Controllare il cervello con la luce: la rivoluzione dell'optogenetica

In un laboratorio buio, un topo se ne sta tranquillo in un piccolo recinto. Una sottile fibra ottica corre fino a un minuscolo impianto sul suo cranio. Un ricercatore aziona un interruttore e un impulso di luce blu viaggia lungo la fibra fino a un gruppo specifico di cellule in profondità nel cervello dell'animale. Il topo comincia a correre in cerchi stretti. La luce si spegne e il topo si ferma. La luce torna ad accendersi e il movimento circolare riprende. Non è stato iniettato nulla, nessun farmaco è all'opera e nessun elettrodo sta scuotendo il tessuto con la corrente. L'unica cosa che cambia è la luce.

Questa è l'optogenetica, uno degli strumenti più trasformativi entrati nelle neuroscienze negli ultimi due decenni. Permette ai ricercatori di accendere e spegnere neuroni scelti con cura, con una precisione al millisecondo, usando la luce come innesco. Prima che questa tecnica esistesse, studiare il cervello significava spesso ricorrere a strumenti grossolani: farmaci che inondavano intere regioni, lesioni che distruggevano permanentemente il tessuto, oppure elettrodi che stimolavano tutto ciò che si trovava nelle vicinanze. L'optogenetica ha offerto qualcosa di più simile a una serie di singoli interruttori, e ha cambiato il tipo di domande che gli scienziati potevano persino porsi.

Il problema che ha risolto

Il cervello non è un organo uniforme. Un singolo millimetro cubo di corteccia può contenere decine di migliaia di neuroni di molti tipi diversi, intrecciati tra loro e attivi su scale temporali dell'ordine dei millesimi di secondo. Per capire come il cervello produce comportamento, pensiero o emozione, i ricercatori devono sapere quali cellule specifiche stiano facendo cosa, e quando.

Gli strumenti più datati faticavano con tutto questo. La stimolazione elettrica poteva attivare i neuroni rapidamente, ma la corrente si diffondeva indiscriminatamente a ogni cellula nelle vicinanze, a prescindere dal tipo. I farmaci potevano agire su recettori particolari, ma lo facevano lentamente e si attardavano, rendendo impossibile studiare eventi che si svolgono in millisecondi. Le lesioni, in cui una regione viene danneggiata o rimossa, sono permanenti e rozze, e ci dicono soltanto cosa accade quando una parte manca, non come essa funzioni normalmente istante per istante.

Ciò che i neuroscienziati desideravano era un modo per agire su una popolazione di cellule ben definita, lasciando intatte quelle vicine, e farlo abbastanza in fretta da accordarsi con i ritmi propri del cervello. La svolta è arrivata da un luogo inaspettato: la melma degli stagni.

Un trucco preso in prestito dalle alghe

Gli ingredienti chiave sono proteine chiamate opsine, molecole sensibili alla luce presenti in natura. Alcune alghe verdi unicellulari, per esempio, usano una proteina chiamata channelrhodopsin per percepire la luce e nuotare verso di essa. Quando la luce del colore giusto colpisce la channelrhodopsin, la proteina cambia forma e apre un minuscolo canale nella membrana cellulare, lasciando fluire le particelle cariche.

Per un neurone, quel flusso di carica è esattamente ciò che conta. I neuroni comunicano emettendo impulsi elettrici, e un impulso si verifica quando un numero sufficiente di ioni a carica positiva si riversa nella cellula. Quindi, se si potesse inserire la channelrhodopsin nella membrana di un neurone, si avrebbe una cellula che si attiva quando vi si proietta la luce. È proprio questa l'idea che i ricercatori hanno perseguito nei primi anni 2000. Nel 2005, un gruppo che comprendeva Karl Deisseroth ed Ed Boyden, allora a Stanford, dimostrò che la channelrhodopsin poteva essere inserita nei neuroni dei mammiferi e usata per farli attivare in modo affidabile in risposta alla luce blu.

L'insieme di strumenti si è rapidamente ampliato. Per spegnere i neuroni anziché accenderli, gli scienziati si sono rivolti ad altre opsine. La halorhodopsin, ricavata da microbi amanti della luce, pompa nella cellula ioni cloruro a carica negativa quando viene colpita dalla luce gialla, il che silenzia il neurone. In seguito, le pompe protoniche azionate dalla luce hanno offerto un altro interruttore per lo spegnimento. Con un interruttore di accensione regolato su un colore e uno di spegnimento regolato su un altro, i ricercatori hanno ottenuto un controllo bidirezionale sull'attività di una cellula servendosi soltanto della luce.

Far arrivare l'interruttore nelle cellule giuste

Una proteina sensibile alla luce è utile solo se finisce nelle cellule che ti interessano e da nessun'altra parte. È qui che la genetica entra nel nome optogenetica. I ricercatori introducono il gene che codifica per l'opsina nei neuroni, il più delle volte usando come corriere un virus modificato e innocuo. Una volta all'interno, la cellula legge il gene e comincia a produrre l'opsina, costellando la propria membrana dei nuovi canali sensibili alla luce.

La parte ingegnosa è il bersagliamento. Tipi cellulari diversi attivano insiemi diversi dei propri geni, e ciascun gene possiede una sequenza di controllo chiamata promotore che funziona come un'etichetta con l'indirizzo. Collegando il gene dell'opsina a un promotore attivo soltanto, poniamo, nei neuroni che producono dopamina, gli scienziati possono fare in modo che solo quelle cellule costruiscano la proteina sensibile alla luce. Ogni altro neurone resta cieco alla luce. Nella ricerca sui topi è comune un sistema ancora più preciso: gli animali vengono allevati in modo che un interruttore genetico venga azionato solo in un tipo cellulare ben definito, e l'opsina è ingegnerizzata per attivarsi soltanto dove quell'interruttore è stato azionato.

Il risultato è una selettività sorprendente. Tra i miliardi di neuroni presenti in un cervello, si può fare in modo che la luce influenzi solo una particolare classe geneticamente definita, in una particolare posizione. Il passo finale consiste semplicemente nel far arrivare la luce a quella posizione, di solito attraverso una sottile fibra ottica impiantata vicino alla regione bersaglio, oppure, in alcuni esperimenti, attraverso finestre trasparenti nel cranio.

Dalla curiosità alla causalità

Perché tutta questa precisione conta così tanto? Perché permette agli scienziati di passare dalla correlazione alla causalità. Per gran parte della storia delle neuroscienze, i ricercatori potevano osservare il cervello e notare che certe cellule diventavano attive durante certi comportamenti. Ma un'attività che si verifica in concomitanza con un comportamento non dimostra che quelle cellule lo causino. L'optogenetica fornisce un modo per verificare direttamente la causa: attivare le cellule e vedere se il comportamento compare; silenziarle e vedere se svanisce.

Le prime dimostrazioni furono vivide. In una linea di ricerca ampiamente citata, i ricercatori attivarono neuroni specifici in una regione cerebrale che governa il movimento e riuscirono a far correre un topo in cerchio, come nella scena che ha aperto questo articolo. Negli studi su motivazione e ricompensa, stimolare i neuroni dopaminergici poteva spingere gli animali a ripetere un'azione solo per innescare la luce, dimostrando che quelle cellule erano sufficienti a produrre un comportamento di ricerca della ricompensa. Nella ricerca sul sonno, accendere e spegnere popolazioni cellulari ben definite poteva spostare gli animali tra la veglia e il sonno.

Forse gli esperimenti più celebri e inquietanti riguardano la memoria. Lavorando sui topi, gli scienziati del MIT guidati da Susumu Tonegawa, premio Nobel, usarono l'optogenetica per marcare i neuroni specifici attivati quando un topo formava un determinato ricordo, un gruppo di cellule spesso chiamato engramma. Mostrarono poi che riattivare artificialmente quegli stessi neuroni con la luce poteva far comportare il topo come se stesse rievocando l'esperienza originaria, persino in un contesto completamente diverso. In un lavoro correlato, il gruppo riferì di essere riuscito ad associare un ricordo a un contesto che l'animale non aveva mai effettivamente incontrato, un risultato a volte descritto come l'impianto di un falso ricordo in un topo. Questi risultati restano oggetto di ricerca attiva e di un'interpretazione attenta, e riguardano i topi anziché le persone, ma hanno offerto la prima presa concreta su dove e come un ricordo specifico venga immagazzinato.

Cosa ha reso possibile e i suoi limiti

La portata dell'optogenetica si estende ormai a tutte le neuroscienze. I ricercatori la usano per mappare i circuiti, tracciando come un gruppo di neuroni influenzi un altro. Indagano le cellule coinvolte nella paura, nell'ansia, nell'appetito, nel dolore e nella dipendenza, in cerca dei nodi precisi in cui il comportamento viene generato. Negli studi sulle malattie, gli scienziati hanno usato la tecnica per interrogare i circuiti difettosi alla base di condizioni riprodotte negli animali, compresi alcuni aspetti del morbo di Parkinson, dove stimolare o silenziare particolari vie ha aiutato a chiarire come il disturbo alteri il movimento.

È importante essere chiari su dove si trovi la tecnologia. La stragrande maggioranza della ricerca optogenetica viene svolta sugli animali, soprattutto topi, moscerini e vermi, non sugli esseri umani. Utilizzarla su una persona richiederebbe di introdurre un gene estraneo nelle cellule cerebrali e di impiantare una sorgente di luce, passaggi che sollevano seri interrogativi di sicurezza ed etici. Lo sforzo più rilevante finora rivolto all'uomo ha riguardato l'occhio: un rapporto del 2021 descriveva una persona affetta da una condizione di cecità degenerativa che ha recuperato una percezione limitata della luce dopo che proteine sensibili alla luce erano state veicolate nelle cellule superstiti della retina, in abbinamento a speciali occhiali. Si trattava di un singolo caso iniziale all'interno di una piccola sperimentazione, e mirava all'occhio anziché al cervello, ma lasciava intravedere la possibilità di future terapie basate sull'optogenetica.

La tecnica presenta anche limiti tecnici di cui i ricercatori discutono apertamente. La luce non viaggia lontano attraverso il tessuto cerebrale, quindi raggiungere strutture profonde senza una fibra impiantata è difficile. Le opsine devono essere abbinate con cura per evitare effetti indesiderati, e il fatto stesso di costringere i neuroni ad attivarsi all'unisono non riproduce perfettamente gli schemi naturali e disordinati del cervello. Gli scienziati continuano a perfezionare le proteine, sviluppando versioni sensibili alla luce rossa, che penetra meglio nel tessuto, e strumenti che rispondono a livelli di luce più bassi per ridurre il riscaldamento.

Punti chiave

L'optogenetica ha trasformato la luce in un interruttore preciso per il cervello prendendo in prestito proteine sensibili alla luce, chiamate opsine, da alghe e microbi e installandole in neuroni scelti tramite veicolazione genetica. La channelrhodopsin fa sì che la luce blu attivi un neurone, mentre opsine come la halorhodopsin permettono ad altri colori di luce di silenziarlo, e legando queste proteine a indirizzi genetici specifici per tipo cellulare i ricercatori possono controllare una sola popolazione ben definita tra miliardi di cellule, con una tempistica al millisecondo. Questa precisione ha trasformato le neuroscienze da scienza dell'osservare e correlare in una scienza capace di verificare direttamente la causalità, rendendo possibili lavori di riferimento sul movimento, sulla ricompensa, sul sonno e persino sulle tracce fisiche della memoria nei topi. La tecnica resta in modo schiacciante uno strumento di ricerca usato sugli animali, con applicazioni sull'uomo ancora agli inizi e in gran parte limitate all'occhio, e porta con sé limiti tecnici ed etici concreti. Ciononostante, l'optogenetica rappresenta un raro caso in cui una stranezza delle alghe che vivono negli stagni ha consegnato agli scienziati un modo per porsi, e cominciare a rispondere, ad alcune delle più antiche domande su come il cervello produca il comportamento.