Jessica Cardin

Jessica Cardin
Narodowość	amerykański
Alma Mater	Cornell University, University of Pennsylvania
Znany z	Połączona optogenetyka i elektrofizjologia, behawioralna zależność stanu funkcji korowych obwodów nerwowych
Kariera naukowa
Pola	Neuronauka
Instytucje	Szkoła Medyczna Yale

Jessica Cardin jest amerykańską neurobiologiem , profesorem nadzwyczajnym neurobiologii w Yale University School of Medicine . Laboratorium Cardin bada lokalne obwody w pierwotnej korze wzrokowej , aby zrozumieć, w jaki sposób interakcje komórkowe i synaptyczne elastycznie dostosowują się do różnych stanów behawioralnych i kontekstów, aby wywołać percepcję wzrokową i motywowane zachowania . Laboratorium Cardina wykorzystuje swoją wiedzę na temat adaptacyjnej korowych , aby zbadać, w jaki sposób dysfunkcja obwodów objawia się w modelach chorób.

Wczesne życie i edukacja

W dziewiątej klasie przeprowadziła eksperyment w swoim domu, wykorzystując myszy jako organizm modelowy do zbadania różnic w uczeniu się ze względu na płeć. Cardin kontynuowała studia licencjackie na Cornell University w Ithaca w stanie Nowy Jork, gdzie specjalizowała się w naukach biologicznych i zaczęła prowadzić badania w prawdziwym laboratorium, zamiast we własnym domu. W Cornell Cardin dołączyła do laboratorium Timothy'ego J. DeVoogda, gdzie studiowała uczenie się ptaków śpiewających i sporządziła mapę morfologii i anatomii wysokiego ośrodka wokalnego (HVC) u samic kanarków. Jej badania licencjackie zaowocowały publikacją w Brain Research gdzie pomogła dostosować technikę do morfologicznego zdefiniowania określonych ścieżek projekcji do wysokiego ośrodka wokalnego (HVC). Opisują swoje odkrycie neuronów wysyłających projekcję do AreaX, które otrzymują bezpośredni sygnał słuchowy w celu wsparcia funkcji HVC w uczeniu się śpiewu.

Po uzyskaniu tytułu licencjata na Cornell w 1997 r. Cardin kontynuowała studia podyplomowe w dziedzinie neuronauki na Uniwersytecie Pensylwanii . Kiedyś w UPenn, Cardin obracał się w laboratorium Teda Abela , nowego członka wydziału w tamtym czasie, badając molekularne podstawy przechowywania pamięci. Podczas swojej rotacji Cardin pomogła Abelowi napisać artykuł przeglądowy badający tłumienie pamięci zarówno u bezkręgowców, jak i kręgowców. W 2000 roku Cardin dołączyła do laboratorium Marca Schmidta, gdzie powróciła do modelowego organizmu wykorzystanego w jej studiach licencjackich, ptaków śpiewających, ale tym razem zbadała zależność behawioralną przetwarzania słuchowego w obwodach nerwowych ptaków śpiewających.

Cardin ukończyła studia doktoranckie w 2004 roku i pozostała w Filadelfii , aby ukończyć staż podoktorski na Wydziale Neurobiologii w Szkole Medycznej UPenn . Pracując pod opieką Diego Contrerasa, Cardin zagłębiła się w elektrofizjologię, gdzie była w stanie rejestrować aktywność neuronów w rozdzielczości pojedynczych komórek w korze wzrokowej kotów, aby zbadać dynamikę obliczeń kory wzrokowej. Ukończyła szkolenie podoktoranckie w 2009 roku, ale od 2007 do 2009 Cardin trenowała jednocześnie pod okiem Christophera I. Moore'a w Massachusetts Institute of Technology w Instytucie McGovern, gdzie zaczęła być pionierem nowych zastosowań optogenetyki do sondowania i rejestrowania z obwodów neuronowych.

Badania

Podczas studiów podyplomowych Cardin badała zmienność przetwarzania sensorycznego w różnych stanach mózgu, takich jak uspokojenie, czuwanie i wysokie pobudzenie. Odkryła, że ​​stany behawioralne drastycznie wpływają na wzorce odpalania neuronów słuchowych. Kiedy ptaki śpiewające śpią, neurony w HVC zwiększają odpalanie, z selektywnością w kierunku własnego śpiewu ptaka, podczas gdy gdy ptaki śpiewające nie śpią, jest znacznie większa zmienność w odpalaniu i nie ma już selektywności w kierunku własnego śpiewu ptaka. Ponadto odkryli, że pobudzenie tłumiło reakcję HVC, co sugeruje, że muszą działać inne mechanizmy, aby zwiększyć reakcję słuchową w stanach czuwania.

Po odkryciu, że HVC jest modulowany zgodnie ze stanem behawioralnym, Cardin odkrył następnie, że górny obszar mózgu, zwany jądrem międzyfazowym (NiF), jest również modulowany przez stan behawioralny. Poprzez farmakologiczne hamowanie i ekscytację NiF, Cardin odkrył, że NiF jest głównym miejscem integracji informacji o stanie behawioralnym i przekazuje te informacje do HVC, aby kierować jego reakcją na stan behawioralny. Po tym badaniu Cardin wykazał, że konkretnie neurony noradrenergiczne w NiF pośredniczą w reakcji neuronów NiF na stan mózgu. Ogólnie rzecz biorąc, odkrycia Cardin na studiach podyplomowych podkreślają noradrenergiczne w NiF jako krytyczne integratory stanu mózgu do przekazywania informacji o stanie podczas uczenia się głosu u ptaków śpiewających.

W swojej pracy habilitacyjnej Cardin badała oscylacje gamma w pierwotnej korze wzrokowej kotów. Badała zarówno proste, jak i złożone komórki w pierwotnej korze wzrokowej i odkryła, że ​​chociaż oba pękają z częstotliwościami gamma, tylko proste komórki wykazują selektywną, zależną od cech bodźca reakcję na stymulację wzrokową. Ponieważ rytmiczne wejście synaptyczne napędza wizualnie wywołaną aktywność zarówno w prostych, jak i złożonych, szybkich, rytmicznych komórkach kory wzrokowej, Cardin sugeruje, że komórki te mogą rozprowadzać oscylacje gamma napędzane bodźcami w całej korze nowej.

Po tym artykule Cardin i jej zespół potwierdzili istnienie modulacji wzmocnienia w pierwotnej korze wzrokowej. Modulacja wzmocnienia jest zjawiskiem neuronowym, w którym amplituda odpowiedzi jest modyfikowana bez zmiany selektywności. Cardin i jej zespół przeprowadzili wewnątrzkomórkowe zapisy w pierwotnej korze wzrokowej kota i odkryli, że modulacja wzmocnienia jest natychmiast określana przez szybko zmieniający się kontekst sensoryczny i dynamikę aktywacji synaptycznej.

Po skupieniu się na systemie wizualnym Cardin odbyła krótki staż podoktorancki na MIT , gdzie nauczyła się optogenetyki i zastosowała tę technologię w nowatorski sposób, aby pogłębić odkrycia, których dokonała wcześniej na swoim stanowisku podoktorskim w UPenn. Cardin pomógł wyjaśnić eksperymentalne poparcie dla hipotezy szybkiego skoku gamma. Odkryli, że szybko rosnące interneurony wzmacniały oscylacje gamma, gdy były napędzane przy częstotliwościach od 8 do 200 Hz poprzez manipulację optogenetyczną. Ponadto wykazali, że nie dotyczy to neuronów piramidalnych, których aktywność neuronowa jest wzmacniana przy niskich częstotliwościach. Ogólnie rzecz biorąc, wykazali, że stany aktywności sieci mogą być sterowane in vivo przy użyciu swoistości dla typu komórki optogenetyka . Po tym artykule Cardin i zespół naukowców opracowali protokół zarówno optogenetycznej stymulacji neuronów, jak i rejestrowania wywołanej aktywności in vivo przy użyciu preparatów elektrofizjologicznych. Ich technologia umożliwiła naukowcom zadawanie pytań o role określonych populacji neuronowych w mózgu ze znacznie większą szczegółowością niż kiedykolwiek wcześniej.

Kariera

W 2010 Cardin został zatrudniony w Yale University School of Medicine i został adiunktem w Zakładzie Neurobiologii. W 2012 roku została członkiem Kavli Institute for Neuroscience w Yale. Laboratorium Cardin bada korowe obwody nerwowe, aby zrozumieć, w jaki sposób interakcje komórkowe i synaptyczne elastycznie dostosowują się do różnych stanów behawioralnych i kontekstów środowiskowych, aby wywołać percepcję wzrokową i motywowane zachowania. Laboratorium Cardin dalej wykorzystuje swoją wiedzę na temat adaptacyjnej regulacji obwodów korowych, aby zbadać, w jaki sposób dysfunkcja obwodów objawia się w modelach chorób. Oprócz swoich ról w laboratorium, Cardin jest członkiem Rady Doradczej Brain Science Mindscope jako doradca Instytutu Allena i jest integralnie zaangażowana w organizację i planowanie konferencji COSYNE od 2009 roku.

Elastyczność funkcjonalna w obwodach neuronowych

Cardin jest zainteresowany zrozumieniem, w jaki sposób mózg może funkcjonować bez potrzeby posiadania większej liczby neuronów wyspecjalizowanych w określonych stanach behawioralnych. Ponieważ neurony są w stanie tak szybko reagować i dostosowywać się do różnych środowisk i stanów pobudzenia, Cardin i jej zespół zbadali aktywność neuronów rządzącą przejściami między różnymi stanami czuwania. Zwiększone stany pobudzenia, w porównaniu ze stanami spoczynku, tłumiły spontaniczne wyładowania nerwowe i zwiększały stosunek sygnału do szumu w reakcjach wzrokowych. Ich odkrycia wskazywały na odmienne zachowanie neuronów w różnych stanach oraz na to, że plastyczne wzorce aktywności w obwodach korowych są w różny sposób napędzane zarówno stanem pobudzenia, jak i lokomocją.

Po tym badaniu Cardin i jej zespół wykorzystali obrazowanie wapnia in vivo, aby przyjrzeć się trzem odrębnym populacjom neuronów projekcyjnych w korze wzrokowej, aby określić, czy kodują one i przekazują unikalne informacje o środowisku wzrokowym do dalszych struktur. Odkryli, że określone populacje projekcyjne przetwarzają i kierują informacje wizualne do dalszych celów w funkcjonalnie różne sposoby, aby informować o zachowaniu.

Cardin i jej zespół ostatnio badali rolę wazoaktywnego peptydu jelitowego (VIP) wykazującego ekspresję interneuronów w regulacji korowego obwodu nerwowego. Poprzez usunięcie krytycznego receptora sygnalizacyjnego, ErbB4 , z neuronów VIP, Cardin i jej zespół dostrzegli deficyty w przetwarzaniu sensorycznym i rozregulowanie zależności stanu korowego, które wykazali, że było ważne dla funkcji korowej we wcześniejszych eksperymentach. Co ciekawe, rozregulowanie funkcji obwodów nerwowych ujawniło się w okresie dojrzewania, mimo że ErbB4 zostało usunięte w trakcie rozwoju, co sugeruje, że aberracje rozwojowe w rozwoju obwodów korowych mogą pojawić się dopiero w późniejszym okresie życia, naśladując prognozy wielu chorób związanych z mózgiem i rzucając wgląd w ich prawdopodobnie pochodzenie rozwojowe.

Nagrody i wyróżnienia

• Seria wybitnych seminariów Instytutu Allena 2018
• 2015 Nagroda rodziny Smithów za doskonałość w badaniach biomedycznych
• Nagroda naukowa McKnighta 2014
• 2012 Stypendium Alfreda P. Sloana
• 2011 NARSAD Nagroda Młodego Śledczego
• 2010 Nagroda Klingenstein Fellowship w dziedzinie neurologii
• 2005 Kirschtein Indywidualne stypendium badawcze NRSA podoktoranckie
• 2004 Nagroda Flexnera za wybitne badania w dziedzinie neurologii — University of Pennsylvania
• 1996 Stypendysta Howarda Hughesa na Uniwersytecie Cornell

Wybierz publikacje

• Miri ML, Vinck M, Pant R, Cardin J. Zmieniona aktywność interneuronów hipokampa poprzedza początek napadu. elife. 7. PMID 30387711 DOI: 10.7554/eLife.40750
• Batista-Brito, R.*, Vinck, M.*, Ferguson, KA, Chang, J., Laubender D., Lur, G., Ramakrishnan, C., Deisseroth K., Higley, MJ i Cardin, JA Developmental Dysfunkcja interneuronów VIP upośledza obwody korowe. Neuron 2017, 95:884-95. * Współpierwsi autorzy.
• Cardin, JA Migawki mózgu w akcji: Lokalne interakcje obwodów przez soczewkę oscylacji gamma. J Neurosci 2016, 36:10496-10504.
• Vinck, M.*, Batista-Brito, R.*, Knoblich, U., Cardin, JA Pobudzenie i poruszanie się mają wyraźny wkład we wzorce aktywności korowej i kodowanie wizualne. Neuron 2015, 86,740-54. * Współpierwsi autorzy
• Cardin, JA Analiza lokalnych obwodów in vivo: Zintegrowane podejścia optogenetyczne i elektrofizjologiczne do badania hamującej regulacji aktywności korowej. J Physiol Paris 2012, 106, 104–11.
• Cardin, JA, EM Carlén, K. Meletis, U. Knoblich, F. Zhang, K. Deisseroth, LH Tsai i CI Moore. Ukierunkowana optogenetyczna stymulacja i rejestracja neuronów in vivo przy użyciu specyficznej dla typu komórki ekspresji Channelrhodopsin-2. Protokoły natury 2010, 5:247-254.
• Cardin, JA, EM Carlén, K. Meletis, U. Knoblich, F. Zhang, K. Deisseroth, LH Tsai i CI Moore. Kierowanie szybko rosnącymi komórkami indukuje rytm gamma i kontroluje reakcje sensoryczne. Przyroda 2009, 459:663-7.
• Cardin, JA, LA Palmer i D. Contreras. Mechanizmy komórkowe leżące u podstaw zależnej od bodźca modulacji wzmocnienia w pierwotnych neuronach kory wzrokowej. Neuron 2008, 59:150-160.
• Cardin, JA, LA Palmer i D. Contreras. Zależne od bodźca oscylacje gamma (30–50 Hz) w prostych i złożonych szybko rytmicznych komórkach pękających w pierwotnej korze wzrokowej. J Neurosci 2005, 25:5339-50.
• Cardin, JA i MF Schmidt. Reakcje słuchowe w wielu jądrach systemu pieśni sensomotorycznych są współmodulowane przez stan behawioralny. J Neurophysiol 2004, 91:2148-63.
• Cardin, JA i MF Schmidt. Wejścia noradrenergiczne pośredniczą w zależności od stanu reakcji słuchowych w systemie ptasiego śpiewu. J Neurosci 2004, 24:7745-53.
• Cardin, JA i MF Schmidt. Reakcje słuchowe systemu Song są stabilne i wysoce dostrojone podczas sedacji, szybko modulowane i nieselektywne podczas czuwania oraz tłumione przez pobudzenie. J Neurophysiol 2003, 90: 2884-2899.
• Cardin, JA i T. Abel. Geny supresorowe pamięci: wzmocnienie związku między plastycznością synaptyczną a przechowywaniem pamięci. J Neurosci Res 1999, 58:10-23.
• Benton, S, JA Cardin i TJ DeVoogd. Lucyfer Żółte wypełnienie neuronów wystających w obszarze X w wysokim ośrodku wokalnym samic kanarków. Badania mózgu 1998, 799:138-147.