rajat ylittävät löydöt ovat tieteellisen tutkimuksen suurimpia ilonaiheita, mutta tällaiset loikat jäävät usein huomaamatta, koska ne päihittävät tavanomaisen ajattelun. Otetaanpa esimerkiksi uusi löytö dementian hoitoon, joka uhmaa viisautta yhdistämällä kaksi aiemmin toisiinsa liittymätöntä tutkimusaluetta: aivoaallot ja aivojen immuunisolut, joita kutsutaan mikrogliaksi. Se on tärkeä löydös, mutta vaatii silti tutkijoiden sisäänostoa ja ymmärrystä todellisen potentiaalinsa saavuttamiseksi. Aivoaaltojen historia osoittaa, miksi.
vuonna 1887 Richard Caton ilmoitti tieteellisessä kokouksessa löytäneensä aivoaaltoja. ”Lukekaa tutkielmani aivojen sähkövirroista”, hän kirjoitti henkilökohtaisessa päiväkirjassaan. ”Se sai hyvän vastaanoton, mutta suurin osa yleisöstä ei ymmärtänyt sitä.”Vaikka catonin havainnot aivoaalloista olivat oikeita, hänen ajattelunsa oli liian epäsovinnaista muiden otettavaksi vakavasti. Tällaisen kiinnostuksen puutteen vuoksi hän hylkäsi tutkimuksensa ja löytö unohdettiin vuosikymmeniksi.
Välähdys lokakuuhun 2019. Tiedemiesten kokoontumisessa, jota autoin järjestämään Society for Neuroscience-järjestön vuosikokouksessa Chicagossa, kysyin, tietääkö kukaan Massachusetts Institute of Technologyn neurotieteilijöiden viimeaikaisista tutkimuksista, jotka olivat löytäneet uuden tavan hoitaa Alzheimerin tautia manipuloimalla mikrogliaa ja aivoaaltoja. Kukaan ei vastannut.
ymmärsin: tutkijoiden täytyy erikoistua menestyäkseen. Mikrogliaa tutkivat biologit eivät yleensä lue kirjoituksia aivoaalloista, ja aivoaaltotutkijat ovat yleensä tietämättömiä gliaalitutkimuksesta. Tutkimus, joka yhdistää nämä kaksi perinteisesti erillistä tieteenalojen voi epäonnistua saada vetoapua. Mutta tämä tutkimus tarvitsi huomiota: niin uskomattomalta kuin se kuulostaakin, tutkijat paransivat Alzheimerin tautia sairastavien eläinten aivoja yksinkertaisesti käyttämällä LED-valoja, jotka välähtivät 40 kertaa sekunnissa. Jopa tällä hurmatulla taajuudella, 40 hertsin taajuudella, soitetulla äänellä oli samanlainen vaikutus.
nykyään aivoaallot ovat elintärkeä osa neurotieteellistä tutkimusta ja lääketieteellistä diagnoosia, vaikka lääkärit eivät ole koskaan aiemmin manipuloineet niitä rappeuttavien sairauksien hoitoon. Näitä värähteleviä sähkömagneettisia kenttiä tuottavat aivokuoren hermosolut, jotka laukaisevat sähköimpulsseja informaatiota prosessoidessaan. Siinä missä ihmiset taputtavat käsiään synkroniassa, saavat aikaan jyriseviä rytmisiä suosionosoituksia, tuhansien yhteen ampuvien hermosolujen yhteistoiminta saa aikaan aivoaaltoja.
nämä aallot tulevat eri muodoissa ja monilla eri taajuuksilla. Esimerkiksi alfa-aallot värähtelevät 8-12 hertsin taajuuksilla. Ne purkautuvat, kun suljemme silmämme ja suljemme ulkopuolelle ulkoisen stimulaation, joka energisoi korkeamman taajuuden aivoaaltotoimintaa. Nopeasti värähtelevät gamma-aallot, jotka kaikuvat 30-120 hertsin taajuuksilla, ovat erityisen kiinnostavia Alzheimerin tutkimuksessa, koska niiden värähtelyjakso vastaa hyvin synaptisen signaloinnin sadasosasekuntia neuraalipiireissä. Aivoaallot ovat tärkeitä tiedonkäsittelyssä, koska ne voivat vaikuttaa hermosolujen laukaisuun. Neuronit laukaisevat sähköimpulssin, kun jännite-ero hermosolun sisä-ja ulkopuolella saavuttaa tietyn laukaisupisteen. Aivoaaltojen jännitehuipennukset työntävät hermosolun lähemmäs laukaisupistettä tai kauemmas siitä, mikä lisää tai estää sen taipumusta ampua. Rytminen jännite vellova myös ryhmittää hermosoluja yhteen, jolloin ne syttyvät synkroniassa ”ratsastaessaan” eri taajuuksilla aivoaaltoja.
tiesin sen jo paljon, joten ymmärtääkseni paremmin uutta teosta ja sen alkuperää etsin käsiini li-Huei Tsain, mit: n neurotieteilijän. Hänen mukaansa ajatus käyttää yhtä näistä taajuuksista Alzheimerin hoitoon tuli kummallisesta havainnosta. ”Olimme huomanneet omassa aineistossamme ja muiden ryhmien aineistossa, että 40 hertsin rytmiteho ja synkronia vähenevät Alzheimerin taudin hiirimalleissa”, hän sanoi, samoin kuin tautia sairastavilla potilailla. Ilmeisesti, jos sinulla on Alzheimerin tauti, aivosi eivät tuota voimakkaita aivoaaltoja sillä taajuudella. Vuonna 2016 hänen jatko-opiskelijansa Hannah Iaccarino järkeili, että ehkä näiden heikentyneiden gamma-aaltojen tehon lisääminen auttaisi tämän vakavan ja peruuttamattoman dementian hoidossa.
gamma-Aaltovoiman lisäämiseksi ryhmä turvautui optogeneettiseen stimulaatioon, uudenlaiseen tekniikkaan, jonka avulla tutkijat voivat kontrolloida sitä, miten ja milloin yksittäiset neuronit ampuvat säteilemällä lasereita suoraan niihin aivoihin asennettujen valokaapelien kautta. Tsain ryhmä stimuloi Alzheimerin tautia sairastavien hiirten näköaivokuoren hermosoluja, jolloin ne saivat tuliärsykkeitä 40 hertsin nopeudella. Vuonna 2016 Nature-lehdessä julkaistut tulokset osoittivat taudille tunnusomaisten amyloidiplakkien vähentyneen selvästi.
se oli hyvä osoitus siitä, että nämä aivoaallot voisivat auttaa, mutta Tsain ryhmä tiesi, että optogeneettinen lähestymistapa ei ollut vaihtoehto tautia sairastaville ihmisille eettisten huolenaiheiden vuoksi. He alkoivat etsiä muita tapoja lisätä aivojen gamma-aaltotoimintaa. Tsain mit-kollega Emery Brown osoitti hänelle vanhempaa paperia, joka osoitti, että gamma-aaltojen voimaa kissan aivoissa voi lisätä yksinkertaisesti sillä, että se tuijottaa valkokangasta, jota valaisee tietyillä taajuuksilla välkkyvä strobovalo, joka sisälsi 40 hertsiä. ”Hannah ja yhteistyökumppanimme rakensivat järjestelmän, jolla kokeiltiin tuota aististimulaatiota hiirissä, ja se toimi”, Tsai kertoi. Ajatuksena on, että vilkkuvat valot nostavat gamma-aaltoja, koska rytminen aistinsyöttö asettaa hermopiirit ”keinumaan” tällä taajuudella, kuten silloin, kun ihmiset rokkaavat jumissa olevaa autoa rutusta työntämällä yhteen rytmissä.
itse asiassa strobovaloilla oli hiiriin lisävaikutus: ne tyhjensivät myös amyloidiplakkeja. Mutta ei ollut selvää, miten optogeneettinen stimulaatio tai vilkkuvalohoito voisi tehdä sen.
Alois Alzheimerilta itseltään saamansa vihjeen jälkeen tutkijat siirsivät nopeasti huomionsa neuroneista mikrogliaan. Alzheimerin ensimmäisessä kuvauksessa aivokudoksesta, joka otettiin potilailta, joilla oli ”preseniili dementia”, jota hän tutki mikroskoopilla 1900-luvun vaihteessa, hän totesi, että amyloidiplakkien kerrostumia ympäröivät nämä immuunisolut. Myöhemmät tutkimukset vahvistivat, että mikroglia nielaisi plakit, jotka rokkasivat näiden potilaiden aivoja.
Tsai ja kollegat päättivät tarkistaa nämä immuunisolut eläimistä, joiden aivoaaltoja he olivat kiihdyttäneet. He havaitsivat, että mikroglia oli kaikilla hoidetuilla eläimillä pullistunut kokoon, ja useampi niistä sulatti amyloidiplakkeja.
miten nämä solut osasivat tehdä tämän? Toisin kuin verenkierrossa olevat immuunisolut, jotka eivät ole tietoisia hermosolulähetyksistä, aivojen mikroglia on viritetty aivojen sähköisen toiminnan rytmiin. Vaikka immuunisoluissa verenkierrossa ja mikrogliassa aivoissa on molemmilla solusensorit, jotka havaitsevat sairauksia ja vammoja, mikroglia voi myös havaita sähköimpulsseja laukaisevia neuroneja. Se johtuu siitä, että niillä on samat välittäjäainereseptorit, joita hermosolut käyttävät signaalien välittämiseen synapsien kautta. Tämä antaa microglialle kyvyn ”kuunnella” tietoa, joka virtaa neuroverkkojen läpi, ja kun nämä lähetykset häiriintyvät, ryhtyä toimiin piirien korjaamiseksi. Niinpä oikeat aivoaallot voivat ajaa mikroglian kuluttamaan myrkyllisiä proteiiniesiintymiä.
”minusta tämä risteys on yksi jännittävimmistä ja kiehtovimmista tuloksistamme”, Tsai kertoi. Hänen tiiminsä kertoi viime vuonna Neuron-lehdessä, että LED-strobivalon vilkkumisen pidentäminen kolmesta kuuteen viikkoon paitsi poisti hiirten aivoista myrkyllisiä plakkeja, myös esti neuroneja kuolemasta ja jopa säilyneitä synapseja, jotka dementia voi tuhota.
työryhmä halusi tietää, pystyisikö muunlainen rytminen aistinsyöttö myös heiluttamaan hermopiirejä kuin jumiutunut auto tuottaen gamma-aaltoja, joiden seurauksena amyloidiplakit vähenivät. Laajennetussa tutkimuksessa Cell, he raportoivat, että aivan kuten nähdä vilkkuu 40 hertsin johti vähemmän plakkeja näköaivokuoressa, ääni stimulaatio 40 hertsin vähentää amyloidiproteiinia kuuloaivokuoressa. Muut alueet kärsivät samalla tavalla, mukaan lukien hippokampus — ratkaiseva oppimisen ja muistin kannalta — ja hoidetut hiiret suoriutuivat paremmin muistitesteistä. Hiirten altistaminen molemmille ärsykkeille, sykkivään ääneen synkronoitu valoshow, vähensi vielä voimakkaammin amyloidiplakkeja eri puolilla aivokuorta, mukaan lukien etuotsalohkon alue, joka suorittaa korkeamman tason johtotehtäviä, jotka ovat heikentyneet Alzheimerin taudissa.
olin hämmästynyt, joten varmistaakseni, etten innostuisi liikaa mahdollisuudesta käyttää vilkkuvia valoja ja ääniä ihmisten hoitamiseen, puhuin Hiroaki Wakelle, neurotieteilijälle Koben yliopistosta Japanista, joka ei ollut mukana työssä. ”Se olisi fantastista!”hän sanoi. ”Hoito voi tehota myös moniin hermorappeumasairauksiin, kuten Parkinsonin tautiin ja ALS: ään”, joissa mikroglialla on myös merkitystä. Hän kuitenkin huomauttaa, että vaikka mikroglian ja aivojen värähtelyjen välinen yhteys on hyvin perusteltu, biologinen mekanismi, jolla 40 hertsin stimulaatio saa mikroglian poistamaan plakit ja pelastamaan neuronit tuholta, on edelleen tuntematon.
Tsain mukaan arvoitus saattaa ratketa pian. Georgia Institute of Technologyn tutkijaryhmä, mukaan lukien Tsai Labin veteraani Annabelle Singer, esitti mahdollisuuden helmikuussa julkaistussa paperissa. He kertoivat, että normaaleilla hiirillä gammastimulaatio LED-valoilla sai mikroglian nopeasti tuottamaan sytokiineja, proteiineja, joita hermosolut (ja immuunisolut yleensä) käyttävät toistensa viestimiseen. Ne säätelevät neuroinflammaatiota aivovamman ja sairauden takia, ja mikroglia vapautti ne yllättävän nopeasti, vain 15-60 minuutin sisällä stimulaatiosta. ”Nämä vaikutukset ovat nopeampia kuin monilla lääkkeillä, jotka kohdistuvat immuunisignaaleihin tai tulehduksiin”, Singer sanoi.
sytokiineja on monissa muodoissa, ja tutkimuksessa havaittiin, että mikroglian saaminen tuottamaan eri lajeja vaati tiettyjä frekvenssejä. ”Hermostimulaatio ei vain käynnistä immuunisignaaleja”, Singer sanoi. Näiden proteiinien tuottamiseen tarvittiin tietty rytmi. ”Erilaisia stimulaatioita voitaisiin käyttää virittämään immuunisignalointia halutulla tavalla.”
tämä tarkoittaa, että lääkärit voisivat mahdollisesti hoitaa erilaisia sairauksia vain vaihtelemalla käyttämäänsä valo-ja äänirytmiä. Erilaiset ärsykkeet rokkaisivat hermosoluja tuottamaan sopivia aivoaaltotaajuuksia, jolloin lähellä olevat mikrogliat vapauttaisivat tietyntyyppisiä sytokiineja,jotka kertovat mikroglialle yleensä, miten mennä korjaamaan aivoja.
voi toki vielä kestää jonkin aikaa, ennen kuin tällaisia hoitoja on saatavilla potilaille. Ja silloinkin voi olla sivuvaikutuksia. ”Rytminen aististimulaatio vaikuttaa todennäköisesti moniin aivokudoksen solutyyppeihin”, Tsai sanoi. ”Sitä, miten kukin niistä aistii ja reagoi gamma-värähtelyihin, ei tiedetä.”Wake huomautti myös, että rytminen stimulaatio voisi aiheuttaa enemmän haittaa kuin hyötyä, koska tällaiset ärsykkeet voivat aiheuttaa kohtauksia, jotka ovat yleisiä monissa psykiatrisissa ja neurodegeneratiivisissa häiriöissä.
silti mahdolliset hyödyt ovat suuret. Tsain tiimi on juuri alkanut arvioida strobe-light-menetelmäänsä potilailla, ja he tulevat varmasti muiden joukkoon, kun useammat tutkijat saavat tietää tästä lupaavasta työstä. (Useimmat asiantuntijat, joiden kanssa puhuin, eivät olleet tietoisia tästä tutkimuksesta ennen kuin kysyin.)
aivan kuten uusia lajeja ilmaantuu ekosysteemien rajoille, uusi tiede voi kukoistaa tieteenalojen rajapinnassa. Sen havaitseminen vaatii tarkkaa silmää, mutta kuten Richard Caton totesi, se voi vaatia myös hieman suostuttelua vakuuttaakseen muut.