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Interruttori della luce per i neuroni
Ricercatori hanno sviluppato sistemi più sofisticati per controllare il cervello con la luce. Aprendo grandi speranze anche per la cura di autismo e depressione.
di Jennifer Chu (TR) 27-04-10
Appena 5 anni fa, scienziati della Stanford University scoprirono che neuroni a cui fosse stato iniettato un gene fotosensibile ricavato dalle alghe potevano venire accesi o spenti con il tocco di un interruttore. Questa scoperta ha portato centinaia di laboratori a rivolgersi al giovane campo dell'optogenetica. Oggi, ricercatori di tutto il mondo utilizzano questi interruttori della luce genetici per controllare determinati neuroni negli animali ed osservarne il ruolo nel caso di un numero in continua crescita di funzioni e malattie cerebrali, incluse la memoria, la dipendenza, la depressione, il morbo di Parkinson ed i danni alla spina dorsale. Ora, Karl Deisseroth, uno dei pionieri della tecnica l'ha arricchita di alcuni nuovi strumenti che potrebbero accelerare gli studi di simili malattie alla velocità della luce. Una tecnica molecolare capace di controllare interi circuiti di neuroni piuttosto che una singola cellula darà la possibilità agli scienziati di studiare il ruolo di intere reti di neuroni del cervello. Una nuova tecnica agli infrarossi vicini che raggiunge le cellule cerebrali dei tessuti profondi darà modo ai ricercatori di avere un approccio non invasivo - al momento devono impiantare un cavo a fibre ottiche nel cervello dell'animale per far arrivare la luce alle cellule. E per finire, un interruttore "per spegnere" che rende le cellule sotto osservazione più sensibili alla luce permette un maggiore controllo dei neuroni. Il gruppo ha pubblicato i propri risultati nell'edizione della rivista Cell del 2 di aprile. Ad oggi, gli scienziati si sono concentrati su due interruttori per la luce, chiamati opsine, per attivare o inibire i neuroni. La prima, chiamata channelrhodopsin, è una proteina propria alle membrane cellulari delle alghe verdi. Se esposta ad una luce di colore blu, queste proteine causano l'apertura delle membrane cellulari, permettendo l'ingresso di ioni di sodio e calcio. Inserite geneticamente nei neuroni dei mammiferi, queste proteine portano a influssi di ioni non dissimili, provocando l'attivazione dei neuroni. Il secondo interruttore della luce, una pompa per ioni chiamata halorhodopsin, permette l'ingresso di ioni di cloro quando esposta a luce gialla, provocando l'inibizione del neurone. L'uso della halorhodopsin ha però qualche controindicazione. Non inibisce completamente il neurone, e tende ad accumularsi, portando ad effetti tossici per il cervello. La squadra di Deisseroth ha sviluppato un interruttore per spegnere il neurone più efficace sfruttando il fenomeno chiamato "trafficking cellulare di membrana." Invece di trattenere la halorhodopsin all'interno della cellula, a tutti gli effetti Deisseroth ha inserito delle istruzioni molecolari che guidino le opsine nella cellula e le conducano alla membrana esterna da dove possono rispondere più prontamente alla luce e aprire canali ionici per inibire il neurone. "Le proteine vengono trasportate in giro per la cellula e guidate di luogo in luogo secondo un processo molto complesso," afferma Deisseroth. "Abbiamo dovuto inventare qualcosa di simile a dei CAP, frammenti di DNA sulle opsine che ne permettessero un corretto trasporto fino alla membrana esterna." Anche Ed Boyden, neuro scienziato dell'MIT, uno dei pionieri dell'optogenetica, ha sviluppato un sistema migliore per spegnere i neuroni, utilizzando proteine di funghi e batteri. La squadra ha scoperto che questo nuovo interruttore per spegnere il neurone è 20 volte più sensibile alla luce gialla rispetto a quelli delle precedenti generazioni. I ricercatori hanno anche scoperto che, se il giallo sembra essere il colore migliore per attivare lo spegnimento, anche il rosso ed il vicino infrarosso possono avere lo stesso effetto. Secondo Deisseroth, questi risultati suggeriscono possibilità interessanti: è ben noto che più la luce si avvicina all'infrarosso, più si fa capace di attraversare i tessuti. Progettare un interruttore luminoso che accenda i neuroni in presenza di luce infrarossa potrebbe aprire le porte ad un controllo preciso di circuiti profondi del cervello, rendendo potenzialmente efficaci trattamenti non invasivi per malattie quali il morbo di Parkinson e la depressione.