Attivare e inattivare i neuroni delle strutture profonde del cervello usando soltanto un raggio di luce proiettato dall’esterno: il risultato, che migliora notevolmente analoghe tecniche sviluppate negli anni passati, è stato ottenuto da un gruppo di neuroscienziati dell’Howard Hughes Medical Institute (HHMI) guidati da Karl Deisseroth che firma in proposito un articolo sulla rivista “Science”. 

Cuore del nuovo metodo di controllo neuronale è una versione modificata della canalrodopsina, una canale ionico di natura proteica, scoperta nel 2002 in una specie di alga unicellulare, che regola gli scambi di materiale della cellula con l’ambiente esterna. Grazie a essa, l’alga può regolare il proprio movimento nell’ambiente acquatico in base alla diversa direzione di provenienza della luce.

Nel 2005, in uno studio pionieristico condotto su topi di laboratorio, Deisseroth e colleghi trovarono il modo di far esprimere nei neuroni questi canali sensibili alla luce, aprendo così la strada al controllo dello scambio di ioni tra l’interno e l’esterno della cellula nervosa: gli studiosi dimostrarono di poter innescare a piacimento la trasmissione del segnale nervoso “illuminando” i neuroni con un segnale di luce esterno. Da allora, il metodo è stato utilizzato in centinaia di ricerche neurobiologiche, in un nuovo campo di studi denominato optogenetica.

Rappresentazione artistica di neuroni: sono sempre più ampie le frontiere dell’optogenetica, l’insieme delle tecniche che consentono di controllare l’attività dei neuroni mediante segnali di luce (© SEBASTIAN KAULITZKI/Science Photo Library/Corbis)Alcuni anni più tardi, si è trovato anche il modo di inibire l’attività neuronale, oltre che di eccitarla, grazie alla scoperta di una proteina simile alla canalrodopsina, denominata halorodopsina perché derivata da alcuni halobatteri. Nelle prime ricerche in questo campo, tuttavia, l’inibizione neuronale si poteva ottenere solo in modo parziale a causa della scarsa efficienza dell’halorodopsina nel rispondere alla luce.

Queste difficoltà sono state ora superate da Deisseroth e colleghi con una modifica ad hoc della struttura molecolare della canalrodopsina, trasformata in un canale inibitorio che consente di trasferire ioni negativi dall’esterno verso l’interno della cellula.

“Per arrivare a questo obiettivo occorreva conoscere nei particolari il canale ionico, fino alla scala atomica”, ha spiegato Deisseroth. Così nel 2012, il gruppo di Deisseroth ha utilizzato una tecnica di imaging a raggi X per comprendere la struttura della canalrodopsina chimerica chiamata C1C2. Con una lunga serie di successivi raffinamenti della struttura del canale per renderlo più stabile e più sensibile alla luce, gli studiosi sono arrivati infine a ottenere il canale ionico inibitorio voluto, che è stato battezzato iC1C2 (cioè C1C2 inibitorio).

Nella sperimentazione in vitro, il canale ha dimostrato le sue notevoli caratteristiche: esposto alla luce blu, rimane aperto per alcuni minuti, mentre quando è illuminato dalla luce rossa si chiude immediatamente.

“Arrivare a questo livello di sensibilità alla luce dell’inibizione dell’attività neuronale è un grande traguardo, che potrebbe migliorare enormemente la possibilità di studiare il cervello di animali di dimensioni relativamente grandi, come ratti e primati”, ha concluso Deisseroth.