Karl Deisseroth, Peter Hegemann și Georg Nagel câștigă Nobelul pentru descoperirile care au dus la optogenetică

Potrivit Nature, motivarea premiului precizează contribuția recompensată: „pentru descoperiri care au dus la optogenetică, ce face posibilă pornirea sau oprirea activității unor celule nervoase individuale într-un creier viu”.

Proteinele sensibile la lumină permit controlul unor celule selectate

Optogenetica presupune introducerea unor proteine sensibile la lumină în celulele alese pentru experiment. Cercetătorii folosesc apoi iluminarea pentru a modifica activitatea acestora, cu precizie atât asupra momentului intervenției, cât și asupra locului în care acționează. Tehnica se aplică neuronilor, dar și altor tipuri de celule.

La începutul anilor 2000, Nagel, Hegemann și colegii lor au descoperit în alge un canal ionic activat de lumină, pe care l-au numit channelrhodopsin. Un asemenea canal permite trecerea particulelor încărcate electric prin membrana celulei.

Echipa a demonstrat că iluminarea canalului produce curenți electrici care modifică starea electrică a membranei atunci când acesta este introdus în ovocite de broască, adică celule reproducătoare feminine, și în celule de mamifere.

În 2005 au urmat două demonstrații distincte. Grupul lui Deisseroth a folosit metoda pe neuroni de șoarece în laborator, controlând declanșarea impulsurilor nervoase și transmiterea semnalelor între neuroni. Nagel și colegii săi au aplicat optogenetica într-un organism viu, C. elegans.

Instrumentele ulterioare au extins precizia experimentelor

Dezvoltarea metodei a inclus soluții pentru limite tehnice concrete. Canalul channelrhodopsin-2 poate declanșa impulsuri nervoase cu precizie de ordinul milisecundelor, însă, când este prezent în cantitate mare, un singur puls luminos poate produce impulsuri suplimentare. Totodată, nu permite menținerea unor serii de impulsuri peste aproximativ 40 de hertzi.

O variantă modificată genetic, numită ChETA, a permis menținerea unor serii de până la 200 de hertzi, unitate care exprimă aici frecvența impulsurilor. Alte variante pot rămâne deschise câteva secunde după activarea luminoasă și pot fi închise printr-un al doilea flash, eliminând necesitatea iluminării continue în timpul experimentului.

Cercetările au extins și felurile în care lumina ajunge la celulele studiate:

• Ritchie Chen și colegii săi au obținut controlul activității neuronale în zone profunde ale creierului folosind ChRmine, fără chirurgie intracraniană.
• Kate L Montgomery și colegii săi au folosit implanturi luminoase mici și ușoare, alimentate prin radiofrecvență, pentru stimularea fără fir a creierului, măduvei spinării și nervilor periferici la șoareci.
• Adam M Packer și colegii săi au stimulat optic celule individuale și prelungiri ale neuronilor, au cartografiat conexiuni în secțiuni de creier de șoarece și au activat simultan doi neuroni aflați în planuri diferite.

Experimentele leagă activitatea neuronilor de comportamente precise

Într-un studiu realizat de Xu Liu și colegii săi, activarea unui grup de neuroni din hipocamp, considerați implicați în codificarea unei anumite amintiri de frică, a provocat un comportament de imobilizare la șoareci.

O cercetare a lui Brian Hsueh și a colegilor săi a folosit optogenetica neinvazivă pentru a crește direct ritmul cardiac la șoareci. Intervenția a influențat comportamente asemănătoare anxietății în anumite contexte de mediu, iar cortexul insular posterior a fost implicat în integrarea semnalelor inimii cu informațiile despre riscurile din mediu.

Aplicarea clinică a permis recuperarea parțială a vederii

Optogenetica a fost folosită clinic la persoane cu boli ale retinei. Studiul semnat de José-Alain Sahel și colegii săi descrie recuperarea parțială a funcției vizuale la un pacient nevăzător, prin combinarea unei injecții în ochi cu stimularea luminoasă oferită de ochelari special concepuți.

Injecția a folosit un vector viral, un vehicul pentru transportul informației genetice, care codifica un senzor optogenetic. Ochelarii furnizau stimularea luminoasă necesară intervenției.

Trecerea cercetărilor către practica medicală implică evaluarea unor obstacole distincte. Christian Lüscher, Valentina Emiliani și Karl Deisseroth discută, într-o lucrare despre aplicațiile la oameni, posibila toxicitate, reacțiile imunitare, alegerile clinice și practice, cerințele de reglementare și considerentele etice.