Optogenetica

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L'optogenetica è un 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.

Indice

Storia [modifica]

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

Il termine optogenetica fu coniato nel 2006[2]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[3]. L'Optogenetica è stata selezionata come metodo dell'Anno 2010 da Nature Methods.

Descrizione [modifica]

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 specifiche proteine all'interno delle cellule, attraverso cambiamenti in "perdita o in guadagno di funzione", per sondare come il codice genetico degli organismi che controllano lo sviluppo ed il comportamento.

Differenza con le tecniche tradizionali [modifica]

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 azione potenziali a frequenze specifiche. La potenziale importanza di controllare selettivamente precisi modelli d'azione potenziale nell'ambito di sottotipi di cellule cerebrali (per esempio, utilizzare la luce per controllare i neuroni sensibili otticamente), venne illustrata da Francis Crick Kuffler nelle sue lezioni presso l'Università della California a San Diego.[4]

Cenni storici [modifica]

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 [modifica]

Nel 2005, il gruppo Deisseroth[5] della Stanford University ha proposto l'utilizzo di una prima opsine 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). L'utilità sperimentale della ChR2 è stata rapidamente verificata su diversi animali : dal comportamento dei mammiferi, fino gli organismi del modello classico, come mosche, vermi, e pesce zebra.

Eccitazione, Inibizione, Manipolazione [modifica]

Per studiare le funzioni di una rete neurale biologica sono necessarie sia opsine di eccitazione e 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 la 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), ed l'Adenosina monofosfato ciclico (cAMP), sono stati creati degli appositi fotosensori chimerici, attraverso una fusione di opsine con specifiche proteine-G a recettori accoppiati[6][7]. 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 [modifica]

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[3]

L'uso di fibre ottiche [modifica]

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 [modifica]

L'optogenetica ha favorito la comprensione di come specifici tipi di cellule neuronali contribuiscono alla funzione dei circuiti neurali in vivo[3][8][9][10][11] [10][12]. Sul versante clinico, i pazienti affetti da morbo 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 il morbo di Parkinson, l'autismo, la schizofrenia, il depressione e dipendenze quali la tossicodipendenza[13][14].

Note [modifica]

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

Collegamenti esterni [modifica]

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