Ed Boyden: Un interruttore di luce per i neuroni

Pensateci un attimo. Vi alzate al mattino, uscite di casa, aria fresca in viso, incontrate nuovi colleghi e fate avvincenti conversazioni, e provate meraviglia per qualche novità. Ma scommetto che oggi non avete pensato a qualcosa -- qualcosa così vicino a casa vostra che probabilmente non è l'oggetto abituale dei vostri pensieri. Sono tutte quelle sensazioni, sentimenti, decisioni e azioni che vengono mediate da quel computer chiamato cervello.

A prima vista non sembra quel gran che -- un chilo di materia grigio-rosacea, amorfa -- ma grazie a 200 anni di neuroscienza siamo potuti penetrare al suo interno e ne abbiamo constatato la complessità. Sappiamo che il cervello è un circuito incredibilmente complicato costituito da centinaia di miliardi di cellule chiamate neuroni. Ora al contrario dei computer concepiti dall'uomo, costituiti da un numero limitato di componenti -- e sappiamo come funzionano perché li costruiamo noi -- il cervello è costituito da migliaia di tipi diversi di cellule, forse decine di migliaia. Hanno forme diverse; hanno molecole diverse; e si collegano con aree cerebrali distinte. E si modificano in modi diversi se si hanno differenti patologie.

In pratica c'è una classe di cellule, cellule piuttosto piccole, inibitrici, che fanno calmare le loro vicine. Cellule che sembrano essere atrofizzate in patologie come la schizofrenia. Vengono chiamate cellule a canestro. E sono solo alcune delle migliaia di tipi diversi di cellule che stiamo cominciando a conoscere. Se ne scoprono di nuove ogni giorno. Un altro esempio: queste cellule grandi, di forma piramidale, si trovano in ampie sezioni del cervello. Sono le cellule eccitatorie. Sono quelle che potrebbero essere iperattive in patologie come l'epilessia. Ognuna di queste cellule è un incredibile apparato elettrico. Ricevono segnali da migliaia di altre cellule e calcolano la quantità di emissione elettrica che, al superamento di una certa soglia, verrà trasmessa a migliaia di altre cellule. Questo processo dura circa un millisecondo e si ripete per migliaia di volte al minuto in ognuna dei nostri 100 miliardi di cellule per tutta la nostra vita, quando pensiamo e quando sentiamo.

Ma in che modo possiamo capire il funzionamento di questo circuito? Idealmente si potrebbe entrare nel circuito e attivare o disattivare i vari tipi di cellule per cercare di capire quali contribuiscano a certe funzioni e quali non funzionino con certe patologie. Se le potessimo attivare potremmo vedere quale energia possono liberare, ciò che possono iniziare e mantenere. Se le si potesse disattivare, allora si potrebbe capire per cosa sono necessarie. Ecco una storia che vi voglio raccontare. Di fatto quello che è successo negli ultimi 11 anni, cercando di trovare il modo di attivare e disattivare circuiti, cellule, parti e percorsi del cervello, sia per capire la scienza che per affrontare alcune delle tematiche che riguardano il genere umano.

Ma prima di parlarvi della tecnologia, la cattiva notizia è che molti di noi in questa sala se vivremo abbastanza a lungo, potranno andare incontro a disturbi mentali. Già un miliardo di persone ha avuto un qualche tipo di disturbo che li ha resi disabili. Ma i numeri non sono sufficienti. Questi disturbi - la schizofrenia, l'Alzheimer, la depressione, le dipendenze -- non solo ci rubano la vita, ma anche la nostra identità; cambiano quella e anche le nostre emozioni -- e ci cambiano come persone. Nel 20° secolo si erano accese delle speranze con lo sviluppo di farmaci per la cura dei disturbi mentali. Ma sebbene molti farmaci abbiano il potere di alleviare i sintomi, in pratica nessuno consente la guarigione. In parte il motivo è che inondiamo il cervello di sostanze chimiche. Questo elaborato circuito costituito da migliaia di cellule differenti viene immerso in una sostanza. E' questo il motivo per cui la maggior parte dei farmaci, se non tutti, possono avere effetti collaterali anche gravi.

Alcuni pazienti hanno provato sollievo grazie a stimolatori elettrici impiantati nel cervello. Per il morbo di Parkinson, degli impianti cocleari hanno in qualche modo aiutato dei pazienti con diversi tipi di disturbi. Ma l'elettricità può andare in tutte le direzioni -- segue il percorso di minor resistenza, da cui forse l'origine della parola. E ha ripercussioni sia sui circuiti normali che su quelli anomali che vogliamo curare. Questo ci rimanda al concetto di controllo ad alta precisione. Saremmo in grado di inviare istruzioni esattamente dove vogliamo?

Dunque quando ho iniziato la carriera in questo settore 11 anni fa avevo una preparazione da ingegnere elettrico e fisico, e la prima cosa a cui ho pensato era che se questi neuroni erano degli apparati elettrici, allora bastava trovare il modo di stimolare in remoto quei cambiamenti elettrici. Se potessimo attivare l'elettricità in una cellula, e solo in quella, avremmo lo strumento per poter attivare e disattivare cellule diverse, capirne il funzionamento e il loro apporto alle reti di trasmissione di cui fanno parte. E potremmo ottenere quel controllo ultra preciso così da ripristinare la capacità di elaborazione che era stata compromessa. Ma come ci possiamo riuscire? Beh, in natura esistono molte molecole in grado di convertire la luce in elettricità. Potete immaginarle come piccole proteine che funzionano come le cellule solari. Se potessimo installarle in qualche modo nei neuroni, allora questi neuroni si potrebbero manovrare tramite la luce. Mentre i loro vicini che non hanno quella molecola non ne risentirebbero. Ma c'è bisogno di un'altra magia per poter realizzare tutto questo, ed è la capacità di far giungere la luce al cervello. Per poterlo fare -- il cervello non avverte dolore -- si inseriscono -- sfruttando le potenzialità offerte da Internet e dalla tecnologia delle comunicazioni -- delle fibre ottiche collegate a laser che attivano, ad esempio nelle cavie di laboratorio, negli studi preclinici, dei neuroni, per poterne studiare le reazioni.

Ma come si fa? Nel 2004, lavorando con Gerhard Nagel e Karl Deisseroth, la nostra visione cominciò a prendere forma. Esiste un tipo di alga che si muove liberamente in acqua, e ha bisogno di navigare verso la luce per poter effettuare la fotosintesi. Recepisce la luce usando un occhiolino che funziona grosso modo come il nostro occhio. Nella membrana che la avvolge contiene piccole proteine che possono tramutare la luce in elettricità. Queste molecole sono le channelrhodopsin. Ognuna di esse si comporta esattamente come una fotocellula. Quando vengono colpite dalla luce blu si apre un forellino che fa entrare le particelle cariche attraverso il piccolo occhio. In questo modo l'occhiolino riceve un segnale elettrico come la fotocellula che carica una batteria.

Dunque basta prendere queste molecole e installarle nei neuroni. E dato che si tratta di una proteina, essa porta con sé il DNA di questo organismo. Perciò è sufficiente prendere quel DNA, inserirlo in una specie di vettore di terapia come un virus, e inocularlo nei neuroni. In quel periodo la terapia genica attraversava una fase molto prolifica, e si stavano scoprendo molti virus. Per cui l'operazione risultava molto semplice. Un giorno dell'estate del 2004, al mattino presto, abbiamo fatto un tentativo che è andato subito bene. Si prende il DNA e si introduce in un neurone. Il neurone usa il suo apparato per la produzione di proteine per fabbricare piccole proteine fotosensibili e le installa su tutta la cellula, proprio come si metterebbero dei pannelli solari sul tetto. A questo punto sapete di avere un neurone che si può attivare con la luce. Un potere enorme.

Ma dovete fare in modo da convogliare questi geni solo alle cellule che voi volete e non alle altre. Si può fare; basta sollecitare i virus in modo che colpiscano alcune cellule e non altre. Potete fare anche un altro giochetto genetico per attivare le cellule con la luce. Questo campo viene ora chiamato "optogenetica". Solo per farvi un esempio di cosa si possa fare, prendete un sistema complesso, e usate uno di questi virus per trasportare il gene solo a un tipo di cellule nel sistema. E quando convogliate la luce sull'intero sistema si attiveranno solo le cellule di quel tipo.

Ad esempio, consideriamo la cellula a canestro di cui vi parlavo -- quella che si atrofizza con la schizofrenia e che è di tipo inibente. Se riusciamo a inserire il gene in queste cellule -- che naturalmente non verranno alterate in nessun modo -- e irradiare la luce blu su tutto il sistema neurale, si potranno condizionare esclusivamente quelle cellule. E quando si spegne la luce le cellule tornano alla normalità, quindi non subiscono alcuna alterazione. Questo non serve solo a studiare il comportamento di queste cellule, la loro capacità di calcolo, ma anche a capire -- beh, magari potremmo ravvivare l'attività di queste cellule, nel caso fossero atrofizzate.

Ora vi racconterò un paio di aneddoti su cosa stiamo facendo, sia a livello scientifico che clinico e preclinico. Una delle domande che ci siamo posti era quali fossero i segnali che nel cervello indicano il senso di appagamento. Perché se si riesce ad individuarli, da lì potremmo evidenziare quelli che inducono l'apprendimento. Il cervello ci indurrà a ripetere l'attività che ha causato quella gratifica. E sono gli stessi segnali che vanno in tilt nei disordini da dipendenza. Dunque se scopriamo di quali cellule si tratti potremmo individuare altri obiettivi su cui indirizzare nuovi farmaci o verificare quelli esistenti, o magari capire dove è possibile impiantare elettrodi nelle persone con gravi patologie. Per poterlo realizzare abbiamo sviluppato un semplice schema assieme al Fiorella group, per cui se la cavia si sposta su questo lato della scatola riceverà un impulso luminoso che renderà diverse cellule del cervello sensibili alla luce. Così se queste cellule ingenereranno un senso di gratifica, la cavia sarà incentivata a spostarsi da questa parte. Ecco quel che succede.

Il topolino si sposta sul lato destro e infila il muso in questo buco, e ogni volta che lo fa riceve un impulso di luce blu. E lo ripeterà per centinaia di volte. Questi sono i neuroni della dopamina, che come forse saprete sono presenti nel cervello, nei centri del piacere. Ora noi abbiamo dimostrato che è sufficiente solo una breve stimolazione per indurre l'apprendimento. Ma potremmo generalizzare l'idea. Invece di concentrarci in un sol punto potremmo creare dispositivi per tutto il cervello, per distribuire la luce con schemi tridimensionali -- fasci di fibre ottiche, ognuna collegata alla propria esclusiva fonte di luce in miniatura. E poi potremmo sperimentare in vivo cose realizzate finora solo in provetta -- come sondare l'intero cervello alla ricerca di segnali che possono stimolare certi comportamenti. Oppure potrebbero rappresentare obiettivi per il trattamento dei disordini mentali.

Vi voglio raccontare in che modo possiamo individuare obiettivi per il trattamento dei disordini da stress post-traumatico -- un tipo di ansia e di paura incontrollabili. Una delle cose che abbiamo fatto è stato adottare un modello classico di paura. Andiamo indietro ai tempi di Ivan Pavlov. Si tratta del condizionamento alla paura Pavloviano -- in cui una nota musicale termina con una piccola scossa. La scossa non è dolorosa ma dà fastidio. E col tempo - nel nostro caso la cavia è un topo, animale che si presta molto bene a una gran varietà di esperimenti -- il topo impara a temere il tono musicale. La sua reazione è l'immobilità, come fa un cervo illuminato dai fari. Ora il problema è come individuare nel cervello quegli obiettivi che consentono di reagire alla paura. E allora proviamo a generare nuovamente quel tono associato alla paura. Ma attivando differenti obiettivi nel cervello, usando quelle fibre ottiche cui vi accennavo, per poter capire quali obiettivi possano far superare il ricordo di quella paura.

Ecco un breve filmato per mostrarvi uno degli obiettivi a cui stiamo lavorando. Questa è una zona della corteccia prefrontale, con la quale è possibile usare il potere cognitivo per superare stati emozionali avversi. Ed ecco il topo che sta per udire il segnale acustico -- ed ecco l'impulso luminoso. Qui non c'è audio, ma potete vedere come l'animale si immobilizzi. Quel segnale era foriero di cattive notizie. E in basso a sinistra c'è un piccolo timer che indica che sono passati un paio di minuti. Ora il prossimo video, otto minuti dopo. E di nuovo il segnale acustico e quindi l'impulso luminoso. Ecco che parte. Adesso. Come potete vedere, 10 minuti dopo aver provveduto ad attivare questa zona del cervello con la luce, siamo riusciti ad eliminare la memoria di quella paura.

Negli ultimi due anni abbiamo analizzato l'albero della vita perché volevamo trovare il modo di spegnere alcuni circuiti nel cervello. Poterlo fare sarebbe estremamente importante. Se potete disattivare delle cellule per alcuni millisecondi riuscireste a capire quale sia il loro ruolo nei circuiti di cui fanno parte. Finora abbiamo studiato organismi appartenenti a tutti gli ambiti della vita -- ogni ambito, tranne quello animale, lo vediamo in modo leggermente diverso. Abbiamo trovato tutte quelle molecole, le cosiddette halorhodopsin e archaerodopsin, che reagiscono alla luce verde e a quella gialla. Si comportano in modo opposto alla molecola cui vi accennavo con l'attivatore di luce blu channelrhodopsin.

Ora vi dirò a cosa crediamo che tutto questo ci possa condurre. Prendiamo ad esempio l'epilessia, condizione in cui il cervello è iperattivo. Ora se i farmaci falliscono, uno dei possibili rimedi è la rimozione di parte del cervello. Ma chiaramente è un intervento irreversibile che potrebbe causare dei danni. Pensate se riuscissimo a spegnere per un attimo quel cervello finché non sia passata la crisi, e poi a ripristinare lo stato di normalità del cervello -- come un sistema dinamico che venga persuaso a tornare alla stabilità. Questa animazione tenta di spiegare il concetto di queste cellule sensibili che si disattivano con la luce, e la luce che entra, e la possibilità di riuscire a disattivarle per la sola durata della crisi. Su questo fronte non disponiamo ancora di dati, ma nell'ambiente c'è molta eccitazione.

Vorrei concludere con una storia che crediamo rappresenti un'altra possibilità -- che forse queste molecole, potendo esercitare un controllo di alta precisione, possono essere utilizzate all'interno del cervello stesso per creare un nuovo tipo di protesi, protesi visive. Vi ho già spiegato che gli stimolatori elettrici non sono merce rara. 75.000 persone affette da Parkinson hanno impianti di stimolazione cerebrale profonda. Forse 100.000 hanno impianti cocleari che consentono loro di udire. C'è un altro problema, ed è come trasportare questi geni nelle cellule. Ci sono nuove speranze provenienti dalla terapia genica, dei virus come i virus adeno-associati che forse affliggono la maggior parte dei presenti ma che non causano alcun sintomo, che sono stati usati con centinaia di pazienti per trasportare geni nel cervello o nel corpo. Finora non si sono riscontrate reazioni gravi in concomitanza con questi virus.

Ma c'è un altro problema a cui non si pensa, e sono le proteine provenienti da alghe, batteri e funghi, in tutti i vari ambiti della vita. Credo nessuno di noi abbia dei funghi o delle alghe nel cervello, ma come reagirebbe il cervello se ve li introducessimo? Saranno tollerati dalle cellule? Come reagirà il sistema immunitario? Stiamo solo all'inizio -- ancora non abbiamo fatto esperimenti sulle persone -- ma abbiamo condotto diversi studi in questa direzione. Finora non abbiamo constatato reazioni preoccupanti all'inserimento di queste molecole o all'illuminazione indotta nel cervello. Dunque stiamo ancora all'inizio, ma c'è una grande eccitazione.

Concludo con una storia che crediamo potrebbe trovare applicazioni cliniche. Ora esistono diverse forme di cecità in cui i fotoricettori, i sensori che si trovano dietro gli occhi, non funzionano più. La retina è certamente una struttura complessa. Ora proviamo a ingrandire per vedere i dettagli. I fotoricettori si trovano in cima, e i segnali rilevati dai fotoricettori vengono elaborati finché lo strato di cellule in basso, i ganglioni, trasmettono le informazioni al cervello in cui si forma la percezione delle immagini. In molte forme di cecità, come la retinite pigmentosa o la degenerazione maculare, i fotoricettori sono atrofizzati o distrutti. Come possiamo ripararli? Non è neppure sicuro che un farmaco possa ricostituirli, dato che non ci sarebbe nulla a cui potersi legare. Ma d'altro canto la luce può ancora penetrare attraverso l'occhio. La luce è ancora trasparente e la si può trasportare all'interno. Forse potremmo prendere queste channelrhodopsin e altre molecole e installarle su alcune di queste cellule e trasformarle in mini fotocamere. E dato che nell'occhio esistono molte di queste cellule, potrebbero tutte trasformarsi in fotocamere ad alta risoluzione.

Dunque queste sono alcune delle nostre attività. Sono dirette da uno dei nostri collaboratori, Alan Horsager della USC (Università della Bassa California), e stiamo pensando alla commercializzazione con la start up Eos Neuroscience, sovvenzionata dal NIH (Istituto Nazionale della Salute). Qui vediamo un topo che cerca di risolvere un rompicapo. E' un labirinto a sei bracci. All'interno c'è un po' d'acqua per invogliarlo a muoversi anziché rimanere fermo. Naturalmente l'obiettivo è uscire dall'acqua e raggiungere una piccola piattaforma sotto il varco illuminato in alto. Ora i topi sono scaltri, e alla fine riescono nel loro intento, ma lo fanno in modo rozzo. Il topo nuota lungo ogni tratto finché non arriva alla piattaforma. Non fa un ragionamento d'insieme. Questi topi sono il risultato di differenti mutazioni che replicano diversi tipi di cecità umana. Dovevamo trovare il modo di usare un approccio generico per tutti i modelli.

Ma come riuscirci? Esattamente come vi ho fatto vedere nella diapositiva precedente. Prendiamo i fotosensori di luce blu e li mettiamo su uno strato di cellule al centro della retina retrostante l'occhio, e li trasformiamo in micro fotocamere. Proprio come installare cellule fotovoltaiche sui neuroni per renderli fotosensibili. La luce viene trasformata in elettricità. Ebbene questo topolino era cieco due settimane prima dell'esperimento e ha ricevuto una di queste molecole fotosensibili tramite un virus. Come vedete, l'animale riesce ad evitare i muri e a raggiungere la piattaforma con l'uso cognitivo dei suoi occhi. Una nota importante: questi animali sono in grado di raggiungere la piattaforma altrettanto velocemente di quelli che non hanno mai perduto la vista. Credo che questo studio preclinico sia di buon auspicio per le attività che vogliamo svolgere in futuro.

Per concludere voglio dirvi che stiamo elaborando anche altri modelli di commercio per questa area delle neurotecnologie. Stiamo sviluppando strumenti che condividiamo con centinaia di altri gruppi in tutto il mondo, così che si possano studiare soluzioni anche per altri tipi di disordini. La nostra speranza è che, riuscendo a comprendere i circuiti neurali tanto da ripararli e ristrutturarli, possiamo arrivare ad affrontare alcune delle patologie inguaribili cui accennavo, tuttora senza cura, e trasformarle in un lontano ricordo.

Grazie.

(Applausi)

Juan Enriquez: Beh, è un po' difficile capire tutto quanto. (Risate) Ma le implicazioni di riuscire a controllare varie crisi o l'epilessia con la luce al posto dei farmaci, e in modo così preciso, è un passo avanti. La seconda cosa che credo tu abbia detto è che è possibile controllare il cervello con due colori. Come usare un interruttore.

Ed Boyden: Corretto.

JE: Il che rende ogni impulso che attraversa il cervello un codice binario.

EB: Sì, giusto. Così la luce blu, che convoglia le informazioni, è come un 1. E quando si spegne abbiamo uno zero. Quindi la nostra speranza è costruire dei coprocessori che lavorino a sostegno del cervello, per ripristinare alcune funzionalità nelle persone disabili.

JE: E in teoria questo vuol dire che, man mano che un topo sente, annusa, ode, tocca, si possono estrapolare delle serie di uno e zero.

EB: Certo, sì. Speriamo di utilizzarlo per poter verificare quali codici neurali inducano quali comportamenti, pensieri o sensazioni, e usarli per capirne di più sul funzionamento del cervello.

JE: Significa che un giorno si potranno scaricare informazioni memorizzate e magari ricaricarne altre?

EB: Beh, è un settore in cui ci stiamo impegnando molto. In questo momento stiamo cercando di inserire nel cervello anche degli elementi di registrazione. Così da registrare le informazioni e poterle reinserire -- capire ciò di cui il cervello ha bisogno per incrementare il processo di elaborazione delle informazioni.

JE: Bene, forse ora c'è la possibilità di cambiare alcune cosette. Grazie (EB: Grazie)

(Applausi)