Oppdagelser som overskrider grenser er blant de største gledene ved vitenskapelig forskning, men slike sprang blir ofte oversett fordi de overgår konvensjonell tenkning. Ta for eksempel en ny oppdagelse for behandling av demens som trosser mottatt visdom ved å kombinere to tidligere ikke-relaterte forskningsområder: hjernebølger og hjernens immunceller, kalt microglia. Det er et viktig funn, men det krever fortsatt innkjøp og forståelse av forskere for å oppnå sitt sanne potensial. Historien om hjernebølger viser hvorfor.I 1887 annonserte Richard Caton sin oppdagelse av hjernebølger på et vitenskapelig møte. «Les papiret mitt om hjernens elektriske strømmer,» skrev han i sin personlige dagbok. «Det ble godt mottatt, men ikke forstått av de fleste av publikum .»Selv Om Catons observasjoner av hjernebølger var riktige, var hans tenkning for uortodoks for andre å ta på alvor. På grunn av en slik mangel på interesse, forlot han sin forskning og oppdagelsen ble glemt i flere tiår.
Flash frem til oktober 2019. På en samling av forskere som jeg bidro til å organisere på Det årlige møtet I Society For Neuroscience I Chicago, spurte jeg om noen visste om nyere forskning av nevrologer Ved Massachusetts Institute of Technology som hadde funnet en ny måte å behandle Alzheimers sykdom ved å manipulere microglia og hjernebølger. Ingen svarte.
Jeg forsto: Forskere må spesialisere seg for å lykkes. Biologer som studerer microglia har ikke en tendens til å lese papirer om hjernebølger, og hjernebølgeforskere er generelt uvitende om glialforskning. En studie som broer disse to tradisjonelt separate disipliner kan mislykkes i å få trekkraft. Men denne studien trengte oppmerksomhet: Utrolig som det kan høres, forbedret forskerne hjernen til dyr med Alzheimers bare VED Å bruke LED-lys som blinket 40 ganger i sekundet. Selv lyd spilt på denne sjarmerte frekvensen, 40 hertz, hadde en lignende effekt.I Dag er hjernebølger en viktig del av nevrovitenskapsforskning og medisinsk diagnose, selv om leger aldri har manipulert dem til å behandle degenerativ sykdom før nå. Disse oscillerende elektromagnetiske feltene produseres av nevroner i hjernebarken som skyter elektriske impulser når de behandler informasjon. Mye som folk klapper hendene i synkron generere tordnende rytmisk applaus, den kombinerte aktiviteten til tusenvis av nevroner skyte sammen produserer hjernebølger.
disse bølgene kommer i forskjellige former og i mange forskjellige frekvenser. Alfa bølger, for eksempel, oscillerer ved frekvenser på 8 til 12 hertz. De surge når vi lukker øynene og stenge ute ekstern stimulering som gir energi til høyere frekvens hjernebølgeaktivitet. Raskt oscillerende gammabølger, som gir gjenklang ved frekvenser på 30 til 120 hertz, er av særlig interesse For Alzheimers forskning, fordi deres svingningsperiode er godt tilpasset den hundre av en sekunds tidsramme for synaptisk signalering i nevrale kretser. Hjernebølger er viktige i informasjonsbehandling fordi de kan påvirke nevronal avfyring. Neuroner brann en elektrisk impuls når spenningsforskjellen mellom innsiden og utsiden av nevronen når et bestemt utløserpunkt. Toppene og troughs av spenningsoscillasjoner i hjernebølger skyver nevronen nærmere utløserpunktet eller lenger unna det, og derved øker eller hemmer dens tendens til brann. Den rytmiske spenningen fosser også grupper nevroner sammen, noe som gjør dem brann i synkron som de «ri» på ulike frekvenser av hjernebølger.
jeg visste allerede så mye, så for å bedre forstå det nye arbeidet og dets opprinnelse, søkte Jeg Ut Li-Huei Tsai, en nevroforsker VED MIT. Hun sa at ideen om å bruke en av disse frekvensene til Å behandle Alzheimers kom fra en nysgjerrig observasjon. «Vi hadde lagt merke til i våre egne data, og i andre grupper, at 40-hertz rytmekraft og synkronisering er redusert i Musemodeller Av Alzheimers sykdom,» sa hun, så vel som hos pasienter med sykdommen. Tilsynelatende, hvis du Har Alzheimers, produserer hjernen din ikke sterke hjernebølger i den aktuelle frekvensen. I 2016 begrunnet Hennes kandidatstudent Hannah Iaccarino at kanskje å øke kraften til disse svekkede gammabølgene ville være nyttig for å behandle denne alvorlige og irreversible demens.for å øke gamma bølgekraft, vendte teamet seg til optogenetisk stimulering, en ny teknikk som gjør det mulig for forskere å kontrollere hvordan og når individuelle nevroner brenner ved å skinne lasere direkte inn i dem, via fiberoptiske kabler implantert i hjernen. Tsais team stimulerte nevroner i den visuelle cortex av mus med Alzheimers, noe som gjør dem brannimpulser ved 40 hertz. Resultatene, publisert i 2016 I Nature, viste en markert reduksjon i amyloidplakk, et kjennetegn for sykdommen.Det var en god indikasjon på at disse hjernebølgene kunne hjelpe, Men Tsais team visste at en optogenetisk tilnærming ikke var et alternativ for mennesker med sykdommen, på grunn av etiske bekymringer. De begynte å lete etter andre måter å øke hjernens gammabølgeaktivitet på. Tsais mit-kollega Emery Brown pekte henne på et eldre papir som viste at du kan øke kraften til gammabølger i kattens hjerne ved å få den til å stirre på en skjerm opplyst av et strobelys som flimrer ved bestemte frekvenser, som inkluderte 40 hertz. «Hannah og våre samarbeidspartnere bygget et system for å prøve den sensoriske stimuleringen hos mus, Og Det virket,» Fortalte Tsai meg. Tanken er at de blinkende lysene pisker opp gammabølger fordi den rytmiske sensoriske inngangen setter nevrale kretser» rocking » ved denne frekvensen, som når folk rocker en fast bil ut av en rut ved å skyve sammen i rytme.faktisk hadde strobelysene en ekstra effekt på mus: de fjernet også amyloidplakkene. Men det var ikke klart nøyaktig hvordan optogenetisk stimulering eller blinkende lysterapi kunne gjøre det.Etter en ledetråd Fra Alois Alzheimer selv, skiftet forskerne raskt oppmerksomheten fra nevroner til microglia. I Alzheimers første beskrivelse av hjernevev tatt fra pasienter med» presenil demens», som han undersøkte under et mikroskop nær begynnelsen av det 20.århundre, bemerket han at forekomster av amyloidplakk var omgitt av disse immuncellene. Senere forskning bekreftet at microglia sluker plakkene som pockmarking disse pasientenes hjerner.Tsai og kolleger bestemte seg for å sjekke ut disse immuncellene i dyrene hvis hjernebølger de hadde økt. De observerte at mikroglia i alle behandlede dyr hadde bulked opp i størrelse, og flere av dem fordøyde amyloidplakk.
Hvordan visste disse cellene å gjøre dette? I motsetning til immunceller i blodet, som ikke er klar over nevrale overføringer, er hjernens mikroglia innstilt på rytmene av elektrisk aktivitet i hjernen. Mens immunceller i blodet og mikroglia i hjernen begge har cellulære sensorer for å oppdage sykdom og skade, kan mikroglia også oppdage nevroner som skyter elektriske impulser. Det er fordi de har de samme nevrotransmitterreseptorene som nevroner bruker til å overføre signaler gjennom synapser. Dette gir microglia muligheten til å «lytte inn» på informasjon som strømmer gjennom nevrale nettverk, og når disse overføringene forstyrres, å iverksette tiltak for å reparere kretsene. Dermed kan høyre hjernebølger kjøre microglia for å konsumere giftige proteinavsetninger.»jeg synes dette krysset er et av de mest spennende og spennende resultatene av vårt arbeid,» Fortalte Tsai meg. Hennes team rapporterte i Fjor I Neuron at forlengelse AV LED strobe-lyset blinker i tre til seks uker, ikke bare ryddet ut giftige plakkene i musens hjerner, men forhindret også nevroner i å dø og til og med bevarte synapser, hvilken demens kan ødelegge.teamet ønsket å vite om andre typer rytmisk sensorisk inngang også kunne rocke nevrale kretser som en fast bil, og produsere gammabølger som resulterte i færre amyloidplakk. I en utvidet studie i Cell rapporterte de at akkurat som å se blinker ved 40 hertz resulterte i færre plakk i den visuelle cortex, reduserte lydstimulering ved 40 hertz amyloidprotein i den hørbare cortexen. Andre regioner ble også påvirket, inkludert hippocampus-avgjørende for læring og minne — og de behandlede musene utførte seg bedre på minnetester. Å utsette musene for begge stimuli, et lysshow synkronisert med pulserende lyd, hadde en enda kraftigere effekt, og reduserte amyloidplakk i regioner i hele hjernebarken, inkludert prefrontal-regionen, som utfører utøvende funksjoner på høyere nivå som er svekket i Alzheimers.
jeg ble overrasket, så bare for å være sikker på at jeg ikke ble unødig begeistret for muligheten for å bruke blinkende lys og lyder for å behandle mennesker, snakket jeg Med Hiroaki Wake, en nevroforsker ved Kobe University i Japan som ikke var involvert i arbeidet. «Det ville vært fantastisk!»han sa. «Behandlingen kan også være effektiv for en rekke neurodegenerative lidelser som Parkinsons sykdom og ALS,» hvor microglia også spiller en rolle. Han bemerker imidlertid at mens koblingen mellom microglia og hjernesvingninger er velbegrunnet, er den biologiske mekanismen som 40-hertz stimulering støtter microglia til å fjerne plakkene og redde nevroner fra ødeleggelse fortsatt ukjent.
Tsai sa mysteriet kan være løst snart. Et team av forskere Ved Georgia Institute Of Technology, inkludert Tsai lab veteran Annabelle Singer, lagt ut en mulighet i en februar papir. De rapporterte at i normale mus induserte gamma stimulering med LED-lys raskt microglia for å generere cytokiner, proteiner som nevroner (og immunceller generelt) bruker til å signalere hverandre. De er en av de viktigste regulatorene av nevroinflammasjon som svar på hjerneskade og sykdom, og microglia ga dem overraskende raskt, innen bare 15 til 60 minutter av stimuleringen. «Disse effektene er raskere enn du ser med mange stoffer som retter seg mot immunsignalering eller betennelse,» Sa Singer.Cytokiner kommer i mange former, og studien fant at å få microglia til å produsere forskjellige typer krevde spesifikke frekvenser. «Neural stimulering slår ikke bare immunsignal på,» Sa Singer. Det tok en bestemt rytme for å produsere disse spesielle proteinene. «Ulike typer stimulering kan brukes til å stille immunsignalering etter ønske.»det betyr at leger potensielt kan behandle forskjellige sykdommer bare ved å variere lys-og lydrytmene de bruker. De forskjellige stimuliene vil rocke nevronene til å produsere passende hjernebølgefrekvenser, noe som forårsaker nærliggende microglia å frigjøre bestemte typer cytokiner, som forteller microglia generelt hvordan man skal jobbe med å reparere hjernen.
selvfølgelig kan det fortsatt være en stund før slike behandlinger er tilgjengelige for pasienter. Og selv da kan det være bivirkninger. «Rytmisk sensorisk stimulering påvirker sannsynligvis mange typer celler i hjernevæv,» Sa Tsai. «Hvordan hver av dem sanser og reagerer på gamma-svingninger er ukjent.»Wake påpekte også at rytmisk stimulering kunne gjøre mer skade enn godt, fordi slike stimuli kunne indusere anfall, vanlig i mange psykiatriske og nevrodegenerative lidelser.
likevel er de potensielle fordelene store. Tsais team har nettopp begynt å vurdere sin strobe-lysmetode på pasienter, og de er sikker på å bli sluttet av andre som flere forskere lærer om dette lovende arbeidet. (De fleste eksperter jeg snakket med var ikke klar over denne forskningen før jeg spurte.)
Akkurat som nye arter dukker opp ved grensene mellom økosystemene, kan ny vitenskap blomstre i grensesnittet mellom disipliner. Det tar et skarpt øye for å få øye på Det, Men Som Richard Caton fant, kan Det også kreve litt overtalelse for å overbevise andre.