Multimodal characterization of putative pan-inhibitory viral constructs in macaque monkeys
Questo studio fornisce una rigorosa caratterizzazione multimodale di tre presunti vettori virali pan-inibitori nei macachi rhesus, dimostrando la loro alta specificità per i neuroni inibitori e una copertura variabile dei sottotipi per offrire una guida quantitativa per futuri esperimenti di optogenetica e manipolazione dei circuiti nei primati non umani.
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Il cervello umano è una vasta rete di miliardi di neuroni, ma non è una singola massa uniforme. È un complesso circuito stampato dove diversi tipi di cellule svolgono ruoli distinti. Alcuni neuroni, chiamati cellule eccitatorie, agiscono come i motori primari, inviando segnali che mantengono il cervello attivo e in fase di elaborazione delle informazioni. Altri, noti come neuroni inibitori, agiscono come i freni. Essi smorzano l'attività, impedendo al cervello di diventare caotico e permettendogli di concentrarsi su compiti specifici. Nei topi, gli scienziati hanno imparato a controllare queste cellule "freno" con la luce, una tecnica che ha rivelato come esse modellino il pensiero e il movimento. Tuttavia, il cervello umano è molto più complesso di quello di un topo, e gli strumenti che funzionano perfettamente nei piccoli roditori spesso non riescono a operare allo stesso modo nei primati. Per anni, i ricercatori hanno faticato a trovare un modo affidabile per colpire e controllare queste cellule inibitorie nelle scimmie, lasciando un importante vuoto nella nostra comprensione del funzionamento del cervello dei primati.
Un team di ricercatori della Boston University e dell'Allen Institute si è posto l'obiettivo di colmare questo vuoto testando tre nuovi strumenti virali progettati per colpire i neuroni inibitori nei macachi rhesus. Questi strumenti sono essenzialmente virus innocui che trasportano un'istruzione genetica nelle cellule cerebrali. L'istruzione dice alla cellula di produrre una speciale proteina che reagisce alla luce, permettendo agli scienziati di accendere o spegnere la cellula con un laser. I ricercatori speravano che questi strumenti agissero come un interruttore "pan-inibitorio", il che significa che avrebbero attivato tutti i tipi di neuroni inibitori contemporaneamente, indipendentemente dal loro specifico sottotipo. Hanno iniettato questi virus in quattro diverse aree del cervello della scimmia, incluse regioni responsabili del tatto, del movimento e del processo decisionale. Dopo aver atteso che i virus facessero effetto, il team ha utilizzato una combinazione di registrazioni dal vivo del cervello, sezioni cerebrali dettagliate e imaging microscopico per vedere esattamente cosa fosse accaduto.
I risultati hanno mostrato che gli strumenti funzionavano, ma non nel modo onnicomprensivo che gli scienziati speravano. I virus hanno consegnato con successo le loro istruzioni genetiche ai neuroni inibitori e, quando i ricercatori hanno illuminato il cervello, quelle cellule hanno risposto. Tuttavia, gli strumenti non hanno mirato a ogni tipo di neurone inibitore allo stesso modo. Al contrario, hanno mostrato una forte preferenza per un gruppo specifico di cellule: quelle che contengono una proteina chiamata parvalbumina. Queste cellule sono note per i loro modelli di scarica rapidi e potenti. I virus hanno anche trovato alcune cellule contenenti un'altra proteina chiamata calbindina, ma hanno quasi completamente ignorato un terzo gruppo contenente calretinina. Di fatto, gli strumenti hanno etichettato solo circa un terzo o due terzi della popolazione inibitoria totale, a seconda di quale virus specifico fosse stato utilizzato. Ciò significa che, sebbene gli strumenti siano utili, non sono l'interruttore universale "on-off" per tutte le cellule inibitorie che i ricercatori avevano immaginato.
Nonostante questa selettività, lo studio ha confermato che le cellule bersaglio rimanevano sane e funzionali. Quando i ricercatori attivavano le proteine fotosensibili, i neuroni inibitori emettevano segnali elettrici proprio come dovevano fare. In esperimenti dal vivo, illuminare il cervello con un laser blu o rosso causava un picco di attività in queste cellule quasi istantaneamente. In alcuni casi, l'attivazione di queste cellule inibitorie ha anche calmato con successo le cellule eccitatorie vicine, dimostrando che le connessioni del circuito erano intatte. Il team ha anche osservato le cellule al microscopio e ha scoperto che mantenevano la loro forma normale e non mostravano segni di morte dovuti all'infezione virale, sebbene uno dei tre tipi di virus abbia causato uno stress leggermente maggiore alle cellule rispetto agli altri.
I ricercatori hanno anche scoperto che la scelta della proteina fotosensibile contava moltissimo. Una versione dello strumento, che utilizzava una proteina "red-shifted" (spostata verso il rosso), ha permesso agli scienziati di attivare i neuroni in modo molto più efficace rispetto a una versione con una proteina "blue-shifted" (spostata verso il blu). Ciò è probabilmente dovuto al fatto che la luce rossa può penetrare più profondamente nel tessuto cerebrale rispetto alla luce blu. Inoltre, il team ha scoperto che la combinazione specifica di virus, interruttore genetico e proteina fotosensibile contava come un pacchetto unico. Non si può semplicemente scambiare una parte con un'altra e aspettarsi lo stesso risultato; l'intera miscela agisce come una formula chimica unica dove gli ingredienti specifici determinano il risultato.
Questo lavoro fornisce una tabella di marcia cruciale per studi futuri. Dimostra che, sebbene non possiamo ancora controllare ogni singolo tipo di neurone inibitorio in una scimmia con un unico strumento, disponiamo di metodi potenti e affidabili per controllare i sottotipi più abbondanti e importanti. Comprendendo esattamente quali cellule questi strumenti raggiungono e come si comportano, gli scienziati possono ora progettare esperimenti migliori per studiare come il cervello dei primati controlla il comportamento, il pensiero e il movimento. Lo studio non offre una soluzione magica, ma fornisce i dati quantitativi chiari necessari per procedere, assicurando che la ricerca futura sulle scimmie sia basata su strumenti che si sa funzionare.
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