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La luce può influenzare i neuroni, che possono causare il morbo di Alzheimer, l'epilessia e altri disturbi se smettono di funzionare.

Il cervello contiene miliardi di neuroni, minuscole cellule che utilizzano impulsi elettrici e segnali chimici per comunicare tra loro e con altre parti del corpo.

Quando i neuroni smettono di funzionare correttamente, possono svilupparsi disturbi cerebrali come il morbo di Alzheimer, l'epilessia o la depressione.

Per comprendere e gestire meglio questi disturbi, gli scienziati hanno sviluppato tecniche di stimolazione cerebrale che consentono loro di influenzare l'attività neurale.

Nei metodi convenzionali di stimolazione cerebrale profonda, neurostimolatori elettrici, o "pacemaker cerebrali", vengono impiantati chirurgicamente nel cervello.

Mentre la scienza del cervello continua a progredire, i ricercatori hanno sviluppato metodi meno invasivi per stimolare le cellule in profondità all'interno del cervello.

Mentre alcuni esperti hanno utilizzato impulsi magnetici o onde sonore per stimolare i neuroni, i ricercatori nel campo dell'optogenetica hanno utilizzato la luce.

Il vincitore del Premio Scienza e PINS di quest'anno per la neuromodulazione, Shuo Chen, PhD, è stato premiato per il suo lavoro in quest'area.

“Dott. Chen e colleghi hanno dimostrato che la luce nel vicino infrarosso, se usata in combinazione con alcune nanoparticelle, permetteva la stimolazione dei neuroni in profondità nel cervello”,Dott.Karl Deisseroth, professore di bioingegneria, psichiatria e scienze comportamentali alla Stanford University, ha detto a Healthline.

"È necessario fare più lavoro per rendere questo un processo solido e utile", ha affermato, "ma il dottor Chen e i colleghi hanno compiuto un passo fondamentale".

Ingegneria delle cellule cerebrali fotosensibili

Deisseroth è uno dei principali pionieri dell'optogenetica, una tecnica in cui le cellule cerebrali sono geneticamente modificate per rispondere alla luce.

In questo metodo di stimolazione cerebrale, gli scienziati trasferiscono frammenti di codice genetico derivati ​​da alghe e altri microbi nelle cellule cerebrali di topi o altri animali.Quel codice genetico fa sì che i neuroni producano proteine ​​sensibili alla luce, note come opsine.

Quando gli scienziati espongono i neuroni produttori di opsina a determinate lunghezze d'onda della luce dello spettro visibile, quei neuroni si accendono o si spengono.

Attivando o sopprimendo neuroni specifici, i ricercatori possono saperne di più sul ruolo che questi neuroni svolgono nella funzione cerebrale e nei disturbi cerebrali.

"In questo modo, il ruolo causale e il significato funzionale dell'attività cellulare possono essere determinati in qualsiasi specie o tessuto o comportamento di interesse, dalla memoria all'umore al movimento",disse Deisseroth.

"L'optogenetica offre una capacità impareggiabile di parlare il linguaggio naturale del cervello, in termini di specificità e velocità del tipo cellulare", ha aggiunto.

Sviluppo di tecniche non invasive

I neuroni produttori di opsina rispondono solo alla luce dello spettro visibile, che non può penetrare in profondità nel tessuto cerebrale.

Di conseguenza, la stimolazione optogenetica ha storicamente richiesto l'inserimento di sorgenti luminose in fibra ottica all'interno del cervello.

Per sviluppare un metodo meno invasivo di erogazione della luce, Deisseroth e la sua collega Polina Anikeeva, PhD, hanno proposto l'uso della luce nel vicino infrarosso (NIR).

La luce NIR può passare attraverso il cranio e in profondità nel tessuto cerebrale, senza l'inserimento di sorgenti luminose interne.Tuttavia, la luce NIR non attiva una risposta dai neuroni produttori di opsina.

Per sfruttare il potere di penetrazione nei tessuti della luce NIR, Deisseroth e Anikeeva hanno ideato un metodo brevettato per rivestire i neuroni produttori di opsina in minuscole nanoparticelle che convertono la luce NIR in luce dello spettro visibile.Questa tecnica è nota come upconversion NIR.

Chen e il suo team di ricerca hanno applicato questo metodo, dimostrando per la prima volta che l'optogenetica di conversione NIR può essere utilizzata per controllare i neuroni nel profondo del cervello dei topi.

Il team di ricerca di Chen ha utilizzato questa tecnica per stimolare il rilascio di dopamina in un'area del cervello che si ritiene abbia un ruolo nella depressione.

"Superare la sfida della profondità di penetrazione ottica sarà la chiave per realizzare un'optogenetica remota non invasiva con un elevato potenziale di traduzione clinica",Chen ha scritto nel suosaggio premiatosull'argomento.

"Il nostro recente studio ha affrontato questo problema applicando un approccio assistito da nanomateriali che" sposta "gli strumenti optogenetici esistenti nella regione del vicino infrarosso", ha aggiunto.

Applicazione della stimolazione cerebrale negli esseri umani

Mentre gli scienziati continuano a ricercare l'optogenetica nei topi, nei pesci zebra e in altri animali, non è stata studiata come trattamento per i disturbi cerebrali nei soggetti umani.

È necessario svolgere ulteriore lavoro per sviluppare e testare metodi non invasivi di somministrazione della luce, nonché strategie non invasive per il trasferimento del codice genetico nelle cellule cerebrali.

"È troppo presto per prevedere quale tecnica emergerà in prima linea nella tecnologia di stimolazione cerebrale non invasiva di prossima generazione",Chen ha detto, in un comunicato stampa emesso dall'American Association for the Advancement of Science.

"Tuttavia, riteniamo che risultati come l'optogenetica di upconversion NIR stiano rapidamente sbloccando numerosi percorsi di sviluppo e aprendo la strada verso un brillante futuro terapeutico", ha continuato.

Nel frattempo, vengono sviluppati, testati e utilizzati anche altri metodi di stimolazione cerebrale non invasiva nell'uomo.

"Esistono metodi non invasivi che non richiedono terapie geniche, come la stimolazione magnetica ed elettrica transcranica, che sono già usati comunemente con soggetti umani su base sperimentale",Ed Boyden, PhD, professore di neurotecnologia presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT), ha detto a Healthline.

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è una procedura non invasiva in cui i campi magnetici vengono utilizzati per stimolare le cellule nervose nel cervello.La Food & Drug Administration (FDA) lo ha già fattoconsentitola commercializzazione della TMS come trattamento per la depressione maggiore, il disturbo ossessivo compulsivo e l'emicrania.

I membri del gruppo di ricerca di Boyden hanno anche condotto ricerche sulla stimolazione elettrica transcranica (TES), un approccio non invasivo alla stimolazione cerebrale in cui gli elettrodi sono posizionati sul cuoio capelluto.Sperano che questa tecnica consentirà loro di raggiungere le cellule in profondità all'interno del cervello, con maggiore precisione rispetto alla TMS.

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