Quando il sole risplende sulla superficie grigiastra di uno stagno, avviene qualcosa di miracoloso. Dentro i milioni di organismi mono-cellulari, l’energia della luce solare accendo un meccanismo molecolare. Le sottili “code” delle alghe simili a fruste si sferzano verso la luce vitale. Un gruppo di scienziati di Cleveland ha preso in prestito dalle alghe questo meccanismo di attivazione alla luce e lo ha potenziato per curare la paralisi. In un eccezionale documento (Light-induced rescue of breathing after spinal cord injury.) che verrà pubblicato mercoledì sul Journal of Neuroscience, il team di scienziati della Case Western Reserve University ha riportato di aver installato questo tipo di “interruttore” delle alghe nelle cellule nervose del midollo spinale di ratti paralizzati per poi ri-attivare la normale respirazione nei ratti dopo aver ripetutamente esposto i neuroni a luce blu. La stimolazione ha avuto un effetto duraturo. Le cellule nervose hanno imparato nuovamente a controllare la respirazione. Anche dopo che la luce veniva spenta, i ratti hanno continuato a respirare regolarmente per più di un giorno. La respirazione attivata dalla luce indica il primo uso terapeutico di una tecnologia d’avanguardia chiamatat optogenetics , che comporta l’alterazione genetica delle cellule in modo che esse rispondano alla luce. La ricerca nell’ambito della optogenetics è cominciata circa 5 anni fa ma le sue potenzialità suscitano l’interesse di molti neuroscienziati che intravedono in essa un nuovo promettente strumento per lo studio del cervello e del sistema nervoso, nonché la possibilità di curare patologie neurologiche con la luce piuttosto che con la chirurgia o i farmaci. Gli esperimenti sull’uomo sono ancora lontani e probabilmente dovranno superare ostacoli tecnici e giuridici perché implicano l’ingegneria genetica. Gli stessi ricercatori non sanno precisamente comprendere come sono stati in grado di far recuperare la respirazione ai ratti paralizzati e non sanno per quando tempo durerà l’effetto. Essi sono tuttavia entusiasti e più che sorpresi circa i risultati ottenuti. “Sono impressionato dal ritorno della funzione” ha affermato il neuroscienziato Jerry Silver, che ha speso ma la maggior parte della sua carriera nel cercare di superare i danni causati dalle lesioni spinali. Ed anche Clifford Woolf della Harvard Medical School, anch’egli coinvolto in questa ricerca, sostiene che i risultati sono assai incoraggianti. Normalmente i comandi per la respirazione, il movimento e le altre azioni hanno inizio nel cervello e vengono inviati ai muscoli appropriati da un rapido sistema di consegna costituito da miliardi di cellule nervose chiamate neuroni. Essi comunicano tramite elementi chimici ed impulsi elettrici che passano da un neurone all’altro. Gruppi di neuroni si organizzano in ampli circuiti che svolgono precisi compiti. Una lesione al midollo spinale danneggia questi legami intra-neurali, interrompendo la catena di comunicazione tra il cervello ed il corpo. I neuroni del midollo spinale al di sotto il sito della lesione sopravvivono ma inattivi, come un computer senza la connessione ad internet. Senza imput, i neuroni del midollo spinale non sono in grado di far muovere gli arti, di fare respirare i polmoni e di far svuotare la vescica. Nel corso degli anni, i ricercatori hanno tentato in vari modi di ripristinare le funzioni nei pazienti paralizzati. Il gruppo di Silver ha lavorato per sollecitare la ricrescita delle fibre nervose in caso di midollo spinale danneggiato. Altri scienziati hanno tentato - ma con scarsi successi - di impiantare una sorta di impianto elettrico ed elettrodi nei muscoli per imitare i circuiti nervosi delle cellule nervose. L’approccio della natura in questo ambito è invece più gentile ed elegante. Esso usa infatti la luce per riaccendere l’attività in alcune cellule. Nel 2003, alcuni ricercatori tedeschi hanno decifrato il meccanismo di uno di questi attivatori ottici, una sorta di naturale interruttore trovato nella alghe verdi. In due anni, collaborando con i colleghi della Stanford University, hanno scoperto un analogo pulsante di spegnimento in organismi simili ai batteri. Gli scienziati hanno quindi immaginato come combinare i due interruttori nei vermi per poi utilizzare successivamente luci blu e gialle per attivare o spegnere a piacimento i movimenti del nuoto di queste creature. Nel 2007, sono poi stati in grado di controllare i circuiti neurali di molti organismi viventi come mosche, topi, pesci ed embrione di pollo. Sempre nello stesso anno, i ricercatori Stefan Herlitze e Lynn Landmesser hanno poi suggerito un’audace alternativa: utilizzare la tecnica della luce per curare alcune patologie. Per esempio adoperando gli interruttori nelle cellule cardiache facenti funzioni di pace-maker, o nei neuroni cerebrali per limitare i tremori causati dal Parkinson o persino nei circuiti neurali del midollo spinale per consentire alle persone paralizzare di tornare a camminare. Inizialmente Silver era scettico a riguardo ma in seguito all’analisi dei risultati è diventato un sostenitore del progetto tanto da trovare delle applicazioni al suo lavoro sulla paralisi. Tentare di restituire la funzione respiratoria sembrava un buon punto di partenza. Espandere e contrarre i polmoni con il muscolo del diaframma è una semplice azione tipo “acceso-spento” e molto meno complessa del meccanismo che consente di camminare. Un eventuale successo avrebbe consentito ai pazienti di respirare autonomamente senza macchinari. Gli esperimenti sui ratti sono consistiti nel recidere (sotto anestesia) il midollo spinale in modo parziale provocando la paralisi del muscolo del diaframma. Successivamente è stato poi iniettato un virus geneticamente modificato che aveva come obiettivo i neuroni. Questo virus era “equipaggiato” con un gene contenente le istruzioni su come “accendere” la luce. Nei giorni successivi i topi sono stati analizzati in una stanza buia dopo essere aver inserito gli elettrodi sui polmoni per monitorare la reazione dei neuroni. Si è quindi proceduto ad una serie di tentativi esponendo il midollo spinale alternativamente a vari flussi di luce blu. Inizialmente i neuroni reagiscono in modo casuale e non si riscontra alcun risultato. Gradualmente però si è potuto assistere alla ripresa di una respirazione regolare. Ripetendo l’esperimento con altri ratti, si è giunti ai medesimi risultati: un’iniziale caos nell’attività neurale si risolve poi in una modalità normale. E non risulta necessario continuare l’utilizzo della luce. I ratti hanno continuato a respirare normalmente per 24 ore prima della scomparsa dell’effetto. E’ come se la luce servisse da legna per un falò. Solo 700 neuroni erano stati attivati ma ciò è stato abbastanza per riavviare l’intera rete neurale. I ricercatori non sono completamente sicuri sul perché i neuroni spinali siano capaci di proseguire a funzionare autonomamente. Forse gli iniziali stimoli di luce risvegliano i pattern ritmici di attività motoria fino a quel momento inattivi. O forse riattivano i neuroni del lato paralizzato iniziando a comunicare con la loro controparte normale e ri-imparano così la funzione. E’ poi importante sapere per quanto dura l’effetto della stimolazione e se altri modelli di esposizione alla luce possano dare migliori risultati. Bisogna poi concepire degli impianti di luce impiantabili nell’uomo e dei virus sicuri per il test sui pazienti. Al momento gli esperimenti sono concentrati sul controllo della vescica nei ratti paralizzati per poi passare alla sperimentazione sulle scimmie. Se i test sui primati mostreranno dei consistenti risultati, non c’è ragione di non proseguire sull’uomo, ha affermato Silver che intravede un potenziale uso dei neuroni attivati dalla luce per superare il dolore cronico e forse un giorno consentire alle persone paralizzare di stare in piedi. Tutto ciò rappresenta quindi una rivoluzione nel controllo del sistema motorio.
CURA CON LA LUCE...... UNA VALIDA ALTERNATIVA
Quando il sole risplende sulla superficie grigiastra di uno stagno, avviene qualcosa di miracoloso. Dentro i milioni di organismi mono-cellulari, l’energia della luce solare accendo un meccanismo molecolare. Le sottili “code” delle alghe simili a fruste si sferzano verso la luce vitale. Un gruppo di scienziati di Cleveland ha preso in prestito dalle alghe questo meccanismo di attivazione alla luce e lo ha potenziato per curare la paralisi. In un eccezionale documento (Light-induced rescue of breathing after spinal cord injury.) che verrà pubblicato mercoledì sul Journal of Neuroscience, il team di scienziati della Case Western Reserve University ha riportato di aver installato questo tipo di “interruttore” delle alghe nelle cellule nervose del midollo spinale di ratti paralizzati per poi ri-attivare la normale respirazione nei ratti dopo aver ripetutamente esposto i neuroni a luce blu. La stimolazione ha avuto un effetto duraturo. Le cellule nervose hanno imparato nuovamente a controllare la respirazione. Anche dopo che la luce veniva spenta, i ratti hanno continuato a respirare regolarmente per più di un giorno. La respirazione attivata dalla luce indica il primo uso terapeutico di una tecnologia d’avanguardia chiamatat optogenetics , che comporta l’alterazione genetica delle cellule in modo che esse rispondano alla luce. La ricerca nell’ambito della optogenetics è cominciata circa 5 anni fa ma le sue potenzialità suscitano l’interesse di molti neuroscienziati che intravedono in essa un nuovo promettente strumento per lo studio del cervello e del sistema nervoso, nonché la possibilità di curare patologie neurologiche con la luce piuttosto che con la chirurgia o i farmaci. Gli esperimenti sull’uomo sono ancora lontani e probabilmente dovranno superare ostacoli tecnici e giuridici perché implicano l’ingegneria genetica. Gli stessi ricercatori non sanno precisamente comprendere come sono stati in grado di far recuperare la respirazione ai ratti paralizzati e non sanno per quando tempo durerà l’effetto. Essi sono tuttavia entusiasti e più che sorpresi circa i risultati ottenuti. “Sono impressionato dal ritorno della funzione” ha affermato il neuroscienziato Jerry Silver, che ha speso ma la maggior parte della sua carriera nel cercare di superare i danni causati dalle lesioni spinali. Ed anche Clifford Woolf della Harvard Medical School, anch’egli coinvolto in questa ricerca, sostiene che i risultati sono assai incoraggianti. Normalmente i comandi per la respirazione, il movimento e le altre azioni hanno inizio nel cervello e vengono inviati ai muscoli appropriati da un rapido sistema di consegna costituito da miliardi di cellule nervose chiamate neuroni. Essi comunicano tramite elementi chimici ed impulsi elettrici che passano da un neurone all’altro. Gruppi di neuroni si organizzano in ampli circuiti che svolgono precisi compiti. Una lesione al midollo spinale danneggia questi legami intra-neurali, interrompendo la catena di comunicazione tra il cervello ed il corpo. I neuroni del midollo spinale al di sotto il sito della lesione sopravvivono ma inattivi, come un computer senza la connessione ad internet. Senza imput, i neuroni del midollo spinale non sono in grado di far muovere gli arti, di fare respirare i polmoni e di far svuotare la vescica. Nel corso degli anni, i ricercatori hanno tentato in vari modi di ripristinare le funzioni nei pazienti paralizzati. Il gruppo di Silver ha lavorato per sollecitare la ricrescita delle fibre nervose in caso di midollo spinale danneggiato. Altri scienziati hanno tentato - ma con scarsi successi - di impiantare una sorta di impianto elettrico ed elettrodi nei muscoli per imitare i circuiti nervosi delle cellule nervose. L’approccio della natura in questo ambito è invece più gentile ed elegante. Esso usa infatti la luce per riaccendere l’attività in alcune cellule. Nel 2003, alcuni ricercatori tedeschi hanno decifrato il meccanismo di uno di questi attivatori ottici, una sorta di naturale interruttore trovato nella alghe verdi. In due anni, collaborando con i colleghi della Stanford University, hanno scoperto un analogo pulsante di spegnimento in organismi simili ai batteri. Gli scienziati hanno quindi immaginato come combinare i due interruttori nei vermi per poi utilizzare successivamente luci blu e gialle per attivare o spegnere a piacimento i movimenti del nuoto di queste creature. Nel 2007, sono poi stati in grado di controllare i circuiti neurali di molti organismi viventi come mosche, topi, pesci ed embrione di pollo. Sempre nello stesso anno, i ricercatori Stefan Herlitze e Lynn Landmesser hanno poi suggerito un’audace alternativa: utilizzare la tecnica della luce per curare alcune patologie. Per esempio adoperando gli interruttori nelle cellule cardiache facenti funzioni di pace-maker, o nei neuroni cerebrali per limitare i tremori causati dal Parkinson o persino nei circuiti neurali del midollo spinale per consentire alle persone paralizzare di tornare a camminare. Inizialmente Silver era scettico a riguardo ma in seguito all’analisi dei risultati è diventato un sostenitore del progetto tanto da trovare delle applicazioni al suo lavoro sulla paralisi. Tentare di restituire la funzione respiratoria sembrava un buon punto di partenza. Espandere e contrarre i polmoni con il muscolo del diaframma è una semplice azione tipo “acceso-spento” e molto meno complessa del meccanismo che consente di camminare. Un eventuale successo avrebbe consentito ai pazienti di respirare autonomamente senza macchinari. Gli esperimenti sui ratti sono consistiti nel recidere (sotto anestesia) il midollo spinale in modo parziale provocando la paralisi del muscolo del diaframma. Successivamente è stato poi iniettato un virus geneticamente modificato che aveva come obiettivo i neuroni. Questo virus era “equipaggiato” con un gene contenente le istruzioni su come “accendere” la luce. Nei giorni successivi i topi sono stati analizzati in una stanza buia dopo essere aver inserito gli elettrodi sui polmoni per monitorare la reazione dei neuroni. Si è quindi proceduto ad una serie di tentativi esponendo il midollo spinale alternativamente a vari flussi di luce blu. Inizialmente i neuroni reagiscono in modo casuale e non si riscontra alcun risultato. Gradualmente però si è potuto assistere alla ripresa di una respirazione regolare. Ripetendo l’esperimento con altri ratti, si è giunti ai medesimi risultati: un’iniziale caos nell’attività neurale si risolve poi in una modalità normale. E non risulta necessario continuare l’utilizzo della luce. I ratti hanno continuato a respirare normalmente per 24 ore prima della scomparsa dell’effetto. E’ come se la luce servisse da legna per un falò. Solo 700 neuroni erano stati attivati ma ciò è stato abbastanza per riavviare l’intera rete neurale. I ricercatori non sono completamente sicuri sul perché i neuroni spinali siano capaci di proseguire a funzionare autonomamente. Forse gli iniziali stimoli di luce risvegliano i pattern ritmici di attività motoria fino a quel momento inattivi. O forse riattivano i neuroni del lato paralizzato iniziando a comunicare con la loro controparte normale e ri-imparano così la funzione. E’ poi importante sapere per quanto dura l’effetto della stimolazione e se altri modelli di esposizione alla luce possano dare migliori risultati. Bisogna poi concepire degli impianti di luce impiantabili nell’uomo e dei virus sicuri per il test sui pazienti. Al momento gli esperimenti sono concentrati sul controllo della vescica nei ratti paralizzati per poi passare alla sperimentazione sulle scimmie. Se i test sui primati mostreranno dei consistenti risultati, non c’è ragione di non proseguire sull’uomo, ha affermato Silver che intravede un potenziale uso dei neuroni attivati dalla luce per superare il dolore cronico e forse un giorno consentire alle persone paralizzare di stare in piedi. Tutto ciò rappresenta quindi una rivoluzione nel controllo del sistema motorio.