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L’optogenetica in economia: è “utile” studiare il cervello?

La storia delle neuroscienze coincide con l’evoluzione delle tecniche di indagine neuroscientifica”. Così ha affermato di recente Rafael Yuste, professore di neuroscienze alla Columbia University di New York1.

Quella delle neuroscienze moderne è una storia che comincia poco più di un secolo fa. In essa, l’impiego della luce ha svolto un ruolo cruciale sin dall’inizio, ovvero fin da quando le radiazioni luminose emesse da una candela, e riflesse da uno specchietto, colpirono dapprima una fettina di tessuto nervoso impregnato di sali d’argento, poi attraversarono le lenti di un microscopio ottico Zeiss per giungere alla retina adagiata sul fondo dell’occhio di Santiago Ramon y Cajal. Qui si trasformarono in segnali elettrici e chimici che furono trasmessi, tramite il nervo ottico e il nucleo genicolato laterale del talamo, alla corteccia occipitale e ad altre decine di aree della corteccia cerebrale che li elaborarono, li integrarono e resero il grande neuroanatomista spagnolo cosciente delle immagini provenienti dal tessuto nervoso.

sagittale1

Così, assorto nel silenzio del suo laboratorio di Madrid, Cajal poté vedere, disegnare e descrivere con un grado di dettaglio mai raggiunto prima, i contorni e i più fini particolari dei neuroni appartenenti a centinaia di strutture nervose di invertebrati e vertebrati, essere umano compreso.

disegno di Cajal della retina (Istituto Cajal di Madrid)

In questo modo, Cajal arrivò a formulare la dottrina neuronale,

 secondo la quale i neuroni sono cellule come tutte le altre, individui biologici delimitati da una membrana e non formano dei reticoli indistinti, come si era creduto fino ad allora. Il contributo scientifico gli valse il premio Nobel per la medicina e la fisiologia nel 1906, esattamente 110 anni fa. Il premio fu condiviso con l’anatomista italiano Camillo Golgi che aveva inventato la tecnica dell’impregnazione del tessuto nervoso con sali d’argento, conosciuta come colorazione nera, utilizzata da Cajal per visualizzare i neuroni2.

neurone piramidale della corteccia cerebrale (Museo Cajal di Madrid)

La dottrina neuronale costituì un cambio di paradigma scientifico difficile da accettare sul piano culturale: com’era possibile, infatti, che il cervello, il più nobile degli organi, fosse fatto di cellule alla stregua dei polmoni, del fegato, di un infimo mollusco, di un fungo o di un filo d’erba?

In realtà, i neuroni sono sì cellule, ma molto speciali: la membrana cellulare che li definisce è capace di generare segnali elettrici quando viene adeguatamente stimolata. Questa capacità è conferita alla membrana neuronale da un corredo di tunnel proteici, chiamati canali ionici, che regolano lo scambio di acqua e sostanze cariche elettricamente, come gli ioni sodio (Na+), potassio (K+), cloro (Cl) e calcio (Ca++), tra esterno e interno del neurone.

Sono proprio le correnti elettriche veicolate dagli ioni a cavallo della membrana neuronale a generare i segnali elettrici che permettono ai neuroni di rispondere agli stimoli sensoriali, di comunicare tra di loro, di elaborare e integrare informazioni e di attivare i muscoli scheletrici. E sono questi segnali elettrici che permettono a noi di percepire un profumo, una carezza, un colore, di assaporare un buon vino, di suonare uno strumento musicale, di pensare e scrivere un pezzo per il web, di innamorarci, di prenderci cura di un figlio, di compiere scelte esistenziali (“…vado ad abitare lontano da famiglia e amici per uno stipendio più alto, oppure rimango dove sono per il guadagno attuale?…”) e di decidere se fare un investimento ad alto rischio in una start-up indiana oppure andare più sul sicuro, investendo nel più grande fondo pensione americano.

I segnali elettrici generati dai neuroni possono essere registrati grazie a elettrodi speciali collegati ad amplificatori ad alta fedeltà, oppure possono essere trasformati in segnali luminosi grazie all’impiego di alcune sostanze che emettono luce quando la membrana neuronale è attraversata da correnti elettriche. Ad esempio, si può visualizzare l’attività del cervello di un pesce zebra (Danio Rerio) mentre osserva un paramecio, il protozoo di cui normalmente si nutre, nuotare di fronte ai suoi occhi:

Oggi, i neuroscienziati non soltanto utilizzano la luce per osservare la forma dei neuroni e registrarne i segnali elettrici, ma anche per influenzare in maniera precisa e controllata l’attività di interi gruppi di neuroni che svolgono specifiche funzioni.

L’insieme delle tecniche che consentono di perturbare in modo controllato e mirato l’attività elettrica di specifiche popolazioni di neuroni va sotto il nome di optogenetica, nasce dall’incontro tra manipolazione genetica e principi di fisica ottica, ed è frutto della perseveranza e della dedizione di Karl Deisseroth, professore di bioingegneria e psichiatria alla Stanford University, in California.

Alcuni esseri viventi vegetali e animali si orientano nell’ambiente circostante unicamente guidati da fonti di luce, producendo un fenomeno che si chiama fototassi

 Le microscopiche alghe verdi Chlamydomonas reinhardtii, per fare un esempio, sono in grado di muoversi nell’acqua grazie a un sistema visivo primordiale basato su sensori proteici che generano segnali elettrici in risposta alla luce blu

Tali sensori si chiamano channelrodhopsins perché sono simili alla rodopsina, il pigmento visivo di cui sono dotate le cellule della nostra retina.

Nel 2005, dopo anni di tentativi, Deisseroth e il suo gruppo di ricerca riescono a innestare le channelrodhopsins sulla membrana soltanto di alcuni neuroni del cervello, rendendoli neuroni “telecomandati”, perché attivabili utilizzare la luce blu condotta nel cervello da fibre ottiche. I risultati vengono pubblicati su Nature Neuroscience, una delle più accreditate riviste internazionali di neuroscienze3.

Da allora l’optogenetica ha permesso di modificare l’attività di specifici circuiti nervosi per comprendere meccanismi fisiologici e patologici. Se si stimolano, con l’optogenetica, i neuroni dell’ipotalamo laterale, una zona di cervello deputata al controllo dei comportamenti intenzionali, è possibile indurre un animale a cibarsi compulsivamente suggerendo nuovi target per la cura di alcuni disturbi dell’alimentazione, come la bulimia o il binge eating disorder4.

D’altra parte, è grazie all’optogenetica se è stato possibile scoprire che nel cervello affetto da morbo di Alzheimer i meccanismi preposti a generare nuovi ricordi sono preservati, mentre sono compromessi i sistemi che permettono di richiamare i ricordi neoformati. Non solo, ma queste tracce di memoria inaccessibili possono anche essere recuperate.

Uno dei campi in cui l’optogenetica ha fornito risposte inedite e con ricadute future è lo studio dei processi decisionali, meglio conosciuto come neuroeconomia. Due recenti studi di optogenetica hanno portato a individuare alcuni dei circuiti cruciali per prendere decisioni. Il primo studio, pubblicato su Cell nel giugno del 2015 da un gruppo di neuroscienziati dell’MIT di Boston, ha dimostrato che quando siamo chiamati a compiere una scelta tra due alternative con un diverso rapporto costo-beneficio (“…vado ad abitare lontano da famiglia e amici per uno stipendio più alto, oppure rimango dove sono per un guadagno più basso?…”) si mettono in comunicazione una zona della corteccia prefrontale e alcune piccole popolazioni di neuroni che si trovano nella profondità degli emisferi cerebrali. I ricercatori dell’MIT sono anche riusciti, tramite l’optogenetica, a modulare l’attività di questo circuito nei topi e a farli propendere per una scelta piuttosto che per l’altra. Lo stesso circuito è implicato in gravi disturbi psichiatrici come l’ansia5.

Nel secondo studio, ancora a firma di Deisseroth e pubblicato su Nature, i neuroscienziati di Stanford sono riusciti a identificare il circuito che rende i ratti più o meno propensi al rischio, combinando l’optogenetica alla farmacologia. Il circuito in questione coinvolge una piccola popolazione di neuroni del nucleo accumbens sensibili alla dopamina e ha un livello di attività diverso nei ratti che mostrano una maggiore propensione al rischio. Inoltre, modulandone l’attività si può ridurre significativamente la propensione al rischio dei ratti naturalmente portati a rischiare6.

Insomma, “un successo della neuroeconomia” a detta di Nick Hollon e Paul Phillips, i due neuroscienziati rispettivamente del Salk Institute di La Jolla e della University of Washington a Seattle, che hanno firmato l’editoriale su Nature di accompagnamento dell’articolo di Deisseroth e colleghi7, dato che svela un correlato neuronale fondamentale dei comportamenti economici.

In realtà, lo studio di Deisseroth è anche un successo della ricerca medica, poiché apre nuove strade terapeutiche per disturbi psichiatrici molto invalidanti. Infatti, la ricerca dimostra che il nucleo accumbens è attivabile anche tramite il pramipexolo, un farmaco utilizzato per controllare alcuni dei segni e dei sintomi del morbo di Parkinson, ma che può indurre, in alcuni dei pazienti che lo assumono, gioco d’azzardo patologico. Quest’ultimo è un disturbo psichiatrico che può spingere le persone che ne sono affette a dilapidare molto denaro a seguito di scelte finanziarie scellerate e irrazionali e avere, dunque, conseguenze devastanti sulla loro vita.

Bibliografia:

1) From the neuron doctrine to neural networks, R. Yuste, Nature Reviews Neuroscience (2015), 16, 487–497 doi:10.1038/nrn3962

2) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1906/

3) Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity, E. Boyden et al., Nature Neuroscience (2005), 8, 1263–1268 doi:10.1038/nn1525

4) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4131546/

5) A Corticostriatal Path Targeting Striosomes Controls Decision-Making under Conflict Friedman et al., Cell (2015), 161 (6), 1320–1333, http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.04.049

6) Nucleus accumbens D2R cells signal prior outcomes and control risky decision-making. K.A. Zalocusky et al., Nature (2016), 531:642–646 doi: 10.1038/nature17400.

7) Making risk-takers settle. N. Hollon & P. Phillips, Nature (2016), 531:588–589 doi:10.1038/nature17314

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Pubblicato da Mario Rosanova

Laurea in Medicina e Chirurgia e dottorato in Fisiologia, attività di ricerca nel campo del sonno presso l'Université Laval di Quebec City, Canada, prima e come post-doc all'Università di Berna, in Svizzera, poi. Oggi insegno neurofisiologia all'Università degli Studi di Milano e studio coma e ictus. Da sempre affianco l'attività di ricercatore alla divulgazione neuroscientifica e medica sul web.

Una risposta a “L’optogenetica in economia: è “utile” studiare il cervello?”

  1. Grande Scienziato Karl Deisseroth, TI PREGO aiutaci con la tua sperimentazione da ci la cura anti ansia, TI ringrazio per la a Tua scoperta su l ansia!!!! Ci dado la speranza, Grazie

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