I neuroni del cervello comunicano attraverso rapidi impulsi elettrici che permettono al cervello di coordinare comportamento, sensazioni, pensieri ed emozioni. Gli scienziati che vogliono studiare questa attività elettrica di solito misurano questi segnali con elettrodi inseriti nel cervello, un compito che è notoriamente difficile e richiede tempo.
I ricercatori del MIT hanno ora trovato un approccio completamente diverso per misurare l’attività elettrica nel cervello, che credono si rivelerà molto più facile e più informativo. Hanno sviluppato una proteina sensibile alla luce che può essere incorporata nelle membrane dei neuroni, dove emette un segnale fluorescente che indica quanta tensione sta vivendo una particolare cellula. Questo potrebbe permettere agli scienziati di studiare come i neuroni si comportano, millisecondo per millisecondo, mentre il cervello esegue una particolare funzione.
“Se si mette un elettrodo nel cervello, è come cercare di capire una conversazione telefonica sentendo parlare solo una persona”, dice Edward Boyden, un professore associato di ingegneria biologica e scienze cognitive e del cervello al MIT. “Ora possiamo registrare l’attività neurale di molte cellule in un circuito neurale e sentirle mentre parlano tra loro”
Boyden, che è anche membro del Media Lab del MIT, del McGovern Institute for Brain Research e del Koch Institute for Integrative Cancer Research, e un HHMI-Simons Faculty Scholar, è l’autore senior dello studio, che appare nel numero del 26 febbraio di Nature Chemical Biology. Gli autori principali dell’articolo sono i postdoc del MIT Kiryl Piatkevich e Erica Jung.
Imaging della tensione
Negli ultimi due decenni, gli scienziati hanno cercato un modo per monitorare l’attività elettrica nel cervello attraverso l’imaging invece della registrazione con elettrodi. Trovare molecole fluorescenti che possono essere utilizzate per questo tipo di imaging è stato difficile; non solo le proteine devono essere molto sensibili ai cambiamenti di tensione, ma devono anche rispondere rapidamente ed essere resistenti al photobleaching (dissolvenza che può essere causata dall’esposizione alla luce).
Boyden e i suoi colleghi hanno escogitato una nuova strategia per trovare una molecola che soddisfacesse tutti questi desideri: Hanno costruito un robot che potrebbe vagliare milioni di proteine, generate attraverso un processo chiamato evoluzione proteica diretta, per i tratti che volevano.
“Si prende un gene, poi si fanno milioni e milioni di geni mutanti, e infine si scelgono quelli che funzionano meglio”, dice Boyden. “Questo è il modo in cui l’evoluzione funziona in natura, ma ora lo stiamo facendo in laboratorio con i robot in modo da poter scegliere i geni con le proprietà che vogliamo.”
I ricercatori hanno fatto 1,5 milioni di versioni mutate di una proteina sensibile alla luce chiamata QuasAr2, che è stata precedentemente progettata dal laboratorio di Adam Cohen dell’Università di Harvard. (Quel lavoro, a sua volta, era basato sulla molecola Arch, che il laboratorio Boyden ha riportato nel 2010). I ricercatori hanno messo ognuno di questi geni in cellule di mammifero (un mutante per cellula), poi hanno fatto crescere le cellule in piatti da laboratorio e hanno usato un microscopio automatico per scattare foto delle cellule. Il robot è stato in grado di identificare le cellule con proteine che soddisfano i criteri che i ricercatori stavano cercando, il più importante essendo la posizione della proteina all’interno della cellula e la sua luminosità.
Il team di ricerca ha poi selezionato cinque dei migliori candidati e ha fatto un altro giro di mutazione, generando 8 milioni di nuovi candidati. Il robot ha scelto i sette migliori di questi, che i ricercatori hanno poi ristretto a un solo candidato, che hanno chiamato Archon1.
Mappatura del cervello
Una caratteristica chiave di Archon1 è che una volta che il gene viene consegnato in una cellula, la proteina Archon1 si incorpora nella membrana cellulare, che è il posto migliore per ottenere una misurazione accurata della tensione di una cellula.
Utilizzando questa proteina, i ricercatori sono stati in grado di misurare l’attività elettrica nel tessuto cerebrale del topo, così come nelle cellule cerebrali delle larve di zebrafish e del verme Caenorhabditis elegans. Questi ultimi due organismi sono trasparenti, per cui è facile esporli alla luce e visualizzare la fluorescenza risultante. Quando le cellule sono esposte a una certa lunghezza d’onda di luce rosso-arancione, il sensore della proteina emette una lunghezza d’onda più lunga di luce rossa, e la luminosità della luce corrisponde alla tensione di quella cella in un dato momento nel tempo.
I ricercatori hanno anche dimostrato che Archon1 può essere utilizzato in combinazione con proteine sensibili alla luce che sono comunemente usate per silenziare o stimolare l’attività dei neuroni – queste sono note come proteine optogenetiche – a condizione che queste proteine rispondano a colori diversi dal rosso. In esperimenti con C. elegans, i ricercatori hanno dimostrato che potevano stimolare un neurone usando la luce blu e poi usare Archon1 per misurare l’effetto risultante nei neuroni che ricevono input da quella cellula.
Cohen, il professore di Harvard che ha sviluppato il predecessore di Archon1, dice che la nuova proteina del MIT porta gli scienziati più vicini all’obiettivo di imaging dell’attività elettrica su scala di millisecondi nel cervello vivo.
“Tradizionalmente, è stato estremamente laborioso progettare indicatori di tensione fluorescenti, perché ogni mutante doveva essere clonato individualmente e poi testato attraverso un lento, manuale patch-clamp elettrofisiologico. Il laboratorio Boyden ha sviluppato un approccio di screening ad alta produttività molto intelligente per questo problema”, dice Cohen, che non è stato coinvolto in questo studio. “Il loro nuovo reporter sembra davvero fantastico nei pesci, nei vermi e nelle fette di cervello. Sono ansioso di provarlo nel mio laboratorio”.
I ricercatori stanno ora lavorando per utilizzare questa tecnologia per misurare l’attività cerebrale nei topi mentre eseguono vari compiti, che secondo Boyden dovrebbe consentire loro di mappare i circuiti neurali e scoprire come producono comportamenti specifici.
“Saremo in grado di guardare una computazione neurale accadere”, dice. “Nei prossimi cinque anni circa cercheremo di risolvere completamente alcuni piccoli circuiti cerebrali”. Tali risultati potrebbero fare un passo avanti verso la comprensione di ciò che un pensiero o un sentimento è in realtà.”
La ricerca è stata finanziata dal HHMI-Simons Faculty Scholars Program, l’IET Harvey Prize, il MIT Media Lab, il New York Stem Cell Foundation Robertson Award, l’Open Philanthropy Project, John Doerr, lo Human Frontier Science Program, il Dipartimento della Difesa, la National Science Foundation, e il National Institutes of Health, compreso un NIH Director’s Pioneer Award.