Fonte: Institute for Basic Science - dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2021.11.003

Gli scienziati possono controllare i circuiti cerebrali, il comportamento e le emozioni usando la luce. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo strumento optogenetico, 'Opto-vTrap', che dovrebbe contribuire al trattamento dell'epilessia, degli spasmi muscolari e delle rughe della pelle.

Il controllo della trasmissione e della ricezione dei segnali all'interno dei circuiti cerebrali è necessario ai neuroscienziati per ottenere una migliore comprensione delle funzioni del cervello. La comunicazione tra le cellule neuronali e gliali è mediata da vari neurotrasmettitori rilasciati dalle vescicole attraverso l'esocitosi. Quindi, regolare l'esocitosi vescicolare può essere una possibile strategia per controllare e comprendere i circuiti cerebrali.

Tuttavia, è stato difficile controllare liberamente l'attività delle cellule cerebrali in modo spazio-temporale utilizzando tecniche preesistenti. Uno è un approccio indiretto che coinvolge artificialmente il controllo del potenziale di membrana delle cellule, ma viene con i problemi di cambiare l'acidità dell'ambiente circostante o di causare un disinnesco indesiderato dei neuroni. Inoltre, non è applicabile per l'uso in cellule che non rispondono ai cambiamenti del potenziale di membrana, come le cellule gliali.

Per affrontare questo problema, i ricercatori sudcoreani guidati dal direttore C. Justin LEE al Center for Cognition and Sociality all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) e dal professor HEO Won Do al Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hanno sviluppato Opto-vTrap, un sistema di inibizione reversibile e inducibile alla luce che può temporaneamente intrappolare le vescicole dall'essere rilasciate dalle cellule cerebrali. Opto-vTrap si rivolge direttamente ai trasmettitori contenenti vescicole, e può essere utilizzato in vari tipi di cellule cerebrali, anche quelle che non rispondono ai cambiamenti del potenziale di membrana.

Per controllare direttamente le vescicole esocitotiche, il team di ricerca ha applicato una tecnologia che aveva precedentemente sviluppato nel 2014, chiamata inibizione reversibile attivata dalla luce mediante trappola assemblata (LARIAT). Questa piattaforma può inattivare vari tipi di proteine quando viene illuminata con luce blu, intrappolando istantaneamente le proteine bersaglio, come un lariat. Opto-vTrap è stato sviluppato applicando questa piattaforma LARIAT all'esocitosi delle vescicole. Quando le cellule o i tessuti che esprimono Opto-vTrap sono illuminati dalla luce blu, le vescicole formano dei grappoli e rimangono intrappolate all'interno delle cellule, inibendo il rilascio dei trasmettitori.

La cosa più importante è che l'inibizione innescata con questa nuova tecnica è temporanea, il che è molto importante per la ricerca in neuroscienze. Altre tecniche precedenti che prendono di mira le proteine di fusione delle vescicole le danneggiano in modo permanente e disabilitano il neurone bersaglio fino a 24 ore, il che non è appropriato per molti esperimenti comportamentali con vincoli di tempo brevi. In confronto, le vescicole che sono state inattivate usando Opto-vTrap si decompongono in circa 15 minuti e i neuroni riacquistano le loro piene funzioni entro un'ora.

Opto-vTrap controlla direttamente il rilascio dei trasmettitori di segnale, permettendo ai ricercatori di controllare liberamente l'attività del cervello. Il team di ricerca ha verificato l'utilizzabilità di Opto-vTrap in cellule coltivate e fette di tessuto cerebrale. Inoltre, hanno testato la tecnica in topi vivi, che ha permesso loro di rimuovere temporaneamente la memoria della paura da animali condizionati dalla paura.

In futuro, Opto-vTrap sarà utilizzato per scoprire interazioni complesse tra più parti del cervello. Sarà uno strumento molto utile per studiare come certi tipi di cellule cerebrali influenzano la funzione del cervello in diverse circostanze.

Il professor Heo ha dichiarato: "Dal momento che Opto-vTrap può essere utilizzato in vari tipi di cellule, ci si aspetta che sia utile in vari campi della ricerca scientifica sul cervello", e ha spiegato: "Abbiamo in programma di condurre uno studio per capire le funzioni cerebrali spazio-temporali in vari tipi di cellule cerebrali in un ambiente specifico utilizzando la tecnologia Opto-vTrap".

"L'utilizzabilità di Opto-vTrap può estendersi non solo alle neuroscienze ma anche alla nostra vita", spiega il direttore Lee. Ha aggiunto: "Opto-vTrap contribuirà non solo a chiarire la mappatura dei circuiti cerebrali, ma anche al trattamento dell'epilessia, al trattamento degli spasmi muscolari e alle tecnologie di espansione dei tessuti cutanei."