L’optogenetica è il controllo dell’azione cellulare mediante una combinazione di tecniche genetiche e ottiche. Questo metodo è iniziato con la scoperta di sostanze biochimiche che producono risposte cellulari quando esposte alla luce. Isolando i geni che codificano per queste proteine, gli scienziati li usano per stimolare le risposte alla luce in altre cellule viventi. Le conoscenze acquisite dall’optogenetica forniscono ai ricercatori una maggiore comprensione dei vari processi patologici.
Negli anni ‘1970, gli scienziati hanno scoperto che alcuni organismi producono proteine che controllano le cariche elettriche che normalmente passano attraverso le membrane cellulari. Queste proteine hanno causato l’interazione tra le cellule quando esposte a determinate lunghezze d’onda della luce. Queste proteine, comunemente chiamate proteine G, sono codificate da un gruppo di geni noti come opsine. Durante questo periodo, i ricercatori hanno scoperto che le batteriorodopsine rispondono alla luce verde. Ulteriori ricerche hanno scoperto altri membri della famiglia delle opsine, tra cui channelrhodopsin e halorhodopsin.
Durante il decennio dal 2000 al 2010, i neuroscienziati hanno scoperto che è possibile estrarre i geni dell’opsina e inserirli in altre cellule viventi, che poi acquisiscono la stessa fotosensibilità. Uno dei metodi inizialmente utilizzati prevedeva la rimozione dei geni dell’opsina, la loro combinazione con un virus benigno e il loro inserimento in neuroni vivi in una capsula di Petri. Quando le cellule iniettate sono state esposte a impulsi di luce verde, i neuroni hanno risposto aprendo canali ionici. Con i canali aperti, le cellule hanno ricevuto un afflusso di ioni che hanno fatto fluire una corrente elettrica, avviando la comunicazione con un altro neurone. Gli scienziati hanno scoperto che altre proteine G rispondono a diversi colori della luce, inibendo o potenziando i canali ionici del calcio e il rilascio di adrenalina.
La ricerca alla fine è passata dall’applicazione dell’optogenetica a un piccolo gruppo di cellule vive all’utilizzo di soggetti di mammiferi vivi. Introducendo i geni dell’opsina nel cervello dei topi, le cellule hanno iniziato a produrre le proteine G. Con queste proteine G e fibre ottiche, gli scienziati sono stati in grado di controllare la velocità di scarica dei neuroni. Hanno anche sviluppato un metodo per convertire una piccola fibra ottica in un elettrodo per fornire una lettura elettrica dell’attività cellulare. Questa interfaccia cervello-computer consente ai ricercatori di valutare e regolare gruppi specifici di cellule in qualsiasi parte del cervello.
Combinando la risonanza magnetica (MRI) e l’optogenetica, i ricercatori sono in grado di mappare le attività ei percorsi neurali all’interno del cervello. Esplorando le complessità della funzione neurologica, i medici acquisiscono una migliore comprensione di ciò che costituisce l’attività cerebrale normale e anormale. A differenza dei farmaci e dell’elettroterapia, l’optogenetica consente la regolazione di cellule e percorsi specifici. La conoscenza e la tecnologia ottenute dall’optogenetica consentono anche il controllo della funzione delle cellule cardiache, dei linfociti e delle cellule pancreatiche secernenti insulina.