. Gryzonie mają najmniejszy hipokamp , ​​a zatem wykorzystują 40% neuronów hipokampa do kodowania, naczelne mają większy hipokamp i wykorzystują 4%, a wreszcie ludzie mają największy hipokamp i wykorzystują szacunkowo 2,5% do kodowania empirycznego.

Barnes przeprowadził również badania, aby zaobserwować zmiany funkcji wykonawczych wraz z normatywnym starzeniem. Funkcje wykonawcze to procesy wyższego rzędu, w których biorą udział ludzie, takie jak uwaga, podejmowanie decyzji, kontrola impulsów i kontrola emocji. W tych funkcjach pośredniczy aktywność kory przedczołowej . Po raz kolejny badając makaki , Barnes i jej zespół skupili się na dwóch aspektach funkcji wykonawczych, uważnym monitorowaniu i aktualizowaniu, a także zmianie zestawu . Uważne monitorowanie i aktualizacja pozwalają na zmiany zachowania wraz z odpowiednimi zmianami reguł. Na przykład, gdy przedstawione są dwie opcje, początkowo jedna z nich jest właściwym wyborem; jednak, gdy właściwy wybór zmienia się na drugą opcję, uważne monitorowanie i aktualizacja pomagają skorygować zmianę reguły i zmienić zachowanie w celu prawidłowego wyboru. Zmiana zachowania odbywa się za pośrednictwem procesu prób i błędów, co pomaga powiązać właściwy wybór z określonymi zachowaniami. Barnes i jej zespół odkryli, że starsze małpy potrzebowały większej liczby prób, aby dokładnie uwzględnić zmianę reguł. Sugerowanie, że system wykonawczy odpowiedzialny za uważne monitorowanie i aktualizowanie jest osłabiony wraz ze starzeniem się.

Aby zbadać przesunięcie zestawu , czyli zdolność do nieświadomego przenoszenia uwagi między zadaniami przy zachowaniu dokładności, Barnes przedstawił małpom makakom test rozpoznawania wcześniej poznanych obiektów. Następnie przedstawiła przeszkadzające obiekty, które wymagały przesunięć między wyborem obiektu a oceną nowych obiektów. Jej wyniki pokazały, że starsze małpy radziły sobie lepiej z rozpoznawaniem obiektów z tą interferencją niż młodsze małpy. Tak więc wydaje się, że zdolności zmiany zestawu są utrzymywane, jeśli nie wzmacniane wraz z wiekiem.

Najważniejszym odkryciem z tych badań jest jednak to, że wykazano, że dwa aspekty funkcji wykonawczych, monitorowanie i aktualizacja oraz zmiana zestawu, są niezależnymi systemami, na które w różnym stopniu wpływa wiek. Dlatego Barnes i jej zespół sugerują, że zmiany w korze przedczołowej mogą wynikać ze starzenia, ale różne podregiony w jej obrębie wykazują różne wzorce starzenia.

Ostatnim wkładem badawczym Carol A. Barnes jest badanie sieci przestrzennych i pamięci przestrzennych u starzejących się makaków . Barnes i jej zespół badali aktywność mózgu w czterech różnych warunkach ruchu: klatkach, siedzeniu, chodzeniu na bieżni i swobodnym chodzeniu w przestrzeni. Badanie wykazało, że młodsze makaki mają odrębne sieci przestrzenne dla wszystkich czterech różnych warunków. Jednak starsze małpy wykazywały mniej dyskretną aktywność sieci przestrzennych. Oznacza to, że wszystkie warunki wywołały aktywację tej samej niezróżnicowanej sieci. To odkrycie sugeruje dynamiczne zmiany sieci jako możliwe wyjaśnienie deficytów poznania przestrzennego. Innymi słowy, sieci przetwarzania przestrzennego stają się z wiekiem mniej precyzyjne i mogą przyczyniać się do utraty pamięci przestrzennej lub dezorientacji.

Akademicka Rodzina

Wymieniono tu osoby, z którymi ściśle współpracowała przez cały okres studiów magisterskich i studiów podoktoranckich.

• Petera Frieda z Carleton University
• Graham V. Goddard, McGill
• Pera Andersona z Uniwersytetu w Oslo
• Johna O'Keefe, UCL

Przez cały czas swojej pracy jako profesor i badacz była mentorem łącznie 32 studentów. Nazwiska te można znaleźć w akademickim drzewie genealogicznym Neuroscience .

Wspieranie kobiet i osób upośledzonych w neuronauce

Carol A Barnes została doceniona przez swoich rówieśników i opinię publiczną za swoją pracę na rzecz promowania możliwości dla kobiet i osób znajdujących się w niekorzystnej sytuacji w dziedzinie neuronauki. W 2010 roku otrzymała nagrodę Mika Salpeter Lifetime Achievement Award, która „wyróżnia osoby o wybitnych osiągnięciach zawodowych w dziedzinie neuronauki, które również aktywnie promowały awans zawodowy kobiet w dziedzinie neuronauki”.

Ponadto jest aktywnym uczestnikiem programu badawczego NIH Disadvantaged High School Student Research , mniejszościowego dostępu do karier badawczych oraz programu McNair Achievement . Wreszcie, w 2013 roku Barnes wygłosił przemówienie programowe podczas obchodów Święta Kobiet w Neuronauce zatytułowane „Ewoluująca twarz neuronauki: rola kobiet i globalizacja”.

Nagrody i wyróżnienia

	Rok	Nagrody i wyróżnienia	Opis
1	1969	Letnie stypendium naukowe National Science Foundation Summer Research Fellowship National Science Foundation	To stypendium finansuje programy studenckie lub tożsamościowe, które koncentrują się na rozwoju edukacji
2	1972–74	Stypendium dla absolwentów w Ontario Stypendium dla absolwentów w Ontario	Dla studentów realizujących studia podyplomowe na poziomie magisterskim i doktoranckim. Jest to stypendium oparte na zasługach dla studentów w ramach programu Ontario Graduate
3	1979–81	Nagroda Narodowej Służby Badawczej NIH	Dla doktorantów odbywających badania i szkolenie kliniczne zarówno w dziedzinie medycyny, jak i doktoratu. lub inny program szkolenia w ramach podwójnego stopnia doktora
4	1981–82	Stypendium podoktoranckie NATO w dziedzinie nauki
5	1984–89	Nagroda za rozwój kariery naukowej
6	1989–94	ADAMHA Research Scientist Development Award, Narodowy Instytut Zdrowia Psychicznego
7	1994–99	ADAMHA Research Scientist Development Award, Narodowy Instytut Zdrowia Psychicznego
8	2004 – obecnie	Członek zagraniczny Królewskiego Norweskiego Towarzystwa Nauk i Literatury (nauki przyrodnicze)
9	2004–14	Nagroda MERIT, Krajowa Rada Doradcza ds. Starzenia się
10	2004–14	Regents Professor, University of Arizona
11	2006 – obecnie	Obdarzony przewodniczący: Evelyn F. McKnight Katedra uczenia się i pamięci w starzeniu się
12	2009 – obecnie	Fellow, American Association for the Advancement of Science	Stypendyści są wybierani corocznie przez Radę AAAS. Stypendyści są uznawani za ich wkład w rozwój nauki lub jej zastosowanie, które wyróżniają się naukowo lub społecznie
13	2010	2009 APA Division 6 DB Marquis Behavioral Neuroscience Award
14	2010	2010 Nagroda APA Division 6 DB Marquis Behavioural Neuroscience za neurologię behawioralną
15	2010	Nagroda za całokształt twórczości Miki Salpeter
16	2011 – obecnie	Galileo Fellow, College of Science, University of Arizona
17	2013	Nagroda Ralpha W. Gerarda w dziedzinie neurologii
18	2014	Nagroda APA za wybitny wkład naukowy	Barnes otrzymała tę nagrodę za rolę dyrektora McKnight Brain Institute, którą obecnie pełni. Nagroda ta jest uważana za jedną z najwyższych nagród Society for Neuroscience.
19	2017	Nagroda Quad-L	Barnes jest jedną z 7 osób (w tym ona sama), które posiadają tę nagrodę. Nagroda ta jest przyznawana wybitnym współczesnym naukowcom aktywnie zaangażowanym w badania nad uczeniem się, pamięcią czy poznaniem
20	2017	Nagroda Lokalnego Geniusza MOCA
21	2018	Wybrany do Narodowej Akademii Nauk	Nagroda ta jest jednym z najwyższych wyróżnień. Barnes otrzymała tę nagrodę za wybitne i kontynuację jej oryginalnych badań