In principio fu il buio: il cervello era una scatola nera, un mistero per la scienza. Poi un’alga speciale ha permesso ai vincitori del premio Nobel per la Medicina 2026 – Peter Hegemann, Georg Nagel e Karl Deisseroth – di accendere una luce blu e ‘illuminare’ i segreti più intimi del cervello: come cioè le cellule nervose modellano ricordi, sentimenti e comportamenti. Ed è stata la svolta. Chiave di tutto una proteina, che gli studi degli scienziati premiati hanno trasformato in un vero e proprio interruttore di memoria ed emozioni.

Il Nobel di quest’anno premia l’optogenetica, un metodo che ha permesso di aprire una nuova era nelle neuroscienze. Come sempre, questo è successo grazie a una ‘staffetta’ ideale fra le intuizioni dei ricercatori: Hegemann e Nagel hanno scoperto la “proteina straordinaria” che ha dato il via a tutto, la canalrodopsina, in un’alga unicellulare, e Karl Deisseroth ha trasformato questa proteina in un interruttore controllato dalla luce per le cellule nervose.

Il modo in cui il cervello governa le emozioni, i comportamenti e le funzioni corporee è stato a lungo un mistero. Nel XX secolo i ricercatori hanno iniziato a studiare quali aree del cervello influenzassero quali funzioni, ma i metodi utilizzati non permettevano di dimostrare relazioni causali. L’immagine che si erano fatti del cervello era come una mappa abbozzata, piena di punti interrogativi e incognite. Oggi tutto questo sta cambiando. “L’optogenetica offre opportunità per mappare il cervello in un modo che un tempo potevamo solo sognare”, afferma nella nota ufficiale Per Svenningsson, presidente del Comitato Nobel per la Fisiologia o la Medicina, argomentando la scelta di assegnare il riconoscimento a queste scoperte.

Tutto ebbe inizio con la curiosità di Peter Hegemann. Si chiedeva come la Chlamydomonas, un’alga unicellulare, fosse in grado di nuotare verso una fonte di luce. Nei primi anni 2000, lui e Georg Nagel scoprirono la canalrodopsina, una proteina algale dalle proprietà uniche, presente sulla superficie della cellula. Quando questa viene illuminata dalla luce blu, si apre un canale attraverso la proteina. Gli ioni carichi fluiscono quindi all’interno della cellula, creando un impulso elettrico. I due scienziati scoprirono che, indipendentemente dalla cellula in cui veniva inserita la proteina, queste cellule diventavano fotosensibili. Karl Deisseroth ha compiuto il passo successivo: ha introdotto il gene della canal-rodopsina nelle cellule nervose dei ratti e, illuminando le cellule con luce blu, è riuscito a innescare un segnale nervoso. Deisseroth ha pubblicato questa scoperta rivoluzionaria nel 2005. Due anni dopo ha fatto funzionare questo interruttore controllato dalla luce per le cellule nervose nel cervello di topi vivi. Questo metodo per controllare i segnali nervosi tramite la luce è ora chiamato optogenetica e ha rapidamente acquisito un impatto globale.

Grazie all’optogenetica, i ricercatori sono stati in grado di svelare i circuiti neurali che regolano specifici ricordi, sentimenti e comportamenti rilevanti per i disturbi neurologici e psichiatrici. In medicina clinica, i ricercatori stanno utilizzando questo metodo nel tentativo di ripristinare la vista nelle persone con disabilità visiva. Comprendere questi meccanismi è stato per lungo tempo un sogno per i ricercatori. E’ una sfida che affascina l’essere umano in generale. “Il mio cervello è per me il meccanismo più inspiegabile – confidava la scrittrice Virginia Woolf in una lettera a un’amica nel 1932 – sempre in fermento, ronzante, che vola alto, ruggisce, si tuffa e poi sprofonda nel fango. E perché? A cosa serve questa passione?”.

In molti condividono queste domande esistenziali: come può questo organo, che pesa appena 1,3 chilogrammi circa, custodire ricordi d’infanzia, sogni a occhi aperti e creatività? Come può essere fonte di gioia, amore e gelosia? Come fa a controllare il battito cardiaco, il ritmo del respiro, il ciclo del sonno? L’optogenetica sta aiutando gli scienziati a svelare un pezzettino per volta questi misteri. La tecnica che consente di attivare o disattivare l’attività di singole cellule nervose in un cervello vivente viene oggi utilizzata nei laboratori di tutto il mondo per questa missione. E sta radicalmente cambiando la nostra comprensione.

Ogni giorno porta nuove scoperte che contribuiscono a risolvere uno dei grandi rebus dell’umanità: come funziona il nostro incredibile cervello. Inseguendo questo sogno, nel corso del XX secolo i ricercatori sono riusciti a identificare quali aree governano le diverse funzioni fisiologiche. Una prima mappa che ha fornito conoscenze preziose, ma i metodi disponibili all’epoca erano piuttosto rudimentali e non permettevano di dimostrare che uno specifico tipo di cellula nervosa fosse la causa diretta di una determinata sensazione o di un certo comportamento. L’immagine del cervello che ne emergeva assomigliava quindi a una fotografia sfocata, priva di molti dettagli. Tra chi auspicava la disponibilità di strumenti più precisi per esplorare la rete di cellule nervose del cervello – caratterizzata da una complessità eccezionale – c’era anche Francis Crick (premio Nobel per la Medicina nel 1962), che alcuni decenni dopo la storica scoperta della doppia elica del Dna (1953) iniziò a studiare i meccanismi alla base della coscienza umana. Immaginò metodi per attivare singole cellule nervose all’interno di un cervello vivente. I segnali che viaggiano nelle cellule nervose sono estremamente rapidi; per eguagliare tale velocità, Crick concluse proprio che l’uso della luce sarebbe stato probabilmente la soluzione ideale.

Se dunque i biologi molecolari fossero riusciti a manipolare le cellule nervose inducendole a reagire alla luce, avrebbero potuto controllare l’attività neuronale. Quella visione del futuro è oggi diventata realtà. Nei primi anni Novanta Hegemann, all’Istituto Max Planck di Biochimica a Martinsried, ebbe l’intuizione giusta mescolando l’alga Chlamydomonas in una capsula di Petri. Il liquido assunse una tenue colorazione verde, e quando i ricercatori illuminarono un lato della capsula il colore verde si spostò verso la sorgente luminosa. L’alga percepiva la luce grazie a una macchia oculare, un minuscolo punto arancione sulla superficie cellulare che contiene una molecola in grado di catturare la luce. Appena mezzo millisecondo dopo che la luce raggiungeva la macchia oculare, si verificava un impulso elettrico. Hegemann formulò l’ipotesi che un unico complesso proteico fosse in grado sia di catturare la luce sia di agire come canale ionico, ma la sua proposta fu accolta con scetticismo. Lo scienziato tentò di isolare la proteina fotosensibile, ma l’impresa fu tutt’altro che semplice. A cavallo del nuovo millennio, dopo anni di insuccessi, il suo gruppo fece una scoperta interessante. Alcuni ricercatori giapponesi avevano mappato il Dna della Chlamydomonas e, tra migliaia di geni, il team di Hegemann ne individuò 2 che presentavano analogie con geni già noti codificanti per proteine in grado di catturare la luce. Poteva uno di questi contenere le istruzioni per la proteina che stavano cercando?

Alla domanda risponderà Nagel, che al Max Planck Institute for Biophysics di Francoforte utilizzava ovociti di rana per studiare le proteine. Lo scienziato iniettò separatamente copie dei 2 geni in diversi lotti, iniziando a produrre in grandi quantità le 2 proteine sconosciute. Potè così scoprire che l’ipotesi formulata da Hegemann 10 anni prima era corretta: erano davvero canali ionici che si aprivano se esposti alla luce. Tali proteine furono denominate canalorodopsina-1 e canalorodopsina-2. La seconda ha aperto la strada all’optogenetica. Nel 2003 Hegemann e Nagel pubblicarono i risultati, ipotizzando che la canalorodopsina-2 potesse essere utilizzata come potente strumento per generare impulsi elettrici nelle cellule sfruttando la luce. Poi, un giovane scienziato della Stanford University raccolse il testimone. Per Deisseroth decisivo fu l’incontro con pazienti psichiatrici negli anni ’90, all’inizio dei suoi studi di Medicina, quando pensava di diventare neurochirurgo e svolse parte della sua formazione in una clinica psichiatrica. Iniziò a chiedersi come il cervello potesse funzionare in modo così diverso da persona a persona, conseguì un dottorato in neuroscienze e si rese conto che, per comprendere le patologie incontrate in clinica, era necessario studiare il funzionamento delle cellule nervose in un cervello vivente. Quando Deisseroth avviò il proprio gruppo di ricerca, iniziò a cercare una proteina utilizzabile per innescare impulsi elettrici nelle cellule nervose. Venne a sapere della scoperta della canalorodopsina-2, e scrisse a Nagel chiedendo di poter accedere al Dna che codificava la proteina e introducendolo in cellule nervose di ratto coltivate in piastre di Petri. Quando il team espose le cellule nervose alla luce blu, queste reagirono immediatamente. Nel 2005 la pubblicazione della scoperta. Avevano raggiunto un traguardo decisivo, ma la strada era ancora lunga.

Deisseroth avviò varie collaborazioni, tra cui quelle con Hegemann e Nagel, e condivise la sua scoperta con altri ricercatori. Furono presto individuate altre proteine in grado di attivare e disattivare le cellule nervose, sensibili a diverse lunghezze d’onda della luce. Nel 2006 il metodo fu denominato optogenetica. Un anno dopo, Deisseroth riuscì ad attivare cellule nervose nel cervello di topi vivi. Un altro importante studio risalente agli albori dell’optogenetica fu pubblicato nel 2012 con Susumu Tonegawa (Nobel per la Medicina nel 1987 per le sue scoperte in immunologia): fu il primo esperimento in cui i ricercatori riuscirono a dimostrare esattamente quali cellule nervose fossero necessarie per uno specifico ricordo. Per dare un’idea dell’impresa, basti pensare che il cervello umano adulto conta circa 90 miliardi di cellule nervose, ognuna delle quali stabilisce migliaia di connessioni con altre cellule nervose. Grazie alla luce, i ricercatori sono oggi in grado di attivare o disattivare singoli circuiti neuronali nel cervello. Possono rievocare ricordi, suscitare emozioni, indurre comportamenti e studiare i tipi di neuroni coinvolti in vari disturbi psichiatrici e neurologici, dalla depressione all’Alzheimer e al Parkinson. Sono stati così identificati, ad esempio, i circuiti che regolano la percezione del dolore, i comportamenti sociali, la sete, l’assunzione di cibo, i meccanismi di ricompensa e l’attenzione. E sono state individuate cellule nervose responsabili di svariate funzioni, dal controllo del ritmo circadiano all’insorgenza della febbre. L’optogenetica ha anche offerto spunti di riflessione su come il sistema nervoso interagisca con diverse cellule in altre parti dell’organismo. Deisseroth ha dimostrato che il ritmo cardiaco può influenzare le emozioni: se il cuore è costretto a un lavoro più intenso, può accentuare i sentimenti di ansia. Altri ricercatori hanno identificato nell’intestino cellule in grado di spiegare perché alcune persone preferiscano consumare zucchero anziché dolcificanti. Sono solo alcuni esempi. E anche la speranza di nuovi trattamenti medici sta iniziando a concretizzarsi: in studi clinici in corso, ad esempio, si sta tentando di ripristinare la vista in persone cieche a causa della retinite pigmentosa. E si spera che l’optogenetica possa migliorare persino gli impianti cocleari. Le possibili evoluzioni sono tante, come le pagine ancora da scrivere.

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(Adnkronos – Salute)