Karl Deisseroth accende luci nel cervello

«Quando sono seduto di fronte a un paziente, sentire quello che prova mi fa concentrare meravigliosamente. È una fonte di ipotesi e di idee». Karl Deisseroth, 44 anni fra pochi giorni, è professore di bioingegneria, psichiatria e scienze del comportamento all’Università di Stanford. Ed è un raro esempio di medico-ricercatore che unisce la cura dei pazienti all’invenzione di tecnologie senza precedenti per interrogare il cervello. Nell’intervista che ha rilasciato a John  Colapinto, sul New Yorker a maggio 2015, si chiede: «Con la complessità di ogni sistema biologico – in particolare del cervello – da dove parti?»

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Carl Deisseroth, professore di tante materie che concorrono a fargli studiare il cervello all’Università di Stanford (foto: Stanford University)

Deisseroth è partito da un’alga. In particolare da una sua molecola, la canal-rodopsina-1. Si tratta di un canale che, quando è attivato da una variazione di luce, si apre permettendo il passaggio a determinati ioni attraverso la membrana cellulare. Prima di Deisseroth altri neuroscienziati – Boris Zemelman e Gero Miesenböck, all’epoca allo Sloan-Kettering Cancer Center di New York, e Dirk Trauner, Richard Kramer e Ehud Isacoff, all’Università della California a Berkeley – avevano intuito che se fossero riusciti a far funzionare molecole analoghe nei neuroni, avrebbero avuto uno strumento potentissimo per studiare il cervello. Uno strumento più veloce dei farmaci e più preciso delle stimolazioni elettriche.

Il contributo di Deisseroth è stato però decisivo per lo sviluppo di quella che oggi si chiama optogenetica, la tecnica che permette di attivare singole cellule del cervello tramite lampi di luce. I neuroni non sono sensibili alla luce, naturalmente (è piuttosto buio là dentro!). Per indurre questa fotosensibilità, il gene della canal-rodopsina-1 è stato inserito nel cervello dei topi con un’operazione che ha richiesto un po’ di ingegneria genetica.

Il gene è stato dapprima inserito in un virus inattivato, che è stato svuotato di tutti i suoi geni tranne di quelli che servono a infettare i neuroni. Nella porzione di DNA antecedente al gene, i ricercatori hanno anche inserito brevi sequenze che agiscono un po’ come una password: fanno in modo che il gene si attivi solo nelle cellule che interessano ai ricercatori e non in altre.

Quindi un cavo in fibra ottica è collegato da un lato al cervello e dall’altro a un laser. Quando il cavo trasmette un impulso luminoso, il canale fotosensibile si attiva, insieme al neurone in cui il gene è inserito (i neuroni si attivano quando passano degli ioni attraverso la loro membrana). In questo video, in inglese, potete farvi un’idea di come funziona l’optogenetica e vedere un topo e altri animali che si muovono dopo l’attivazione dei neuroni con un impulso di luce:

L’optogenetica ha dato ai neuroscienziati un accesso senza precedenti alle funzioni cerebrali. Nominata il metodo dell’anno 2010 dalla rivista Nature Methods, in meno di cinque anni è diventato uno strumento indispensabile alla ricerca sul cervello, dato che permette di manipolare l’attività dei neuroni e di osservare il comportamento che ne consegue. Il suo bello è che è anche una tecnica indolore, dato che il cervello non possiede al suo interno recettori per il dolore.

La ricerca sul cervello umano pone innumerevoli limiti etici. I rari esperimenti che riescono a misurare l’attività dei neuroni sono invasivi e giustamente permessi di rado, per esempio in pazienti che a causa del Parkinson hanno già una protesi terapeutica con cui si possono effettuare delle misurazioni . Si tratta però di un  numero esiguo di studi da cui è difficile ottenere informazioni generali, che valgano anche per i cervelli non colpiti dalla malattia. L’unica soluzione alternativa è stata, per anni, la stimolazione dei neuroni di animali di laboratorio, con una tecnica analoga a quella usata con i pazienti e molto laboriosa.

Poi sono arrivata gli anni Novanta, con la risonanza magnetica funzionale (fMRI). La speranza, assai eccitata di allora, era di capire qualcosa di più sul cervello fotografandolo, per così dire, in azione ma da fuori. In pratica funziona la fMRI così: una persona entra in una specie di tubo, lo scanner, e vi passa un tempo variabile da 15 minuti a 2 ore. Là dentro può guardare un video, ascoltare dei suoni, eseguire dei compiti, insomma rispondere a vari stimoli a seconda delle istruzioni ricevute dai ricercatori e dello scopo dell’esperimento.

Perché un individuo compia un’azione, nel cervello si devono attivare dei neuroni. I neuroni attivi richiamano ossigeno e glucosio, trasportati dal sangue, e grazie al campo magnetico della fMRI è possibile registrare alcuni cambiamenti nel flusso sanguigno. Le mappe del cervello che escono dall’elaborazione al computer dei dati della risonanza magnetica sono quindi una fotografia non dei pensieri o delle sensazioni, ma delle parti del cervello che stanno consumando più glucosio e ossigeno, ovvero quelle che lavorano di più.

La fMRI ha però dei problemi. Intanto fra l’attività dei neuroni e il momento in cui il campo magnetico registra il cambiamento nel flusso sanguigno c’è un intervallo di tempo. Poi la risoluzione è modesta e la precisione minima: ogni segnale corrisponde all’attività di centinaia di migliaia di neuroni.

Con l’optogenetica Deisseroth vuole curare le malattie psichiatriche. Si tratta di malattie neglette, che colpiscono una persona su venti nel mondo: tantissime per le sofferenze che provocano e l’imprecisione di diagnosi e cure. L’optogenetica ha l’aria di permettere un salto gigantesco verso una conoscenza incomparabilmente più precisa del cervello. E ha infatti stimolato iniziative come la BRAIN Initiative, con cui nel 2013 l’amministrazione di Barack Obama ha investito circa 100 milioni di dollari per la cura di malattie come l’Alzheimer, l’autismo e la schizofrenia.

L’optogenetica può essere usata, naturalmente, in animali di laboratorio e non negli esseri umani. Ma animali come i topi e i ratti condividono con noi parecchi circuiti cerebrali, fra cui quelli dell’ansia e della paura, della memoria e dell’apprendimento, della fame e del metabolismo, della motivazione, del tatto e dell’olfatto, tanto per citarne alcuni. Insomma, c’è parecchio da imparare su di noi dal cervello di un ratto. Ma il contributo di Deisseroth non finisce qui.

Uno dei suoi obiettivi era vedere dentro il cervello, superando le tecniche per immagini che, con i raggi X o la luce, non penetrano il notevole volume di grassi che circonda i neuroni. Rimuovere i grassi e anche l’acqua, un ulteriore ostacolo, sembrava impossibile, ma Deisseroth ci è riuscito. Il metodo si chiama CLARITY e in pratica permette di rendere il cervello di un cadavere completamente trasparente, sostituendo acqua e grassi con un gel che lascia intatta l’architettura tridimensionale a livello dei singoli neuroni e delle singole sinapsi. In questa intervista, in inglese, Deisseroth spiega come funziona CLARITY:

Il cervello di Deisseroth è più fuori dal comune di quelli che studia? È capace di leggere un libro in mezz’ora mentre ascolta una conferenza. Già alle elementari, i suoi insegnanti si erano accorti che vedeva le pagine di testo a blocchi e che le riteneva per intero, immediatamente, in maniera automatica. Una capacità che certamente lo ha aiutato a digerire le vastissime e disparate conoscenza – in ottica, genetica, chimica, imaging, scienza dei materiali… e potrei continuare – che ha acquisito per immaginare l’optogenetica e CLARITY.

Deisseroth è anche uno scrittore. Anzi, la scrittura è stata la prima passione. Fra un’invenzione, una terapia, e l’accudimento dei suoi quattro figli, Deisseroth sta terminando un libro di racconti ispirato a “La tavola periodica” di Primo Levi. «Nella scrittura […] cerchi di andare al cuore delle cose con le parole e con le immagini e con le idee. E a volte devi cercare delle maniere insolite per arrivarci».

Ho scritto questo post grazie allo splendido profilo che John Colapinto ha dedicato a Karl Deisseroth sul New Yorker del 18 maggio 2015. La foto in apertura, del laboratorio di Deisseroth, mostra una sezione del cervello di un animale di laboratorio, fissata e colorata con il metodo CLARITY.

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