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Lmwaw'mwbaoptogenetica è una scienza emergente che combina tecniche ottiche e mwbqgenetiche di rilevazione, allo scopo di mwbgsondare mwbwcircuiti neuronali all'interno di mwcacervelli intatti di mwcqmammiferi e di altri animali, in tempi dell'ordine dei mwcgmillisecondi, tempi necessari per comprendere le modalità di elaborazione e trasformazione delle informazioni tra mwcwneuroni.

• Storia

• Descrizione

• Differenza con le tecniche tradizionali

• Storia

• Dettagli della tecnica

• Eccitazione, inibizione, manipolazione

• Gli sviluppi

• L'uso di fibre ottiche

• Gli scienziati al lavoro

• Note

• Altri progetti

• Collegamenti esterni

Il principio fondamentale su cui si basa tale tecnica innovativa, è l'innesco di un mwdwpotenziale d'azione all'interno di mweaneuroni. Venne scoperto nel mweq2002 da Miesenböckcite-ref-zemelmanlee2002-1-0[1], che fu anche il primo ad utilizzare l'optogenetica per verificare il comportamento animalecite-ref-pmid15820685-2-0[2].

Il termine optogenetica fu coniato nel mwha2006cite-ref-pmid17035522-3-0[3] per riferirsi a metodologie ottiche ad alta velocità utili a sondare e controllare geneticamente ed in modo mirato i mwiqneuroni all'interno di mwigcircuiti neuronali intatti. L'anno dopo venne utilizzato per descrivere questa nuova tecnica nelle pagine di mwiwmwjaScience e mwjqmwjgNature, in articoli di interesse generale e tecnico-scientificicite-ref-pmid17943086-4-0[4]. L'optogenetica è stata selezionata come metodo dell'Anno 2010 da mwkwmwlaNature Methods.cite-ref-pastrana2010-5-0[5]cite-ref-6[6]cite-ref-deisseroth2010-7-0[7]

Il cervello è un sistema le cui funzioni avvengono a velocità elevatissime, per cui la precisione al millisecondo è determinante per comprendere i meccanismi neuronali che stanno alla base del concetto di optogenetica. La genetica tradizionale invece, viene utilizzata per sondare il ruolo causale di specifici geni all'interno delle cellule, attraverso le mwowproteine codificate, spesso mediante lo studio di cambiamenti in "perdita o in mwpqguadagno di funzione", per comprendere come il patrimonio genetico degli organismi controlla lo sviluppo e il comportamento.

La precisione temporale delle tradizionali manipolazioni mwqagenetiche è piuttosto lenta, dell'ordine di ore, giorni o addirittura mesi. Ma per verificare con precisione schemi neuronali sono necessari tempi dell'ordine del mwqqmillisecondo, che solo con l'optogenetica è stato possibile realizzare. Questa tecnica consente l'aggiunta o la sottrazione di precisi schemi di attività all'interno di cellule bersaglio situate nel cervello intatto di animali, compresi i mammiferi. In questo modo l'introduzione di mwqgenzimi in canali mwqwcationici attivati dalla mwraluce, ha consentito la manipolazione dell'attività mwrqneuronale con una precisione al millisecondo, pur mantenendo una risoluzione mwrgcellulare attraverso l'uso di specifici meccanismi bersaglio.

Come risultato si è potuto indurre, in specifiche cellule animali, dei treni di potenziali d'azione a mwsafrequenze specifiche. La potenziale importanza di controllare selettivamente precisi modelli di potenziali d'azione nell'ambito di sottotipi di mwsqcellule mwsgcerebrali (per esempio, utilizzare la mwswluce per controllare i neuroni sensibili mwtaotticamente), venne illustrata da mwtqFrancis Crick nelle sue lezioni presso l'Università della California a San Diego.cite-ref-pmid10670022-8-0[8]

Tra il 2002 ed il 2005 sono stati collaudati diversi metodi di fotostimolazione geneticamente mirata: dall'originale utilizzo delle mwvqopsine da parte del gruppo Miesenböck, al successivo gruppo di Kramer e Isacoff. Per una serie di ragioni tecniche, mentre si realizza il controllo mwvgfotonico della mwvwrete neurale, non è possibile il controllo dei modelli d'azione dei potenziali nei mwwamammiferi.

Nel 2005, il gruppo di Karl Deisserothcite-ref-pmid16116447-9-0[9] della School of Medicine della mwyqStanford University ha proposto l'utilizzo di una mwygopsina mwywmicrobica in mwzaneurobiologia, la canalrodopsina-2, un singolo componente estratto dalle mwzgalghe, che ha consentito controlli funzionali su scale temporali dell'ordine di millisecondi, che richiede solo un'mwzwespressione genica per funzionare, e che si attiva con la mwaaluce dello mwaqspettro visibile mediante un mwagcromoforo (mwawretinico) già presente e che forniva la canalrodopsina-2 dal tessuto cerebrale dei mammiferi. L'utilità sperimentale della ChR2, per analizzare i mwbacircuiti neuronali, fu rapidamente verificata su diversi animali, dai mwbqmammiferi, ai mwbgvermi, al mwbwpesce zebra, e dal mwca2005 centinaia di gruppi di lavoro hanno utilizzato la ChR2 e le relative mwcqproteine mwcgmicrobiche. Per eccitare i neuroni, oltre alla canalrodopsina-2 è stata individuata un'altra opsina, la Volvox Canalrodopsina-1 (VChR1).

Per studiare le funzioni di una mwdgrete neurale biologica sono necessarie sia opsine di eccitazione che opsine di mweainibizione: le mweqopsine mwegmicrobiche ChR2 e VChR1, assieme alla Halorodopsina ed alla Archaerodopsina sono opsine di eccitazione, mentre le opsine mwfqfungine come quella da mwfgLeptosphaeria maculans, vengono utilizzate quale meccanismo di inibizione dei neuroni. In mezzo, per variare la concentrazione dei messaggeri intracellulari in singole cellule, come il mwgaGuanosin-monofosfato ciclico (cGMP), l'mwgqInositolo trifosfato (IP3), e l'mwggAdenosina monofosfato ciclico (cAMP), sono stati creati degli appositi fotosensori mwgwchimerici, attraverso una fusione di opsine con specifici recettori accoppiati a mwhaproteine-Gcite-ref-pmid15709741-10-0[10]cite-ref-pmid18093822-11-0[11]. Questa serie di sonde optogenetiche, consente ora, sia il controllo temporalmente più preciso delle cellule-tipo specifiche, che il controllo funzionale multiplo degli mwjqassoni neuronali, all'interno animali intatti.

L'Optogenetica comprende necessariamente due aspetti fondamentalimwka :

1. mwkwLo sviluppo di strategie di bersaglio mwlagenetico, quali i promotori di cellule specifiche o altri mwlqvirus su misura attivo-condizionale, per fornire le mwlgsonde sensibili alla mwlwluce di specifiche popolazioni di mwmaneuroni nel cervello di animali vivi (per esempio mwmqvermi, mwmgmoscerini della frutta, mwmwtopi, mwnaratti e mwnqscimmie).

2. mwnwLo sviluppo di strategie mwoahardware (ad esempio integrato a sorgenti di luce a mwoqfibre ottiche e allo mwogstato solido) per consentire all'interno del cervello specifiche analisi cellulari, anche in profondità. Quest'ultima tecnica viene realizzata nel 2007, utilizzando una tecnologia a mwowdiodi accoppiati a mwpafibre ottichecite-ref-pmid17943086-4-1[4]

Per stimolare aree come la corteccia cerebrale, sono state utilizzate mwqwfibre ottiche o mwraLED direttamente montate al cranio dell'animale. Più profondamente le fibre ottiche vengono impiantate, più la luce arriva in aree più profonde del cervello. Le opsine microbiche (comprese la ChR2, la VChR1, e la Arch), realizzano un vantaggio fondamentale: sono pienamente funzionali all'interno del cervello dei mammiferi senza l'aggiunta di co-fattori esogeni.

L'optogenetica ha favorito la comprensione di come specifici tipi di cellule neuronali contribuiscono alla funzione dei circuiti neurali in vivocite-ref-pmid17943086-4-2[4]cite-ref-pmid17873414-12-0[12]cite-ref-pmid19005051-13-0[13]cite-ref-pmid18-14-0[14] cite-ref-pmid17442243-15-0[15]cite-ref-pmid19-16-0[16]. Sul versante clinico, i pazienti affetti dalla mwxwmalattia di Parkinson e da altri disturbi mwyaneurologici e mwyqpsichiatrici possono trarre beneficio da intuizioni che sorgono nel corso della ricerca optogenetica. In effetti, nel 2009 le ricerche sull'optogenetica hanno fornito preziose informazioni per la comprensione dei meccanismi di sviluppo di malattie quali la malattia di Parkinson, l'mwygautismo, la mwywschizofrenia, la mwzadepressione e dipendenze quali la mwzqtossicodipendenzacite-ref-pmid19396156-17-0[17]cite-ref-pmid19389999-18-0[18].

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Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Optogenetica

• mwad0Optogenetics Resource Center, il portale del laboratorio di Karl Deisseroth.

• mwaeasintetica Neurobiologia Group, MIT, il portale del laboratorio Boyden.

• mwaeiOpenOptogenetics.org mwaemArchiviato il 19 maggio 2016 nel Portuguese Web Archive., un wiki aperto circa optogenetics.

• mwaeyOptophysiology presso il laboratorio di Tyler, su tylerlab.com. URL consultato il 29 gennaio 2011 (archiviato dall'url originale il 13 settembre 2010).

• mwaegLaboratorio del dottor Zhuo-Hua Pan, su med.wayne.edu. URL consultato il 29 gennaio 2011 (archiviato dall'url originale il 15 dicembre 2010).