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Una tecnica optogenetica in grado di modificare il comportamento animale

Una nuova tecnica per l'inserimento di un gene in specifiche cellule target sembra alterare la funzione dei circuiti cerebrali e modificare i comportamenti

ID Articolo: 147329 - Pubblicato il: 12 luglio 2017
Una tecnica optogenetica in grado di modificare il comportamento animale
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La ricerca mostra la possibilità di utilizzare una tecnica optogenetica per la selezione di cellule target nel cervello adulto in un modello animale.

Filomena Propato

 

Messaggio pubblicitario I ricercatori di UW Medicine hanno sviluppato una tecnica per l’inserimento di un gene in specifiche cellule target utilizzato per alterare la funzione dei circuiti cerebrali e modificare i comportamenti in un modello animale. Il metodo ha consentito agli scienziati di capire meglio quali ruoli, determinati tipi di cellule, giocano nel complesso insieme dei circuiti neuronali. La prospettiva futura dei ricercatori è quella di utilizzare tale approccio per sviluppare trattamenti per i disturbi come l’epilessia, che potrebbero divenire curabili mediante l’attivazione di un piccolo gruppo di cellule.

I lavori recenti mostrano che l’approccio può essere usato per alterare la funzione dei circuiti cerebrali e per modificare il comportamento.

Gregory Horwitz, professore di fisiologia e biofisica presso l’Università di Washington School of Medicine di Seattle, ha guidato il team di ricerca. Horwitz afferma che il cervello è costituito da una grande varietà di cellule che svolgono funzioni diverse e sostiene che una delle grandi sfide per le neuroscienze è trovare le giuste modalità per studiare la funzione di specifici tipi di cellule target senza influenzare la funzione di altri tipi di cellule vicine. Lo studio del professore dimostra che tramite questa tecnica optogenetica è possibile selezionare cellule target cerebrali capaci di influenzare il comportamento quasi nell’immediato.

Horowitz e i suoi colleghi del Washington National Primate Research Center di Seattle hanno inserito un gene nelle cellule del cervelletto, coinvolto nell’apprendimento e nel controllo motorio, nel linguaggio, nell’attenzione e in alcune funzioni emotive, come le risposte alla paura o al piacere. Ma la funzione primaria del cervelletto è controllare i movimenti motori e se il suo funzionamento viene compromesso generalmente si va incontro alla perdita di coordinazione. Recenti studi suggeriscono che il cervelletto può essere importante anche nell’apprendimento ed essere probabilmente coinvolto in condizioni come l’autismo e la schizofrenia.

Le cellule selezionate dagli scienziati per lo studio sono chiamate cellule Purkinje. Queste cellule, a cui è stato dato il nome del loro scopritore, l’anatomista ceco Jan Evangelista Purkinje, sono alcuni tra i neuroni più grandi del cervello umano e dotati di un intricato complesso di arborizzazioni dendritiche; sono in grado di elaborare segnali provenienti da centinaia di migliaia di altre cellule cerebrali. La loro caratteristica è quella di essere neuroni inibitori, capaci di regolare i movimenti complessi e coordinati, impedendo l’attuazione di movimenti troppo bruschi.

Il gene inserito, chiamato canalrodopsina-2 (ChR2), codifica per una proteina sensibile alla luce che si inserisce nella membrana della cellula cerebrale. Quando viene esposto alla luce, permette agli ioni – entità molecolari elettricamente cariche – di passare attraverso la membrana. Ciò permette alla cellula cerebrale di attivarsi.

La tecnica optogenetica è comunemente usata per studiare la funzionalità cerebrale nei topi. Ma in questo studio il gene deve essere introdotto nella cellula embrionale del topo. Horwitz afferma:

Questo approccio transgenico si è rivelato prezioso nello studio del cervello. Se deve essere usata per curare la malattia, dobbiamo trovare un modo per introdurre il gene in una fase più tardiva della vita, quando si presentano la maggior parte dei disturbi neurologici.

La sfida per il suo team di ricerca era di cercare di capire come introdurre ChR2 in un tipo specifico di cellule in un animale adulto. Per ottenere questo risultato, hanno utilizzato un virus modificato che trasporta il gene per ChR2 insieme ad un promotore – regione di DNA costituita da specifiche sequenze dette consenso, alla quale si lega la RNA polimerasi per iniziare la trascrizione di un gene, o di più geni segmento.

Messaggio pubblicitario centro psicoterapia Il promotore stimola la cellula ad esprimere il gene e a produrre la proteina di membrana ChR2. Per assicurarsi che il gene fosse espresso solo dalle cellule Purkinje, i ricercatori hanno utilizzato un promotore fortemente attivo in tali cellule, chiamate L7 / Pcp2 – proteina 2 delle cellule Purkinje.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno riferito che, iniettando il virus modificato in una piccola area del cervelletto delle scimmie macaco Rhesus, l’espressione selettiva di ChR2 veniva a verificarsi esclusivamente nelle cellule Purkinje. I ricercatori hanno poi dimostrato che esponendo le cellule trattate alla luce, attraverso una fibra ottica, erano in grado di stimolare le cellule ad attivarsi a velocità differente, influenzando anche il controllo motorio degli animali.

Tali risultati dimostrano l’utilità del vettore virale L7-ChR2 nel rivelare i contributi delle cellule Purkinje nel funzionamento del circuito cerebrale e nel comportamento, dimostrando la fattibilità delle manipolazioni genetiche, su un tipo specifico di cellula target, nei primati.

Con questa scoperta, il prossimo obiettivo dei ricercatori sarà quello di utilizzare diversi promotori per indirizzare altri tipi di cellule coinvolte in differenti comportamenti.

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