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La nuova cassetta degli attrezzi delle neuroscienze
Con l'invenzione dell'optogenetica e di altre tecnologie, i ricercatori possono indagare per la prima volta sulla fonte delle emozioni, della memoria e della coscienza. 17 giugno 2014
Quello che potrebbe essere chiamato il ramo del fare l'amore, non la guerra delle neuroscienze comportamentali ha iniziato a prendere forma in (dove altro?) California diversi anni fa, quando i ricercatori del laboratorio di David J. Anderson al Caltech hanno deciso di affrontare la biologia dell'aggressività. Hanno avviato la linea di ricerca orchestrando la versione murina di Fight Night: hanno spinto i topi maschi a ingarbugliarsi con i maschi rivali e poi, con un accurato lavoro di indagine molecolare, si sono concentrati su un'infarinatura di cellule nell'ipotalamo che si sono attivate quando i topi hanno iniziato combattere.
L'ipotalamo è una piccola struttura nel profondo del cervello che, tra le altre funzioni, coordina gli input sensoriali, ad esempio l'aspetto di un rivale, con le risposte comportamentali istintive. Già negli anni '20, Walter Hess dell'Università di Zurigo (che avrebbe vinto un Nobel nel 1949) aveva dimostrato che se si infilava un elettrodo nel cervello di un gatto e si stimolavano elettricamente alcune regioni dell'ipotalamo, si poteva trasformare un felino che fa le fusa in una macchia pelosa di aggressione. Diverse ipotesi interessanti hanno cercato di spiegare come e perché ciò sia accaduto, ma non c'era modo di verificarle. Come molte domande fondamentali nella scienza del cervello, il mistero dell'aggressività non è scomparso nel secolo scorso, ma ha solo colpito i soliti ostacoli empirici. Avevamo buone domande ma nessuna tecnologia per ottenere le risposte.
Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2014
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Nel 2010, il laboratorio Caltech di Anderson aveva iniziato a smontare i meccanismi sottostanti e i circuiti neurali dell'aggressività nei loro topi battaglieri. Armati di una serie di nuove tecnologie che hanno permesso loro di concentrarsi su singoli gruppi di cellule all'interno delle regioni del cervello, sono incappati in una sorprendente scoperta anatomica: la minuscola parte dell'ipotalamo che sembrava correlata al comportamento aggressivo era intrecciata con la parte associata all'impulso accoppiarsi. Quel piccolo ducato di cellule - il nome tecnico è l'ipotalamo ventromediale - si rivelò essere un insieme di circa 5.000 neuroni, tutti marmorizzati insieme, alcuni dei quali apparentemente collegati all'accoppiamento e altri al combattimento.
Non esiste un neurone generico, afferma Anderson, il quale stima che potrebbero esserci fino a 10.000 classi distinte di neuroni nel cervello. Anche minuscole regioni del cervello contengono una miscela, dice, e questi neuroni spesso influenzano il comportamento in direzioni diverse e opposte. Nel caso dell'ipotalamo, alcuni neuroni sembravano diventare attivi durante il comportamento aggressivo, alcuni durante il comportamento di accoppiamento e un piccolo sottoinsieme - circa il 20 percento - sia durante il combattimento che durante l'accoppiamento.
È stata una scoperta provocatoria, ma anche una reliquia delle neuroscienze vecchio stile. Essere attivi non era la stessa cosa che causare il comportamento; era solo una correlazione. Come facevano gli scienziati a sapere con certezza cosa stava innescando il comportamento? Potrebbero indurre un topo a combattere semplicemente solleticando alcune cellule dell'ipotalamo?
Dieci anni fa, sarebbe stato tecnologicamente impossibile. Ma negli ultimi 10 anni, la neuroscienza è stata trasformata da una nuova straordinaria tecnologia chiamata optogenetica, inventata da scienziati della Stanford University e descritta per la prima volta nel 2005. I ricercatori del Caltech sono stati in grado di inserire un gene sensibile alla luce geneticamente modificato in cellule specifiche in particolare posizioni nel cervello di un topo maschio vivo, che respira, esuberante e occasionalmente canzonatorio. Usando un sottilissimo filo di fibra ottica inserito in quel cervello vivente, potrebbero quindi accendere e spegnere i neuroni nell'ipotalamo con un'esplosione di luce.
optogenetica : Interruttori della luce per neuroni
Anderson e i suoi colleghi hanno utilizzato l'optogenetica per produrre un video che drammatizza le tensioni amore-odio nel profondo dei roditori. Mostra un topo maschio che fa ciò che gli viene naturale, accoppiandosi con una femmina, fino a quando i ricercatori del Caltech accendono la luce, momento in cui il lotario murino si infuria. Quando la luce è accesa, anche un topo maschio mite può essere indotto ad attaccare qualsiasi bersaglio si trovi nelle vicinanze: il suo partner riproduttivo, un altro topo maschio, un maschio castrato (normalmente non percepito come una minaccia) o, più improbabile, un guanto di gomma è caduto nella gabbia.
L'attivazione di questi neuroni con tecniche optogenetiche è sufficiente per attivare un comportamento aggressivo non solo verso bersagli appropriati come un altro topo maschio, ma anche verso bersagli inappropriati, come femmine e persino oggetti inanimati, afferma Anderson. Al contrario, i ricercatori possono inibire questi neuroni nel bel mezzo di un combattimento spegnendo la luce, dice: puoi fermare il combattimento di punto in bianco.
Inoltre, la ricerca suggerisce che fare l'amore prevale sulla guerra nel calcolo del comportamento: più un topo era vicino al compimento dell'atto riproduttivo, più resistente (o ignaro) diventava agli impulsi luminosi che normalmente innescavano l'aggressività. In un articolo pubblicato su Psichiatria Biologica , intitolato Optogenetics, Sex, and Violence in the Brain: Implications for Psychiatry, ha osservato Anderson, Forse l'imperativo di 'fare l'amore, non la guerra' è cablato nel nostro sistema nervoso, in misura maggiore di quanto abbiamo realizzato. Potremmo essere sia amanti che combattenti, con la più sottile delle distanze neurologiche che separa i due impulsi.
L'optogenetica e altre nuove tecniche consentono agli scienziati di iniziare a individuare la funzione delle migliaia di diversi tipi di neuroni tra i circa 86 miliardi nel cervello umano.
Nessuno sta suggerendo che siamo sul punto di schierare interruttori neurali per frenare il comportamento aggressivo. Ma, come sottolinea Anderson, la ricerca evidenzia un punto più ampio su come una nuova tecnologia può reinventare il modo in cui viene svolta la scienza del cervello. La capacità dell'optogenetica di trasformare un campo della scienza in gran parte correlazionale in uno che verifica la causalità è stata trasformativa, dice.
La cosa radicale della tecnica è che consente agli scienziati di perturbare una cellula o una rete di cellule con una precisione squisita, la chiave per delineare i circuiti che influenzano i vari tipi di comportamento. Mentre le vecchie tecnologie come l'imaging consentivano ai ricercatori di osservare il cervello in azione, l'optogenetica consente loro di influenzare quell'azione, armeggiare con parti specifiche del cervello in momenti specifici per vedere cosa succede.
E l'optogenetica è solo uno di una serie di nuovi strumenti rivoluzionari che probabilmente giocheranno un ruolo di primo piano in quello che sembra un periodo di massimo splendore per le neuroscienze. Importanti iniziative sia negli Stati Uniti che in Europa aspirano a capire come il cervello umano, quel groviglio di neuroni, tessuto connettivo e circuiti da tre libbre aggrovigliato, dia origine a qualsiasi cosa, dal pensiero astratto all'elaborazione sensoriale di base, alle emozioni come l'aggressività. Coscienza, libero arbitrio, memoria, apprendimento: sono tutti sul tavolo ora, poiché i ricercatori utilizzano questi strumenti per indagare su come il cervello ottiene i suoi effetti apparentemente misteriosi (vedi Alla ricerca del neurone del libero arbitrio).
Connessioni
Più di 2000 anni fa, Ippocrate notò che se vuoi capire la mente, devi iniziare studiando il cervello. Non è successo nulla negli ultimi due millenni per cambiare questo imperativo, tranne gli strumenti che le neuroscienze stanno portando al compito.
La storia delle neuroscienze, come la storia della scienza stessa, è spesso una storia di nuovi dispositivi e nuove tecnologie. Il primo elettrodo accidentale di Luigi Galvani, che ha provocato la contrazione del muscolo di una rana, ha ispirato ogni successiva sonda elettrica, dal pungolo per gatti di Walter Hess all'attuale uso terapeutico della stimolazione cerebrale profonda per curare il morbo di Parkinson (circa 30.000 persone nel mondo ora hanno elettrodi impiantati in loro cervello per trattare questa condizione). Il patch clamp ha permesso ai neuroanatomisti di vedere il flusso e riflusso degli ioni in un neurone mentre si prepara a sparare. E poco si rese conto Paul Lauterbur, quando concentrò un forte campo magnetico su una singola vongola sfortunata nel suo laboratorio presso la State University di New York a Stony Brook nei primi anni '70, che lui e i suoi colleghi stavano gettando le basi per la risonanza magnetica macchine di imaging (MRI) che hanno contribuito a rivelare il paesaggio interno e l'attività di un cervello vivente.
Neuroni in crescita : Studiare cosa va storto
Ma sono i progressi della genetica e degli strumenti genomici negli ultimi anni che hanno davvero rivoluzionato le neuroscienze. Questi progressi hanno reso possibili le manipolazioni genetiche alla base dell'optogenetica. Metodi di modifica del genoma ancora più recenti possono essere utilizzati per alterare con precisione la genetica delle cellule viventi in laboratorio. Insieme all'optogenetica, questi strumenti consentono agli scienziati di iniziare a individuare la funzione di migliaia di diversi tipi di cellule nervose tra i circa 86 miliardi nel cervello umano.
Nulla testimonia il valore di una nuova tecnologia più del numero di scienziati che la adottano rapidamente e la utilizzano per rivendicare nuovi territori scientifici. Come dice Edward Boyden, uno scienziato del MIT che ha contribuito a sviluppare l'optogenetica, spesso quando esce una nuova tecnologia, c'è un po' di furto di terra.
E anche se i ricercatori colgono queste opportunità nella genomica e nell'optogenetica, altri progressi stanno arrivando sulla scena. Un nuovo trattamento chimico sta rendendo possibile vedere direttamente le fibre nervose nel cervello dei mammiferi; microelettrodi robotici possono origliare (e perturbare) singole cellule negli animali viventi; e tecniche di imaging più sofisticate consentono ai ricercatori di abbinare le cellule nervose e le fibre in sezioni di cervello per creare una mappa tridimensionale delle connessioni. Usando insieme questi strumenti per sviluppare una comprensione dell'attività del cervello, gli scienziati sperano di catturare il più grande gioco cognitivo: memoria, processo decisionale, coscienza, malattie psichiatriche come ansia e depressione e, sì, sesso e violenza.
Gli scienziati hanno ipotizzato che se si potesse contrabbandare il gene per una proteina sensibile alla luce in un neurone e quindi far pulsare la cellula con la luce, si potrebbe innescare l'attivazione. Potresti attivare e disattivare specifici neuroni.
Nel gennaio 2013, la Commissione Europea ha investito un miliardo di euro nel lancio del suo Human Brain Project, un'iniziativa decennale per mappare tutte le connessioni nel cervello. Diversi mesi dopo, nell'aprile 2013, l'amministrazione Obama ha annunciato un'iniziativa chiamata Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies (BRAIN), che dovrebbe versare fino a 1 miliardo di dollari nel campo, con gran parte dei primi finanziamenti stanziati per lo sviluppo tecnologico. Poi c'è lo Human Connectome Project, che mira a utilizzare immagini al microscopio elettronico di sezioni sequenziali di tessuto cerebrale per mappare le cellule nervose e le loro connessioni in tre dimensioni. Iniziative complementari di mappatura e connettoma sono in corso presso l'Howard Hughes Medical Institute in Virginia e l'Allen Institute for Brain Science di Seattle. Fanno tutti parte di un grande sforzo globale, finanziato pubblicamente e privatamente, per costruire un quadro completo del cervello umano, dal livello dei geni e delle cellule a quello delle connessioni e dei circuiti.
Lo scorso dicembre, come primo passo nell'Iniziativa BRAIN, il National Institutes of Health ha sollecitato proposte per $ 40 milioni di progetti sullo sviluppo tecnologico nelle neuroscienze. Perché l'Iniziativa BRAIN pone un'enfasi così forte sulla tecnologia? dice Cornelia Bargmann, neuroscienziata della Rockefeller University che co-dirige il processo di pianificazione del progetto. Il vero obiettivo è capire come funziona il cervello, a molti livelli, nello spazio e nel tempo, in molti neuroni diversi, tutto in una volta. E ciò che ci ha impedito di capire che sono i limiti della tecnologia.
origliare
L'optogenetica ha avuto origine nel 2000, nelle chiacchiere notturne alla Stanford University. Lì, i neuroscienziati Karl Deisseroth e Edward Boyden iniziarono a scambiare idee sui modi per identificare e, in definitiva, manipolare l'attività di specifici circuiti cerebrali. Deisseroth, che aveva un dottorato di ricerca in neuroscienze a Stanford, desiderava ardentemente comprendere (e un giorno trattare) le afflizioni mentali che hanno tormentato l'umanità dall'era di Ippocrate, in particolare l'ansia e la depressione (vedi Shining Light on Madness). Boyden, che si stava laureando in funzioni cerebrali, aveva una curiosità onnivora per la neurotecnologia. All'inizio hanno sognato di distribuire minuscole perline magnetiche come un modo per manipolare la funzione cerebrale in animali viventi intatti. Ma ad un certo punto, durante i successivi cinque anni, si è accesa una lampadina di tipo diverso.
Dagli anni '70, i microbiologi studiavano una classe di molecole sensibili alla luce note come rodopsine, che erano state identificate in organismi semplici come batteri, funghi e alghe. Queste proteine agiscono come guardiani lungo la parete cellulare; quando rilevano una particolare lunghezza d'onda della luce, lasciano entrare gli ioni in una cellula o, al contrario, ne fanno uscire gli ioni. Questo flusso e riflusso di ioni rispecchia il processo mediante il quale un neurone si attiva: la carica elettrica all'interno della cellula nervosa si accumula fino a quando la cellula rilascia un picco di attività elettrica che scorre lungo la sua fibra (o assone) fino alle sinapsi, dove il messaggio viene passato alla cella successiva nel percorso. Gli scienziati hanno ipotizzato che se si potesse contrabbandare il gene per una di queste proteine sensibili alla luce in un neurone e quindi pulsare la cellula con la luce, si potrebbe innescare l'attivazione. In poche parole, potresti attivare o disattivare specifici neuroni in un animale cosciente con un'esplosione di luce.
Nel 2004 Deisseroth ha inserito con successo il gene per una molecola fotosensibile dalle alghe nei neuroni dei mammiferi in un piatto. Deisseroth e Boyden hanno continuato a dimostrare che la luce blu potrebbe indurre i neuroni ad attivarsi. Più o meno nello stesso periodo, uno studente laureato di nome Feng Zhang si unì al laboratorio di Deisseroth. Zhang, che aveva acquisito una precoce esperienza nelle tecniche sia di biologia molecolare che di terapia genica da studente di liceo a Des Moines, Iowa, ha dimostrato che il gene per la proteina desiderata potrebbe essere introdotto nei neuroni per mezzo di virus geneticamente modificati. Usando nuovamente impulsi di luce blu, il team di Stanford ha quindi dimostrato che potrebbe attivare e disattivare gli impulsi elettrici nelle cellule nervose dei mammiferi modificate dal virus. In un documento storico apparso in Neuroscienze della natura nel 2005 (dopo, dice Boyden, è stato rifiutato da Scienza ), Deisseroth, Zhang e Boyden hanno descritto la tecnica. (Nessuno la chiamerebbe optogenetica per un altro anno.)
I neuroscienziati hanno immediatamente colto il potere della tecnica inserendo geni sensibili alla luce negli animali viventi. I ricercatori del laboratorio di Deisseroth lo hanno usato per identificare nuovi percorsi che controllano l'ansia nei topi, e sia il team di Deisseroth che i suoi collaboratori al Mount Sinai Hospital di New York lo hanno usato per attivare e disattivare la depressione nei ratti e nei topi. E il laboratorio di Susumu Tonegawa al MIT ha recentemente utilizzato l'optogenetica per creare falsi ricordi negli animali da laboratorio.
Quando ho visitato l'ufficio di Boyden al Media Lab del MIT lo scorso dicembre, lo scienziato ha richiamato i suoi recenti articoli preferiti sull'optogenetica. Con un'ondata di parole rapida come le sue sequenze di tasti, Boyden ha descritto le tecnologie di seconda generazione già in fase di sviluppo. Uno comporta l'ascolto di singole cellule nervose in animali anestetizzati e coscienti per vedere le cose che si agitano sotto il mare di attività all'interno di un neurone quando l'animale è incosciente. Boyden ha detto: Fa letteralmente luce su cosa significhi avere pensieri, consapevolezza e sentimenti.
Gli scienziati spesso utilizzano parole come sorprendente e inaspettato per caratterizzare i risultati recenti, riflettendo l'impatto che l'optogenetica ha avuto sulla comprensione delle malattie psichiatriche.
Il gruppo di Boyden aveva anche appena pubblicato un articolo che riportava una nuova svolta nell'optogenetica: percorsi neurali separati e indipendenti possono essere perturbati simultaneamente con lunghezze d'onda della luce rossa e blu. La tecnica ha il potenziale per mostrare come diversi circuiti interagiscono e si influenzano a vicenda. Il suo gruppo sta anche lavorando su sonde di registrazione e microscopi incredibilmente densi che aspirano a catturare l'attività dell'intero cervello. Le ambizioni non sono modeste. Riesci a registrare tutte le cellule del cervello, dice, in modo da poter osservare pensieri o decisioni o altri fenomeni complessi emergere mentre passi dalla sensazione all'emozione, dalla decisione al luogo dell'azione?
Mappatura del cervello : Tracciare le autostrade dell'informazione
A pochi isolati di distanza, Feng Zhang, che ora è assistente professore al MIT e membro di facoltà presso il Broad Institute, ha elencato questioni di neuroscienze secolari che potrebbero ora essere attaccate con le nuove tecnologie. Puoi fare un aggiornamento della memoria e aumentare la capacità? chiese. Come vengono codificati geneticamente i circuiti neurali? Come si possono riprogrammare le istruzioni genetiche? Come si riparano le mutazioni genetiche che causano errori di cablaggio o altri malfunzionamenti del sistema neurale? Come si fa a ringiovanire il vecchio cervello?
Oltre ad aiutare a inventare l'optogenetica, Zhang ha svolto un ruolo centrale nello sviluppo di una tecnica di modifica genetica chiamata CRISPR (vedi 10 Breakthrough Technologies: Genome Editing, maggio/giugno). La tecnologia consente agli scienziati di prendere di mira un gene, ad esempio nei neuroni, e di eliminarlo o modificarlo. Se viene modificato per includere una mutazione nota o sospettata di causare disturbi cerebrali, gli scienziati possono studiare la progressione di tali disturbi negli animali da laboratorio. In alternativa, i ricercatori possono utilizzare CRISPR in laboratorio per alterare le cellule staminali che possono poi essere coltivate in neuroni per vederne gli effetti.
Trasparenza
Tornato a Stanford, quando non vede pazienti con disturbi dello spettro autistico o depressione in clinica, Deisseroth continua a inventare strumenti che lui e altri possono usare per studiare queste condizioni. L'estate scorsa, il suo laboratorio ha segnalato un nuovo modo per gli scienziati di visualizzare i cavi delle fibre nervose, noti come materia bianca, che collegano aree distanti del cervello. La tecnica, chiamata Clarity, prima immobilizza biomolecole come proteine e DNA in una rete simile alla plastica che mantiene l'integrità fisica di un cervello post mortem. Quindi i ricercatori sciacquano una sorta di detergente attraverso la rete per dissolvere tutti i grassi nel tessuto cerebrale che normalmente bloccano la luce. Il cervello viene reso trasparente, esponendo improvvisamente alla vista l'intero schema di cablaggio tridimensionale.
Insieme, i nuovi strumenti stanno trasformando molti punti di vista convenzionali nelle neuroscienze. Ad esempio, come ha notato Deisseroth in un articolo di revisione pubblicato all'inizio di quest'anno in Natura , l'optogenetica ha messo in discussione alcune delle idee alla base della stimolazione cerebrale profonda, che è stata ampiamente utilizzata per trattare di tutto, dai tremori all'epilessia, all'ansia e al disturbo ossessivo-compulsivo. Nessuno sa esattamente perché funzioni, ma il presupposto operativo è stato che i suoi effetti terapeutici derivassero dalla stimolazione elettrica di regioni cerebrali molto specifiche; i neurochirurghi esercitano uno sforzo straordinario per posizionare gli elettrodi con la massima precisione.
Nel 2009, tuttavia, Deisseroth e colleghi hanno dimostrato che la stimolazione specifica della sostanza bianca, i cavi neurali che si trovano vicino agli elettrodi, ha prodotto il miglioramento clinico più robusto dei sintomi del morbo di Parkinson. In altre parole, non era la zona del cervello che contava tanto quanto le autostrade neurali che passavano nelle vicinanze. Gli scienziati spesso utilizzano parole come sorprendente e inaspettato per caratterizzare risultati così recenti, che riflettono l'impatto che l'optogenetica ha avuto sulla comprensione delle malattie psichiatriche.
Allo stesso modo, Anderson del Caltech sottolinea che l'infatuazione pubblica e scientifica per gli studi di risonanza magnetica funzionale negli ultimi due decenni ha creato l'impressione che alcune regioni del cervello agiscano come centri di attività neurale, che l'amigdala sia il centro della paura, per esempio, o l'ipotalamo è il centro dell'aggressività. Ma paragona l'fMRI a guardare un paesaggio notturno da un aereo a 30.000 piedi e cercare di capire cosa sta succedendo in una singola città. L'optogenetica, al contrario, ha fornito una visione molto più dettagliata di quella minuscola suddivisione delle cellule nell'ipotalamo, e quindi un quadro dell'aggressività molto più complesso e sfumato. L'attivazione di neuroni specifici in quella piccola città può spingere un organismo a fare la guerra, ma l'attivazione dei neuroni della porta accanto può spingerlo a fare l'amore.
Le nuove tecniche daranno agli scienziati i primi scorci della cognizione umana in azione: uno sguardo a come pensieri, sentimenti, presentimenti e attività mentale disfunzionale sorgono dai circuiti neurali e dall'attività di particolari tipi di cellule. I ricercatori stanno appena iniziando a ottenere queste intuizioni, ma dato il recente ritmo dello sviluppo tecnologico, l'immagine potrebbe emergere prima di quanto chiunque avesse immaginato possibile quando la luce dell'optogenetica si è accesa per la prima volta alcuni anni fa.
Stephen S. Hall è uno scrittore e autore scientifico di New York City. Il suo ultimo lungometraggio per Revisione della tecnologia del MIT stava riparando i brutti ricordi.