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Topi ciechi vedono la luce
I topi ciechi hanno sviluppato una visione rudimentale quando i ricercatori hanno attivato alcune cellule della retina usando un gene che si trova comunemente nelle alghe. I topi non solo potevano percepire la presenza della luce, ma rispondevano anche a uno schema in bianco e nero in movimento, suggerendo che potevano distinguere oggetti di una certa dimensione.
Guarda come funzionano: Manca dalla superficie esterna della retina di questo topo cieco uno spesso strato di cellule fotorecettrici, che normalmente apparirebbe come una striscia extra di blu all'estrema destra. In un topo vedente, sono le cellule dei fotorecettori che comunicano al sistema visivo quando è presente la luce. Invece, le cellule bipolari ON di questo topo, un altro tipo di cellula retinica, mostrato in verde, sono state progettate per rilevare e rispondere alla luce utilizzando una proteina canale sensibile alla luce che si trova normalmente nelle alghe. I topi trattati con il gene per questa proteina canale sono scappati da una luce brillante e hanno seguito uno schema in bianco e nero in movimento, suggerendo che avessero capacità visive rudimentali.
Non vedresti i dettagli molto fini, ma vedresti alcuni oggetti più grandi, dice Botond Roska , neurobiologo presso il Istituto Friedrich Miescher per la ricerca biomedica , in Svizzera, che ha condotto la ricerca insieme ai collaboratori a Scuola di Medicina di Harvard . I loro risultati sono stati pubblicati online questa settimana in Neuroscienze della natura .
I topi utilizzati nello studio hanno una forma di cecità geneticamente controllata in cui tutte le cellule fotorecettrici mancano dalla retina. Questa condizione, causata da malattie come la degenerazione maculare o la retinite pigmentosa, è la principale causa di cecità nell'uomo. Poiché le cellule dei fotorecettori dei topi erano completamente assenti, i ricercatori hanno preso di mira lo strato successivo di cellule nel circuito visivo, chiamato cellule bipolari.
Di solito, le cellule bipolari rispondono all'intensità della luce. Un sottogruppo chiamato cellule bipolari ON si attiva in risposta alla luce, mentre un altro sottogruppo, chiamato cellule bipolari OFF, si spegne in risposta alla luce. Questi segnali lavorano insieme per comunicare al cervello la luminosità degli oggetti vicini. Nei topi ciechi, nessuno di questi tipi di cellule, che normalmente ricevono le informazioni dai fotorecettori, è in grado di rilevare la presenza di luce.
Il gruppo di Roska ha preso di mira le cellule bipolari ON, utilizzando una proteina algale sensibile alla luce chiamata channelrhodopsin-2 (ChR2) per conferire sensibilità alla luce dove in precedenza non ce n'era. In sostanza, abbiamo riprogettato i fotorecettori nella retina, afferma Roska.
La proteina ChR2 si incorpora nella membrana esterna di una cellula bipolare ON, dove agisce come un canale illuminato. Quando è presente la luce, il canale si apre e gli ioni carichi positivamente si riversano nella cellula. Questo afflusso di carica positiva attiva la cellula, innescando il rilascio di neurotrasmettitori e propagando la risposta ad altri neuroni vicini. L'effetto finale è che un impulso di luce genera un segnale elettrico che si fa strada attraverso l'occhio e, infine, al cervello.
Il trucco era mirare solo alle cellule bipolari. Se anche le cellule bipolari OFF, o uno qualsiasi dei molti altri tipi di cellule retiniche, fossero rese sensibili alla luce, il cervello riceverebbe segnali misti in risposta alla luce. Quindi, prima di iniettare il gene ChR2 negli occhi dei topi, i ricercatori lo hanno alterato con un frammento di DNA regolatorio a cui solo le cellule bipolari ON avrebbero risposto. In questo modo, anche se tutti i tipi di cellule retiniche hanno assorbito il gene, solo le cellule bipolari ON hanno prodotto la proteina ChR2.
A differenza delle loro controparti cieche, i topi trattati hanno risposto alla luce intensa correndo intorno alle loro gabbie come per nascondersi. E quando sono stati posti su una piattaforma immobile all'interno di un tamburo rotante con strisce bianche e nere, i topi trattati hanno seguito lo schema in movimento. Utilizzando strisce progressivamente più piccole, i ricercatori sono stati in grado di valutare il limite della capacità dei topi di risolvere i dettagli: è circa la metà di quello dei topi normali, a quanto pare.
La cosa bella di questo articolo è che sono stati in grado di ripristinare una funzione comportamentale che era molto, molto pulita e chiara, dice Ed Boyden , assistente professore presso il MIT Media Lab , che ha aperto la strada all'uso di ChR2 per la bioingegneria nel cervello. Questo è il primo miglioramento comportamentale che le persone hanno segnalato per l'uso di questo gene nel sistema visivo, afferma Boyden, che non è stato coinvolto nella ricerca.
Se la tecnica viene adattata per trattare la cecità negli esseri umani, afferma Roska, il gene verrà probabilmente rilasciato utilizzando un virus chiamato AAV. Questo virus è uno strumento comune per la terapia genica umana - è stato recentemente utilizzato per fornire una cura per un tipo estremamente raro di cecità umana - e si è dimostrato sicuro ed efficace in numerosi studi clinici. Modificando la sua proteina di rivestimento, i ricercatori potrebbero potenzialmente adattare l'AAV per infettare solo le cellule bipolari ON, aggiungendo un altro livello di specificità.
La somministrazione virale potrebbe amplificare l'efficacia della tecnica, afferma Roska, forse migliorando ancora di più la vista. Mentre la tecnica utilizzata per somministrare il gene nello studio sui topi ha interessato solo il 10% circa delle cellule bipolari ON, l'AAV può espandere la portata del gene.
In futuro, Roska e i suoi colleghi hanno in programma di affrontare anche l'altra metà del circuito bipolare: le cellule bipolari OFF. Recentemente, Boyden e altri hanno sviluppato una sorta di tecnica sorella di ChR2, utilizzando una proteina canale chiamata alorodopsina che disattiva le cellule in risposta alla luce. Se l'alorodopsina fosse espressa specificamente nelle cellule bipolari OFF, anche quella componente del circuito visivo potrebbe essere ripristinata. Questo ti darebbe una sorta di controllo push-pull per ottenere informazioni nel cervello, dice Boyden.
Ma il gruppo di Roska è ancora alla ricerca di un gene regolatore specifico per le cellule bipolari OFF in modo che possano mirare all'alorodopsina con una specificità adeguata. Anche se abbiamo lo strumento giusto, dice, non abbiamo l'indirizzo giusto.