Optogenetica-Immagine:l’optogenetica trasforma le cellule nervose in marionette controllate dalla luce. SEBASTIAN KAULITZKI/SCIENCE PHOTO LIBRARY/GETTY IMAGES, ADATTATO DA E. OTWELL
Un metodo chiamato optogenetica offre approfondimenti sulla memoria, la percezione e la dipendenza.
Alcune grandi scoperte scientifiche in realtà non vengono scoperte. Sono prese in prestito. Questo è quello che è successo quando gli scienziati hanno arruolato proteine da un improbabile finanziatore: le alghe verdi.
Le cellule della specie algale Chlamydomonas reinhardtii sono decorate con proteine che possono percepire la luce. Quella capacità, notata per la prima volta nel 2002, ha rapidamente attirato l’attenzione degli scienziati che studiano il cervello. Una proteina sensibile alla luce ha mostrato il potere di controllare i neuroni – le cellule nervose del cervello – fornendo un modo per accenderli e spegnerli, esattamente nel posto e nel momento giusto.
Le cellule nervose geneticamente modificate per produrre le proteine algali diventano marionette controllate dalla luce. Un lampo di luce potrebbe indurre un neurone silenzioso a lanciare segnali o costringere un neurone attivo a tacere.
“Questa molecola è il sensore di luce di cui avevamo bisogno“, afferma il neuroscienziato Zhuo-Hua Pan che stava cercando un modo per controllare le cellule della vista nelle retine dei topi.
Il metodo abilitato da queste proteine prese in prestito è ora chiamato optogenetica, per la sua combinazione di luce (opto) e geni. In meno di due decenni, l’optogenetica ha portato a grandi intuizioni su come vengono immagazzinati i ricordi, cosa crea percezioni e cosa va storto nel cervello durante la depressione e la dipendenza.
Usando la luce per guidare l’attività di alcune cellule nervose, gli scienziati hanno giocato con le allucinazioni dei topi: i topi hanno visto linee che non ci sono e hanno ricordato una stanza in cui non erano mai stati. Gli scienziati hanno utilizzato l’optogenetica per far combattere, accoppiare e mangiare i topi e persino dare la vista ai topi ciechi. Per la prima volta, l’optogenetica ha recentemente ripristinato aspetti della visione di un cieco.
Un primo indizio sul potenziale dell’optogenetica è arrivato intorno all’una di notte del 4 agosto 2004. Il neuroscienziato Ed Boyden era in un laboratorio a Stanford che controllava un piatto di neuroni che possedevano un gene per uno dei sensori di luce algale, chiamato channelrhodopsin-2. Boyden avrebbe fatto lampeggiare una luce blu sulle cellule per vedere se sparavano segnali. “Con suo grande stupore, la primissima cellula che ha controllato ha risposto alla luce con un’esplosione di azione”, ha scritto Boyden in un account del 2011. Le possibilità sollevate da quella piccola scintilla di attività, descritta in un rapporto tecnico del 2005 da Boyden, Karl Deisseroth della Stanford University e colleghi, sono diventate rapidamente realtà.
Nel laboratorio di Pan, le proteine sensibili alla luce hanno ripristinato la vista nei topi con retina danneggiata, una scoperta che ora ha portato a una sperimentazione clinica sulle persone. La promessa dell’optogenetica non era scontata in quei primi giorni, poiché gli scienziati stavano imparando come utilizzare queste proteine nei neuroni. “A quel tempo, nessuno si aspettava che questo lavoro optogenetico avrebbe avuto un impatto così enorme”, dice Pan.
Vedi anche:Malattia di Huntington: la stimolazione optogenetica migliora i sintomi
Da quelle prime scoperte, i sensori di luce delle alghe sono stati adottati per l’uso in numerose arene di ricerca sul cervello. La neuroscienziata Talia Lerner della Northwestern University di Chicago, ad esempio, utilizza l’optogenetica per studiare le connessioni tra le cellule nel cervello del topo. Il metodo le permette di analizzare le relazioni tra le cellule che producono e rispondono alla dopamina, un messaggero chimico coinvolto nel movimento e nella ricompensa. Quei collegamenti cellulari, illuminati dall’optogenetica, potrebbero aiutare a rivelare dettagli sulla motivazione e l’apprendimento. “La mia ricerca non sarebbe davvero possibile nella sua forma attuale senza l’optogenetica“, dice.
L’optogenetica è indispensabile anche per Jeanne Paz dei Gladstone Institutes di San Francisco. Lei e i suoi colleghi sono alla ricerca delle cellule che possono impedire la diffusione delle crisi nel cervello. Dandole un modo per controllare gruppi distinti di neuroni, l’optogenetica è cruciale per la sua ricerca. “Non potremmo davvero porci queste domande con nessun altro strumento”, afferma Paz.
La sua ricerca, assistita dall’optogenetica, ha portato Paz a una struttura cerebrale chiamata talamo, una stazione di passaggio per molte reti neurali nel cervello. “Ricordo la pelle d’oca che ho avuto la prima volta che ho puntato la luce nel talamo e ha fermato il sequestro”, dice.
“Finora, la ricerca optogenetica si è svolta principalmente sui topi. Ma presto potrebbero essere trovate informazioni su cervelli più complessi, compresi quelli dei primati”, afferma Yasmine El-Shamayleh della Columbia University. Nel 2009, Boyden e colleghi hanno utilizzato l’optogenetica in un macaco. El-Shamayleh e altri stanno spingendo con forza questa linea di ricerca. “Siamo decisamente sul punto” di rivelare alcuni principi affascinanti del cervello dei primati, come il modo in cui il cervello trasforma i segnali dagli occhi in percezioni”, dice.
L’optogenetica si è evoluta rapidamente. Gli scienziati hanno progettato e ottimizzato nuovi sensori di luce e nuovi modi per combinarli con altre tecniche. “Un motivo importante per l’innovazione diffusa di oggi”, afferma Lerner, “è stato il grande spirito di condivisione dei pionieri dell’optogenetica”. A Stanford, Deisseroth teneva regolarmente seminari per formare altri scienziati sulla tecnica. “Condividere la tecnica in un certo senso, è importante quanto inventarla”, afferma Lerner. “Qualunque cosa accada dopo in questo campo in rapido movimento, una cosa è certa: gli scienziati del cervello saranno per sempre in debito con le alghe”.
Fonte:Science
