odkrycia wykraczające poza granice są jednymi z największych uroków badań naukowych, ale takie skoki są często pomijane, ponieważ przewyższają konwencjonalne myślenie. Weźmy na przykład nowe odkrycie w leczeniu demencji, która przeciwstawia się otrzymanej mądrości, łącząc dwa wcześniej niepowiązane obszary badań: fale mózgowe i komórki odpornościowe mózgu, zwane mikroglejem. Jest to ważne odkrycie, ale nadal wymaga wpisowego i zrozumienia naukowców, aby osiągnąć swój prawdziwy potencjał. Historia fal mózgowych pokazuje dlaczego.
w 1887 roku Richard Caton ogłosił odkrycie fal mózgowych na spotkaniu naukowym. „Przeczytaj moją pracę na temat prądów elektrycznych mózgu”, napisał w swoim osobistym dzienniku. „Został dobrze przyjęty, ale nie zrozumiany przez większość publiczności.”Mimo że obserwacje fal mózgowych Catona były poprawne, jego myślenie było zbyt niekonwencjonalne, aby inni traktowali to poważnie. Wobec takiego braku zainteresowania porzucił swoje badania i odkrycie zostało zapomniane przez dziesięciolecia.
do października 2019 r. Na spotkaniu naukowców, które pomogłem zorganizować na dorocznym spotkaniu Towarzystwa neuronauki w Chicago, zapytałem, czy ktoś wiedział o ostatnich badaniach neurobiologów w Massachusetts Institute of Technology, który znalazł nowy sposób w leczeniu choroby Alzheimera poprzez manipulowanie mikrogleju i fal mózgowych. Nikt nie odpowiedział.
zrozumiałem: naukowcy muszą się specjalizować, aby odnieść sukces. Biolodzy badający mikroglej nie mają tendencji do czytania artykułów o falach mózgowych, a badacze fal mózgowych są na ogół nieświadomi badań glejowych. Badanie, które łączy te dwie tradycyjnie odrębne dyscypliny, może nie uzyskać trakcji. Ale to badanie wymagało uwagi: niewiarygodne, jak to może brzmieć, naukowcy ulepszyli mózgi zwierząt z chorobą Alzheimera po prostu za pomocą diod LED, które migały 40 razy na sekundę. Podobny efekt miał nawet dźwięk grany na tej częstotliwości, 40 herców.
dzisiaj fale mózgowe są istotną częścią badań neuronauki i diagnostyki medycznej, chociaż lekarze nigdy wcześniej nie manipulowali nimi w leczeniu chorób zwyrodnieniowych. Te oscylujące pola elektromagnetyczne są wytwarzane przez neurony w korze mózgowej odpalające impulsy elektryczne podczas przetwarzania informacji. Tak jak ludzie klaszczący w dłonie synchronicznie generują gromkie rytmiczne oklaski, połączona aktywność tysięcy neuronów odpalających razem wytwarza fale mózgowe.
fale te występują w różnych formach i w wielu różnych częstotliwościach. Na przykład fale alfa oscylują przy częstotliwościach od 8 do 12 herców. Zwiększają się, gdy zamykamy oczy i wyłączamy zewnętrzną stymulację, która pobudza aktywność fal mózgowych o wyższej częstotliwości. Gwałtownie oscylujące fale gamma, które odbijają się w częstotliwościach od 30 do 120 herców, są szczególnie interesujące w badaniach nad chorobą Alzheimera, ponieważ ich okres oscylacji jest dobrze dopasowany do setnej części drugiego okresu sygnalizacji synaptycznej w obwodach nerwowych. Fale mózgowe są ważne w przetwarzaniu informacji, ponieważ mogą wpływać na wypalanie neuronów. Neurony uruchamiają impuls elektryczny, gdy różnica napięcia między wnętrzem i na zewnątrz neuronu osiągnie określony punkt wyzwalający. Szczyty i koryta oscylacji napięcia w falach mózgowych szturchają neuron bliżej punktu wyzwalającego lub dalej od niego, zwiększając lub hamując jego skłonność do ognia. Rytmiczne napięcie rosnące również grupuje neurony razem, dzięki czemu ogień w synchronizacji, jak „jeździć” na różnych częstotliwościach fal mózgowych.
już to wiedziałem, więc aby lepiej zrozumieć nową pracę i jej początki, poszukałem Li-Huei Tsai, neurobiologa z MIT. Powiedziała, że pomysł wykorzystania jednej z tych częstotliwości do leczenia Alzheimera pochodzi z ciekawej obserwacji. „Zauważyliśmy w naszych własnych danych, a także w innych grupach, że moc rytmu 40-herców i synchronizacja są zmniejszone w mysich modelach choroby Alzheimera”, powiedziała, a także u pacjentów z chorobą. Najwyraźniej, jeśli masz Alzheimera, twój mózg nie wytwarza silnych fal mózgowych o takiej częstotliwości. W 2016 roku jej absolwentka Hannah Iaccarino stwierdziła, że być może zwiększenie mocy tych osłabionych fal gamma byłoby pomocne w leczeniu tej ciężkiej i nieodwracalnej demencji.
aby zwiększyć moc fali gamma, zespół zwrócił się do stymulacji optogenetycznej, nowatorskiej techniki, która pozwala naukowcom kontrolować, jak i kiedy poszczególne neurony strzelają za pomocą świecących laserów bezpośrednio do nich, za pośrednictwem kabli światłowodowych wszczepionych do mózgu. Zespół Tsai stymulował neurony w korze wzrokowej myszy z chorobą Alzheimera, sprawiając, że wystrzeliwują impulsy z prędkością 40 herców. Wyniki, opublikowane w 2016 W Nature, wykazały wyraźną redukcję płytek amyloidowych, cechą charakterystyczną choroby.
To była dobra wskazówka, że te fale mózgowe mogą pomóc, ale zespół Tsai wiedział, że podejście optogenetyczne nie jest opcją dla ludzi z chorobą, ze względu na obawy etyczne. Zaczęli szukać innych sposobów na zwiększenie aktywności fal gamma mózgu. Koleżanka Tsai z MIT, Emery Brown, wskazała jej na starszy artykuł pokazujący, że można zwiększyć moc fal gamma w kociej głowie po prostu wpatrując się w ekran oświetlony światłem stroboskopowym migotającym o określonych częstotliwościach, które obejmowały 40 herców. „Hannah i nasi współpracownicy stworzyli system do testowania stymulacji sensorycznej u myszy i to zadziałało”, powiedziała mi Tsai. Myślenie jest takie, że migające światła wzbudzają fale gamma, ponieważ rytmiczne wejście sensoryczne ustawia obwody nerwowe „kołyszące” z tą częstotliwością, jak wtedy, gdy ludzie kołysają utkniętym samochodem z koleiny, naciskając razem w rytmie.
w rzeczywistości światła stroboskopowe miały dodatkowy wpływ na myszy: usuwały również płytki amyloidowe. Ale nie było jasne, jak stymulacja optogenetyczna lub terapia światłem migającym może to zrobić.
Po wskazówkę z Alois Alzheimer siebie, naukowcy szybko przeniósł swoją uwagę z neuronów do mikrogleju. W pierwszym opisie tkanki mózgowej pobranej od pacjentów z „presenile dementia”, który zbadał pod mikroskopem pod koniec XX wieku, zauważył, że osady płytek amyloidowych były otoczone przez te komórki odpornościowe. Kolejne badania potwierdziły, że mikroglej pochłania blaszki pockmarking tych pacjentów ’ mózgi.
Tsai i współpracownicy postanowili sprawdzić te komórki odpornościowe u zwierząt, których fale mózgowe zwiększyły. Zaobserwowali, że mikrogleju u wszystkich leczonych zwierząt miał bulked w wielkości, a Więcej z nich były trawiące płytki amyloidowe.
skąd te komórki wiedziały, żeby to zrobić? W przeciwieństwie do komórek odpornościowych w krwiobiegu, które nie są świadomi transmisji neuronalnych, mikrogleju mózgu są dostrojone do rytmów aktywności elektrycznej w mózgu. Podczas gdy komórki odpornościowe w krwiobiegu i mikrogleju w mózgu mają czujniki komórkowe do wykrywania chorób i urazów, mikrogleju można również wykryć neurony wypalania impulsów elektrycznych. To dlatego, że mają te same receptory neuroprzekaźników, których neurony używają do przesyłania sygnałów przez synapsy. Daje to mikroglejowi zdolność do „nasłuchiwania” informacji przepływającej przez sieci neuronowe i, gdy te transmisje są zakłócone, do podjęcia działań w celu naprawy obwodów. Tak więc, prawe fale mózgowe mogą napędzać mikroglej do spożywania toksycznych złogów białkowych.
„uważam to skrzyżowanie za jeden z najbardziej ekscytujących i intrygujących rezultatów naszej pracy” Jej zespół poinformował w zeszłym roku w Neuron, że wydłużenie migającego światła stroboskopowego LED przez trzy do sześciu tygodni nie tylko usunęło toksyczne płytki w mózgach myszy, ale także zapobiegło obumieraniu neuronów, a nawet zachowało synapsy, które demencja może zniszczyć.
zespół chciał się dowiedzieć, czy inne rodzaje rytmicznych danych czuciowych mogą również kołysać obwody nerwowe jak zablokowany samochód, wytwarzając fale gamma, które doprowadziły do mniejszej liczby płytek amyloidowych. W rozszerzonym badaniu w komórce donieśli, że tak jak widzenie błysków przy 40 hercach spowodowało mniej blaszek w korze wzrokowej, stymulacja dźwiękowa przy 40 hercach zmniejszyła białko amyloidu w korze słuchowej. Inne regiony były podobnie dotknięte, w tym hipokamp-kluczowy dla uczenia się i pamięci — a leczone myszy lepiej radziły sobie z testami pamięci. Wystawianie myszy na oba bodźce, pokaz świetlny zsynchronizowany z pulsującym dźwiękiem, miało jeszcze silniejszy efekt, zmniejszając płytki amyloidowe w regionach całej kory mózgowej, w tym w regionie przedczołowym, który wykonuje funkcje wykonawcze wyższego poziomu, które są upośledzone w chorobie Alzheimera.
byłem zdumiony, więc aby upewnić się, że nie jestem nadmiernie podekscytowany możliwością używania migających świateł i dźwięków do leczenia ludzi, rozmawiałem z Hiroaki Wake, neurobiologiem z Kobe University w Japonii, który nie był zaangażowany w prace. „Byłoby fantastycznie!”powiedział. „Leczenie może być również skuteczne w przypadku wielu zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona i ALS”, gdzie mikroglej również odgrywa rolę. Zauważa jednak, że podczas gdy związek między mikrogleju i oscylacje mózgu jest dobrze uzasadnione, mechanizm biologiczny, w którym 40-hertz stymulacja prods mikrogleju do usuwania blaszek i ratowania neuronów przed zniszczeniem pozostaje nieznany.
Tsai powiedział, że tajemnica może być wkrótce rozwiązana. Zespół naukowców z Georgia Institute of Technology, w tym weteranka Tsai Lab Annabelle Singer, przedstawił możliwość w lutowym artykule. Donoszą, że u normalnych myszy, gamma Stymulacja z diodami LED szybko indukowane mikrogleju do wytwarzania cytokin, białek, które neurony (i komórki odpornościowe ogólnie) używać do sygnalizowania siebie nawzajem. Są one jednym z głównych regulatorów neuroinflammation w odpowiedzi na uszkodzenia mózgu i choroby, i mikrogleju uwolnił je zaskakująco szybko, w ciągu zaledwie 15 do 60 minut stymulacji. „Efekty te są szybsze niż w przypadku wielu leków, które celują w sygnalizację immunologiczną lub stan zapalny” – powiedział Singer.
cytokiny występują w wielu formach, a badanie wykazało, że uzyskanie mikrogleju do produkcji różnych rodzajów wymaga określonych częstotliwości. „Stymulacja nerwowa nie tylko włącza sygnalizację immunologiczną” – powiedział Singer. Produkcja tych białek wymagała szczególnego rytmu. „Różne rodzaje stymulacji mogą być wykorzystane do dostrojenia sygnalizacji immunologicznej zgodnie z potrzebami.”
oznacza to, że lekarze mogą potencjalnie leczyć różne choroby poprzez zmianę rytmu światła i dźwięku, którego używają. Różne bodźce będzie rock neuronów do wytwarzania odpowiednich częstotliwości fal mózgowych, powodując pobliskiego mikrogleju do uwolnienia określonych typów cytokin, które mówią mikrogleju w ogóle, jak iść do pracy naprawy mózgu.
oczywiście może upłynąć jeszcze trochę czasu zanim takie zabiegi będą dostępne dla pacjentów. I nawet wtedy mogą wystąpić skutki uboczne. „Rytmiczna stymulacja sensoryczna prawdopodobnie wpływa na wiele rodzajów komórek w tkance mózgowej”, powiedział Tsai. „Nie wiadomo, jak każdy z nich wyczuwa i reaguje na oscylacje gamma.”Wake zwrócił również uwagę, że stymulacja rytmiczna może wyrządzić więcej szkody niż pożytku, ponieważ takie bodźce mogą wywołać napady padaczkowe, powszechne w wielu zaburzeniach psychiatrycznych i neurodegeneracyjnych.
jednak potencjalne korzyści są wielkie. Zespół Tsai właśnie rozpoczął ocenę swojej metody światła stroboskopowego na pacjentach i na pewno dołączą do nich inni, gdy więcej badaczy dowie się o tej obiecującej pracy. (Większość ekspertów z którymi rozmawiałem nie była świadoma tych badań dopóki nie zapytałem.)
tak jak nowe gatunki wyrastają na granicy między ekosystemami, nowa nauka może rozkwitać na styku dyscyplin. Trzeba mieć bystre oko, aby go dostrzec, ale jak zauważył Richard Caton, może również wymagać odrobiny perswazji, aby przekonać innych.