Ricercatori negli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo metodo per controllare i circuiti cerebrali associati a complessi comportamenti animali, usando l'ingegneria genetica per creare una proteina magnetizzata che attiva specifici gruppi di cellule nervose a distanza.
Capire come il cervello genera il comportamento è uno degli obiettivi finali delle neuroscienze e una delle sue domande più difficili. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno sviluppato una serie di metodi che permettono loro di controllare a distanza gruppi specifici di neuroni e di sondare il funzionamento dei circuiti neuronali.
Il più potente di questi è un metodo chiamato optogenetica, che permette ai ricercatori di accendere o spegnere popolazioni di neuroni correlati su una scala di tempo millisecondo per millisecondo con impulsi di luce laser. Un altro metodo sviluppato di recente, chiamato chemogenetica, utilizza proteine ingegnerizzate che sono attivate da farmaci di design e possono essere mirate a specifici tipi di cellule.
Anche se potenti, entrambi questi metodi hanno degli svantaggi. L'optogenetica è invasiva, richiedendo l'inserimento di fibre ottiche che forniscono gli impulsi di luce nel cervello e, inoltre, la misura in cui la luce penetra il tessuto cerebrale denso è fortemente limitata. Gli approcci chemiogenetici superano entrambe queste limitazioni, ma in genere inducono reazioni biochimiche che richiedono diversi secondi per attivare le cellule nervose.
La nuova tecnica, sviluppata nel laboratorio di Ali Güler all'Università della Virginia a Charlottesville, e descritta in una pubblicazione online anticipata sulla rivista Nature Neuroscience, non solo non è invasiva, ma può anche attivare i neuroni rapidamente e reversibilmente.
Diversi studi precedenti hanno dimostrato che le proteine delle cellule nervose che sono attivate dal calore e dalla pressione meccanica possono essere geneticamente modificate in modo che diventino sensibili alle onde radio e ai campi magnetici, attaccandole a una proteina che conserva il ferro chiamata ferritina, o a particelle paramagnetiche inorganiche. Questi metodi rappresentano un importante progresso - per esempio, sono già stati utilizzati per regolare i livelli di glucosio nel sangue nei topi - ma coinvolgono più componenti che devono essere introdotti separatamente.
La nuova tecnica si basa su questo lavoro precedente, e si basa su una proteina chiamata TRPV4, che è sensibile sia alla temperatura che alle forze di stiramento. Questi stimoli aprono il suo poro centrale, permettendo alla corrente elettrica di fluire attraverso la membrana cellulare; questo evoca impulsi nervosi che viaggiano nel midollo spinale e poi fino al cervello.
Güler e i suoi colleghi hanno ragionato sul fatto che le forze di coppia magnetica (o di rotazione) potrebbero attivare TRPV4 tirando il suo poro centrale, e così hanno usato l'ingegneria genetica per fondere la proteina alla regione paramagnetica della ferritina, insieme a brevi sequenze di DNA che segnalano alle cellule di trasportare le proteine alla membrana delle cellule nervose e inserirle in essa.
Quando hanno introdotto questo costrutto genetico nelle cellule renali embrionali umane che crescono in piastre di Petri, le cellule hanno sintetizzato la proteina 'Magneto' e l'hanno inserita nella loro membrana. L'applicazione di un campo magnetico ha attivato la proteina TRPV1 ingegnerizzata, come evidenziato da aumenti transitori nella concentrazione di ioni calcio all'interno delle cellule, che sono stati rilevati con un microscopio a fluorescenza.
Successivamente, i ricercatori hanno inserito la sequenza di DNA di Magneto nel genoma di un virus, insieme al gene che codifica la proteina fluorescente verde, e sequenze di DNA regolatore che causano l'espressione del costrutto solo in determinati tipi di neuroni. Hanno poi iniettato il virus nel cervello dei topi, mirando alla corteccia entorinale, e sezionato il cervello degli animali per identificare le cellule che emettevano fluorescenza verde. Utilizzando microelettrodi, hanno poi dimostrato che l'applicazione di un campo magnetico alle fette di cervello ha attivato Magneto in modo che le cellule producano impulsi nervosi.
Per determinare se Magneto può essere usato per manipolare l'attività neuronale in animali vivi, hanno iniettato Magneto in larve di pesce zebra, mirando ai neuroni del tronco e della coda che normalmente controllano una risposta di fuga. Hanno poi posto le larve di pesce zebra in un acquario magnetizzato appositamente costruito, e hanno scoperto che l'esposizione a un campo magnetico ha indotto le manovre di avvolgimento simili a quelle che si verificano durante la risposta di fuga. (Questo esperimento ha coinvolto un totale di nove larve di pesce zebra, e successive analisi hanno rivelato che ogni larva conteneva circa 5 neuroni che esprimono Magneto).
In un ultimo esperimento, i ricercatori hanno iniettato Magneto nello striato di topi a comportamento libero, una struttura cerebrale profonda contenente neuroni produttori di dopamina che sono coinvolti nella ricompensa e nella motivazione, e poi messo gli animali in un apparato diviso in sezioni magnetizzate e non magnetizzate. I topi che esprimono Magneto hanno trascorso molto più tempo nelle aree magnetizzate rispetto ai topi che non lo hanno fatto, perché l'attivazione della proteina ha causato i neuroni striatali che la esprimono per rilasciare dopamina, in modo che i topi trovassero gratificante essere in quelle aree. Questo dimostra che Magneto può controllare a distanza l'accensione dei neuroni in profondità nel cervello, e anche controllare comportamenti complessi.
Il neuroscienziato Steve Ramirez dell'Università di Harvard, che usa l'optogenetica per manipolare i ricordi nel cervello dei topi, dice che lo studio è "cazzuto".
"I tentativi precedenti [usando magneti per controllare l'attività neuronale] avevano bisogno di più componenti perché il sistema funzionasse - iniettare particelle magnetiche, iniettare un virus che esprime un canale sensibile al calore, [o] fissare la testa dell'animale in modo che una bobina potesse indurre cambiamenti nel magnetismo", spiega. "Il problema di avere un sistema multicomponente è che c'è così tanto spazio per ogni singolo pezzo per rompere".
"Questo sistema è un singolo, elegante virus che può essere iniettato in qualsiasi punto del cervello, il che rende tecnicamente più facile e meno probabile che le campane mobili si rompano", aggiunge, "e la loro attrezzatura comportamentale è stata intelligentemente progettata per contenere magneti appropriati in modo che gli animali potessero muoversi liberamente".
La 'magnetogenetica' è quindi un'importante aggiunta alla cassetta degli attrezzi dei neuroscienziati, che senza dubbio sarà ulteriormente sviluppata e fornirà ai ricercatori nuovi modi di studiare lo sviluppo e la funzione del cervello.
Fonte:
Riferimenti:
https://www.nature.com/neuro/articles
https://www.nature.com/articles/nnano.2010.125
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