Dai microrganismi…una luce per le neuroscienze!

Il cervello…questo ammasso intricato e affascinante di miliardi di neuroni: circa 90000000000 (novanta miliardi!) secondo alcune stime…un numero quasi impossibile da immaginare. Eppure questa enorme quantità è poca cosa se paragonata alla vertiginosa mole di connessioni e interazioni tra i neuroni stessi! Questa incredibile complessità si ripercuote in maniera evidente nella difficoltà che i ricercatori si trovano ad affrontare per studiare e comprendere al meglio le funzioni e le comunicazioni neuronali.

Mentre in alcuni modelli animali come vermicelli o aragoste risulta infatti “semplice” lo studio del sistema nervoso, nel caso dei vertebrati le cose si complicano. Con le tecniche tradizionali di stimolazione elettrica risulta assai difficile focalizzarsi su specifici tipi di neuroni, mentre con tecniche genetiche o farmacologiche è possibile essere più specifici spazialmente, ma con un grosso limite di risoluzione temporale.

Si ok interessante direte voi, ma i microrganismi cosa centrano in tutto ciò?!?

Ebbene, questa storia combina la biologia alla fisica, i microrganismi alla luce…ma dobbiamo fare prima un piccolo salto nel passato, esattamente nel 1971 quando due scienziati dai nomi quasi impronunciabili (Oesterhelt e Stoeckenius) descrissero per la prima volta nel batterio Halobacterium halobium una proteina simile alla rodopsina dei vertebrati. (La rodopsina, per intenderci, è una proteina che si trova nelle membrane delle nostre cellule della retina ed è fondamentale per percepire gli stimoli luminosi). Questa simil-rodopsina, denominata Halorodopsina, invece di attivare dei messaggeri secondari come nel caso della rodopsina dei vertebrati però, se stimolata dalla luce, è in grado di fungere direttamente da canale e trasportare ioni cloro all’interno della cellula.

Figura 1 – Halorodopsina batterica visualizzata in 3D tramite NGL web-software

L’ingresso di ioni a carica negativa come il cloro nel caso di cellule eccitabili come i neuroni comporta un’inibizione della stimolazione, l’ingresso di protoni o ioni positivi ha invece un effetto stimolatorio con possibile generazione di un impulso nervoso. Nonostante queste conoscenze, la strada e gli ostacoli da superare per poter applicare tale principio a favore delle neuroscienze erano ancora molti…

Figura 2 – Rappresentazione grafica di cellule neuronali.

Dobbiamo balzare infatti fino al 2005 anno in cui, dopo diversi studi su queste particolari proteine, un gruppo di ricerca Americano pubblica un primo articolo in cui applica le loro proprietà ottiche allo studio dei circuiti neuronali. Boyden e colleghi erano riusciti infatti a modificare dei neuroni in vivo, inserendo una rodopsina-canale (derivante da un’alga unicellulare questa volta) e dimostrando come fosse possibile in questo modo controllare la stimolazione di specifici neuroni con precisione del millisecondo…semplicemente usando la luce!

Nonostante i fattori da considerare e i limiti siano ancora diversi…soprattutto se si pensa ad un possibile futuro utilizzo clinico della tecnologia (come l’espressione di queste proteine nei neuroni, il controllarne il dosaggio e eventuali tossicità, …), queste scoperte sono state e sono tutt’ora una vera rivoluzione nel campo delle neuroscienze. Dal 2005 ad oggi, partendo dallo studio di microrganismi e luce, combinando genetica e ottica, è stato possibile realizzare esperimenti fino a poco tempo fa inimmaginabili ed aprire la strada ad una nuova frontiera di “generica visibile” o, come è stata ribattezzata: Optogenetica.

 

Roberto Amadio

 

 

Bibliografia e approfondimenti:

Boyden ES et al., 2005. “Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity”. Nat Neurosci. 8 (9): 1263-8.

Karl Deisseroth, 2015. “Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience”. Nat Neurosci. 18 (9): 1213–1225. doi: 10.1038/nn.4091

Akash Guru et al., 2015 “Making Sense of Optogenetics”. The International Journal of Neuropsychopharmacology, 18 (11). doi: 10.1093/ijnp/pyv079

http://www.lescienze.it/news/2014/04/28/news/controllo_neuroni_luce-2113934/

http://www.lescienze.it/news/2016/01/09/news/optogenetica_tecnica_rivoluzione_neuroscienze-2922999/

 

Credits Foto:

Pixabay.com creative commons

PDB protein data bank

Laureato in biologia, specializzando in Genomica Funzionale presso l’università di Trieste. Musicista (strimpellatore), animatore per bambini e ragazzi (ci provo), curioso e appassionato di divulgazione scientifica. Umorismo anomalo (dicono), adoro le escursioni nella natura e i tramonti sul mare.

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