Luce nel cervello

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Una sonda riesce a esplorare le aree più nascoste del cervello. Credit: Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).

Un nuovo strumento per analizzare, grazie a stimoli luminosi, aree più ampie e profonde del cervello al fine di comprendere meglio le basi fisiopatologiche di alcune malattie: questo il risultato pubblicato su Nature Neuroscience lo scorso 19 giugno, frutto di un lavoro di ricerca condotto dall’IIT di Lecce in collaborazione con la Harvard Medical School di Boston.

Il dispositivo realizzato è una microsonda ottica che, attraverso la luce, consente di modulare l’attività elettrica del cervello con un approccio minimamente invasivo.

Ma di cosa si tratta esattamente? Ne parliamo con Ferruccio Pisanello, responsabile del laboratorio di Multifunctional Neural Interfaces dell’IIT e titolare di un finanziamento da parte dell’European Research Council (ERC), e con Massimo De Vittorio, coordinatore del Centro di IIT a Lecce e impegnato, insieme a Bernardo Sabatini, in un progetto finanziato dal National Institute of Health (NIH) statunitense.

“Questo lavoro si colloca all’interno dell’optogenetica, una tecnica nata nel 2002 e utilizzata in neuroscienze per modulare l'attività dei neuroni con la luce. La sua peculiarità è riuscire a far esprimere sui neuroni di mammifero dei canali di membrana che possono essere attivati con la radiazione luminosa; questo permette di iperpolarizzare o depolarizzare le cellule, per così dire ‘accendendo’ e ‘spegnendo’ i neuroni. L’optogenetica rappresenta un passo in avanti rispetto alle tecniche di stimolazione elettrica precedentemente usate: innanzitutto permette di inibire, e non soltanto di stimolare, gli impulsi nervosi; in secondo luogo consente di essere selettivi verso una determinata tipologia cellulare. Proprio perché si tratta di una tecnica genetica, è possibile infatti far esprimere i canali di membrana solo su determinati tipi di neuroni, ad esempio su tutti i neuroni piramidali o su tutti i neuroni GABA-ergici. In questo modo si può andare ad analizzare il comportamento delle sole cellule del circuito di interesse per un determinato studio”.

In che modo viene realizzata la stimolazione luminosa del cervello?

“Questa tecnica rappresenta una metodologia di ricerca sinora applicabile soltanto su modelli animali come topi o primati non umani” spiegano Pisanello e De Vittorio. “Ciò che viene fatto è praticare una craniotomia all’animale e impiantare la fibra ottica nel sito cerebrale che si intende studiare. I limiti di questo approccio sono da un lato l’opacità del tessuto cerebrale, che ostacola la diffusione della luce, dall’altro l’invasività della tecnica: l’impianto provoca la deformazione del tessuto cerebrale adiacente, e tutto intorno alla sonda si sviluppa una reazione infiammatoria, con accumulo di cellule gliali. Questo, unito alla bassa capacità di illuminazione delle fibre ottiche tradizionali (300-400 micron a fronte di uno spessore di circa 1 mm della corteccia cerebrale del topo), ha comportato sinora la possibilità di stimolare solo piccole aree cerebrali piuttosto superficiali. Proprio per superare i limiti di questa tecnica abbiamo lavorato allo sviluppo di una nuova tipologia di fibre ottiche, le TFs (tapered optical fibers)”.

Le TFs rappresentano, dunque, il cuore della ricerca pubblicata su Nature Neuroscience. In cosa si differenziano dalle fibre ottiche tradizionali?

“La caratteristica fondamentale che differenzia le TFs dalle fibre ottiche tradizionali o FFs (flat-faced optical fibers) è la forma affusolata della punta. Le FFs terminano con una faccetta piana e hanno forma cilindrica, mentre le TFs si presentano come dei coni e terminano con una punta che ha le dimensioni di circa 500 nanometri, cioè 20 volte più piccola di una cellula neuronale. Questa riduzione graduale del diametro permette di sfruttare in maniera ottimale la fisica che regola la propagazione della luce nella fibra ottica.

Il primo grande vantaggio delle fibre ottiche TFs è la possibilità di aumentare il volume di illuminazione, arrivando a stimolare intere aree funzionali, come la corteccia, lo striato, ma anche il talamo o l'amigdala. In secondo luogo siamo ora in grado di esplorare zone profonde del cervello con maggiore precisione e senza ricorrere a potenze elevate che genererebbero calore e artefatti (cosa che accadeva con le fibre ottiche tradizionali). Infine, le TFs consentono di studiare contemporaneamente regioni cerebrali diverse (ad esempio il talamo e la corteccia), indagandone le reciproche interazioni. Possiamo quindi affermare che queste fibre ottiche ci consentono di effettuare analisi più ampie, ma nel contempo più fini in un contesto cerebrale meno soggetto a manipolazioni invasive e quindi più scevro da artefatti”.

Quali applicazioni pratiche potranno trovare le informazioni tratte da questo genere di studi?

“La tecnica nasce con l’intento di comprendere i circuiti implicati nello sviluppo di alcune patologie neurologiche e psichiatriche: vi sono degli studi sul morbo di Parkinson e sugli attacchi di panico ed esistono dei protocolli di deep brain stimulation, che vengono utilizzati ad esempio nella depressione. Tuttavia bisogna tenere presente che si tratta di ricerca di base, che ha l’obiettivo non tanto di individuare un trattamento a una malattia, quanto di comprendere i meccanismi che sostengono certe funzioni cerebrali. In tal senso, la nostra ricerca si colloca in un più ampio settore di studi che verte sulla stimolazione ottica del cervello; è probabile che i nostri risultati potranno essere utili anche per altri lavori, non solo in quest’ambito”.

Questa ricerca fa anche parte dei progetti finanziati dall’European Research Council (ERC): si tratta di uno Starting Grant, conferito nel 2016 a Ferruccio Pisanello, 33 anni, Ingegnere delle Telecomunicazioni con un dottorato in Fisica conseguito in Francia. Cosa ha significato per lei ricevere un finanziamento così prestigioso?

“Io sono rientrato in Italia nel 2011, e nel 2012 ho iniziato a lavorare a questa attività con  Massimo De Vittorio. Il gruppo di lavoro su questo progetto esisteva già prima del Grant, e già in precedenza era all’avanguardia per micro-nanotecnologia e fotonica. Gli Starting Grant sono pensati per avviare un nuovo gruppo di ricerca: ricevere questo finanziamento ha rappresentato quindi, per me, un modo per rafforzare le attività e poter coordinare un team dedicato allo sviluppo di dispositivi per studiare il sistema nervoso centrale.

Non bisogna dimenticare, tuttavia, che questa attività a livello scientifico è stata supportata molto anche prima del Grant, e senza quel supporto non ci sarebbero potuti essere i risultati preliminari che mi hanno poi permesso di dare credibilità al piano di lavoro che è stato presentato per ottenere il finanziamento. Da questo punto di vista è importante avere il supporto di istituzioni che credano in nuove attività di frontiera, come è successo a me con IIT”.

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