Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel hanno scoperto come controllare le cellule cerebrali con la luce. La ricerca sui «canali ionici attivati dalla luce e sull’optogenetica» è risultata la vincitrice del premio Nobel per la medicina 2026.
La loro scoperta dimostra come lo studio di un organismo unicellulare microscopico abbia fornito alle neuroscienze una chiave di luce per accendere e spegnere i neuroni, aprendo nuove frontiere nella cura delle patologie neurologiche e psichiatriche.
Tutto nasce da Chlamydomonas
Si tratta di un’alga verde monocellulare a forma di pera che nuota nelle acque dolci muovendosi grazie a due piccoli flagelli. Per sopravvivere e fare fotosintesi, l’alga ha bisogno di orientarsi verso la luce. Ma come fa un essere privo di occhi e di sistema nervoso a “vedere” e rispondere agli stimoli luminosi?
Hegemann e Nagel hanno scoperto che la Chlamydomonas possiede un meccanismo di rilevamento della luce straordinariamente ingegnoso, basato su un’unica proteina chiamata canalrodopsina. È incorporata nella membrana esterna della cellula algale; una parte della proteina è rivolta verso l’acqua esterna alla cellula, mentre l’altra verso l’interno.
La magia molecolare della canalrodopsina
Nei primi anni Duemila, Peter Hegemann (della Humboldt University di Berlino) e Georg Nagel (dell’Università di Würzburg) decisero di indagare questo meccanismo biologico fondamentale. La loro intuizione si concentrò proprio sulla canalrodopsina (channelrhodopsin).
Il suo funzionamento è una meraviglia di ingegneria naturale:
- La proteina ospita al suo interno una piccola molecola sensibile alla luce, la retinaldeide;
- Quando i fotoni della luce colpiscono la retinaldeide, questa cambia istantaneamente forma;
- La trasformazione molecolare forza l’apertura del canale ionico, consentendo il passaggio di cariche elettriche (ioni) dall’esterno all’interno della cellula.
Nell’alga, questo flusso elettrico genera il segnale che guida il movimento dei flagelli verso la luce.
I ricercatori approfondirono il processo, ed arrivarono alla conclusione che si trattava di una sorta di interruttore elettrico naturale.
La svolta: accendere i neuroni con l’interruttore elettrico naturale
Se la biologia vegetale aveva scoperto l’interruttore, sono state le neuroscienze a capire come collegarlo al cervello. I neuroni umani comunicano tra loro proprio attraverso variazioni di potenziale elettrico, generate dal passaggio di ioni attraverso le loro membrane.
È qui che entra in gioco il neuroscienziato e psichiatra di Stanford Karl Deisseroth. Con il suo team, Deisseroth ha avuto l’idea rivoluzionaria: prelevare il gene della canalrodopsina dall’alga e inserirlo nel DNA di specifici gruppi di neuroni. Attraverso questo passaggio avrebbero potuto attivare le cellule, semplicemente illuminandole.
Il risultato è stato la nascita dell’optogenetica. Colpendo i neuroni così modificati con un minuscolo raggio di luce fibra-ottica, la canalrodopsina si apre, fa entrare gli ioni e fa “scattare” il neurone a comando, con una precisione temporale del singolo millisecondo. Per la prima volta nella storia della medicina, gli scienziati potevano non soltanto osservare il cervello, ma pilotare singoli circuiti neuronali in tempo reale.
Cosa è in grado di fare l’optogenetica?
L’impatto clinico e scientifico dell’optogenetica ha trasformato la mappa delle neuroscienze moderne. Gli scienziati possono usarla per attivare e disattivare specifici gruppi di cellule nervose ed osservare cosa succede.
Essa può:
- Mappature le emozioni e il comportamento: è stato possibile individuare con precisione quali micro-circuiti cerebrali controllano la sensazione di fame, le risposte di ansia, l’aggressività o i meccanismi della memoria;
- Monitorare le malattie neurodegenerative e Parkinson: lo studio dei circuiti motori mediante la luce sta guidando lo sviluppo di nuove strategie di stimolazione cerebrale profonda sempre più mirate;
- Esplorare le dipendenze e la depressione: identificando i circuiti della ricompensa alterati dalle sostanze o dagli stati depressivi, la ricerca sta aprendo la strada a bersagli terapeutici finora inaccessibili.
Come attivare le cellule nervose con la luce?
Gli scienziati introducono il gene della canalrodopsina nelle cellule nervose che intendono studiare. Il gene viene solitamente trasportato da un virus modificato in modo da non causare malattie. Le cellule producono quindi la proteina canalrodopsina, che permette loro di reagire alla luce.
In animali come i topi, gli scienziati possono illuminare il cervello con una luce attraverso una sottile fibra ottica. Quando la luce raggiunge le cellule, la canalrodopsina si apre e le attiva. Le cellule nervose vicine che non contengono questa proteina non vengono influenzate.
Siamo di fronte ad un potente strumento in grado di studiare a fondo il funzionamento del cervello. È possibile, ad esempio, capire se un gruppo di cellule nervose è coinvolto nella memoria, nel sonno, nelle sensazioni o nel movimento. Basterà attivarle con la luce e osservare cosa succede.
Esperimento pratico
In un esperimento del 2012 , un team del Massachusetts Institute of Technology ha collocato un gruppo di topi in una gabbia specifica e sottoposto a una lieve e innocua scossa elettrica. Grazie alle tecniche optogenetiche, il team è riuscito a identificare e “marcare” i singoli neuroni dell’ippocampo (il centro della memoria) che si attivavano durante quella precisa esperienza di condizionamento alla paura.
La vera svolta è arrivata giorni dopo. Spostati in una gabbia completamente diversa e priva di qualsiasi minaccia, i topi hanno ricevuto un piccolo impulso di luce mirato esclusivamente su quei neuroni marcati. La reazione è stata immediata: gli animali si sono paralizzati per la paura (freezing), come se stessero rivivendo la scossa in quel preciso istante. Al contrario, i topi che non avevano subito il condizionamento iniziale non hanno mostrato alcuna reazione alla luce.
La dimostrazione è stata schiacciante: la luce non provocava una risposta casuale, ma riattivava la traccia fisica di uno specifico ricordo. Un passaggio epocale che ha confermato come la memoria non sia un concetto astratto, ma un circuito biologico concreto, mappabile e oggi (grazie alla luce) finalmente modulabile.
Cosa potremo fare in futuro?
Approfondire il funzionamento del cervello e del sistema nervoso. L’optogenetica è già in fase di sperimentazione clinica preliminare per i pazienti affetti da degenerazione retinica. In futuro potrebbe essere utilizzata per trattare patologie neurologiche, tra cui il morbo di Parkinson e l’epilessia.
Iscriviti alla newsletter di Bees Sanità Magazine e aggiungi beesanitamagazine.it tra le tue fonti preferite di Google
