a határokat túllépő felfedezések a tudományos kutatás legnagyobb örömei közé tartoznak, de az ilyen ugrásokat gyakran figyelmen kívül hagyják, mert felülmúlják a hagyományos gondolkodást. Vegyünk például egy új felfedezést a demencia kezelésére, amely dacol a bölcsességgel két korábban nem kapcsolódó kutatási terület kombinálásával: az agyhullámok és az agy immunsejtjei, az úgynevezett mikroglia. Ez egy fontos megállapítás, de még mindig szükség van a buy-in és a megértés a kutatók, hogy elérjék a valódi potenciálját. Az agyhullámok története megmutatja, miért.
1887-ben Richard Caton bejelentette az agyhullámok felfedezését egy tudományos találkozón. “Olvassa el az agy elektromos áramairól szóló cikkemet” – írta személyes naplójában. “Jól fogadták, de a közönség nagy része nem értette.”Annak ellenére, hogy Caton agyhullámokkal kapcsolatos megfigyelései helyesek voltak, gondolkodása túl szokatlan volt ahhoz, hogy mások komolyan vegyék. Az érdeklődés ilyen hiányával szembesülve felhagyott kutatásával, és a felfedezést évtizedekre elfelejtették.
előretekintés 2019 októberére. A tudósok összejövetelén, amelyet a Chicagói Idegtudományi Társaság éves találkozóján segítettem megszervezni, megkérdeztem, tud-e valaki a Massachusetts Institute of Technology idegtudósainak legújabb kutatásairól, akik új módszert találtak az Alzheimer-kór kezelésére a mikroglia és az agyhullámok manipulálásával. Senki sem válaszolt.
megértettem: a tudósoknak szakosodniuk kell a sikerhez. A mikrogliát tanulmányozó biológusok nem hajlamosak az agyhullámokról szóló cikkeket olvasni, és az agyhullám-kutatók általában nincsenek tisztában a glia kutatásával. Egy tanulmány, amely áthidalja ezt a két hagyományosan különálló tudományágat, nem képes tapadást szerezni. De ez a tanulmány figyelmet igényelt: hihetetlenül hangzik, a kutatók egyszerűen az Alzheimer-kórban szenvedő állatok agyát javították, másodpercenként 40-szer villogott LED-es lámpák használatával. Még ezen a bájos frekvencián, 40 Hz-en lejátszott hangnak is hasonló hatása volt.
manapság az agyhullámok az idegtudományi kutatások és az orvosi diagnózis létfontosságú részét képezik, bár az orvosok még soha nem manipulálták őket degeneratív betegségek kezelésére. Ezeket az oszcilláló elektromágneses mezőket az agykéreg idegsejtjei állítják elő, amelyek elektromos impulzusokat bocsátanak ki az információ feldolgozása során. Ahogy a szinkronban tapsoló emberek mennydörgő ritmikus tapsot generálnak, a több ezer idegsejt együttes aktivitása agyhullámokat eredményez.
ezek a hullámok különböző formákban és különböző frekvenciákban jönnek létre. Az alfa hullámok például 8-12 hertz frekvencián oszcillálnak. Amikor becsukjuk a szemünket, és elzárjuk a külső stimulációt, ami energizálja a magasabb frekvenciájú agyhullám aktivitást. A gyorsan oszcilláló gamma hullámok, amelyek 30-120 hertz frekvencián visszhangoznak, különösen érdekesek az Alzheimer-kór kutatásában, mivel oszcillációs periódusuk jól illeszkedik a szinaptikus jelátvitel századik másodperces időkeretéhez az idegi áramkörökben. Az agyhullámok fontosak az információfeldolgozásban, mert befolyásolhatják az idegsejtek tüzelését. A neuronok elektromos impulzust indítanak el, amikor a neuron belső és külső feszültségkülönbsége elér egy bizonyos triggerpontot. Az agyhullámok feszültségingadozásainak csúcsai és vályúi közelebb lökik az idegsejtet a kiváltó ponthoz, vagy távolabb tőle, ezáltal fokozva vagy gátolva a tűzre való hajlamát. A Ritmikus feszültségnövekedés az idegsejteket is csoportosítja, így szinkronban tüzelnek, amikor az agyhullámok különböző frekvenciáin “lovagolnak”.
ezt már tudtam, így hogy jobban megértsem az új munkát és annak eredetét, megkerestem Li-Huei Tsai-t, az MIT idegtudósát. Azt mondta, hogy az ötlet, hogy ezen frekvenciák egyikét használják az Alzheimer-kór kezelésére, furcsa megfigyelésből származik. “Észrevettük a saját és más csoportok adataiban, hogy a 40 hertzes ritmusteljesítmény és a szinkron csökken az Alzheimer-kór egérmodelljeiben” – mondta. Úgy tűnik, ha Alzheimer-kórban szenved, az agy nem termel erős agyhullámokat az adott frekvencián. 2016-ban Hannah Iaccarino végzős hallgatója úgy vélte, hogy a legyengült gamma-hullámok erejének növelése hasznos lehet e súlyos és visszafordíthatatlan demencia kezelésében.
a gamma-hullám teljesítményének növelése érdekében a csapat az optogenetikai stimulációhoz fordult, egy új technikához, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy ellenőrizzék, hogyan és mikor tüzelnek az egyes neuronok, közvetlenül az agyba beültetett száloptikai kábeleken keresztül. Tsai csapata stimulálta az idegsejteket az Alzheimer-kórban szenvedő egerek vizuális kéregében, így 40 Hz-es impulzusokat váltottak ki. A Nature-ben 2016-ban közzétett eredmények az amiloid plakkok jelentős csökkenését mutatták, ami a betegség jellemzője.
jó jel volt arra, hogy ezek az agyhullámok segíthetnek, de Tsai csapata tudta, hogy az optogenetikai megközelítés etikai aggályok miatt nem lehetséges a betegségben szenvedő emberek számára. Más módszereket kezdtek keresni az agy gamma-hullám aktivitásának növelésére. Tsai mit kollégája, Emery Brown egy régebbi papírra mutatott rá, amely azt mutatja, hogy növelheti a gamma-hullámok erejét egy macska agyában, egyszerűen azáltal, hogy egy bizonyos frekvencián villogó villogó fény által megvilágított képernyőt bámul, amely 40 hertz-et tartalmazott. “Hannah és munkatársaink létrehoztak egy rendszert, hogy kipróbálják ezt az érzékszervi stimulációt egerekben, és ez működött” – mondta Tsai. A gondolkodás az, hogy a villogó fények felkapják a gamma hullámokat, mert a Ritmikus szenzoros bemenet az idegi áramköröket “ringatja” ezen a frekvencián, mint amikor az emberek egy elakadt autót ráznak ki a rutból, ritmusban tolva.
valójában a Stroboszkópok további hatást gyakoroltak az egerekre: az amiloid plakkokat is kitisztították. De nem volt világos, hogy az optogenetikai stimuláció vagy a villogó fényterápia hogyan képes erre.
maga Alois Alzheimer nyomát követve a kutatók gyorsan áthelyezték figyelmüket az idegsejtekről a mikroglia felé. Az Alzheimer-kór “presenilis demenciában” szenvedő betegektől vett agyszövet első leírásában, amelyet mikroszkóp alatt vizsgált a 20.század fordulója közelében, megjegyezte, hogy az amiloid plakkok lerakódásait ezek az immunsejtek veszik körül. A későbbi kutatások megerősítették, hogy a mikroglia elnyeli a plakkok pockmarking ezek a betegek agya.
Tsai és munkatársai úgy döntöttek, hogy megvizsgálják ezeket az immunsejteket azokban az állatokban, akiknek az agyhullámait növelték. Megfigyelték, hogy az összes kezelt állat mikroglia mérete megnőtt,és több közülük amiloid plakkokat emésztett.
hogyan tudták ezek a sejtek ezt megtenni? A véráramban lévő immunsejtekkel ellentétben, amelyek nincsenek tisztában az idegsejtek átvitelével, az agy mikroglia az agy elektromos aktivitásának ritmusára van hangolva. Míg a véráramban lévő immunsejtek és az agy mikroglia sejtes érzékelőkkel rendelkeznek a betegségek és sérülések kimutatására, a mikroglia képes érzékelni az elektromos impulzusokat kibocsátó neuronokat is. Ez azért van, mert ugyanazok a neurotranszmitter receptorok vannak, amelyeket az idegsejtek használnak a jelek szinapszisokon keresztüli továbbítására. Ez lehetővé teszi a microglia számára, hogy “meghallgassa” az ideghálózatokon átáramló információkat, és amikor ezek az átvitelek megzavaródnak, tegyen lépéseket az áramkör javítása érdekében. Így a jobb agyhullámok arra késztethetik a mikrogliát, hogy elfogyasztják a mérgező fehérje lerakódásokat.
“úgy találom, hogy ez a kereszteződés a munkánk egyik legizgalmasabb és legérdekesebb eredménye” – mondta Tsai. Csapata tavaly a neuronban arról számolt be, hogy a LED-es villogó fény három-hat hétig történő meghosszabbítása nemcsak kitisztította az egerek agyában lévő mérgező plakkokat, hanem megakadályozta az idegsejtek pusztulását, sőt megőrizte a szinapszisokat is, amelyeket a demencia elpusztíthat.
a csapat azt akarta tudni, hogy más típusú ritmikus szenzoros bemenetek is rázhatják-e az idegi áramköröket, mint egy beragadt autó, gamma hullámokat produkálva, amelyek kevesebb amiloid plakkot eredményeztek. A cell-ben végzett kiterjesztett vizsgálatban arról számoltak be, hogy ahogy a 40 Hz-es villanások látása kevesebb plakkot eredményezett a vizuális kéregben, a 40 Hz-es hangstimuláció csökkentette az amiloid fehérjét a hallókéregben. Más régiók is hasonlóan érintettek voltak, köztük a hippokampusz-amely kulcsfontosságú a tanulás és a memória szempontjából -, és a kezelt egerek jobban teljesítettek a memória teszteken. Az egerek mindkét ingernek való kitettsége, a pulzáló hanggal szinkronizált fény show, még erőteljesebb hatást fejtett ki, csökkentve az amiloid plakkokat az agykéreg régióiban, beleértve a prefrontális régiót is, amely magasabb szintű végrehajtó funkciókat lát el, amelyek az Alzheimer-kórban károsodtak.
csodálkoztam, ezért csak azért, hogy megbizonyosodjak arról, hogy nem kapok indokolatlanul izgatott a villogó fények és hangok használatának lehetősége az emberek kezelésére, beszéltem Hiroaki Wake-kel, a japán Kobe Egyetem idegtudósával, aki nem vett részt a munkában. “Fantasztikus lenne!”ő mondta. “A kezelés számos neurodegeneratív rendellenesség esetén is hatékony lehet, mint például a Parkinson-kór és az ALS”, ahol a mikroglia is szerepet játszik. Megjegyzi azonban, hogy bár a mikroglia és az agyi rezgések közötti kapcsolat megalapozott, a biológiai mechanizmus, amellyel a 40 Hz-es stimuláció elősegíti a mikrogliát a plakkok eltávolításában és az idegsejtek megmentésében a pusztulástól, továbbra sem ismert.
Tsai szerint a rejtély hamarosan megoldódhat. A Georgia Institute of Technology kutatócsoportja, köztük a Tsai lab veteránja, Annabelle Singer, egy februári cikkben vázolta fel a lehetőséget. Beszámoltak arról, hogy normál egerekben a gamma-stimuláció LED-es lámpákkal gyorsan indukálta a mikrogliát, hogy citokineket Generáljon, olyan fehérjéket, amelyeket a neuronok (és általában az immunsejtek) használnak egymás jelzésére. Az agyi sérülésekre és betegségekre adott válaszként a neuroinflammáció egyik fő szabályozója, és a mikroglia meglepően gyorsan, mindössze 15-60 perccel a stimuláció után szabadította fel őket. “Ezek a hatások gyorsabbak, mint sok olyan gyógyszer esetében, amelyek immunjelzést vagy gyulladást céloznak meg” – mondta Singer.
a citokinek sokféle formában fordulnak elő, és a tanulmány megállapította, hogy a mikroglia különböző fajtáinak előállításához speciális frekvenciákra van szükség. “Az idegi stimuláció nem csak az immunjelzést kapcsolja be” – mondta Singer. Bizonyos ritmusra volt szükség ezeknek a fehérjéknek a előállításához. “Különböző típusú stimulációkat lehet használni az immunjelzés kívánt hangolására.”
Ez azt jelenti, hogy az orvosok potenciálisan különböző betegségeket kezelhetnek, csak az általuk használt fény-és hangritmus változtatásával. A különböző ingerek az idegsejteket megfelelő agyhullám-frekvenciák előállítására késztetik, aminek következtében a közeli mikroglia bizonyos típusú citokineket szabadít fel, amelyek általában megmondják a mikroglia-nak, hogyan kell dolgozni az agy javításában.
természetesen még eltarthat egy ideig, amíg az ilyen kezelések rendelkezésre állnak a betegek számára. És még akkor is lehetnek mellékhatások. “A Ritmikus szenzoros stimuláció valószínűleg az agyszövet sokféle sejtjét érinti” – mondta Tsai. “Az, hogy mindegyikük hogyan érzékeli és reagál a gamma-rezgésekre, nem ismert.”Wake arra is rámutatott, hogy a Ritmikus stimuláció több kárt okozhat, mint hasznot, mert ezek az ingerek görcsrohamokat idézhetnek elő, amelyek sok pszichiátriai és neurodegeneratív rendellenességben gyakoriak.
ennek ellenére a potenciális előnyök nagyok. Tsai csapata éppen most kezdte el értékelni a strobe-light módszerüket a betegeken, és biztos, hogy mások is csatlakoznak hozzájuk, mivel egyre több kutató tanul erről az ígéretes munkáról. (A legtöbb szakértő, akivel beszéltem, nem volt tisztában ezzel a kutatással, amíg nem kérdeztem.)
ahogy új fajok jönnek létre az ökoszisztémák határainál, az új tudomány virágozhat a tudományágak közötti felületen. Éles szem kell ahhoz, hogy észrevegyük, de ahogy Richard Caton találta, egy kis meggyőzésre is szükség lehet mások meggyőzéséhez.