幼少期と教育
9年生の時、彼女は自宅で実験を行い、マウスをモデル生物として学習における性差を調査した。[ 1 ]カーディンはニューヨーク州イサカのコーネル大学で学部課程を修了し、生物科学を専攻し、自宅ではなく実際の研究室で研究を始めた。[ 2 ]コーネル大学では、カーディンはティモシー・J・デヴォーグドの研究室に加わり、鳴禽類の学習を研究し、雌カナリアの高次発声中枢(HVC)の形態と解剖学的構造をマッピングした。[ 3 ]彼女の学部時代の研究は、高次発声中枢(HVC)への特定の投射経路を形態学的に定義する技術の応用に役立ったBrain Research誌の論文につながった。 [ 3 ]彼らは、歌の学習におけるHVCの機能をサポートするために直接聴覚入力を受け取るAreaXに投射するニューロンの発見について述べている。[ 3 ]
1997年にコーネル大学で学士号を取得した後、カーディンはペンシルベニア大学で神経科学の大学院課程に進みました。[ 4 ]ペンシルベニア大学に着任後、カーディンは当時新任の教員であったテッド・エイベルの研究室でローテーションを行い、記憶貯蔵の分子基盤を研究しました。 [ 5 ]ローテーション中、カーディンはエイベルが無脊椎動物と脊椎動物の両方における記憶抑制を探求するレビュー論文を書くのを手伝いました。[ 5 ] 2000年、カーディンはマーク・シュミットの研究室に加わり、学部時代に研究対象としたモデル生物である鳴禽類に戻りましたが、今回は鳴禽類の神経回路における聴覚処理の行動状態依存性を調査しました。[ 4 ]
カーディンは2004年に博士課程を修了し、フィラデルフィアに留まり、ペンシルベニア大学医学部神経科学科で博士研究員として研究を続けた。[ 6 ]ディエゴ・コントレラスの指導の下、カーディンは電気生理学に深く取り組み、ネコの視覚野で単一細胞レベルの神経活動を記録し、視覚野の計算のダイナミクスを解明した。[ 1 ] 2009年に博士研究員としての研修を修了したが、2007年から2009年にかけて、マサチューセッツ工科大学のマクガバン研究所でクリストファー・I・ムーアの下で同時に研修を受け、神経回路の調査と記録に光遺伝学の新しい応用を開拓し始めた。 [ 4 ]
研究
カーディンは大学院生時代に、鎮静、覚醒、高覚醒などの脳の状態による感覚処理の変動性を研究した。[ 7 ]彼女は、行動状態が聴覚ニューロンの神経発火パターンに劇的な影響を与えることを発見した。[ 7 ]鳴禽類が眠っている間、HVCのニューロンの発火が増加し、鳥自身の歌に対する選択性が高まるが、鳴禽類が覚醒しているときは、発火の変動性がはるかに大きくなり、鳥自身の歌に対する選択性はなくなる。[ 7 ]さらに、覚醒がHVCの反応性を抑制することも発見しており、これは覚醒状態での聴覚反応性を高めるために他のメカニズムが働いていることを示唆している。[ 7 ]
HVCが行動状態に応じて調節されることを発見した後、Cardinは、上流の脳領域である核間顔面核(NiF)も行動状態によって調節されることを発見した。[ 8 ] NiFを薬理学的に抑制および興奮させることにより、Cardinは、NiFが行動状態情報の主要な統合部位であり、この情報をHVCに伝達して行動状態への応答性を促進することを発見した。[ 8 ]この研究に続いて、Cardinは、NiFのノルアドレナリン作動性ニューロンが、NiFニューロンの脳状態への応答性を媒介することを示した。[ 9 ] 全体として、Cardinの大学院での研究結果は、鳴禽類の発声学習中に状態情報を伝達するための脳状態の重要な統合者として、NiFのノルアドレナリン作動性ニューロンを強調している。 [ 9 ]
カーディンは博士研究員時代に、ネコの一次視覚野におけるガンマ振動を研究した。[ 10 ]彼女は一次視覚野の単純細胞と複雑細胞の両方を研究し、両方ともガンマ周波数でバーストするが、単純細胞のみが視覚刺激に対して選択的な刺激特徴依存応答を示すことを発見した。視覚野の単純細胞と複雑細胞の両方で視覚誘発活動がリズミカルなシナプス入力によって駆動されるため、カーディンはこれらの細胞が刺激駆動ガンマ振動を新皮質全体に分配する可能性があると提唱している。[ 10 ]
この論文に続いて、カーディンとそのチームは一次視覚野におけるゲイン変調の存在を検証した。[ 11 ]ゲイン変調とは、選択性を変えずに応答振幅が変化する神経現象である。[ 11 ]カーディンとそのチームはネコの一次視覚野で細胞内記録を行い、ゲイン変調は急速に変化する感覚コンテキストとシナプス活性化のダイナミクスによって瞬時に決定されることを発見した。[ 11 ]
カーディンは視覚系に焦点を当てた後、MITで短期間のポスドク研究員として勤務し、そこで光遺伝学を学び、ペンシルベニア大学でのポスドク研究で以前に得た知見をさらに発展させるために、この技術を斬新な方法で活用した。カーディンは、高速スパイクガンマ仮説の実験的裏付けを明らかにするのに貢献した。[ 12 ]高速スパイク介在ニューロンは、光遺伝学的操作によって8~200Hzの周波数で駆動されると、ガンマ振動が増幅されることがわかった 。[ 12 ]さらに、低周波数で神経活動が増幅される錐体ニューロンではそうではないことも示した。[ 12 ] 全体として、細胞型特異的な光遺伝学を用いて、生体内でネットワーク活動状態を駆動できることを示した。[ 12 ]この論文に続いて、カーディンと研究者チームは、光遺伝学的にニューロンを刺激し、電気生理学的準備を用いて生体内で誘発活動を記録するプロトコルを開発した。[ 13 ]彼らの技術により、研究者は脳内の特定の神経細胞集団の役割について、これまで以上に高い特異性で質問することが可能になった。[ 13 ]
キャリア
2010年、カーディンはイェール大学医学部に採用され、神経生物学部門の助教授となった。[ 6 ] 2012年には、イェール大学のカブリ神経科学研究所のメンバーとなった。[ 6 ]カーディンの研究室は、細胞とシナプスの相互作用がさまざまな行動状態や環境状況に柔軟に適応して視覚知覚を生み出し、動機づけられた行動を促す仕組みを理解するために、皮質神経回路を調査している。[ 14 ]カーディンの研究室は、適応的な皮質回路制御に関する知識をさらに応用して、回路機能不全が疾患モデルでどのように現れるかを調査している。[ 14 ]研究室での役割に加えて、カーディンはアレン研究所のアドバイザーとして脳科学マインドスコープ諮問委員会に所属しており[ 15 ] 、2009年以来、COSYNE会議の組織と計画に深く関わっている。[ 14 ]
神経回路における機能的柔軟性
カーディンは、特定の行動状態に特化したニューロンを増やさずに脳がどのように機能できるかを理解することに興味を持っている。[ 14 ]ニューロンはさまざまな環境や覚醒状態に非常に迅速に反応して適応できるため、カーディンと彼女のチームは、異なる覚醒状態間の遷移を制御する神経活動を調査した。[ 16 ]静止状態と比較して、覚醒状態が高まった状態では、自発的な神経発火が抑制され、視覚応答の信号対雑音比が増加した。[ 16 ]彼らの発見は、異なる状態におけるニューロンの異なる挙動と、皮質回路における可塑性のある活動パターンが、覚醒状態と運動の両方によって異なる方法で駆動されることを示唆している。[ 16 ]
この研究に続いて、カーディンと彼女のチームは、生体内のカルシウムイメージングを使用して、視覚皮質の3つの異なる投射ニューロン集団を調べ、それらが視覚環境に関する独自の情報を符号化して下流の構造に伝達するかどうかを調べました。[ 17 ]彼らは、特定の投射ニューロン集団が、機能的に異なる方法で視覚情報を下流の標的に処理およびルーティングして行動に情報を提供することを発見しました。[ 17 ]
カーディンと彼女のチームは最近、血管作動性腸ペプチド(VIP)を発現する介在ニューロンが皮質神経回路の調節において果たす役割を調査した。 [ 18 ] VIPニューロンから重要なシグナル伝達受容体であるErbB4を除去することで、カーディンと彼女のチームは、感覚処理の欠陥と、以前の実験で皮質機能にとって重要であることが示されていた皮質状態依存性の調節不全を観察した。[ 18 ]興味深いことに、神経回路機能の調節不全は、発達期にErbB4が除去されたにもかかわらず、思春期に現れた。これは、皮質回路の発達における発達異常が人生の後半まで現れない可能性があり、多くの脳関連疾患の予後を模倣し、それらの発達起源の可能性についての洞察を与えることを示唆している。[ 18 ]
受賞歴と栄誉
- 2018年アレン研究所特別セミナーシリーズ[ 19 ]
- 2015年スミスファミリー生物医学研究優秀賞[ 20 ]
- 2014年マクナイト奨学生賞[ 21 ]
- 2012年アルフレッド・P・スローン・フェローシップ[ 22 ]
- 2011年 NARSAD若手研究者賞[ 23 ]
- 2010年クリンゲンスタイン神経科学フェローシップ賞[ 24 ]
- 2005年キルシュタイン個人博士研究員NRSA研究フェローシップ[ 6 ]
- 2004年フレクスナー賞(優れた神経科学博士論文研究) - ペンシルベニア大学[ 6 ]
- 1996年 ハワード・ヒューズ学部生奨学生 - コーネル大学[ 6 ]
厳選出版物
- Miri ML、Vinck M、Pant R、Cardin J. 海馬介在ニューロン活動の変化は発作開始に先行する。Elife. 7. PMID 30387711 DOI: 10.7554/eLife.40750 [ 25 ]
- Batista-Brito, R.*、Vinck, M.*、Ferguson, KA、Chang, J.、Laubender D.、Lur, G.、Ramakrishnan, C.、Deisseroth K.、Higley, MJ、およびCardin, JA VIP介在ニューロンの発達障害は皮質回路を障害する。 Neuron 2017, 95:884-95。 *共同筆頭著者。[ 18 ]
- Cardin, JA 脳の活動のスナップショット:ガンマ振動のレンズを通して見た局所回路の相互作用。J Neurosci 2016, 36:10496-10504. [ 26 ]
- Vinck, M.*、Batista-Brito, R.*、Knoblich, U.、Cardin, JA 覚醒と運動は皮質活動パターンと視覚符号化に異なる貢献をする。 Neuron 2015, 86,740-54. *共同筆頭著者[ 26 ]
- Cardin, JA 生体内における局所回路の解剖:皮質活動の抑制調節を探るための統合的な光遺伝学および電気生理学的アプローチ。J Physiol Paris 2012, 106, 104–11. [ 26 ]
- Cardin, JA、EM Carlén、K. Meletis、U. Knoblich、F. Zhang、K. Deisseroth、LH Tsai、CI Moore。チャネルロドプシン-2の細胞型特異的発現を用いた生体内ニューロンの標的光遺伝学的刺激と記録。Nature Protocols 2010、5:247-254。[ 26 ]
- Cardin, JA、EM Carlén、K. Meletis、U. Knoblich、F. Zhang、K. Deisseroth、LH Tsai、CI Moore。高速スパイク細胞を駆動するとガンマリズムが誘発され、感覚応答が制御される。Nature 2009、459:663-7。[ 26 ]
- Cardin, JA、LA Palmer、および D. Contreras。一次視覚野ニューロンにおける刺激依存性ゲイン変調の根底にある細胞メカニズム。Neuron 2008、59:150-160。[ 26 ]
- Cardin, JA、LA Palmer、および D. Contreras。一次視覚野の単純および複雑な高速律動性バースト細胞における刺激依存性ガンマ(30~50 Hz)振動。J Neurosci 2005、25:5339-50。[ 10 ]
- Cardin, JA、および MF Schmidt。複数の感覚運動歌唱システム核における聴覚応答は行動状態によって共調節される。J Neurophysiol 2004、91:2148-63。[ 26 ]
- Cardin, JA、および MF Schmidt。ノルアドレナリン入力は鳥類の歌システムの聴覚応答の状態依存性を媒介する。J Neurosci 2004、24:7745-53。[ 26 ]
- Cardin, JA、および MF Schmidt。歌システムの聴覚応答は、鎮静中は安定しており高度に調整されているが、覚醒中は急速に変調され非選択的であり、覚醒によって抑制される。J Neurophysiol 2003、90: 2884–2899。[ 26 ]
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参考文献
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