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Il 5 ottobre 2026, il Karolinska Institutet di Stoccolma ha assegnato il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina a Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel, per le ricerche che hanno consentito lo sviluppo dell’optogenetica, una tecnica che ha rivoluzionato il modo di studiare il cervello e i circuiti nervosi.
Grazie all’optogenetica, sfruttando la luce e particolari proteine fotosensibili chiamate opsine, i ricercatori sono oggi in grado di accendere e spegnere in tempo reale specifiche popolazioni di neuroni, sia in vitro sia all’interno del cervello di animali vivi, e di studiare con precisione le emozioni, il comportamento e i meccanismi alla base di molte patologie del sistema nervoso, facendo così luce sulle proprietà del sistema nervoso.
Controllare l’attività delle cellule grazie alla luce
Immaginate di guardare il cielo e di voler individuare una stella precisa tra le centinaia di miliardi che popolano la nostra galassia, per modificarne il campo gravitazionale e osservare le conseguenze su tutte le altre stelle. Sembra un’impresa impossibile, eppure, in un certo senso, l’optogenetica permette agli scienziati di fare qualcosa di simile: identificare con elevata precisione specifiche popolazioni di cellule e modificare la loro attività in tempo reale. Il tutto sfruttando principalmente due elementi: delle proteine sensibili alla luce, chiamate opsine (dal greco antico ὄψις, che vuol dire vista), e una fonte luminosa.
Ma cosa significa esattamente optogenetica? Per capirlo, possiamo utilizzare le parole di Karl Deisseroth, professore di Stanford e uno dei pionieri dell’optogenetica, che il 5 ottobre 2026 è stato insignito del Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina, insieme a Peter Hegemann e Georg Nagel, proprio per le scoperte che hanno portato allo sviluppo di questa tecnologia. Deisseroth ha definito l’optogenetica come:
«l'integrazione di tecniche di ottica e genetica al fine di ottenere una perdita o un aumento di funzione di eventi ben definiti in specifiche cellule o specifici tessuti in vivo».
L’optogenetica, infatti, sfrutta una proprietà unica delle opsine: quando vengono colpite da una fonte di luce con una specifica lunghezza d’onda, queste proteine cambiano la propria forma, consentendo il passaggio di ioni (cioè, di particelle cariche elettricamente) attraverso la membrana delle cellule che le esprimono, generando di conseguenza una corrente elettrica (chiamata appunto fotocorrente). Il sistema funziona in maniera simile a quelle lampade dotate di un pannello solare, che si accendono quando il sensore percepisce cambi di luce. Nell’optogenetica, le opsine fungono da sensori della luce, consentendo di controllare l’attività delle cellule oggetto di studio.
Un interruttore per accendere e spegnere i neuroni
In realtà, le proprietà fotosensibili delle opsine sono note da più di 50 anni, da quando, nel 1971, fu scoperto che una piccola proteina estratta da microrganismi, chiamata batteriorodopsina, era in grado di trasportare ioni attraverso la membrana cellulare in risposta alla luce. Eppure, fu solo nel 2005 che il gruppo di ricerca del professor Deisseroth riuscì a dimostrare come sfruttare questa caratteristica per manipolare l’attività di neuroni vivi.
Attraverso uno studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Neuroscience, il gruppo di Deisseroth dimostrò che una particolare opsina prodotta dalle alghe, chiamata canalrodopsina, una volta introdotta in alcuni neuroni in vitro attraverso tecniche di ingegneria genetica, era in grado di renderli sensibili alla luce, consentendo il passaggio di una corrente attraverso la membrana cellulare. E, poiché l’attività elettrica è alla base del funzionamento dei neuroni, questo significava aver trovato una sorta di interruttore artificiale con cui controllare l’attività delle cellule nervose. Successivamente, fu dimostrato che questa metodologia non funzionava solo sui neuroni in provetta, ma anche in un cervello integro e in animali vivi e liberi di muoversi, nei quali le opsine erano state espresse nei neuroni.
Questa è la vera potenza dell’optogenetica nelle neuroscienze: la capacità di accendere o spegnere l’attività dei neuroni con una precisione spaziale e temporale (nell'ordine di millisecondi) difficilmente raggiungibile con altre tecniche, senza danneggiare le cellule o alterarne in maniera eccessiva la fisiologia.
Perché l’optogenetica ha rivoluzionato il modo di studiare il cervello
L’optogenetica è stata una di quelle invenzioni che hanno segnato un prima e un dopo nella nostra capacità di studiare e comprendere il cervello e i circuiti neuronali. Ma com’è possibile?
Qualsiasi funzione del nostro cervello dipende dal coordinamento di miliardi di neuroni, organizzati in popolazioni e circuiti distribuiti nelle diverse aree cerebrali che, proprio come i tasselli di un mosaico contribuiscono a formare un’immagine, collaborano tra loro svolgendo ciascuno un ruolo specifico, permettendoci di svolgere una determinata funzione.
Grazie alle tecniche di ingegneria genetica, è possibile scegliere (anche in vivo) i neuroni in cui esprimere le opsine, che diventano così sensibili alla luce. In questo modo, l’optogenetica consente di studiare le proprietà delle cellule nervose e manipolare i circuiti neurali con una precisione sartoriale, isolando il contributo di particolari neuroni rispetto a tutti gli altri. Il tutto attraverso un semplice fascio di luce con caratteristiche precise (manipolato dagli scienziati) e in tempo reale, mentre, per esempio, un animale da laboratorio si muove, svolge un test di memoria o mette in atto specifici comportamenti, permettendo di osservare immediatamente le conseguenze della manipolazione sul comportamento.
È proprio questa possibilità di stabilire un rapporto di causa-effetto tra l’attività di specifiche popolazioni neuronali e un comportamento, un'emozione o una funzione del cervello che ha trasformato l’optogenetica in uno degli strumenti più importanti delle moderne neuroscienze.
In appena 20 anni, questa tecnica ha consentito di comprendere meglio i meccanismi alla base di alcune patologie del sistema nervoso, come l’ictus o il morbo di Parkinson, e di studiare in modo approfondito il ruolo di specifici circuiti neurali coinvolti nella memoria, nelle emozioni e nel controllo dei movimenti.
Alcune ricerche recenti ipotizzano una possibile applicazione terapeutica anche nell’uomo, non tanto per le patologie cerebrali, dove l’invasività della tecnica attualmente ne limita l’applicazione clinica, quanto per una delle regioni del nostro corpo costituite da neuroni più facilmente accessibili: la retina. Studi promettenti come "Optogenetic Therapy With UGX-201 in Advanced Nonsyndromic Retinitis Pigmentosa: Safety and Efficacy From an Exploratory Clinical Trial", hanno infatti dimostrato come questa tecnica potrebbe essere utilizzata per ripristinare parzialmente la vista nelle persone affette da degenerazione retinica, individuando così una delle prime possibili applicazioni terapeutiche dell’optogenetica nell’uomo.
