Frontiers for Young Minds

Cellule speciali nel cervello e nel sistema nervoso, chiamate neuroni, lavorano insieme per produrre tutti i nostri pensieri e comportamenti. Per capire come il cervello controlla il comportamento, dobbiamo capire come i neuroni comunicano. Il cervello umano è molto complesso, ma molte delle proprietà del cervello umano sono simili a quelle di altri animali. Questo significa che i neuroscienziati (scienziati che studiano il cervello e il sistema nervoso) possono usare animali semplici per scoprire nuove cose sul cervello umano. È così che è stata scoperta la comunicazione tra i neuroni.

Come comunicano i neuroni tra loro?

I neuroni comunicano usando una combinazione di attività elettrica e chimica. I primi scienziati hanno scoperto questo attraverso osservazioni ed esperimenti intelligenti. Alla fine del 1700, uno scienziato italiano di nome Luigi Galvani stava camminando in un mercato durante un temporale. Vide alcune cosce di rana in vendita e notò che si contraevano. Ipotizzò che l’elettricità del temporale stesse attivando i nervi delle cosce di rana. Decise di testare questa ipotesi nel suo laboratorio. Galvani usò un oggetto che permette alla corrente elettrica di fluire, chiamato elettrodo, per passare una corrente elettrica al nervo della rana. Questo causò la contrazione della gamba della rana. Questo fu il primo studio di stimolazione elettrica nelle neuroscienze. Da questa scoperta, Galvani concluse che i neuroni potevano usare segnali elettrici per passare informazioni. Questo è importante da sapere! Ora che sappiamo come i neuroni parlano tra loro, possiamo iniziare a parlare la loro lingua. Possiamo usare segnali elettrici per accendere alcuni neuroni e vedere cosa succede dopo. Questo è esattamente ciò che gli scienziati hanno iniziato a fare.

Non è stato fino al 1930 che la stimolazione elettrica è stata utilizzata per mappare il cervello umano. Il dottor Wilder Penfield, un chirurgo del cervello, stava lavorando con pazienti che avevano l’epilessia. L’epilessia causa segnali elettrici anormali nel cervello e può essere molto pericoloso. In casi estremi, è necessario un intervento chirurgico al cervello per fermare l’epilessia. Il dottor Penfield voleva mappare il cervello dei suoi pazienti per scoprire quali parti del cervello erano più importanti. Questo lo avrebbe aiutato a sapere quali aree del cervello non avrebbe dovuto operare. Per mappare il cervello, usò la stimolazione elettrica, proprio come aveva fatto Galvani. Ha abbassato un piccolo elettrodo nelle aree motorie (movimento) del cervello. Poi, inviò un piccolo segnale elettrico e osservò i movimenti del paziente. La stimolazione in un’area del cervello ha causato una contrazione del dito, mentre la stimolazione in un’area leggermente diversa del cervello ha causato una contrazione del piede. Questo portò il Dr. Penfield a capire che certe aree del cervello controllano aree molto specifiche del corpo. Il Dr. Penfield notò che la posizione delle aree motorie del cervello era simile in tutti i suoi pazienti. Ha creato dei diagrammi dei suoi risultati, che ci hanno dato la prima mappa funzionale delle aree motorie nel cervello umano. Le mappe funzionali del Dr. Penfield, conosciute come l’homunculus, sono usate ancora oggi.

Dagli anni 30, gli esperimenti di stimolazione cerebrale sono cambiati. Gli studi di stimolazione elettrica hanno alcuni inconvenienti. Un problema è che il cervello potrebbe essere danneggiato quando viene inserito un elettrodo. Un altro problema è che la stimolazione elettrica attiva il tessuto in modo molto generale e non selettivo (Figura 1A). È come usare un bulldozer quando va bene una pala – il bulldozer è efficace, ma non è molto preciso o attento. Nel 2005, una nuova tecnica è stata creata per consentire una stimolazione cerebrale più precisa. Questa tecnica si chiama optogenetica.

Cos’è l’optogenetica?

L’optogenetica è un metodo per controllare l’attività di un neurone usando la luce e l’ingegneria genetica. L’ingegneria genetica è un processo in cui gli scienziati cambiano le informazioni nel codice genetico (i progetti) di un essere vivente. Negli studi optogenetici, gli scienziati prendono il codice genetico dei neuroni che vogliono studiare e vi aggiungono un nuovo pezzo di codice. Il nuovo codice permette a questi neuroni di produrre proteine speciali, chiamate opsine, che rispondono alla luce. Le opsine si trovano in natura e sono state scoperte per la prima volta nelle alghe, che usano queste proteine per aiutarle a muoversi verso la luce. Ma come fa l’opsina a entrare nel neurone? Questo richiede alcune tecniche di laboratorio specializzate. Prendiamo un topo come esempio. Per far entrare l’opsina nei neuroni di un topo, il codice genetico dell’opsina deve essere accuratamente inserito nel codice genetico dei neuroni del topo. Se questo viene fatto correttamente, ora ogni neurone del topo dovrebbe avere l’opsina. Poiché comprendiamo molto del codice genetico del topo, possiamo scegliere dove mettere l’opsina. Possiamo inserire il codice in un tipo specifico di neurone, o in una posizione specifica nel cervello. Possiamo scegliere esattamente quali neuroni vogliamo controllare.

Nelle neuroscienze, l’opsina più popolare si chiama channelrhodopsin-2 (ChR2). Questa opsina proviene dall’alga verde Chlamydomonas reinhardtii . ChR2 è attivata dalla luce blu, il che significa che funziona solo quando la luce blu brilla su di essa e non risponde ad altri tipi di luce. Quando ChR2 è inserito nei neuroni, significa che i neuroni possono essere accesi con la luce blu. I neuroni con ChR2 saranno accesi solo per il tempo in cui la luce blu brilla su di loro. Questo ci dà un controllo preciso sui tempi dell’attività del neurone. Normalmente, i neuroni non sono influenzati dalla luce blu (Figura 1B), quindi solo i neuroni che hanno ChR2 saranno influenzati dalla luce blu (Figura 1C).

La stimolazione optogenetica è più specifica della stimolazione elettrica

Come ci sono molte strade in una città, ci sono molti percorsi nel cervello. Se vogliamo sapere come il punto A si collega al punto B in una città, possiamo semplicemente guardare tutte le strade e disegnare una mappa stradale. Questo è un tipo di mappa strutturale: ci aiuta a capire come sono disposte le strade. Ma di solito ci sono molti modi per andare dal punto A al punto B, quindi come facciamo a sapere qual è il modo più popolare? Per capirlo, dobbiamo guardare le auto che percorrono le strade mentre vanno dal punto A al punto B. Questa è una mappa funzionale: ci aiuta a capire come vengono usate le strade. Nel cervello, i neuroni sono come le strade, e i segnali che viaggiano da neurone a neurone sono come le auto. Normalmente, il cervello è molto attivo e ci sono molte auto sulle strade in ogni momento. In tutta la mappa del cervello, le auto iniziano e fermano i loro viaggi in momenti diversi. Poiché c’è così tanta attività, non possiamo vedere alcuno schema o capire come le cose sono collegate. Per capire gli schemi, sarebbe utile essere in grado di controllare quando e dove le auto iniziano il loro viaggio.

Immaginate che ci siano auto in ogni vialetto della nostra città. Queste auto aspettano un segnale per uscire sulle strade (Figura 2A). In uno studio di stimolazione elettrica, possiamo controllare quando le auto iniziano a viaggiare, ma non abbiamo molto controllo su quali auto usciranno sulle strade. Con la stimolazione elettrica, la stimolazione è generale. Tutte le auto vicine alla stimolazione saranno mandate sulla strada. Questo significa che c’è molta attività da seguire (Figura 2B). In uno studio di stimolazione optogenetica, possiamo scegliere esattamente quali auto vogliamo che escano sulla strada e quando. Possiamo scegliere un gruppo di auto in base alla posizione (per esempio, potremmo scegliere di far uscire sulle strade tutte le auto di un quartiere), o possiamo scegliere in base al tipo di auto (per esempio, potremmo scegliere di far uscire sulle strade solo i camion) (Figura 2C). Questa è una stimolazione selettiva. Il movimento delle auto è molto più facile da seguire in questo caso. Ci dice di più su come specifiche auto operano sulle strade.

Come viene usata l’optogenetica per mappare il cervello?

L’optogenetica può essere usata in diversi modi per mappare il cervello del topo (rivista in Rif. ).

Proprio come possiamo ingrandire una mappa stradale di una città per vedere le principali autostrade (Figura 3A), o ingrandire la mappa per vedere un singolo isolato (Figura 3B), possiamo anche ingrandire o ridurre il cervello. Possiamo zoomare fuori dal cervello per vedere come grandi aree del cervello si collegano e lavorano insieme (Figura 3C). Questa visione d’insieme è buona se siamo interessati al modo in cui le informazioni viaggiano su lunghe distanze nel cervello, o quali aree del cervello sono collegate tra loro. Per esempio, le grandi città tendono ad avere più strade e autostrade che le attraversano, perché molte persone viaggiano da e verso queste città. Usando l’optogenetica per stimolare un’area del cervello e registrare le risposte in altre aree del cervello, possiamo capire quali aree del cervello hanno più traffico. Questo è importante per capire come vengono prodotti certi comportamenti, ma potrebbe anche essere importante per capire cosa succede se il cervello viene danneggiato in una particolare area (per esempio, se c’è un incidente sulla quarta strada, come si ridirigerà il traffico?).

Possiamo anche zoomare sul cervello per vedere come i singoli neuroni si collegano (Figura 3D). Usando l’optogenetica, possiamo studiare come i neuroni lavorano insieme, usando la luce per accendere alcuni neuroni e registrare la risposta degli altri neuroni. Questa visione dettagliata è utile per capire come e quando i neuroni comunicano tra loro. Questo potrebbe essere molto utile per studiare le malattie che interrompono la comunicazione tra i neuroni in una particolare area, che è quello che succede quando qualcuno ha un ictus (leggi di più su questo nella prossima sezione).

La mappatura optogenetica crea molte possibilità per studiare come funziona il cervello. Come le tecniche optogenetiche migliorano e più opsine sono create o scoperte, c’è la possibilità di un controllo ancora maggiore negli studi di stimolazione del cervello. Forse saremo in grado di utilizzare più opsine per controllare diversi tipi di neuroni allo stesso tempo. Poiché ogni opsina risponde a un tipo specifico di luce, potremmo usare una luce diversa per controllare diversi tipi di neuroni. Infatti, alcune opsine agiscono per spegnere i neuroni quando è presente il giusto tipo di luce.

Nel nostro esempio di mappatura delle auto in città, potremmo usare più segnali per controllare il movimento delle auto. Potremmo avere una serie di auto che escono sulla strada quando diamo un segnale (diciamo una luce blu) e un’altra serie di auto che escono sulla strada quando diamo un segnale diverso (diciamo una luce rossa). Usando questa configurazione, potremmo iniziare a fare esperimenti con questi due gruppi di auto: cosa succede se le auto a luce rossa vanno per prime? Cosa succede se le auto con il semaforo blu vanno per prime? Cosa succede se vanno nello stesso momento? Questo ci aiuterebbe a capire come questi diversi gruppi di macchine interagiscono tra loro.

Come fa uno scienziato a scegliere quale tecnica o quale opsina usare? La risposta dipende dalla domanda che lo scienziato vuole esplorare. La prossima sezione evidenzierà alcune delle domande che sono state studiate utilizzando l’optogenetica.

Recenti scoperte utilizzando l’optogenetica

Gli scienziati del cervello hanno iniziato a utilizzare l’optogenetica nel 2005. Da allora, i metodi optogenetici sono stati utilizzati per studiare il cervello da molti punti di vista diversi, dalla comunicazione di un cluster di singoli neuroni, alle interazioni tra grandi regioni del cervello (recensione in Rif. ). Molti altri studi hanno utilizzato metodi optogenetici per indagare diversi argomenti e domande. Alcune domande recenti sono: dove si trova la paura nel cervello? Come viene calcolato il rischio e la ricompensa? Come vengono immagazzinati i ricordi? (rivisto in Rif. ). Abbiamo usato l’optogenetica nei topi per studiare come il cervello cambia dopo un ictus. Un ictus avviene quando l’afflusso di sangue a un’area del cervello è interrotto o ridotto. Questo è pericoloso perché l’apporto di sangue trasporta ossigeno e altri importanti nutrienti di cui il cervello ha bisogno per sopravvivere. Se un’area del cervello rimane troppo a lungo senza ossigeno, i neuroni in quell’area alla fine muoiono. Questo causa problemi per quella particolare area del cervello e per qualsiasi altra area del cervello che è collegata ad essa. Nel nostro studio, abbiamo voluto indagare su come un piccolo colpo in un’area del cervello abbia influenzato molte altre aree del cervello. Per iniziare, abbiamo usato ChR2 per aiutarci a disegnare una mappa funzionale del cervello del topo. Abbiamo confrontato le mappe tra animali con e senza ictus. Abbiamo scoperto che le mappe sono cambiate nel tempo. A 1 settimana dopo l’ictus, l’attività cerebrale complessiva era molto bassa. Sorprendentemente, l’attività era bassa anche in una zona lontana dall’ictus. Entro 8 settimane dopo l’ictus, l’attività cerebrale complessiva era più alta, ma non di nuovo alla normalità. Da questi dati, abbiamo concluso che anche un piccolo ictus può avere un grande effetto su come funziona il cervello nel suo complesso. Capire cosa succede al cervello dopo un ictus potrebbe aiutare gli scienziati a creare trattamenti migliori per i pazienti con ictus. Questo è solo un esempio di quanto l’optogenetica possa essere utile per indagare le domande sul cervello. È probabile che gli scienziati del cervello continueranno a usare l’optogenetica per molti anni a venire.

Glossario

Neuroni: Cellule speciali nel cervello che comunicano tra loro inviando e ricevendo segnali elettrici e chimici. Ci sono miliardi di neuroni nel cervello, e i segnali inviati tra queste cellule sono la base per tutti i nostri pensieri e comportamenti. I neuroni sono talvolta chiamati cellule nervose.

Studio di stimolazione elettrica: Una tecnica per attivare neuroni o percorsi neurali inserendo un piccolo elettrodo e inviando una corrente elettrica nel tessuto. Questo provoca cambiamenti nell’attività elettrica del tessuto.

Neuroscienza: Una branca della scienza che studia il cervello e il sistema nervoso.

Optogenetica: Una tecnica che usa una combinazione di luce e ingegneria genetica per controllare l’attività di una cellula.

Ingegneria genetica: Il processo di cambiare le informazioni nel codice genetico (i progetti) di un essere vivente aggiungendo o eliminando informazioni. L’ingegneria genetica è talvolta chiamata modifica genetica.

Opsine: Proteine che rispondono a un tipo specifico di luce (per esempio, ChR2 risponde solo alla luce blu). Nelle neuroscienze, queste proteine sono usate per controllare l’attività dei neuroni.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): Un’opsina che risponde specificamente alla luce blu. Quando ChR2 è inserito nei neuroni, la luce blu può essere usata per accendere quei neuroni. ChR2 è attualmente l’opsina più popolare per gli studi optogenetici.

Stroke: Normalmente, il sangue trasporta ossigeno e altri importanti nutrienti al cervello. Quando l’apporto di sangue è interrotto o ridotto, il cervello non riceve le cose di cui ha bisogno per funzionare correttamente. Questo è chiamato un ictus, e questo può causare problemi duraturi e disfunzioni.

Conflict of Interest Statement

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di qualsiasi relazione commerciale o finanziaria che potrebbe essere interpretata come un potenziale conflitto di interessi.

Original Source Article

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., e Murphy, T. H. 2013. Approcci optogenetici per la mappatura funzionale del cervello del topo. Fronte. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

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