Nuova sonda molecolare per studiare il cervello

Un team interdisciplinare di scienziati ha creato un nuovo strumento molecolare per aiutarci a comprendere meglio le basi cellulari del comportamento del cervello.

Una nuova sonda molecolare della Stanford University potrebbe aiutare a rivelare come il nostro cervello pensa e ricorda. Questo strumento, chiamato Fast Light and Calcium-Regulated Expression o FLiCRE, può essere inviato all'interno di qualsiasi cellula per eseguire una varietà di compiti di ricerca, tra cui tagging, registrazione e controllo delle funzioni cellulari.

«Questo lavoro raggiunge un obiettivo centrale delle neuroscienze: come trovi il sistema di neuroni che è alla base di un pensiero o di un processo cognitivo? I neuroscienziati desiderano questo tipo di strumento da molto tempo», ha affermato la dottoressa Alice Ting, (1) professoressa di genetica presso la Stanford School of Medicine e di biologia presso la School of Humanities and sciences, il cui team ha co-condotto questo lavoro con il laboratorio di Stanford psichiatra e bioingegnere, Karl Deisseroth. (2)

Negli esperimenti proof-of-concept, dettagliati in un articolo pubblicato su Cell, (3) i ricercatori hanno utilizzato FLiCRE (Fast Light and Calcium-Regulated Expression) per acquisire un'istantanea dell'attività neurale associata al comportamento di evitamento nei topi. Accoppiando l'istantanea FLiCRE con il sequenziamento dell'RNA, hanno scoperto che questi neuroni attivati appartenevano principalmente a un singolo tipo di cellula, che era inaccessibile utilizzando solo strumenti genetici. Hanno quindi utilizzato FLiCRE in combinazione con un'opsina - una proteina per il controllo dell'attività neurale con la luce sviluppata da Deisseroth - per riattivare quegli stessi neuroni il giorno dopo, il che ha portato i topi a evitare di entrare in una certa stanza. Si ritiene che la regione del cervello studiata dai ricercatori, chiamata nucleo accumbens, svolga un ruolo importante nelle malattie psichiatriche umane, compresa la depressione.

Tecnologia molecolare modulare

FLiCRE è costituito da due catene di componenti molecolari che rispondono alla presenza di luce blu e calcio. Questa sensibilità alla luce consente ai ricercatori di controllare con precisione i tempi dei loro esperimenti e il calcio è un indicatore quasi universale dell'attività cellulare. Per ottenere FLiCRE (Fast Light and Calcium-Regulated Expression) all'interno di una cellula, i ricercatori lo impacchettano, in due parti, all'interno di un virus innocuo. Una parte di FLiCRE si lega alla membrana cellulare e contiene una proteina che può entrare nel nucleo della cellula e guidare l'espressione di qualsiasi gene selezionato dai ricercatori. L'altra parte di FLiCRE è responsabile della liberazione della proteina in determinate condizioni specifiche, vale a dire se la concentrazione di calcio è elevata e la cellula è immersa nella luce blu.

Mentre le tecniche di tagging esistenti richiedono ore per l'attivazione, il processo di tagging FLiCRE richiede solo pochi minuti. I ricercatori hanno anche progettato FLiCRE in modo che possano utilizzare il sequenziamento genetico standard per trovare le cellule in cui FLiCRE si è attivato. Ciò consente loro di studiare decine di migliaia di cellule contemporaneamente, mentre altre tecniche tendono a richiedere l'analisi di più immagini microscopiche che contengono ciascuna centinaia di cellule.

In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno iniettato FLiCRE nelle cellule del nucleo accumbens e hanno utilizzato un'opsina per attivare un percorso neurale associato al comportamento di evitamento nei topi. Nel momento in cui vi è un incremento del calcio nelle cellule contenenti FLiCRE, l'indicazione cellulare che il topo sta evitando qualcosa si manifesta con l'emissione, da parte delle cellule, di un rosso permanente visibile al microscopio. I ricercatori hanno anche sequenziato l'RNA delle cellule per vedere quali contenevano la proteina fluorescente, producendo una registrazione cellula per cellula dell'attività neurale.

«Un obiettivo era quello di mappare il modo in cui le regioni del cervello sono collegate tra loro negli animali vivi, il che è un problema davvero difficile», ha detto Christina Kim, (4) studiosa post-dottorato in genetica a Stanford e co-autrice principale dell'articolo. «La bellezza di FLiCRE è che possiamo pulsare e attivare i neuroni in una regione e quindi registrare tutti i neuroni a valle collegati. È un modo davvero interessante per esaminare le connessioni dell'attività cerebrale a lungo raggio».

Nei successivi esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato la mappa dell'attività cellulare dei primi esperimenti. Hanno anche adattato FLiCRE in modo che la proteina esprimesse la proteina opsina, che può essere controllata dalla luce arancione per alterare l'attività neuronale. Dopo aver attivato FLiCRE nelle cellule, i ricercatori hanno inviato una luce arancione attraverso l'impianto in fibra ottica ogni volta che i topi entravano in una determinata stanza. In risposta, i topi si sono allontanati da quella stanza, indicando che FLiCRE aveva effettivamente localizzato cellule nel cervello che guidano il comportamento evitante.

Un progetto da sogno

Lo sviluppo e la sperimentazione di FLiCRE hanno combinato chimica, genetica, biologia e neuroscienze e molte specialità all'interno di queste discipline. Di conseguenza, lo strumento ha una vasta gamma di possibili applicazioni, anche nelle cellule al di fuori del cervello, dicono i ricercatori.

«Mi sono trasferito a Stanford nel 2016 con la speranza di essere in grado di realizzare progetti estremamente interdisciplinari e collaborativi come questo», ha detto la dottoressa Alice Ting. «Questo progetto è stato uno degli aspetti più gratificanti del mio trasferimento a Stanford - vedere qualcosa di così impegnativo e ambizioso effettivamente funzionare».

I ricercatori stanno ora lavorando su versioni aggiuntive di FLiCRE, con l'obiettivo di snellire il processo. Sperano di semplificarne la struttura e renderlo anche in grado di lavorare con altri eventi biochimici, come le interazioni proteiche o il rilascio di neurotrasmettitori.

Mateo Sánchez, un ex studioso post-dottorato nel laboratorio di Ting, è anche co-autore principale dell'articolo. Altri autori sono Paul Hoerbelt, Lief E. Fenno e Robert Malenka, il Professore Pritzker di Psichiatria e Scienze Comportamentali, Direttore del Nancy Pritzker Laboratory e vicedirettore del Wu Tsai Neurosciences Institute. Deisseroth, è il Professore D. H. Chen, e un professore di bioingegneria e di psichiatria e scienze comportamentali; e un membro della Stanford Bio-X (5) e del Wu Tsai Neurosciences Institute. (6) Ting è membro della Stanford Bio-X, del Maternal & Child Health Research Institute (MCHRI), (7) dello Stanford Cancer Institute (8) e del Wu Tsai Neurosciences Institute e membro di facoltà di Stanford ChEM-H. (9)

Questa ricerca è stata finanziata dal Walter V. e Idun Berry Postdoctoral Fellowship Program, la borsa di studio post-dottorato a lungo termine EMBO, il National Institute of Mental Health, la Stanford Psychiatry, il Wu Tsai Neurosciences Institute, il National Institute on Drug Abuse, the Defense Advanced Agenzia per i progetti di ricerca Programma Neuro-FAST, Fondazione NOMIS, Fondo famiglia Wiegers, Fondazione Nancy e James Grosfeld, Fondazione medica HL Snyder, Fondo Samuel e Betsy Reeves, Fondazione Gatsby, Fondazione AE, Fondazione Fresenius e Chan Zuckerberg Biohub.

Riferimenti:

(1) Alice Ting

(2) Karl Deisseroth

(3) A Molecular Calcium Integrator Reveals a Striatal Cell Type Driving Aversion

(4) Christina Kim

(5) Stanford Bio-X

(6) Wu Tsai Neurosciences Institute

(7) Maternal & Child Health Research Institute (MCHRI)

(8) Stanford Cancer Institute

(9) Stanford ChEM-H

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Stanford researchers develop new tool for watching and controlling neural activity