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Edward Boyden

Edward S. Boyden es un neurocientífico y empresario estadounidense del MIT . Es profesor de neurotecnología de la cátedra Y. Eva Tan y miembro de pleno derecho del Instituto McGovern de Investigación Cerebral . [1] Es reconocido por su trabajo en optogenética y microscopía de expansión . Boyden se unió a la facultad del MIT en 2007 y continúa desarrollando nuevas herramientas optogenéticas, así como otras tecnologías para la manipulación y el análisis de la estructura y la actividad cerebral. [2] Recibió el Premio Breakthrough en Ciencias de la Vida en 2015. [3]

Vida temprana y educación

Boyden nació en Plano, Texas . Su madre tiene una maestría en bioquímica y realizó investigaciones sobre la nicotina , quedándose en casa para cuidar de Boyden y su hermana. Su padre era consultor de gestión . En la infancia, quería comprender a la humanidad, al principio prefiriendo las matemáticas a la ciencia. Con el tiempo, se interesó en cómo nuestras mentes son capaces de comprender las matemáticas. Cuando era un adolescente, sus pensamientos dieron lugar a lo que ahora llama el "bucle de la comprensión": las matemáticas son la forma en que entendemos las cosas a un nivel profundo, nuestras mentes hacen matemáticas, el cerebro da lugar a nuestras mentes, la biología gobierna nuestros cerebros, la química implementa la biología, los principios de la física gobiernan a la química y la física se basa en las matemáticas. Es un bucle de matemáticas a matemáticas, con todo el conocimiento en el medio. [4]

Boyden ganó una feria estatal de ciencias en Texas a los 12 años con un proyecto de geometría. [4]

A los 14 años, Boyden asistió a la Academia de Matemáticas y Ciencias de Texas en la Universidad del Norte de Texas, donde estudió química y matemáticas junto con sus estudios de secundaria. Allí, trabajó en el laboratorio de Paul Braterman examinando los orígenes de la química de la vida. [5]

Boyden comenzó sus estudios en el MIT en 1995 a los 16 años, saltándose dos grados. [4] Obtuvo una maestría en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, además de dos licenciaturas en ingeniería eléctrica, ciencias de la computación y física, graduándose a los 19 años. Boyden trabajó en el grupo de Neil Gershenfeld en computación cuántica .

En 1999, Boyden comenzó un doctorado en neurociencias en la Universidad de Stanford bajo la supervisión de Jennifer Raymond y Richard Tsien . Lo completó en 2005. [5]

Carrera

Después de su doctorado, Boyden trabajó como becario postdoctoral Helen Hay Whitney en los departamentos de bioingeniería, física aplicada y biología de la Universidad de Stanford durante un año. Allí, trabajó con Mark Schnitzer y Karl Deisseroth para inventar métodos ópticos en la investigación en neurociencia. [5] En 2006, se trasladó al MIT para trabajar como científico visitante en el MIT Media Lab , donde dirigió el Grupo de Neuroingeniería y Neuromedios. [5]

En 2007, Boyden fundó el Grupo de Neurobiología Sintética en el MIT y también comenzó a trabajar como profesor adjunto en el Media Lab del MIT y en el Departamento de Ingeniería Biológica del MIT. Al año siguiente, se convirtió en profesor adjunto en el Departamento de Ciencias Cognitivas y del Cerebro del MIT. [5]

Boyden se convirtió en investigador del Instituto McGovern del MIT en 2010. [5] En 2013, estableció el Centro de Ingeniería Neurobiológica del MIT, que ahora codirige junto con Alan Jasanoff. [6] Se convirtió en miembro extramuros del Instituto Koch del MIT para la Investigación Integral del Cáncer en 2017 antes de ser nombrado Profesor Y. Eva Tan en Neurotecnología en el MIT un año después. [5] 7 años después de llegar al MIT, Boyden recibió la titularidad como profesor de tiempo completo. [7]

En 2020, Boyden se convirtió en investigador del Instituto Médico Howard Hughes . Al año siguiente, comenzó a codirigir el Centro de Biónica K. Lisa Yang en el MIT. [5]

Investigación

La investigación de Boyden abarca la optogenética , la microscopía de expansión , la estimulación cerebral profunda , las imágenes multiplexadas, el aprendizaje automático y más.

Optogenética

En optogenética, un canal o bomba iónica sensible a la luz, como la canalrodopsina-2, se expresa genéticamente en las neuronas, lo que permite que la actividad neuronal sea controlada por la luz. Hubo esfuerzos tempranos para lograr un control óptico dirigido que datan de 2002 que no involucraban un canal iónico activado directamente por la luz, [8] pero fue el método basado en canales directamente activados por la luz de microbios, como la canalrodopsina, que surgió en 2005, el que resultó ser ampliamente útil. La optogenética de esta manera ha sido ampliamente adoptada por los neurocientíficos como una herramienta de investigación, y también se cree que tiene posibles aplicaciones terapéuticas. [9]

Boyden informó en 2007 que la utilización de la bomba de cloruro de halorrodopsina (Halo) optimizada por codones y accionada por luz de Natronomas pharaonis permitió el silenciamiento optogenético con luz amarilla. [10] Más tarde, en 2010, informó que la arquerodopsina-3 (Arch) de Halorubrum sodomense facilitó el silenciamiento casi completo de neuronas utilizando luz amarilla. Arch también es capaz de recuperarse espontáneamente de la inactivación a diferencia de Halo, que entra en estados inactivos prolongados. Su alto rendimiento permitió muchas nuevas investigaciones neurocientíficas utilizando ingeniería cerebral. [11]

En 2014, Boyden informó cómo la canalrodopsina Chronos podía responder extremadamente rápido a la luz, y cómo la canalrodopsina Chrimson respondía a la luz roja. La cinética de Chronos es más rápida que la de las canalrodopsinas anteriores, pero es más sensible a la luz. Este descubrimiento permitió la activación de neuronas en dos colores sin una comunicación cruzada significativa. [12] Esto condujo a la primera optogenética en personas en 2021, donde a un paciente ciego se le inyectó un vector viral adenoasociado que codifica ChrimsonR junto con una estimulación lumínica habilitada con gafas. El paciente percibió, localizó, contó y tocó objetos con éxito utilizando el ojo tratado con el vector con las gafas. Este caso informa de la mayor recuperación funcional parcial hasta la fecha, para tales formas de ceguera. [13]

En 2014, se diseñó la cruxhalorrodopsina (Jaws) de Haloarcula salinarum para inducir inhibición en respuesta a la luz roja. [14] En 2017, Boyden diseñó una opsina de alta eficacia dirigida al soma mediante la combinación de los 150 residuos N-terminales de la subunidad 2 del receptor de kainato (KA2) con el canalrodopsina CoChR de alta fotocorriente. Esto restringe su expresión a los somas neuronales, respondiendo a la estimulación holográfica con precisión temporal. [15]

Microscopía de expansión (ExM)

La microscopía de expansión (ExM) se desarrolló como una alternativa al microscopio óptico , que tiene una resolución limitada. En 2015, Boyden pudo expandir una muestra sintetizando una red de polímero hinchable dentro de ella. Al colocar una etiqueta específica en la red, su hinchamiento permite la separación isotrópica y la resolución óptica . Esto permite la microscopía de superresolución utilizando microscopios limitados por difracción. [16] ExM se ha optimizado para proteínas , [17] ácidos nucleicos , [18] tejidos clínicos, [19] despoblamiento, [20] secuenciación in situ , [21] y ha desarrollado un factor de expansión más grande. [22] En 2018, Boyden desarrolló un método para encoger materiales impresos en 3D para lograr tamaños de características a escala nanométrica . Al usar andamios de hidrogel , Implosion Fabrication (ImpFab) crea nanoestructuras de plata conductoras en 3D con geometrías complejas y resoluciones en decenas de nanómetros. [23]

Estimulación cerebral profunda

En 2017, Boyden informó sobre un método no invasivo de estimulación eléctrica profunda de las neuronas. Al aplicar campos eléctricos a frecuencias superiores a las capaces de activar la activación neuronal, pero dentro de su rango dinámico , se pueden modular las neuronas dentro de una región envuelta por el campo eléctrico. Esta interferencia temporal (IT) alteró con éxito los patrones motores en ratones vivos. [24] La IT se validó en humanos en 2023, donde moduló la actividad del hipocampo y aumentó la precisión de las memorias episódicas en sujetos sanos. [25]

Imágenes multiplexadas

La obtención de imágenes multiplexadas es la medición simultánea de la dinámica de muchas señales dentro de una red de transducción de señales . En 2020, Boyden fusionó un reportero fluorescente con un par de péptidos autoensamblables para crear islas de reporteros de señalización (SiRI), que pueden diseñarse de forma modular. Por lo tanto, las SiRI se pueden adaptar para la medición simultánea de múltiples señales en una red dentro de células individuales lo suficientemente distantes como para ser resueltas bajo un microscopio, pero lo suficientemente cerca como para muestrear espacialmente la biología (multiplexación espacial). [26] La obtención de imágenes multiplexadas temporalmente (TMI), informada en 2023, utiliza proteínas fluorescentes codificadas genéticamente con propiedades temporales para representar diferentes señales. Esto se utiliza para examinar las relaciones entre las actividades de las quinasas dentro de células individuales, además de las actividades del ciclo celular . [27] En 2018, Boyden informó sobre un nuevo método de ingeniería de proteínas complejas hacia una especificación multidimensional mediante la selección robótica de células identificadas como expresadoras de proteínas que exhiben simultáneamente varias propiedades. Esto permite la detección de cientos de miles de proteínas en unas pocas horas mientras se evalúa cada una de ellas para múltiples propiedades de rendimiento. [28] El robot se utilizó para desarrollar un indicador de voltaje fluorescente, Archon. La obtención de imágenes de voltaje, utilizando Archon y otros indicadores creados por otros grupos, se aplicó en áreas del cerebro de ratones en 2019 [29] y, posteriormente, en todo el cerebro de larvas de pez cebra en 2023. [30]

Emprendimiento

Boyden tiene casi 300 inventos patentados, entre ellos una grapadora quirúrgica orientable, métodos y aparatos para neuromodulación, microscopía de expansión y bombas de protones activadas por luz. [31]

Boyden es el cofundador de Elemind, [32] una empresa de neurotecnología que aumenta el sueño, la atención y la experiencia humana. [33] Elemind lanzó su diadema neurotecnológica que emplea ondas cerebrales para tratar trastornos del sueño, dolor a largo plazo y temblores el 4 de junio de 2024. [34]

También cofundó Cognito Therapeutics, una empresa que desarrolla terapias diseñadas para mejorar la vida de los pacientes que viven con enfermedades neurodegenerativas . En concreto, Boyden pretende utilizar los hallazgos sobre la estimulación sensorial que evoca la actividad gamma en la enfermedad de Alzheimer para frenar su progresión. [35]

Boyden cofundó Expansion Technologies, con el objetivo de permitir la detección temprana de enfermedades mediante el uso de su novedoso método de imágenes de súper resolución que expande físicamente las muestras, [36] así como Synlife, que innova plataformas terapéuticas a través de la ingeniería de abajo hacia arriba de células sintéticas con un enfoque en la encapsulación de vías enzimáticas . [37]

Boyden es el asesor científico de E11 Bio , un proyecto sin fines de lucro centrado en el desarrollo de neurotecnología con un enfoque en el mapeo de circuitos cerebrales. [38]

Es el jefe del consejo asesor de Inner Cosmos, cuya misión es curar la depresión con su píldora digital, un implante del tamaño de un centavo que reequilibra las redes cerebrales con microestimulaciones . [39]

Vida personal

En Stanford, Boyden conoció a Xue Han, ahora neurocientífica en la Universidad de Boston . Están criando dos hijos juntos. [4]

Premios

En 2008, la revista Discover nombró a Boyden como uno de los 20 mejores científicos menores de 40 años. [40] En 2006, fue nombrado por la MIT Technology Review TR35 como uno de los 35 principales innovadores del mundo menores de 35 años. [41] En 2013 compartió el Premio Jacob Heskel Gabbay de Biotecnología y Medicina con Karl Deisseroth y Gero Miesenböck. [42]

El 29 de noviembre de 2015, Edward Boyden fue uno de los cinco científicos galardonados con el Premio Breakthrough en Ciencias de la Vida , otorgado por “avances transformadores hacia la comprensión de los sistemas vivos y la prolongación de la vida humana”. [3] [43]

Ha recibido el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Biomedicina 2015, junto con Karl Deisseroth y Gero Miesenböck , por el desarrollo de la optogenética, la técnica más singular para estudiar el cerebro en la actualidad. [44] En 2018, Boyden ganó el Premio Internacional de la Fundación Gairdner de Canadá, junto con Karl Deisseroth y Peter Hegemann. En 2019, fue galardonado con el Premio Rumford por "contribuciones extraordinarias relacionadas con la invención y el refinamiento de la optogenética", con Ernst Bamberg , Karl Deisseroth , Peter Hegemann , Gero Miesenböck y Georg Nagel . [45] En el mismo año, él, Deisseroth, Hegemann y Miesenböck ganaron el Premio de la Fundación Warren Alpert . [46]

Fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias en 2019. [47] En 2020, Boyden recibió la Medalla Wilhelm Exner por su trabajo en microscopía de expansión. [48]

A continuación se muestran más premios y honores importantes.

Referencias

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