Che cos'è l'optogenetica?
L'optogenetica è il controllo dell'azione cellulare mediante una combinazione di tecniche genetiche e ottiche. Questo metodo è iniziato con la scoperta di sostanze biochimiche che producono risposte cellulari quando esposte alla luce. Isolando i geni che codificano per queste proteine, gli scienziati li usano per stimolare le risposte luminose in altre cellule viventi. Le conoscenze acquisite dall'optogenetica forniscono ai ricercatori una visione più ampia dei vari processi patologici.
Negli anni '70, gli scienziati hanno scoperto che alcuni organismi producono proteine che controllano le cariche elettriche che normalmente passano attraverso le membrane cellulari. Queste proteine causavano l'intertazione tra le cellule se esposte a determinate lunghezze d'onda della luce. Queste proteine, comunemente denominate proteine G, sono codificate da un gruppo di geni noti come opsine. Durante questo periodo, i ricercatori hanno scoperto che le batteriorodopsine rispondono alla luce verde. Ulteriori ricerche hanno scoperto altri membri della famiglia di opsin, tra cui channelrhodopsin e halorhodopsin.
Durante il decennio 2000-2010, i neuroscienziati hanno scoperto che è possibile estrarre geni opsin e inserirli in altre cellule viventi, che acquisiscono quindi la stessa fotosensibilità. Uno dei metodi inizialmente utilizzati prevedeva la rimozione dei geni di opsina, la loro combinazione con un virus benigno e l'inserimento in neuroni vivi in una capsula di Petri. Quando le cellule iniettate sono state esposte a impulsi di luce verde, i neuroni hanno risposto aprendo i canali ionici. Con i canali aperti, le cellule hanno ricevuto un afflusso di ioni che ha causato il flusso di una corrente elettrica, iniziando la comunicazione con un altro neurone. Gli scienziati hanno scoperto che altre proteine G rispondono a diversi colori chiari, inibendo o aumentando i canali degli ioni calcio e il rilascio di epinefrina.
La ricerca è infine passata dall'applicazione dell'optogenetica a un piccolo gruppo di cellule vive all'utilizzo di soggetti vivi di mammiferi. Introducendo i geni opsin nel cervello dei topi, le cellule hanno iniziato a produrre le proteine G. Con queste proteine G e le fibre ottiche, gli scienziati sono stati in grado di controllare la velocità di attivazione dei neuroni. Hanno anche sviluppato un metodo per convertire una piccola fibra ottica in un elettrodo per fornire una lettura elettrica dell'attività cellulare. Questa interfaccia cervello-computer consente ai ricercatori di valutare e regolare gruppi specifici di cellule in qualsiasi parte del cervello.
Combinando la risonanza magnetica (MRI) e l'optogenetica, i ricercatori sono in grado di mappare le attività e i percorsi neurali all'interno del cervello. Esplorando le complessità della funzione neurologica, i medici ottengono una migliore comprensione di ciò che costituisce un'attività cerebrale normale e anormale. A differenza dei farmaci e dell'elettroterapia, l'optogenetica consente la regolazione di cellule e percorsi specifici. Le conoscenze e la tecnologia ottenute dall'optogenetica consentono anche il controllo della funzione delle cellule cardiache, dei linfociti e dell'insulina che secernono le cellule pancreatiche.