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Un interruttore della luce per il cervello
Gli scienziati ora possono accendere e spegnere parti specifiche del cervello con un semplice lampo di luce. Il nuovo strumento molecolare, sviluppato dagli scienziati del MIT e di Stanford, consente un controllo senza precedenti sul cervello e potrebbe portare a trattamenti più efficaci per l'epilessia, il Parkinson e altre malattie. Potrebbe anche aiutare i neuroscienziati a decifrare il linguaggio del cervello: l'informazione codificata nell'attività elettrica dei neuroni, che forma i nostri ricordi e dirige ogni nostro movimento.
Allenamento del verme: Un interruttore di spegnimento attivato dalla luce può controllare il movimento di vermi microscopici. Gli scienziati hanno progettato i vermi per esprimere l'interruttore nei motoneuroni che controllano la capacità degli organismi di nuotare. Senza luce, i vermi nuotano normalmente. Ma quando sono esposti alla luce gialla, come indicato dal cerchio giallo, i loro motoneuroni non possono più funzionare, paralizzando i vermi.
In molti modi, penso che rivoluzionerà il campo, afferma Michael Hausser, neuroscienziato dell'University College di Londra che ha scritto un commento che accompagna la ricerca, pubblicato oggi su Natura e il mese scorso in Biblioteca pubblica di Science One . Potrebbe sostituire l'elettrodo stimolante, che è stato lo strumento principale per i neurofisiologi negli ultimi 100 anni. Potrebbe anche migliorare le applicazioni cliniche in cui gli elettrodi impiantati si sono dimostrati utili mirando all'eccitazione o all'inibizione di cellule specifiche.
I neuroni codificano le informazioni con una serie di impulsi elettrici trasmessi tra le cellule. I neuroscienziati hanno tradizionalmente studiato la funzione delle cellule cerebrali inviando scariche elettriche fornite da un elettrodo, che innesca l'attività dei neuroni. Tuttavia, è difficile indirizzare tale attività a un tipo specifico di cellula e non esiste un trattamento corrispondente per disattivare le cellule.
L'anno scorso, Karl Deisseroth, un bioingegnere e medico a Stanford, e Ed Boyden, un bioingegnere al MIT, hanno cooptato un canale sensibile alla luce dalle meduse per creare un interruttore genetico. Il canale si trova sulla membrana cellulare e si apre quando esposto alla luce, consentendo alla carica positiva di fluire nella cellula. La luce brillante sui neuroni che sono geneticamente modificati per trasportare il canale innesca l'attività elettrica all'interno della cellula che si diffonde poi al neurone successivo nel circuito. (Gli scienziati usano le fibre ottiche per illuminare il cervello.)
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Guarda un video dell'effetto luci sui vermi ingegnerizzati.
Deisseroth e Boyden hanno ora creato in modo indipendente un interruttore di spegnimento che funziona con un meccanismo simile. Questa volta gli scienziati hanno utilizzato un gene che codifica per una pompa proteica: quando viene colpita da una luce gialla, pompa una carica negativa nella cellula, impedendo a quel neurone di attivarsi. Entrambi gli interruttori possono essere utilizzati nella stessa cellula, fornendo efficacemente ai neuroscienziati un interruttore della luce che può essere utilizzato per attivare e disattivare l'attività neurale.
Questa nuova capacità di controllare con precisione i neuroni potrebbe finalmente dare risposte alle principali domande sul cervello. Potrebbe aiutare gli scienziati a trovare le cellule specifiche oi modelli di attività neurale coinvolti nei processi cognitivi, come l'attenzione, o in particolari malattie, come l'epilessia.
Sia l'epilessia che il morbo di Parkinson possono essere trattati con elettrodi impiantati nel cervello. Ma l'elettricità erogata dall'elettrodo stimola tutte le cellule vicine e non solo quelle malate, aumentando gli effetti collaterali e potenzialmente diminuendo l'efficacia del trattamento. È stata fonte di incredibile frustrazione, afferma Deisseroth, uno psichiatra praticante che sta testando la stimolazione elettrica come trattamento per la depressione grave. Sappiamo che possiamo ottenere benefici dal trattamento inserendo elettrodi nel cervello, ma non sappiamo davvero quale sia il tipo di cellula bersaglio.
Deisseroth e Boyden stanno ora usando gli interruttori della luce per studiare modelli animali di queste malattie al fine di scoprire esattamente quali cellule devono essere accese o spente. Le loro scoperte potrebbero essere utilizzate per sviluppare nuovi farmaci mirati solo a quelle cellule o, un giorno, per sostituire gli elettrodi con impianti attivati dalla luce più precisi.
L'interruttore potrebbe anche aiutare a decodificare il linguaggio del cervello aiutando i neuroscienziati a determinare come i diversi modelli di attività neurale diano origine a pensieri e azioni complessi. Ad esempio, recenti ricerche hanno suggerito che i modelli elettrici ritmici nel nostro cervello sono importanti per la nostra capacità di prestare attenzione. Gli scienziati potrebbero usare l'interruttore per interrompere questi schemi negli animali e vedere se cancella la loro capacità di prestare attenzione. Oppure potrebbero provare a indurre questi schemi e vedere se questo migliora la concentrazione degli animali. Questo è stato a lungo un sogno dei neuroscienziati, afferma Hausser. Essere in grado di manipolare il modello spazio-temporale di attività in una rete e trovare il codice che è legato a un particolare tipo di comportamento.
Inoltre, gli scienziati possono manipolare le unità specifiche del codice neurale: gli impulsi, o picchi, di attività elettrica che vengono trasmessi tra le cellule. Abbiamo dimostrato di poter spostare i picchi, bloccarli, ritardarli, afferma Boyden. Possiamo davvero alterare la codifica neurale su una scala temporale di un millisecondo. Ciò dovrebbe consentire agli scienziati di determinare quale aspetto del codice - la tempistica dei picchi o la frequenza dei picchi - codifica le informazioni nel cervello, un dibattito che infuria da decenni.