Una delle più importanti scoperte della biologia di questo decennio è l’optogenetica ovvero la capacità di attivare o disattivare neuroni modificati geneticamente utilizzando impulsi di luce blu. L’unico problema è che la tecnica richiede di praticare un foro nel cranio dei soggetti sotto esame. Un nuovo studio descrive come ottenere gli stessi risultati utilizzando gli ultrasuoni, cioè come controllare il cervello di un organismo utilizzando onde sonore non invasive.

L’optogenetica rappresenta una sorta di manna dal cielo per i neuroscienziati consentendo tra le altre cose di osservare i processi di formazione della memoria, attivare o disattivare i recettori del dolore, simulare gli effetti delle droghe, e persino procurare erezioni comandate alle cavie. La tecnica non è mai stata sperimentata sugli esseri umani perché troppo invasiva, ma quando venne inventata, nel 2010, fu nominata “Metodo dell’anno” da Nature.

Nell’optogentica vengono introdotte proteine sensibili ai raggi ultravioletti in un genoma campione attraverso l’introduzione di virus specifici. Per attivare o disattivare i neuroni gli scienziati devono avere accesso fisico alle cellule, il che significa che i crani dei topi da laboratorio (si tratta quasi sempre di loro) devono essere perforati e posizionati in modo da consentire la proiezione dei raggi luminosi.

Il nuovo metodo, inventato da Sreekanth Chalasani del Salk Institute for Biological Studies e descritto all’interno di un nuovo studio pubblicato su Nature Communications è stato battezzato sonogenetica. Chalasani mi ha detto che presenta vantaggi considerevoli rispetto all’optogenetica: in primo luogo i sonogrammi non sono invasivi e possono attraversare la pelle per agire su cellule specifiche senza danneggiare altre.

“Ipotizziamo che gli ultrasuoni possano venire adoperati come attivatori neuronali non invasivi per studiare i circuiti neurali contenuti in cervelli di vertebrati di dimensioni maggiori” ha scritto Chalasani nel suo studio.

Immagine: Nature Communications

In secondo luogo, trattando suoni piuttosto che raggi luminosi, dovrebbe essere possibile attivare o disattivare diversi gruppi di neuroni sfruttando un range di frequenze più ampio.

“Gli ultrasuoni sono perfetti perché possono attraversare la pelle, non si disperdono e mantengono intatta la loro energia anche dopo essere passati per l’epidermide”, mi ha spiegato Chalasani, “potremmo pensare a un copricapo a ultrasuoni da posizionare sulla testa di qualcuno e utilizzarlo per attivare o disattivare i suoi neuroni in maniera non invasiva”.

Per ottenere tutto questo, Chalasani ha scovato una proteina sensibile agli ultrasuoni, chiamata TRP-4 che viene prodotta naturalmente negli organismi invertrebrati quando vengono allungati o compressi.

Chalasani ha prelevato il codice genetico del TRP-4 e l’ha introdotto nel nematode C. Elegans attraverso un virus, rendendo sensibili agli ultrasuoni quattro diversi tipi di neuroni e riuscendo ad attivarli o disattivarli con lo stesso livello di precisione ottenibile tramite l’approccio optogenetico. Visto che i nematodi sono molto piccoli, nel loro caso ha utilizzato delle microbolle per amplificare i suoni.

In un caso Chalasani è riuscito ad indurre il nematode a girarsi su sé stesso tramite impulsi ad ultrasuoni. Ora sta lavorando all’introduzione del TRP-4 all’interno dei topi e spera di poter replicare l’esperimento su di loro il prima possibile.

Non si ritene che la TRP-4 sia presente nei topi, negli umani o in altri vertebrati ma questo non significa che la tecnica non possa funzionare anche su di noi.

“Il genoma dei topi non possiede una proteina analoga, ma inserendo il gene all’interno del genoma di un topo, è possibile ottenerla”, ha dichiarato il ricercatore.

Probabilmente è troppo presto per parlare di potenziali applicazioni per gli umani, ma proviamo a farlo lo stesso. Chalasani mi ha spiegato che l’approccio optogenetico potrebbe venire impiegato per attivare o disattivare i neuroni responsabili dei sintomi peggiori del morbo di Parkinson anche se nessuno ci ha ancora provato perché il metodo è molto invasivo. La sonogenetica potrebbe ovviare a questo inconveniente.

“I medici vorrebbero stimolare i neuroni dei pazienti malati di Parkinson ma per farlo dovrebbero infilare loro un elettrodo nel cervello permettendogli di scaricarsi periodicamente, un’operazione molto difficile e pericolosa”, ha precisato Chalasani, “ma se si riuscisse ad introdurre introdurre il gene sensibile agli stimoli sonori all’interno degli esseri umani, si potrebbero inviare stimoli attraverso un copricapo apposito”.

In ogni caso, l’optogenetica non verrà di certo abbandonata, resta comunque più efficace della sonogenetica su più fronti, uno su tutti: la luce ha il vantaggio di essere più veloce del suono.

“I canali ionici che rispondono agli stimoli luminosi lavorano più velocemente di quelli che reagiscono agli ultrasuoni”, ha illustrato lo scienziato, “agendo sulla corteccia di un cervello umano per grandezze nella scala dei decimo di secondo, l’optogenetica funziona meglio. Credo che le due tecniche si completeranno a vicenda”.

Chalasani ha spiegato che gli ultrasuoni sono ottimi per penetrare nel cervello ma che non possono viaggiare per lunghe distanze attraverso l’aria, il che significa che no, non sarà possibile controllare la mente di una persona a distanza. Non ci attenderà neanche un qualche scenario distopico in cui gli scienziati del governo faranno il lavaggio del cervello alla popolazione attraverso comandi sonogenetici diffusi per mezzo di speaker giganti. Piuttosto, almeno per i primi tempi, gli ultrasuoni dovranno essere emessi da un apparecchio a contatto più o meno diretto con la pelle del cranio.

Il che è comunque una buona cosa. Siamo all’alba di una nuova tecnologia, l’optogentica è stata inventata solo cinque anni e ora si è diffusa ampiamente. Se la sonogenetica potrà essere applicata anche ai mammiferi, prenderà inevitabilmente piede anche quest’ultima.