Optogenetica

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L'optogenetica è una scienza emergente che combina tecniche ottiche e genetiche di rilevazione, allo scopo di sondare circuiti neuronali all'interno di cervelli intatti di mammiferi e di altri animali, in tempi dell'ordine dei millisecondi, tempi necessari per comprendere le modalità di elaborazione e trasformazione delle informazioni tra neuroni.

Storia

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Il principio fondamentale su cui si basa tale tecnica innovativa, è l'innesco di un potenziale d'azione all'interno di neuroni. Venne scoperto nel 2002 da Miesenböck[1], che fu anche il primo ad utilizzare l'optogenetica per verificare il comportamento animale[2].

Il termine optogenetica fu coniato nel 2006[3] per riferirsi a metodologie ottiche ad alta velocità utili a sondare e controllare geneticamente ed in modo mirato i neuroni all'interno di circuiti neuronali intatti. L'anno dopo venne utilizzato per descrivere questa nuova tecnica nelle pagine di Science e Nature, in articoli di interesse generale e tecnico-scientifici[4]. L'optogenetica è stata selezionata come metodo dell'Anno 2010 da Nature Methods.[5][6][7]

Descrizione

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Il cervello è un sistema le cui funzioni avvengono a velocità elevatissime, per cui la precisione al millisecondo è determinante per comprendere i meccanismi neuronali che stanno alla base del concetto di optogenetica. La genetica tradizionale invece, viene utilizzata per sondare il ruolo causale di specifici geni all'interno delle cellule, attraverso le proteine codificate, spesso mediante lo studio di cambiamenti in "perdita o in guadagno di funzione", per comprendere come il patrimonio genetico degli organismi controlla lo sviluppo e il comportamento.

Differenza con le tecniche tradizionali

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La precisione temporale delle tradizionali manipolazioni genetiche è piuttosto lenta, dell'ordine di ore, giorni o addirittura mesi. Ma per verificare con precisione schemi neuronali sono necessari tempi dell'ordine del millisecondo, che solo con l'optogenetica è stato possibile realizzare. Questa tecnica consente l'aggiunta o la sottrazione di precisi schemi di attività all'interno di cellule bersaglio situate nel cervello intatto di animali, compresi i mammiferi. In questo modo l'introduzione di enzimi in canali cationici attivati dalla luce, ha consentito la manipolazione dell'attività neuronale con una precisione al millisecondo, pur mantenendo una risoluzione cellulare attraverso l'uso di specifici meccanismi bersaglio.

Come risultato si è potuto indurre, in specifiche cellule animali, dei treni di potenziali d'azione a frequenze specifiche. La potenziale importanza di controllare selettivamente precisi modelli di potenziali d'azione nell'ambito di sottotipi di cellule cerebrali (per esempio, utilizzare la luce per controllare i neuroni sensibili otticamente), venne illustrata da Francis Crick nelle sue lezioni presso l'Università della California a San Diego.[8]

Storia

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Tra il 2002 ed il 2005 sono stati collaudati diversi metodi di fotostimolazione geneticamente mirata: dall'originale utilizzo delle opsine da parte del gruppo Miesenböck, al successivo gruppo di Kramer e Isacoff. Per una serie di ragioni tecniche, mentre si realizza il controllo fotonico della rete neurale, non è possibile il controllo dei modelli d'azione dei potenziali nei mammiferi.

Dettagli della tecnica

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Nel 2005, il gruppo di Karl Deisseroth[9] della School of Medicine della Stanford University ha proposto l'utilizzo di una opsina microbica in neurobiologia, la canalrodopsina-2, un singolo componente estratto dalle alghe, che ha consentito controlli funzionali su scale temporali dell'ordine di millisecondi, che richiede solo un'espressione genica per funzionare, e che si attiva con la luce dello spettro visibile mediante un cromoforo (retinico) già presente e che forniva la canalrodopsina-2 dal tessuto cerebrale dei mammiferi. L'utilità sperimentale della ChR2, per analizzare i circuiti neuronali, fu rapidamente verificata su diversi animali, dai mammiferi, ai vermi, al pesce zebra, e dal 2005 centinaia di gruppi di lavoro hanno utilizzato la ChR2 e le relative proteine microbiche. Per eccitare i neuroni, oltre alla canalrodopsina-2 è stata individuata un'altra opsina, la Volvox Canalrodopsina-1 (VChR1).

Eccitazione, inibizione, manipolazione

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Per studiare le funzioni di una rete neurale biologica sono necessarie sia opsine di eccitazione che opsine di inibizione: le opsine microbiche ChR2 e VChR1, assieme alla Halorodopsina ed alla Archaerodopsina sono opsine di eccitazione, mentre le opsine fungine come quella da Leptosphaeria maculans, vengono utilizzate quale meccanismo di inibizione dei neuroni. In mezzo, per variare la concentrazione dei messaggeri intracellulari in singole cellule, come il Guanosin-monofosfato ciclico (cGMP), l'Inositolo trifosfato (IP3), e l'Adenosina monofosfato ciclico (cAMP), sono stati creati degli appositi fotosensori chimerici, attraverso una fusione di opsine con specifici recettori accoppiati a proteine-G[10][11]. Questa serie di sonde optogenetiche, consente ora, sia il controllo temporalmente più preciso delle cellule-tipo specifiche, che il controllo funzionale multiplo degli assoni neuronali, all'interno animali intatti.

Gli sviluppi

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L'Optogenetica comprende necessariamente due aspetti fondamentali :

  1. Lo sviluppo di strategie di bersaglio genetico, quali i promotori di cellule specifiche o altri virus su misura attivo-condizionale, per fornire le sonde sensibili alla luce di specifiche popolazioni di neuroni nel cervello di animali vivi (per esempio vermi, moscerini della frutta, topi, ratti e scimmie).
  2. Lo sviluppo di strategie hardware (ad esempio integrato a sorgenti di luce a fibre ottiche e allo stato solido) per consentire all'interno del cervello specifiche analisi cellulari, anche in profondità. Quest'ultima tecnica viene realizzata nel 2007, utilizzando una tecnologia a diodi accoppiati a fibre ottiche[4]

L'uso di fibre ottiche

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Per stimolare aree come la corteccia cerebrale, sono state utilizzate fibre ottiche o LED direttamente montate al cranio dell'animale. Più profondamente le fibre ottiche vengono impiantate, più la luce arriva in aree più profonde del cervello. Le opsine microbiche (comprese la ChR2, la VChR1, e la Arch), realizzano un vantaggio fondamentale: sono pienamente funzionali all'interno del cervello dei mammiferi senza l'aggiunta di co-fattori esogeni.

Gli scienziati al lavoro

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L'optogenetica ha favorito la comprensione di come specifici tipi di cellule neuronali contribuiscono alla funzione dei circuiti neurali in vivo[4][12][13][14] [15][16]. Sul versante clinico, i pazienti affetti dalla malattia di Parkinson e da altri disturbi neurologici e psichiatrici possono trarre beneficio da intuizioni che sorgono nel corso della ricerca optogenetica. In effetti, nel 2009 le ricerche sull'optogenetica hanno fornito preziose informazioni per la comprensione dei meccanismi di sviluppo di malattie quali la malattia di Parkinson, l'autismo, la schizofrenia, la depressione e dipendenze quali la tossicodipendenza[17][18].

Note

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  1. ^ Boris V. Zemelman, Georgia A. Lee, Minna Ng, Gero Miesenböck, Selective Photostimulation of Genetically ChARGed Neurons, in Neuron, vol. 33, n. 1, 2002, pp. 15–22, DOI:10.1016/S0896-6273(01)00574-8.
  2. ^ Lima SQ, Miesenböck G, Remote control of behavior through genetically targeted photostimulation of neurons, in Cell, vol. 121, n. 1, aprile 2005, pp. 141–52, DOI:10.1016/j.cell.2005.02.004, PMID 15820685.
  3. ^ Deisseroth K, Feng G, Majewska AK, Miesenböck G, Ting A, Schnitzer MJ, Next-generation optical technologies for illuminating genetically targeted brain circuits, in J. Neurosci., vol. 26, n. 41, ottobre 2006, pp. 10380–6, DOI:10.1523/JNEUROSCI.3863-06.2006, PMC 2820367, PMID 17035522.
  4. ^ a b c Adamantidis AR, Zhang F, Aravanis AM, Deisseroth K, de Lecea L, Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons, in Nature, vol. 450, n. 7168, novembre 2007, pp. 420–4, DOI:10.1038/nature06310, PMID 17943086.
  5. ^ Erika Pastrana, Optogenetics: controlling cell function with light, in Nature Methods, vol. 8, n. 1, 2010, pp. 24–25, DOI:10.1038/nmeth.f.323.
  6. ^ Method of the Year 2010, in Nature Methods, vol. 8, n. 1, 2010, pp. 1–1, DOI:10.1038/nmeth.f.321.
  7. ^ Karl Deisseroth, Optogenetics, in Nature Methods, vol. 8, n. 1, 2010, pp. 26–29, DOI:10.1038/nmeth.f.324.
  8. ^ Crick F, The impact of molecular biology on neuroscience, in Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci., vol. 354, n. 1392, dicembre 1999, pp. 2021–5, DOI:10.1098/rstb.1999.0541, PMC 1692710, PMID 10670022.
  9. ^ Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K, Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity, in Nature Neuroscience, vol. 8, n. 9, settembre 2005, pp. 1263–8, DOI:10.1038/nn1525, PMID 16116447.
  10. ^ Kim JM, Hwa J, Garriga P, Reeves PJ, RajBhandary UL, Khorana HG, Light-driven activation of beta 2-adrenergic receptor signaling by a chimeric rhodopsin containing the beta 2-adrenergic receptor cytoplasmic loops, in Biochemistry, vol. 44, n. 7, febbraio 2005, pp. 2284–92, DOI:10.1021/bi048328i, PMID 15709741.
  11. ^ Airan RD, Hu ES, Vijaykumar R, Roy M, Meltzer LA, Deisseroth K, Integration of light-controlled neuronal firing and fast circuit imaging, in Curr. Opin. Neurobiol., vol. 17, n. 5, ottobre 2007, pp. 587–92, DOI:10.1016/j.conb.2007.11.003, PMID 18093822.
  12. ^ Aravanis AM, Wang LP, Zhang F, Meltzer LA, Mogri MZ, Schneider MB, Deisseroth K, An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology, in J Neural Eng, vol. 4, n. 3, settembre 2007, pp. S143–56, DOI:10.1088/1741-2560/4/3/S02, PMID 17873414.
  13. ^ Alilain WJ, Li X, Horn KP, Dhingra R, Dick TE, Herlitze S, Silver J, Light-induced rescue of breathing after spinal cord injury, in J. Neurosci., vol. 28, n. 46, novembre 2008, pp. 11862–70, DOI:10.1523/JNEUROSCI.3378-08.2008, PMC 2615537, PMID 19005051.
  14. ^ Ris MM, Deitrich RA, Von Wartburg JP, Inhibition of aldehyde reductase isoenzymes in human and rat brain, in Biochem. Pharmacol., vol. 24, n. 20, ottobre 1975, pp. 1865–9, PMID 18.
  15. ^ Arenkiel BR, Peca J, Davison IG, Feliciano C, Deisseroth K, Augustine GJ, Ehlers MD, Feng G, In vivo light-induced activation of neural circuitry in transgenic mice expressing channelrhodopsin-2, in Neuron, vol. 54, n. 2, aprile 2007, pp. 205–18, DOI:10.1016/j.neuron.2007.03.005, PMID 17442243.
  16. ^ Halaris AE, Belendiuk KT, Freedman DX, Antidepressant drugs affect dopamine uptake, in Biochem. Pharmacol., vol. 24, n. 20, ottobre 1975, pp. 1896–7, PMID 19.
  17. ^ Cardin JA, Carlén M, Meletis K, Knoblich U, Zhang F, Deisseroth K, Tsai LH, Moore CI, Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses, in Nature, vol. 459, n. 7247, giugno 2009, pp. 663–7, DOI:10.1038/nature08002, PMID 19396156.
  18. ^ Tsai HC, Zhang F, Adamantidis A, Stuber GD, Bonci A, de Lecea L, Deisseroth K, Phasic firing in dopaminergic neurons is sufficient for behavioral conditioning, in Science, vol. 324, n. 5930, maggio 2009, pp. 1080–4, DOI:10.1126/science.1168878, PMID 19389999.

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