Dalle alghe alle cellule nervose

Le radici dell'optogenetica si trovano molto lontano dalle neuroscienze. Peter Hegemann studiava infatti il modo in cui alcune alghe unicellulari percepiscono la luce e modificano il proprio comportamento in risposta agli stimoli luminosi. Un passaggio fondamentale arrivò con gli studi condotti da Hegemann e Georg Nagel sulle channelrhodopsine, proteine presenti nelle alghe che funzionano come canali ionici attivati dalla luce. Queste molecole permettono di convertire uno stimolo luminoso in un segnale elettrico della cellula.

La scoperta apriva una possibilità fino ad allora difficilmente immaginabile: trasferire il gene responsabile della produzione di queste proteine in altre cellule e renderle, a loro volta, controllabili attraverso la luce.

Karl Deisseroth comprese le potenzialità di questo meccanismo per le neuroscienze. Nei primi anni Duemila contribuì a sviluppare sistemi capaci di utilizzare le channelrhodopsine nei neuroni, dimostrando che impulsi luminosi potevano provocarne l'attivazione.

Accendere e spegnere gruppi specifici di neuroni

La possibilità ha modificato profondamente il modo di studiare il cervello. Le tecniche tradizionali di stimolazione elettrica possono coinvolgere contemporaneamente cellule differenti presenti nella stessa area. Con l'optogenetica è invece possibile selezionare geneticamente determinate popolazioni cellulari e controllarne l'attività con una precisione dell'ordine dei millisecondi.

Il ricercatore può quindi osservare non soltanto quali neuroni risultano attivi durante un determinato fenomeno, ma intervenire direttamente su quei neuroni e verificare che cosa cambia.

Negli animali da laboratorio la luce può essere portata nelle regioni cerebrali interessate attraverso sottilissime fibre ottiche. La tecnica ha consentito così di studiare il contributo di specifici circuiti nervosi al movimento, alla memoria, all'apprendimento, alla paura, alle relazioni sociali e a numerosi altri comportamenti.

È soprattutto la possibilità di verificare rapporti di causa ed effetto ad aver reso l'optogenetica uno strumento fondamentale delle neuroscienze contemporanee. Se l'attivazione o l'inibizione di una determinata popolazione di neuroni modifica un comportamento, diventa possibile ricostruire con precisione crescente il ruolo svolto da quel circuito.

Dalla ricerca sul cervello alle possibili applicazioni cliniche

L'optogenetica è stata utilizzata anche per studiare i meccanismi coinvolti nelle malattie neurologiche e psichiatriche, dalla malattia di Parkinson all'epilessia, fino ai disturbi legati ai circuiti della ricompensa e alle alterazioni del comportamento.

Il passaggio dalla ricerca sperimentale alla terapia nell'uomo resta però complesso. Per rendere una cellula sensibile alla luce occorre introdurvi il materiale genetico necessario a produrre le proteine fotosensibili e, quando le cellule si trovano in profondità nell'organismo, è necessario anche riuscire a far arrivare lo stimolo luminoso nel punto desiderato.

Una delle applicazioni cliniche più avanzate riguarda la vista. L'idea è utilizzare l'optogenetica per rendere nuovamente sensibili alla luce cellule della retina in pazienti che hanno perso i fotorecettori a causa di alcune patologie degenerative.

A oltre vent'anni dai primi esperimenti sui neuroni, il contributo dell'optogenetica resta soprattutto quello di aver fornito alla ricerca uno strumento nuovo per interrogare il funzionamento delle cellule. Non più soltanto osservare quali circuiti si attivano, ma intervenire selettivamente su di essi e misurare ciò che accade: è questo passaggio che ha cambiato lo studio sperimentale del cervello.