Un nuovo strumento basato sull'optogenetica consente ai ricercatori di controllare il modo in cui i neuroni rispondono all'input elettrico
Quasi 20 anni fa, gli scienziati hanno sviluppato modi per stimolare o silenziare i neuroni illuminandoli con la luce. Questa tecnica, nota come optogenetica, consente ai ricercatori di scoprire le funzioni di neuroni specifici e come comunicano con altri neuroni per formare circuiti. Basandosi su quella tecnica, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology e della Harvard University hanno ora escogitato un modo per ottenere cambiamenti a lungo termine nell'attività dei neuroni. Con la loro nuova strategia, possono utilizzare l'esposizione alla luce per modificare la capacità elettrica delle membrane dei neuroni, che altera la loro eccitabilità (quanto fortemente o debolmente rispondono ai segnali elettrici e fisiologici).
I cambiamenti nell'eccitabilità dei neuroni sono stati collegati a molti processi nel cervello, tra cui l'apprendimento e l'invecchiamento, e sono stati osservati anche in alcuni disturbi cerebrali, tra cui il morbo di Alzheimer.
«Questo nuovo strumento è progettato per regolare l'eccitabilità dei neuroni su e giù in modo controllabile dalla luce e a lungo termine, il che consentirà agli scienziati di stabilire direttamente la causalità tra l'eccitabilità di vari tipi di neuroni e i comportamenti degli animali», afferma la dottoressa Xiao Wang (1), (Thomas D. e Virginia W. Cabot) Assistente Professoressa di Chimica al MIT e membro del Broad Institute del MIT e di Harvard. «La futura applicazione del nostro approccio nei modelli di malattia dirà se la messa a punto dell'eccitabilità dei neuroni potrebbe aiutare a ripristinare i circuiti cerebrali anormali alla normalità».
La professoressa Xiao Wang e il professor Jia Liu (2), entrambi assistenti professori alla Harvard School of Engineering and Applied Sciences, sono gli autori senior dell'articolo, pubblicato su Science Advances. (3)
Chanan Sessler, una studentessa laureata del MIT presso il Dipartimento di Chimica; Yiming Zhou, postdoc presso il Broad Institute; e Wenbo Wang, uno studente laureato ad Harvard, sono gli autori principali dell'articolo.
Manipolazione della membrana
L'optogenetica è uno strumento che gli scienziati usano per manipolare l'attività dei neuroni, ingegnerizzandoli per esprimere canali ionici sensibili alla luce. Quando questi neuroni ingegnerizzati sono esposti alla luce, i cambiamenti nel flusso di ioni attraverso i canali sopprimono o aumentano l'attività dei neuroni.
«Usando la luce, puoi aprire o chiudere questi canali ionici, e questo a sua volta ecciterà o silenzierà i neuroni. Ciò consente una risposta rapida in tempo reale, ma significa che se vuoi controllare questi neuroni, devi illuminarli costantemente», afferma Chanan Sessler.
Il team del MIT e di Harvard ha deciso di modificare la tecnica in modo da poter generare cambiamenti più duraturi nell'eccitabilità, piuttosto che un'attivazione transitoria o soppressione dell'attività. Per fare ciò, si sono concentrati sull'alterazione della capacità della membrana cellulare, che è un fattore determinante della capacità della membrana di condurre elettricità.
Quando la capacità della membrana cellulare aumenta, i neuroni diventano meno eccitabili, cioè hanno meno probabilità di attivare un potenziale d'azione in risposta all'input di altre cellule. Quando la capacità diminuisce, i neuroni diventano più eccitabili.
«L'eccitabilità dei neuroni è governata da due proprietà della membrana: conduttività e capacità. Mentre molti studi si sono concentrati sulla conduttività della membrana eseguita dai canali ionici, i processi di mielinizzazione naturali suggeriscono che la modulazione della capacità della membrana è un altro modo efficace per regolare l'eccitabilità dei neuroni durante lo sviluppo del cervello, apprendimento e invecchiamento Quindi, ci siamo chiesti se potessimo regolare l'eccitabilità dei neuroni modificando la capacità della membrana», afferma la dottoressa Liu.
Durante un postdoc alla Stanford University, Liu assieme ai suoi colleghi hanno dimostrato di poter alterare l'eccitabilità dei neuroni inducendoli ad assemblare polimeri conduttivi o isolanti nelle loro membrane. In quello studio, pubblicato nel 2020, Liu ha utilizzato un enzima chiamato perossidasi per assemblare i polimeri. Tuttavia, tale approccio non consentiva un controllo preciso su dove si accumulavano i polimeri. Ha anche rappresentato qualche rischio perché la reazione richiede perossido di idrogeno, che può danneggiare le cellule.
Per superare questi limiti, il laboratorio di Liu ad Harvard ha collaborato con il laboratorio del MIT di Wang per provare un nuovo approccio. Invece di usare la perossidasi, i ricercatori hanno fatto uso di una proteina fotosensibile geneticamente modificata che può catalizzare la formazione di polimeri.
Lavorando con i neuroni cresciuti in un piatto di laboratorio, i ricercatori hanno ingegnerizzato le cellule per esprimere questa proteina fotosensibile, nota come miniSOG. Quando viene attivato dalle lunghezze d'onda della luce blu, il miniSOG produce molecole altamente reattive chiamate specie reattive dell'ossigeno. Allo stesso tempo, i ricercatori espongono le cellule a elementi costitutivi di un polimero conduttore, noto come PANI, o di un polimero isolante, noto come PDAB.
Dopo diversi minuti di esposizione alla luce, le specie reattive dell'ossigeno stimolano questi elementi costitutivi ad assemblarsi in PDAB o PANI.
Usando una tecnica nota come whole cell patch clamp, i ricercatori hanno scoperto che i neuroni con polimeri PANI conduttori sono diventati meno eccitabili, mentre i neuroni con polimeri isolanti PDAB sono diventati più eccitabili. Hanno anche scoperto che esposizioni alla luce più lunghe producevano cambiamenti più ampi nell'eccitabilità.
«Il vantaggio della polimerizzazione optogenetica è il controllo temporale preciso sulla reazione di polimerizzazione, che consente la prevedibile messa a punto graduale delle proprietà della membrana», afferma Zhou.
Cambiamenti duraturi
I ricercatori hanno dimostrato che i cambiamenti nell'eccitabilità sono durati fino a tre giorni, il che è il tempo necessario per mantenere in vita i neuroni nel loro laboratorio. Ora stanno lavorando per adattare questa tecnica in modo che possa essere utilizzata in fette di tessuto cerebrale e poi, sperano, nel cervello di animali come i topi o il verme C. elegans.
Tali studi sugli animali potrebbero aiutare a far luce su come i cambiamenti nell'eccitabilità dei neuroni influenzano disturbi come la sclerosi multipla e il morbo di Alzheimer, affermano i ricercatori.
«Se abbiamo una certa popolazione di neuroni che sappiamo avere un'eccitabilità più alta o più bassa in una specifica malattia, allora possiamo potenzialmente modulare quella popolazione trasducendo i topi con una di queste proteine fotosensibilizzanti che è espressa solo in quel tipo di neurone, e poi vedere se quella ha l'effetto desiderato sul comportamento», afferma Wenbo Wang. «Nel prossimo futuro, lo useremo più come modello per indagare su queste malattie, ma si potrebbero immaginare potenziali applicazioni terapeutiche».
La ricerca è stata finanziata dal Searle Scholars Program, dallo Stanley Center for Psychiatric Research presso il Broad Institute, dall'Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program, dalla National Science Foundation attraverso l'Harvard University Materials Research Science and Engineering Center e dall'Harvard University Fondo competitivo di Dean per borsa di studio promettente.
Riferimenti:
(1) Xiao Wang
(2) Jia Liu
Descrizione foto: I ricercatori del MIT e dell'Università di Harvard hanno escogitato un modo per ottenere cambiamenti a lungo termine nell'attività dei neuroni. Con la loro nuova strategia, possono utilizzare l'esposizione alla luce per modificare la capacità elettrica delle membrane dei neuroni, che altera la loro eccitabilità (quanto fortemente o debolmente rispondono ai segnali elettrici). - Credit: MIT News, with iStockphoto.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Using light to manipulate neuron excitability