Objevy, které přesahují hranice patří mezi největší požitky z vědeckého výzkumu, ale tyto skoky jsou často přehlíženy, protože oni předčí konvenční myšlení. Vezměme si například nový objev pro léčbu demence, který vzdoruje přijaté moudrosti kombinací dvou dříve nesouvisejících oblastí výzkumu: mozkových vln a imunitních buněk mozku, nazývaných mikroglie. Je to důležité zjištění, ale stále vyžaduje buy-in a pochopení výzkumných pracovníků k dosažení svého skutečného potenciálu. Historie mozkových vln ukazuje proč.
v roce 1887 Richard Caton oznámil svůj objev mozkových vln na vědeckém setkání. „Přečtěte si můj článek o elektrických proudech mozku,“ napsal ve svém osobním deníku. „Bylo to dobře přijato, ale většina publika tomu nerozuměla.“I když Catonova pozorování mozkových vln byla správná, jeho myšlení bylo příliš neortodoxní na to, aby ostatní brali vážně. Tváří v tvář takovému nezájmu opustil svůj výzkum a objev byl po celá desetiletí zapomenut.
blesk vpřed do října 2019. Na setkání vědců, že jsem pomohl uspořádat na výročním setkání Společnosti pro Neurovědy v Chicagu, jsem se zeptal, jestli někdo věděl, že nedávný výzkum neurologů na Massachusetts Institute of Technology, kteří našli nový způsob, jak k léčbě Alzheimerovy choroby tím, že manipuluje mikroglie a mozkové vlny. Nikdo neodpověděl.
pochopil jsem: vědci se musí specializovat, aby uspěli. Biologové studují mikroglie nemají tendenci číst noviny o mozkové vlny, a mozkové vlny vědci jsou obecně nevědí gliových výzkumu. Studie, která překlenuje tyto dvě tradičně oddělené disciplíny, nemusí získat trakci. Ale tato studie vyžaduje zvláštní pozornost: Neuvěřitelné, jak to může znít, vědci vylepšené mozky zvířat s Alzheimerovou jednoduše pomocí LED světla, které blýskl 40 krát za sekundu. Dokonce i zvuk hraný na této kouzelné frekvenci, 40 hertzů, měl podobný účinek.
dnes jsou mozkové vlny důležitou součástí neurovědního výzkumu a lékařské diagnostiky, ačkoli lékaři s nimi nikdy nemanipulovali k léčbě degenerativních onemocnění. Tato oscilační elektromagnetická pole jsou produkována neurony v mozkové kůře, které při zpracování informací vypalují elektrické impulsy. Mnohem jako lidé tleskat rukama v synchronii generovat bouřlivým rytmický potlesk, kombinované činnosti tisíců neuronů dohromady vytváří mozkové vlny.
tyto vlny přicházejí v různých formách a v mnoha různých frekvencích. Alfa vlny například oscilují při frekvencích 8 až 12 hertzů. Rostou, když zavřeme oči a vypneme vnější stimulaci, která energizuje aktivitu mozkových vln s vyšší frekvencí. Rychle oscilující gama vlny, které vznikají při frekvencích od 30 do 120 hertz, jsou zejména zájem na výzkum Alzheimerovy choroby, protože jejich perioda kmitání je dobře uzavřeno na stou—druhý časový rámec synaptické signalizace v nervové obvody. Mozkové vlny jsou důležité při zpracování informací, protože mohou ovlivnit neuronální palbu. Neurony vypálí elektrický impuls, když rozdíl napětí mezi vnitřkem a vnějškem neuronu dosáhne určitého spouštěcího bodu. Vrcholy a žlaby kmitů napětí v mozkových vlnách posunují neuron blíže ke spouštěcímu bodu nebo dále od něj, čímž zvyšují nebo inhibují jeho tendenci ke střelbě. Rytmické napětí stoupající také seskupuje neurony dohromady, což je synchronně střílí, když „jezdí“ na různých frekvencích mozkových vln.
už jsem toho hodně věděl, takže abych lépe porozuměl nové práci a jejímu původu, vyhledal jsem Li-Huei Tsai, neurovědce na MIT. Řekla, že myšlenka použití jedné z těchto frekvencí k léčbě Alzheimerovy choroby pochází ze zvědavého pozorování. „V našich vlastních datech a v jiných skupinách jsme si všimli, že 40-hertzová rytmická síla a synchronizace jsou sníženy u myších modelů Alzheimerovy choroby,“ řekla, stejně jako u pacientů s touto chorobou. Zdá se, že pokud máte Alzheimerovu chorobu, váš mozek nevytváří silné mozkové vlny v této konkrétní frekvenci. V roce 2016 její postgraduální studentka Hannah Iaccarino usoudila, že možná zvýšení síly těchto oslabených gama vln by bylo užitečné při léčbě této těžké a nevratné demence.
zvýšit gamma wave power, tým obrátil na optogenetic stimulace, nová technika, která umožňuje výzkumníkům určit, jak a kdy jednotlivé neurony oheň svítí lasery přímo do nich, přes optické kabely implantované v mozku. Tsai tým stimulovány neurony ve zrakové kůře myší s Alzheimerovou chorobou, což je oheň impulsy na 40 hz. Výsledky publikované v roce 2016 v Nature ukázaly výrazné snížení amyloidních plaků, což je charakteristický znak onemocnění.
byl to dobrý náznak, že tyto mozkové vlny by mohly pomoci, ale Tsaiův tým věděl, že optogenetický přístup není pro lidi s touto chorobou volbou kvůli etickým obavám. Začali hledat jiné způsoby, jak zvýšit aktivitu gama vlny mozku. Tsai MIT kolega Emery Brown ukázal jí na starší článek o tom, že můžete zvýšit energii gama vlny v kočičí mozek prostě tím, že to dívat se na obrazovku osvětlené bleskové světlo blikající v různých frekvencích, který zahrnoval 40 hz. „Hannah a naši spolupracovníci vytvořili systém, který vyzkoušel tuto smyslovou stimulaci u myší, a fungovalo to,“ řekl mi Tsai. Myšlení je, že blikající světla vybičovat gama vlny, protože rytmické smyslové vjemy sady nervových obvodů „houpací“ na této frekvenci, jako když lidé skále přilepená auto ven z vyjetých kolejí tím, že tlačí dohromady v rytmu.
ve skutečnosti měla stroboskopická světla další účinek na myši: také vyčistili amyloidní plaky. Ale nebylo přesně jasné, jak by to mohla udělat optogenetická stimulace nebo terapie blikajícím světlem.
po vodítku od samotného Aloise Alzheimera vědci rychle přesunuli svou pozornost z neuronů na mikroglii. U Alzheimerovy první popis mozkové tkáně odebrané od pacientů s „presenilní demence“, která je zkoumána pod mikroskopem v blízkosti přelomu 20. století, poukázal na to, že vklady amyloidních plaků byli obklopeni tyto imunitní buňky. Následný výzkum potvrdil, že mikroglie pohltí plaky označující mozek těchto pacientů.
Tsai a jeho kolegové se rozhodli zkontrolovat tyto imunitní buňky u zvířat, jejichž mozkové vlny posílily. Pozorovali, že mikroglie u všech léčených zvířat se zvětšila a více z nich trávilo amyloidní plaky.
jak tyto buňky věděly, že to dělají? Na rozdíl od imunitních buněk v krevním řečišti, které nevědí o neuronálních přenosech, jsou mikroglie mozku naladěny na rytmy elektrické aktivity v mozku. Zároveň imunitní buňky v krevním oběhu, a mikroglie v mozku, oba mají mobilní senzory pro detekci onemocnění a zranění, mikroglie může také detekovat neurony elektrické impulsy. Je to proto, že mají stejné neurotransmiterové receptory, které neurony používají k přenosu signálů prostřednictvím synapsí. To dává microglia schopnost „poslouchat“ informace protékající neuronovými sítěmi a, když jsou tyto přenosy narušeny, podniknout kroky k opravě obvodů. Správné mozkové vlny tedy mohou řídit mikroglii ke konzumaci toxických proteinových depozit.
„považuji tuto křižovatku za jeden z nejzajímavějších a nejzajímavějších výsledků naší práce,“ řekl mi Tsai. Její tým oznámil minulý rok v Neuron, který prodlužuje LED stroboskop-blikající světlo pro tři až šest týdnů nejen vyklidil toxické plátů u myší mozky, ale také zabránit neurony před smrtí, a dokonce i konzervované synapse, které demence může zničit.
tým chtěl vědět, jestli jiné typy rytmických smyslových vjemů může také rock neurální obvody jako přilepená auto, produkující gama vlny, které vyústilo v méně amyloid plakety. V rozšířené studii v buňce uvedli, že stejně jako vidění záblesků při 40 hertzech vedlo k menšímu počtu plaků ve zrakové kůře, zvuková stimulace při 40 hertzech snížila amyloidní protein ve sluchové kůře. Podobně byly postiženy i jiné oblasti, včetně hipokampu-klíčového pro učení a paměť – a ošetřené myši fungovaly lépe při testech paměti. Vystavení myší na oba podněty, světelnou show synchronizované s pulzující zvuk, měl dokonce ještě silnější účinek, snižuje amyloid plakety v regionech po celé mozkové kůry, včetně prefrontální oblasti, což s sebou nese vyšší úrovni výkonné funkce, které jsou postižené v Alzheimera.
byl jsem ohromen, tak jen aby se ujistil, že jsem nebyl stále nepřiměřeně vzrušený o možnosti využití blikající světla a zvuky k léčbě lidí, mluvil jsem s Hiroaki Služba, neurolog na Kobe University v Japonsku, který nebyl zapojen do práce. „Bylo by to fantastické!“řekl. „Léčba může být také účinná u řady neurodegenerativních poruch, jako je Parkinsonova choroba a ALS,“ kde hraje roli také mikroglie. Poznamenává však, že zatímco souvislost mezi mikroglie a mozkových oscilací je opodstatněný, biologický mechanismus, kterým 40-hertz stimulace prods mikroglie do odstranění plakety a záchranu neurony před zničením zůstává neznámý.
Tsai řekl, že záhada může být brzy vyřešena. Tým výzkumníků z Georgia Institute of Technology, včetně Tsai laboratoře veterán Annabelle Zpěvák, vyložil možnost v únoru papíru. Oni hlásili, že v normálních myší, gamma stimulace s LED světla rychle indukované mikroglie generovat cytokiny, proteiny, které neurony (buňky imunitního systému obecně) použít, aby se signál navzájem. Jsou jedním z hlavních regulátorů zánět v reakci na poranění mozku a nemoci, a mikroglie vydáno nich překvapivě rychle, během pouhých 15 až 60 minut po stimulaci. „Tyto účinky jsou rychlejší, než vidíte u mnoha léků, které se zaměřují na imunitní signalizaci nebo zánět,“ řekl Singer.
cytokiny přicházejí v mnoha formách a studie zjistila, že získání mikroglie k produkci různých druhů vyžaduje specifické frekvence. „Neurální stimulace nezapne jen imunitní signalizaci,“ řekl Singer. Výroba těchto konkrétních proteinů vyžadovala zvláštní rytmus. „Různé typy stimulace by mohly být použity k vyladění imunitní signalizace podle potřeby.“
to znamená, že lékaři by mohli potenciálně léčit různé nemoci jen změnou světelných a zvukových rytmů, které používají. Různé podněty by rock neurony do jejich výroby vhodné mozkových vln frekvencí, což způsobuje v okolí mikroglie k uvolnění konkrétní typy cytokinů, které mikroglie obecně, jak jít do práce opravy mozku.
samozřejmě může ještě chvíli trvat, než bude taková léčba dostupná pro pacienty. A dokonce i tehdy mohou být vedlejší účinky. „Rytmická smyslová stimulace pravděpodobně postihuje mnoho typů buněk v mozkové tkáni,“ řekl Tsai. „Jak každý z nich cítí a reaguje na oscilace gama, není známo.“Wake také poukázal na to, že rytmická stimulace by mohla způsobit více škody než užitku, protože takové podněty by mohly vyvolat záchvaty, běžné u mnoha psychiatrických a neurodegenerativních poruch.
přesto jsou potenciální přínosy skvělé. Tým Tsai právě začal posuzovat jejich metodu stroboskopického světla na pacientech a určitě se k nim připojí další, protože se o této slibné práci dozví více vědců. (Většina odborníků, se kterými jsem mluvil, o tomto výzkumu nevěděla, dokud jsem se nezeptal.)
stejně jako nové druhy vznikají na hranicích mezi ekosystémy, může nová věda vzkvétat na rozhraní mezi disciplínami. To vyžaduje ostré oko na místě, ale jak Richard Caton našel, to může také vyžadovat trochu přesvědčování přesvědčit ostatní.