Per capire come funziona il cervello non basta sapere dove si trovano i neuroni. Occorre osservare quali cellule entrano in attività, quando lo fanno e che cosa accade se un determinato circuito viene attivato o bloccato.
L’optogenetica permette di affrontare proprio questo problema. La tecnica combina genetica e luce per rendere specifiche cellule nervose sensibili a particolari lunghezze d’onda. In laboratorio è così possibile controllare l’attività di gruppi selezionati di neuroni con una precisione temporale che può arrivare all’ordine dei millisecondi.
Cos’è l’optogenetica?
Il termine unisce due elementi: ottica e genetica.
L’obiettivo è rendere una popolazione di cellule sensibile alla luce. Per farlo, i ricercatori introducono nelle cellule l’informazione genetica necessaria a produrre particolari proteine fotosensibili, chiamate opsine.
Una delle più conosciute è la channelrhodopsin-2, ChR2. Quando viene esposta alla luce appropriata, questa proteina modifica il passaggio di ioni attraverso la membrana del neurone. La variazione delle cariche elettriche può favorire l’attivazione della cellula nervosa. [1]
Altre opsine possono invece essere utilizzate per ridurre o inibire l’attività neuronale. L’effetto dipende quindi dalla proteina scelta e dal tipo di luce utilizzato. [2]
Come può la luce accendere un neurone?
Per comprenderlo occorre partire dal modo in cui comunicano le cellule nervose.
I neuroni trasmettono informazioni attraverso segnali elettrici e chimici. La loro membrana mantiene una differenza di carica tra interno ed esterno grazie alla distribuzione degli ioni. Quando questa situazione cambia abbastanza da raggiungere una determinata soglia, può generarsi un potenziale d’azione, cioè il segnale elettrico che percorre il neurone.
Le opsine funzionano come minuscoli dispositivi molecolari inseriti nella membrana. Alcune si aprono quando vengono colpite dalla luce e permettono agli ioni di attraversarla. Il risultato è una modifica molto rapida dell’attività elettrica della cellula. [1,2]
La luce, quindi, non attiva normalmente i neuroni da sola. Sono le proteine fotosensibili introdotte nelle cellule a renderle controllabili con uno stimolo luminoso.
Perché l’optogenetica è più precisa della stimolazione elettrica?
La stimolazione elettrica ha avuto un ruolo fondamentale nello studio del cervello. Presenta però un limite: una corrente applicata a un’area cerebrale può influenzare diversi tipi di cellule e fibre nervose presenti nelle vicinanze.
Con l’optogenetica è possibile aggiungere l’opsina soltanto a determinate popolazioni neuronali. Quando arriva la luce, quindi, rispondono principalmente le cellule predisposte a riconoscerla. [1,2]
È questa selettività ad aver reso la tecnica particolarmente preziosa.
Se in un’area del cervello convivono neuroni con funzioni differenti, il ricercatore può cercare di attivarne un solo gruppo e osservare che cosa cambia. Può quindi passare dalla semplice osservazione di un’attività cerebrale a una domanda più precisa: quel particolare circuito è realmente coinvolto nel comportamento osservato?
Come viene usata per creare una mappa del cervello?
Una mappa anatomica mostra quali aree sono collegate. Una mappa funzionale deve invece spiegare come viene utilizzato quel collegamento.
Con l’optogenetica i ricercatori possono stimolare una popolazione di neuroni e registrare la risposta di cellule vicine oppure di aree cerebrali più lontane. In questo modo è possibile ricostruire il percorso seguito dall’informazione attraverso la rete nervosa. [2,3]
La scala può cambiare. Si possono studiare interazioni tra piccoli gruppi di cellule oppure osservare le conseguenze dell’attivazione di una regione su circuiti distribuiti in gran parte del cervello.
Questo approccio ha contribuito allo studio di processi molto diversi, tra cui memoria, paura, ricompensa, movimento e comportamento. [2]
Cosa ha mostrato l’optogenetica dopo un ictus?
Uno degli aspetti più interessanti riguarda ciò che accade quando una parte della rete cerebrale viene danneggiata.
In uno studio sui topi, l’optogenetica è stata utilizzata per creare mappe funzionali dopo un piccolo ictus corticale. Una settimana dopo la lesione, la riduzione dell’attività non riguardava soltanto la zona direttamente interessata: erano meno reattive anche regioni lontane. [3]
A otto settimane l’attività risultava in parte recuperata, pur senza essere completamente tornata alla situazione precedente. [3]
Questo risultato mostra che una lesione localizzata può avere conseguenze su una rete cerebrale molto più ampia. Il recupero, allo stesso modo, non riguarda necessariamente soltanto il tessuto attorno alla zona lesionata.
L’optogenetica può controllare emozioni e ricordi?
La possibilità di attivare gruppi molto specifici di neuroni ha permesso di affrontare una domanda particolarmente affascinante: è possibile modificare un comportamento agendo direttamente sul circuito che lo controlla?
Negli animali, in determinate condizioni sperimentali, la risposta può essere sì. Nei topi, per esempio, la stimolazione optogenetica di una specifica connessione dell’amigdala ha modificato rapidamente alcuni comportamenti associati all’ansia. [3]
Anche la memoria è stata studiata con questo approccio. In un esperimento del 2012, alcuni neuroni dell’ippocampo attivi durante la formazione di un ricordo associato alla paura sono stati successivamente riattivati attraverso la luce. Gli animali hanno mostrato nuovamente un comportamento compatibile con il richiamo di quella memoria. [4]
Questi risultati non significano che esista un interruttore capace di accendere paura, felicità o ricordi nell’essere umano. Emozioni e memoria derivano dall’interazione di reti cerebrali molto più ampie. L’optogenetica permette piuttosto di isolare alcuni componenti di queste reti e verificare quale ruolo abbiano nel comportamento.
L’optogenetica può essere utilizzata nell’uomo?
Nelle neuroscienze, la maggior parte delle applicazioni dell’optogenetica riguarda ancora modelli animali e studi di laboratorio.
Per controllare direttamente i neuroni occorre infatti far produrre alle cellule una proteina fotosensibile e portare una quantità sufficiente di luce nel tessuto interessato. Nel cervello questi passaggi pongono problemi tecnici, biologici, clinici ed etici. [5]
Esiste però un settore nel quale la traduzione clinica ha già fornito risultati sperimentali: la retina.
Nel 2021 uno studio ha descritto un paziente con retinite pigmentosa al quale erano state rese fotosensibili alcune cellule retiniche attraverso una strategia optogenetica. Con l’aiuto di speciali occhiali capaci di proiettare stimoli luminosi sulla retina trattata, il paziente ha recuperato parzialmente alcune capacità visive, come localizzare e riconoscere determinati oggetti. [4]
Il risultato rappresenta una prova di principio e non significa che l’optogenetica sia già una terapia disponibile per le comuni malattie neurologiche.
L’optogenetica potrà curare le malattie del cervello?
È ancora troppo presto per considerarla una terapia neurologica di routine.
La sua importanza attuale deriva soprattutto dalla capacità di mostrare rapporti di causa ed effetto all’interno dei circuiti cerebrali. Se l’attivazione di una popolazione neuronale modifica un comportamento o un sintomo in un modello sperimentale, quel circuito può diventare un bersaglio da studiare anche con altri strumenti terapeutici. [5]
Le conoscenze ottenute con l’optogenetica potrebbero quindi contribuire allo sviluppo di farmaci, tecniche di stimolazione cerebrale o altre strategie, anche quando la luce non viene impiegata direttamente nel paziente. [5]
Più che un interruttore con cui controllare semplicemente il cervello, l’optogenetica è quindi soprattutto uno strumento per capire quali cellule fanno che cosa e come lavorano insieme.
Bibliografia
- Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci. 2005;8(9):1263-1268. doi:10.1038/nn1525.
- Deisseroth K. Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nat Neurosci. 2015;18(9):1213-1225. doi:10.1038/nn.4091.
- Lim DH, LeDue JM, Mohajerani MH, Murphy TH. Optogenetic mapping after stroke reveals network-wide scaling of functional connections and heterogeneous recovery of the peri-infarct. J Neurosci. 2014;34(49):16455-16466. doi:10.1523/JNEUROSCI.3384-14.2014.
- Sahel JA, Boulanger-Scemama E, Pagot C, et al. Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nat Med. 2021;27(7):1223-1229. doi:10.1038/s41591-021-01351-4.
- Lüscher C, Emiliani V, Farahany N, Gittis A, Gradinaru V, High KA, et al. Roadmap for direct and indirect translation of optogenetics into discoveries and therapies for humans. Nat Neurosci. 2025;28(12):2415-2431. doi:10.1038/s41593-025-02097-9.
- Deisseroth K. Optogenetics. Nat Methods. 2011 Jan;8(1):26-9. doi: 10.1038/nmeth.f.324. Epub 2010 Dec 20. PMID: 21191368; PMCID: PMC6814250.
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