Optogenetica sau cum pot fi neuronii controlați doar cu lumină 

190 vizualizări

Optogenetica a fost numită metoda anului în 2010 de prestigiosul jurnal științific “Nature Methods”, datorită  rolului său în revoluționarea cercetării științifice a creierului. Metodele optogenetice folosesc o combinație de lumină și inginerie genetică pentru a controla în mod neinvaziv activitatea unei celule neuronale. Astfel circuitele neuronale pot fi studiate cu o rezoluție celulară și cu precizie de milisecundă, “iluminând” calea cercetătorilor spre elucidarea marilor întrebări ale neuroștiinței (precum existența emoțiilor și a comportamentelor complexe).

Lumină și curenți electrici

Tehnica optogeneticii se bazează pe utilizarea unui puls de lumină care duce la deschiderea unei proteine transmembranare numită opsină. Aceste opsine nu sunt doar sensibile la lumină, ci îndeplinesc și funcția de canale de ioni. Atunci când neuronii sunt expuși la lumină, aceste canale se deschid, permițând mișcări de ioni între interiorul celulei și spațiul extracelular. Opsinele diferă în funcție de tipul de ion care poate trece prin canal, lungimea de undă a luminii necesare activării (culoarea sa), precum și proprietățile kinetice ale canalului (viteza de deschidere/închidere, afinitatea pentru specia de ion). Unele tipuri de opsine sunt permeabile doar ionilor de sodiu atunci când sunt activate de lumina albastră, rezultând în depolarizarea (activarea) neuronilor. Alte opsine sunt activate de lumina galbenă și permit trecerea ionilor de clor în interiorul celulei, rezultând într-o hiperpolarizare (inhibare a activității neuronului respectiv).

De la alge la neuroni

Opsinele au fost descoperite în celulele algelor verzi, fiind folosite de acestea în procesul de fototactism (mișcare către sursele de lumină pentru a asigura procesul de fotosinteză). La finalul anilor ‘90, cercetătorii Peter Hegemann și Georg Nagel au introdus într-un oocit de broască o secvență de ADN izolată din aceste alge verzi, ducând la exprimarea acestei opsine sensibile la lumină (numită Channelrhodopsin). Prin expunere la lumină albastră, doar oocitele care exprimau opsina au devenit active din punct de vedere electric. În majoritatea organismelor animale, neuronii sunt principalele celule caracterizate prin activitate electrică. Potențialul de repaos al unui neuron este situat în jurul valorii de -70 milivolți, iar atunci când acesta este activat se generează un potențial de acțiune, un eveniment de 1-2 milisecunde în care potențialul electric crește rapid (depolarizare). Acest proces este esențial pentru transmiterea informației între neuroni. Exprimarea opsinelor în celule neuronale oferă posibilitatea de a controla activitatea acestora utilizând doar pulsuri de lumină, evitând alte metode invazive. Folosind metode de targeting molecular, se poate defini o zonă a creierului în care aceste proteine vor fi exprimate, precum și tipul neuronilor.

Optogenetica și neuroștiințele

Creierul organismelor superioare este un sistem complex și complicat în care zeci de miliarde de neuroni interconectați, fiecare având caracteristici distincte, transmit la nivel de milisecundă informații sub formă de semnale electrice. Aceste semnale controlează funcții biologice de bază dar în același timp dau naștere proceselor cognitive superioare (gânduri, emoții, amintiri). Metodele optogenetice au revoluționat întelegerea modului în care tipurile specifice de neuroni și activitatea lor coordonată contribuie la aceste funcții și fenomene. Prin manipularea precisă a neuronilor în diferite zone ale creierului s-au putut identifica ansambluri și structuri precise de neuroni care controlează funcții fundamentale (foame, sete, respirație, ritm circadian). 

Cercetarea de bază a modului de funcționare a creierului duce la elucidarea mecanismelor unor afecțiuni în care funcționalitatea conexiunilor neuronale este modificată. Din punct de vedere medical aceste descoperiri contribuie la înțelegerea și tratamentul afecțiunilor ca Parkinson’s, Alzheimer’s, depresie, anxietate, dependență, epilepsie. Succesul tratamentelor optogenetice în cazul modelelor animale face ca aceste metode să fie de interes ridicat ca posibile scheme terapeutice aplicate afecțiunilor neurologice umane.