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Optogenetica: governare i neuroni con la luce

7 anni fa

9 minuti

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Sino al secolo scorso, per capire il ruolo di un gruppo di neuroni, bisognava aspettare un infortunio per poi studiarne le conseguenze.

Poi si è cominciato ad usare droghe, farmaci od elettrodi, efficaci ma imprecisi. I transgenici hanno permesso notevoli progressi, ma solo negli ultimi anni si è fatto un netto passo in avanti.

Prima di spiegare cosa ha permesso questo, però, un piccolo preambolo. La segnalazione neuronale, semplificando molto, può esser così riassunta: l’informazione, sotto forma di potenziale d’azione (un impulso elettrico), viaggia lungo l’assone,  al cui termine si trova il bottone pre-sinaptico.

come si parlano i neuroni?

Qui giunto, da luogo ad il rilascio di molecole nello spazio che lo separa dal neurone successivo: queste molecole, dette neurotrasmettitori, vanno a legarsi a specifici recettori presenti sul bottone post-sinaptico. 

A seconda dei neurotrasmettitori e recettori coinvolti, il messaggio che viene codificato può essere eccitatorio od inibitorio. Se, seguendo gli ordini, il neurone a valle aprirà dei canali di membrana che permettono l’entrata di ioni positivi, si creerà un nuovo potenziale d’azione che propagherà il segnale, se invece permetterà l’ingresso a quelli negativi, l’attività di segnalazione della cellula viene inibita.

due neuroni che parlano

Il neurone a sinistra sta dicendo qualcosa a quello di destra.

 

I vari tipi di neuroni si distinguono per l’espressione caratteristica di particolari neurotrasmettitori e recettori, che permette loro una comunicazione mirata, precisa ed estremamente veloce.

Per determinare il ruolo di una specifica popolazione bisogna allora riuscire a controllarla in modo selettivo e preciso: questo è diventato possibile grazie all’optogenetica.

una manipolazione precisa al millisecondo e per gruppi cellulari scelti.

 

 

 

L’Optogenetica:
opsine, luci e neuroni

Fin dagli anni ’70 molti laboratori hanno identificato varie proteine trans-membrana dette opsine, che reagiscono alla luce (ciascuna ad una differente frequenza) aprendosi e permettendo il passaggio selettivo di ioni carichi attraverso di esse.

Il meccanismo è molto simile a quello dei canali di membrana descritto sopra, ma i microbi che le possiedono le usano per scopi totalmente diversi.

Nei tardi anni ’90 in alcuni laboratori vennero svolte le prime ricerche per sfruttare queste proteine nel controllo dei neuroni, in un modo molto elegante: fornire a quelli che si vogliono studiare, e solo a quelli, delle opsine che, attivate da una luce, reagiranno aprendosi e portando all’eccitazione od alla inibizione della cellula.

Ma i risultati furono limitati o scarsamente applicabili.

L’idea è tanto semplice quanto affascinante: comandare i neuroni con la luce.

Eppure in linea di principio la cosa sembrava fattibile.

Tramite dei vettori virali, uno strumento utilizzato per rilasciare materiale genetico, si può integrare nel DNA delle cellule bersaglio il gene che codifica l’opsina.

Questa integrazione, progettata per essere efficiente solo sul tipo cellulare designato, porta all’espressione della proteina sulla membrana del neurone: una vicina fonte di luce, settata sulle giuste lunghezza d’onda e frequenza, potrà allora interagire con questa, attivando od inibendo il neurone.

 

In teoria dovrebbe funzionare così: una luce dalla lunghezza d'onda aziona un canale, che determina la risposta del neurone

Così funziona: una luce dalla lunghezza d’onda appropriata aziona un canale, determinando una certa risposta del neurone

 

Nonostante la cosa fosse concettualmente semplice, è solo nel 2005 che l’equipe di K. Deisseroth, MIT, riesce a pubblicare un articolo rivoluzionario:integrando una di queste opsine,

Il primo successo

chiamata Channelrhododopsina-2 (ChR2), a quelle normalmente presenti in una cultura di cellule cerebrali murine, i ricercatori erano in grado di attivare i neuroni con una precisione temporale del’ ordine dei millisecondi accendendo un laser.

Poco dopo, una seconda opsina, selettiva per gli ioni negativi (la Halorhodopsina, NaPH), è stata impiegata con pari successo per inibire le cellule.Nel giro di poco, la tecnica venne impiegata in vivo.

 

Così si fa

Così si applica

accendere o spegnere dei neuroni ora è, letteralmente, come accendere o spegnere la luce: basta un interruttore.

Ora l’optogenetica è diventata una tecnica relativamente diffusa ed applicata su numerose specie, dai vermi ai primati non umani.

Il suo impiego può servire a confermare ipotesi o conoscenze precedentemente acquisite in altro modo, chiarire il funzionamento di alcuni fenomeni, distinguere l’influenza dei vari neuroni sul comportamento della cavia dal vivo o per  manipolare la mente.

Ecco alcuni esempi.

 

 

 

Mangia che è buono

Più di cinquanta anni fa si è osservato come la stimolazione elettrica dell’ipotalamo laterale causasse risposte comportamentali legate al mangiare ed al rinforzo (legato all’apprendimento) ma, data l’aspecificità dell’eccitazione, la circuiteria responsabile era rimasta indefinita.

Grazie all’optogenetica, l’equipe di G.D. Stuber, UNC, è riuscita ad identificare un fascio di assoni che, stimolati tramite i recettori ChR2, spingono topi già sazi a cibarsi ancora, ma inibiti con quelli NaPH, riescono a trattenere un topo a digiuno dal nutrirsi.

 

 

Nello stesso articolo, gli autori mostrano come il medesimo fascicolo abbia un ruolo simile anche nel rinforzo: attivandolo od inibendolo in uno specifico ambiente, il topo prova rispettivamente attrazione o repulsione per questo.

Inoltre, se lasciato libero di autostimolare i ChR2, il roditore non ci pensa due volte a farlo ripetutamente.

Una maggiore comprensione di questi circuiti può aiutarci nel trattamento dei disturbi alimentari e dell’obesità.

 

 

 

Risvegliare vecchi ricordi

Un’esperienza porta alla modificazione di alcune connessioni tra neuroni, ed il suo ricordo viene codificato da queste. Ad oggi è possibile, sugli animali da laboratorio, segnare i neuroni coinvolti nell’apprendimento di un qualche cosa,per poi riconoscerli e manipolarli: ad esempio, uccidendoli, il ricordo ad essi collegato viene notevolmente ridotto.

È possibile evocare un ricordo stimolando i neuroni che lo codificano?

Ma attivandoli, è possibile  richiamare la memoria ad essi collegata? S. Tonegawa e collaboratori, del MIT, hanno voluto scoprirlo.

Adottando un elegante disegno sperimentale, vengono fatti esprimere dei recettori ChR2 nell’ippocampo, una struttura cerebrale fondamentale per la formazione dei ricordi, dai neuroni che vengono coinvolti durante un condizionamento alla paura contestuale (un paradigma comportamentale in cui il topo impara ad associare uno stimolo negativo, nel caso una lieve scossa, con uno specifico contesto).

Cosa succederebbe se, in un ambiente neutro, venissero riattivate le cellule legate alla brutta esperienza avvenuta nell’altro contesto?

 

 

Mentre nei primi 15 secondi il topo mostra un normale atteggiamento, all’accendersi del laser, e quindi all’eccitazione dei neuroni collegati alla memoria dello shock, seguono 20 secondi di agitazione, sino a che poi non compare il “freezing”, ovvero un  “congelamento” dei movimenti, una classica risposta ad una situazione di pericolo.

Il ricordo negativo è stato quindi riattivato, nonostante non fosse collegato all’ambiente in cui si trovava il roditore e nulla potesse richiamarlo.

 una memoria  può essere risvegliata a comando eccitando i neuroni che la compongono

 

 

 

 

Inception

Un anno dopo, il laboratorio di Tonegawa osa di più: non rievocare un ricordo a comando, ma crearne uno nuovo. Falso.

Quando una memoria viene formata, o richiamata, diviene malleabile e può essere modificata: approfittando di questo e di quanto scoperto prima, perché non provare ad associare tra loro i ricordi di esperienze diverse per formarne uno nuovo di qualcosa che non è mai accaduto?

Si può installare un falso ricordo?

Questa volta i recettori ChR2 vengono fatti esprimere dai neuroni coinvolti durante la familiarizzare con un ambiente neutro, per essere poi eccitati durante un condizionamento alla paura contestuale, mentre altri neuroni, quelli specifici di tale esperienza, si attivano per la prima volta per codificarla.

 

design sperimentale

Design sperimentale

 

A questo punto, rimessi nel primo contesto, i topi non ne hanno più la memoria “neutra” originale, ma una nuova,  che lo fa risultare sì familiare (contributo del primo gruppo di cellule), ma associato ad uno stimolo negativo (contributo del secondo), portandoli ad una risposta di freezing.

La riattivazione del primo ricordo durante la formazione del secondo ha portato alla fusione dei due, ed alla creazione di un terzo.

È stata creata una memoria nuova, di una esperienza mai vissuta

 

 

 

 

Conclusioni

Ovviamente se considerata in vista di una applicazione sull’uomo, anche questa tecnica presenta dei limiti, sia tecnici che etici.

In primis, la diffusione della luce nel tessuto. Questa è alquanto limitata: lavorando su aree cerebrali piccole come quelle di un roditore non è quasi mai un problema, ma considerando un cervello umano, ci troviamo a poter agire solo limitatamente sulla regione d’interesse.

l’optogenetica  sull’uomo pare poco fattibile.

Tutto questo supponendo che si sappia  come agire, cioè che frequenze di stimolazione sia opportuno utilizzare, senza che si presentino a lungo andare effetti indesiderati.

Un ulteriore problema deriva dalla necessità di impiegare vettori virali (che debbono essere oltretutto estremamente specifici): oltre ad ignorarne gli effetti a lungo termine (ammesso che la loro efficacia perduri), nell’uomo spesso questi hanno causato importanti (e le volte letali) risposte immunitarie.

Infine non dobbiamo dimenticare che questa rimane una tecnica molto invasiva, richiedendo una importante operazione chirurgica e l’impianto fisso di peacemaker e LED o fibra ottica.

Probabilmente sull’uomo l’optogenetica non sarà mai applicata, ma questo non la rende inutile.

Negli ultimi anni essa ha permesso importanti progressi nelle neuroscienze, e quando si parla di ricerca bisogna ricordare che si, l’immediata ricaduta clinica (o monetaria) è importante, ma questa viene costruita su conoscenze che erroneamente molti  ritengono fini a se stesse quando acquisite.

Quale è l’organizzazione spaziotemporale di certi processi cognitivi? Quali sono le interconnessioni intra ed infra le varie strutture cerebrali?

L’optogenetica ci sta permettendo di capire questo, ed è sapendo questo che potremo pensare terapie migliori.

Se consideriamo inoltre che  l’anno scorso il gruppo di Church e Zhang (MIT) è riuscita ad impiegarla in vivo per modulare l’espressione genica, non possiamo che aspettarci altre grandi rivelazioni grazie all’optogenetica.

 

N.d.A. Al fine di evitare turbamenti agli animi più sensibili, è bene che specifichi alcune cose. No, anche se nel testo compare la parola virus, non significa che si iniettino malattie agli animali. No, una luce accesa nel cervello non fa male. La scossa usata per il condizionamento del topo è lieve, Sayid Jarrah ne riderebbe. No, non ho alcun conflitto di interessi: lavoro in un laboratorio povero, dove non possiamo permetterci queste cose.

 

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