Le tecnologie ottiche che possono essere utilizzate per modulare l'attività neuronale stanno aprendo interessanti possibilità per la ricerca nel campo delle neuroscienze e della biologia. Gli strumenti ottici consentono ai neuroscienziati di eccitare e inibire i neuroni o le aree del cervello a piacimento. Possono quindi essere utilizzati per studiare la funzione di specifici circuiti o regioni cerebrali, nonché per identificare nuovi potenziali trattamenti per malattie neurologiche e psichiatriche.

La generazione di fotoswitch azobenzene legati mirati a doppi strati di membrana o collegati a canali ionici è una tecnica ottica pionieristica che potrebbe aiutare ulteriormente lo studio del cervello umano. Questa tecnica, però, in particolare se implementato ad alta intensità luminosa, può portare ad un notevole aumento della temperatura e può quindi essere dannoso per i neuroni se usato ripetutamente.

Per superare questo limite, ricercatori dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in collaborazione con il Politecnico di Milano, hanno recentemente creato un nuovo composto azobenzenico fotosensibile, soprannominato Ziapin2, che può essere utilizzato per costruire fotointerruttori che non aumentano di temperatura quando irradiati con luce visibile. Questo nuovo composto, introdotto in un articolo pubblicato in Nanotecnologia della natura , partizioni nella membrana plasmatica con un'elevata stabilità, consentendo il suo assottigliamento e una maggiore capacità a regime.

"Il nostro studio è stato ispirato (o bio-ispirato) da due osservazioni, "Guglielmo Lanzani, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Il primo è che in linea di massima la natura cattura la luce nelle cellule viventi utilizzando molecole fotocromatiche (ad esempio la retina nei fotorecettori della retina). La seconda è che la perturbazione della membrana del neurone e in particolare un cambiamento nella capacità elettrica (la capacità di immagazzinare cariche) porta a eccitazione cellulare, come osservato riscaldando la cella."

Molecole fotocromatiche, come il composto azobenzenico ingegnerizzato da Chiara Bertarelli, Guglielmo Lanzani e Fabio Benfenati, possono cambiare forma dopo aver assorbito la luce. Questa modifica interessa anche alcune delle loro proprietà, compreso il loro impedimento sterico (cioè, il volume che occupano), colore e proprietà elettriche.

Quando applicato su una membrana, questa caratteristica permette alle molecole fotocromatiche di agire come interruttori meccanici o molle, modulando lo spessore della membrana assorbendo la luce e modificandone così la capacità elettrica. Ciò a sua volta consente una serie di fenomeni, che alla fine porta a un potenziale d'azione nei neuroni.

"I metodi utilizzati nel nostro studio ci hanno permesso di ottenere un meccanismo di stimolazione non termica per indurre la sensibilità alla luce nelle cellule e nei tessuti viventi, Lanzani ha spiegato. “Il nostro approccio è anche non genetico (evita la terapia genica) e non covalente (evita le modificazioni chimiche permanenti della cellula). In altre parole, è uno strumento minimamente invasivo."

Quando hanno applicato impulsi di luce visibile di millisecondi ai neuroni caricati con il composto che hanno creato, Benfenati, Lanzani e i loro colleghi hanno osservato una conseguente iperpolarizzazione transitoria, poco seguito da una depolarizzazione ritardata che alla fine ha innescato l'attivazione dei potenziali d'azione. Questi effetti sono risultati persistenti e i ricercatori sono stati in grado di suscitarli in vivo fino a 7 giorni consecutivi.

"Il risultato principale del nostro studio è che siamo stati in grado di stimolare i neuroni senza manipolazioni optogenetiche e senza interferire direttamente con i canali ionici di membrana, "Benfenati ha detto a TechXplore. "Lo abbiamo fatto semplicemente provocando una deformazione transitoria della membrana che rende i neuroni elettricamente più stabili al buio e viene rilasciata sotto la stimolazione della luce, evocando il potenziale d'azione di fuoco."

Ziapin2, il composto introdotto da Lanzani, Benfenati, Bertarelli e i loro colleghi, consente la modulazione della capacità elettrica della membrana in una scala temporale di millisecondi, senza provocare sbalzi di temperatura. Nel futuro, potrebbe essere utilizzato per sviluppare interruttori fotoelettrici per la ricerca neuroscientifica meno dannosi per i neuroni.

"I nostri piani per ulteriori ricerche sono duplici, — disse Benfenati. — Da una parte, intendiamo potenziare l'applicazione di Ziapin per eccitare circuiti retinici in modelli sperimentali di degenerazione retinica o sfidare circuiti cerebrali malati. Dall'altro lato, stiamo cercando varianti di Ziapin che siano più solubili in acqua (e quindi possono essere somministrate in modo più sicuro) e che rimangano nella membrana per tempi più lunghi."

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