Tre tipi di cellule aiutano il cervello a distinguere il giorno dalla notte

Tre tipi di cellule aiutano il cervello a distinguere il giorno dalla notte

I ricercatori del Salk hanno identificato cellule sensibili alla luce negli esseri umani che sembrano aiutare a stabilire cicli giorno-notte sani

LA JOLLA—La luce intensa notturna interrompe i normali cicli giorno-notte del corpo, chiamati ritmi circadiani, e può causare insonnia. Infatti, i ritmi circadiani svolgono un ruolo importante per la salute. I cicli giorno-notte interrotti sono stati persino collegati a una maggiore incidenza di malattie come cancro, malattie cardiache, obesità, disturbi depressivi e diabete di tipo 2 nelle persone che lavorano di notte. Pertanto, comprendere come gli occhi umani percepiscono la luce potrebbe portare a luci "intelligenti" in grado di prevenire la depressione, favorire il sonno notturno e mantenere sani i ritmi circadiani.

In un Scienze In uno studio pubblicato il 5 dicembre 2019, i ricercatori del Salk Institute riportano la scoperta di tre tipi di cellule nell'occhio che rilevano la luce e allineano il ritmo circadiano del cervello alla luce ambientale. Lo studio segna la prima valutazione diretta negli esseri umani delle risposte alla luce di queste cellule, chiamate cellule gangliari retiniche intrinsecamente fotosensibili (ipRGC), e le implicazioni per la salute sono sostanziali.

"Siamo diventati per lo più una specie da interni e siamo stati rimossi dal ciclo naturale della luce diurna durante il giorno e dalla quasi completa oscurità di notte", afferma il professor Salk. Satchidananda Panda, autore senior dell'articolo. "Comprendere come le ipRGC rispondono alla qualità, quantità, durata e sequenza della luce ci aiuterà a progettare un'illuminazione migliore per le unità di terapia intensiva neonatale, le unità di terapia intensiva, gli asili nido, le scuole, le fabbriche, gli uffici, gli ospedali, le case di riposo e persino la stazione spaziale".

Questa nuova comprensione delle ipRGC potrebbe anche alimentare la futura ricerca sullo sviluppo di un'illuminazione terapeutica in grado di curare la depressione, l'insonnia, il disturbo da deficit di attenzione e iperattività (ADHD), l'emicrania e persino i problemi del sonno tra i pazienti affetti dal morbo di Alzheimer.

"Aprirà anche una serie di strade per provare nuovi farmaci o lavorare su particolari malattie specifiche degli esseri umani", afferma Ludovic Mure, ricercatore post-dottorato nel laboratorio Panda e primo autore del nuovo studio.

Sebbene le ipRGC fossero già state identificate nelle retine dei topi, queste cellule non erano mai state segnalate negli esseri umani. Per il nuovo studio, il team del Salk ha utilizzato un nuovo metodo sviluppato dai coautori Anne Hanneken dello Scripps Research Institute e Frans Vinberg del John A. Moran Eye Center dell'Università dello Utah per mantenere i campioni di retina sani e funzionali dopo il decesso dei donatori. I ricercatori hanno quindi posizionato questi campioni su una griglia di elettrodi per studiarne la reazione alla luce.

Hanno scoperto che un piccolo gruppo di cellule iniziava a attivarsi dopo appena 30 secondi di impulso luminoso. Dopo lo spegnimento della luce, alcune di queste cellule impiegavano diversi secondi per smettere di attivarsi. I ricercatori hanno testato diversi colori di luce e hanno scoperto che queste cellule "intrinsecamente fotosensibili" erano più sensibili alla luce blu, il tipo utilizzato nelle comuni luci LED bianco freddo e in molti dei nostri dispositivi, come smartphone e laptop.

Esperimenti successivi hanno rivelato tre tipi distinti di ipRGC. Il tipo 1 rispondeva alla luce relativamente rapidamente, ma impiegava molto tempo a spegnersi. Il tipo 2 impiegava più tempo ad accendersi e anche molto tempo a spegnersi. Il tipo 3 rispondeva solo quando la luce era molto intensa, ma si accendeva più velocemente e poi si spegneva non appena la luce si spegneva. Comprendere il funzionamento di ciascun tipo di ipRGC potrebbe consentire ai ricercatori di progettare meglio l'illuminazione o persino terapie in grado di attivare o disattivare l'attività cellulare.

Il nuovo studio contribuisce in realtà a spiegare un fenomeno segnalato in studi precedenti su alcune persone non vedenti. Queste persone, pur non potendo vedere, sono comunque in grado di allineare il loro ciclo sonno-veglia e i ritmi circadiani al ciclo giorno-notte. Pertanto, devono in qualche modo percepire la luce.

Ora sembra che le ipRGC siano le cellule responsabili dell'invio di quel segnale luminoso al cervello, anche nelle persone che non possiedono i coni e i bastoncelli necessari per trasmettere un'immagine al cervello.

Sembra inoltre che, nelle persone con bastoncelli e coni funzionanti, le ipRGC lavorino a stretto contatto con queste altre cellule visive. Il nuovo studio suggerisce che le ipRGC possono combinare la propria luce in modo sensibile con quella rilevata dai bastoncelli e dai coni per aggiungere informazioni di luminosità e contrasto a ciò che vediamo.

"Questo aggiunge un'altra dimensione alla progettazione di televisori, monitor di computer e schermi di smartphone migliori, in cui la modifica della proporzione di luce blu può ingannare il cervello facendogli vedere un'immagine come luminosa o scura", afferma Panda.

Panda afferma che il prossimo passo di questa ricerca sarà studiare la produzione netta di queste cellule sottoposte a diversi colori, intensità e durata della luce, ad esempio confrontando la loro reazione a brevi impulsi di luce rispetto a una durata più lunga di pochi minuti. Il team è anche interessato a come le cellule reagiscono a sequenze di luce, come una luce blu che diventa arancione o viceversa, che imiterebbe alcune delle varietà di luce che incontriamo in natura all'alba e al tramonto.

"Ripetere questi esperimenti su preparati di retina di donatori di età diverse ci aiuterà anche a capire se e in che misura gli individui giovani e anziani differiscono nella loro funzione ipRGC, il che potrebbe aiutare a progettare la luce interna per una migliore sincronizzazione giorno-notte in generale e forse anche per applicazioni come il miglioramento dell'umore tra gli individui anziani e i pazienti con demenza", afferma Panda.

Tra gli altri autori figurano Frans Vinberg del John A. Moran Eye Center dell'Università dello Utah e Anne Hanneken della Scripps Research.

Il lavoro è stato finanziato dai National Institutes of Health (sovvenzioni EY 016807 e EY026651), da sovvenzioni di fondazioni filantropiche e da borse di studio della Fondation Fyssen e della Catharina Foundation.

DOI: 10.1126/science.aaz0898