Optogenetica permette agli scienziati di manipolare la memoria con i lampi di luce

Può sembrare fantascientifico, i neuroscienziati con la sola luce sono in grado di manipolare l’attività di specifici neuroni nel cervello. I ricercatori utilizzando determinate lunghezze d’onda della luce, grazie ad una tecnica chiamata optogenetica possono accendere e spegnere i neuroni. Ancora meglio – sono già in grado di utilizzare questa tecnica per manipolare la memoria negli animali.
Addentriamoci nel funzionamento di questa tecnica, vediamo come l’optogenetica è usata per manipolare la memoria e cosa potrebbe significare per il resto di noi.

Che cos’è l’optogenetica?
Cancellare i ricordi con un lampo di luce come nel film di fantascienza Men in Black (gli agenti K e J erano in grado di cancellare la memoria a breve termine dei malcapitati testimoni, grazie a piccoli flash prodotti da un dispositivo portatile), potrebbe non essere così lontano, dobbiamo ringraziare le alghe per questo.
E’ noto da qualche tempo che le alghe unicellulari utilizzando la luce sono in grado di controllare il flusso di ioni attraverso la loro membrana. Ciò è particolarmente importante per l’attività neuronale, è determinata anche dal flusso di carica positiva e negativa: se l’interno del neurone diventa sufficientemente carico positivamente, “attiva” il neurone. Viceversa, se l’interno è caricato negativamente, il neurone non sarà in grado di attivarsi. Così, applicando la tecnica delle alghe, i neuroni possono essere accesi e spenti solo con la luce.
Il meccanismo di questo processo non è stato ben compreso fino al 2002, quando i ricercatori hanno identificato la channelrhodopsin, la proteina chiave che consente di ottenere questo nuovo canale: se esposta alla luce blu, la channelrhodopsin permette alla carica positiva di entrare nel neurone, provocando l’attivazione della cellula.
Ci sono voluti solo tre anni agli scienziati di Stanford per inserire con successo questo nuovo canale appena identificato nelle cellule neuronali e controllare la loro attività: così nel 2005, la prima forma di optogenetica era già disponibile. E’ sorprendente la rapidità con cui le conoscenze si sono sviluppate, una dimostrazione che le scoperte scientifiche possono avere conseguenze imprevedibili e di vasta portata.

E’ solo l’inizio
Ottenere questi canali negli animali non è un’impresa facile, perché hanno bisogno di essere espressi nel loro DNA, ciò è fatto riproducendo animali che sono stati progettati per esprimere la proteina o introducendo un virus che può cambiare il DNA in una regione d’interesse.
E’ qui che la tecnica diventa davvero interessante, alcuni virus possono cambiare il DNA delle cellule in cui sono iniettati, in questo caso, i ricercatori iniettano il virus nella regione cerebrale di loro interesse e, dopo 1-2 mesi, la proteina sarà pienamente riprodotta.
L’aspetto più sorprendente della tecnica è la sua semplicità, i ricercatori quando è il momento di manipolare l’attività cerebrale, inviano una luce laser sulla zona del cervello che vogliono manipolare. E’ possibile farlo anche in animali completamente svegli, la luce stessa non li disturba in alcun modo.

A cosa può servirci?
L’optogenetica dal 2005 è cresciuta e si è sviluppata, non limitandosi più ai soli canali della rodopsina (è la proteina fotosensibile, responsabile del meccanismo della visione, presente nei bastoncelli della retina). I ricercatori mantenendo i principi di base hanno accesso a diverse proteine e canali fotoattivabili, la maggior parte della quale sono stati sviluppati da una varietà di piante e batteri sensibili alla luce.
Il dottor Klaus Michael Hahn della University of North Carolina at Chapel Hill UNC ad esempio, dopo aver sviluppato una proteina fotoattivabile, chiamata Rac1 (utilizza un dominio proteico sensibile alla luce, si trova in una pianta che mantiene la proteina non funzionale fino a quando non è esposta alla luce), nel proseguimento della ricerca presso l’Università di Tokyo ha fatto un passo avanti, modificando la proteina in modo che funzioni nel cervello.
Il dottor Klaus Michael Hahn insieme ai colleghi ha scoperto che l’attivazione prolungata della proteina Rac1 restringe le spine sinaptiche (protuberanze neuronali che aiutano a trasmettere segnali elettrici al corpo cellulare del neurone). E’ ipotizzabile che la formazione o l’ingrandimento delle spine sinaptiche sia essenziale per la conservazione della memoria a lungo termine.
Il dottor Klaus Michael Hahn in un innovativo documento pubblicato su Nature, ha modificato questa proteina in modo che fosse espressa solo in spine sinaptiche che di recente avevano creato o modificato le dimensioni – l’idea era di colpire i ricordi di nuova formazione.
Il team del dottor Kasai per migliorare le prestazioni in un compito ha addestrato i topi che esprimono questa proteina. I topi dopo che il loro cervello è stato illuminato con la luce blu si sono comportati come se non fossero mai stati addestrati.
Ci si potrebbe chiedere perché vorremmo addirittura sviluppare una tecnologia che cancelli la memoria. Bene, una potenziale applicazione è di cancellare le memorie “cattive”, come i traumi subiti dai pazienti con Disturbo Post Traumatico da Stress (PTSD). I lavori al riguardo sono già iniziati.
La paura nei roditori è testata con una tecnica chiamata condizionamento della paura: in genere al roditore è associato un evento spiacevole, combinato con una scossa alla zampa insieme a un suono. Tuttavia, nel lavoro svolto dal dottor Roberto Malinow a UC San Diego, i ricercatori hanno stimolato un percorso dalla corteccia uditiva (utilizzato per l’elaborazione dei suoni) all’amigdala (utilizzato per creare una memoria di paura), poi per “imitare” un tono di shock da accoppiamento hanno utilizzato la proteina channelrhodopsin.
I ricercatori per indebolire questa connessione hanno usato un processo chiamato depressione a lungo termine, hanno scoperto che quando hanno testato nuovamente gli animali, questi si comportavano come se non avessero mai appreso la paura.

Promemoria
Naturalmente, ha molto più senso procedere al contrario, recuperando i ricordi perduti. L’optogenetica brilla anche in questo caso. La dottoressa Christine Denny e il suo team alla Columbia University, proprio l’anno scorso hanno dimostrato di poter riportare alla memoria un modello di topo affetto dal morbo di Alzheimer. Hanno utilizzato topi che, attraverso la programmazione genetica, in determinate condizioni possono “taggare” in modo permanente i neuroni.
L’optogenetica in altre parole può “taggare” questo gruppo di neuroni, attivandoli in seguito per ripristinare quelle connessioni e restituire la memoria. Gli scienziati stanno utilizzando il nuovo strumento di optogenetica, è sorprendente quanto siano riusciti a fare in così poco tempo. L’optogenetica sta facendo grandi passi avanti nel campo della ricerca sulla memoria, mostra un grande potenziale.
La creazione e la distruzione delle memorie sebbene possano sembrare pericolose, hanno anche un grande potenziale terapeutico per un’ampia varietà di malattie neuropsichiatriche. Chissà, forse un giorno andremo dal medico a ricevere i nostri “trattamenti laser” per combattere la perdita di memoria associata alla vecchiaia.

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Pino Silvestri

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Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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