descoperirile care depășesc granițele sunt printre cele mai mari delicii ale cercetării științifice, dar astfel de salturi sunt adesea trecute cu vederea, deoarece depășesc gândirea convențională. Luați, de exemplu, o nouă descoperire pentru tratarea demenței care sfidează înțelepciunea primită prin combinarea a două domenii de cercetare anterioare fără legătură: undele cerebrale și celulele imune ale creierului, numite microglia. Este o constatare importantă, dar încă necesită buy-in și înțelegerea cercetătorilor pentru a-și atinge adevăratul potențial. Istoria undelor cerebrale arată de ce.în 1887, Richard Caton și-a anunțat descoperirea undelor cerebrale la o întâlnire științifică. „Citiți lucrarea mea despre curenții electrici ai creierului”, a scris el în jurnalul său personal. „A fost bine primit, dar nu a fost înțeles de majoritatea publicului.”Chiar dacă observațiile lui Caton asupra undelor cerebrale erau corecte, gândirea lui era prea neortodoxă pentru ca alții să o ia în serios. Confruntat cu o astfel de lipsă de interes, și-a abandonat cercetările și descoperirea a fost uitată de zeci de ani.
Flash înainte până în octombrie 2019. La o adunare de oameni de știință pe care am ajutat-o la organizarea întâlnirii anuale a Societății pentru Neuroștiințe din Chicago, am întrebat dacă cineva știa de cercetările recente ale neurologilor de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts care au găsit o nouă modalitate de a trata boala Alzheimer prin manipularea microgliilor și a undelor cerebrale. Nimeni nu a răspuns.
am înțeles: oamenii de știință trebuie să se specializeze pentru a reuși. Biologii care studiază microglia nu tind să citească lucrări despre undele cerebrale, iar cercetătorii undelor cerebrale nu sunt, în general, conștienți de cercetarea glială. Un studiu care leagă aceste două discipline separate în mod tradițional poate să nu câștige tracțiune. Dar acest studiu a avut nevoie de atenție: oricât de incredibil ar părea, cercetătorii au îmbunătățit creierul animalelor cu Alzheimer pur și simplu folosind lumini LED care străluceau de 40 de ori pe secundă. Chiar și sunetul redat la această frecvență fermecată, 40 hertz, a avut un efect similar.
astăzi, undele cerebrale sunt o parte vitală a cercetării neuroștiințelor și a diagnosticului medical, deși medicii nu le-au manipulat niciodată pentru a trata bolile degenerative până acum. Aceste câmpuri electromagnetice oscilante sunt produse de neuronii din cortexul cerebral care trag impulsuri electrice pe măsură ce procesează informații. La fel cum oamenii care bat din palme în sincronizare generează aplauze ritmice tunătoare, activitatea combinată a mii de neuroni care trag împreună produce unde cerebrale.
aceste unde vin în diferite forme și în multe frecvențe diferite. Undele alfa, de exemplu, oscilează la frecvențe de 8 până la 12 hertzi. Ele cresc atunci când închidem ochii și închidem stimularea externă care energizează activitatea undelor cerebrale cu frecvență mai mare. Undele gamma care oscilează rapid, care reverberează la frecvențe de 30 până la 120 hertz, prezintă un interes deosebit în cercetarea Alzheimer, deoarece perioada lor de oscilație se potrivește bine cu intervalul de o sută de secundă de semnalizare sinaptică în circuitele neuronale. Undele cerebrale sunt importante în procesarea informațiilor, deoarece pot influența arderea neuronală. Neuronii declanșează un impuls electric atunci când diferența de tensiune dintre interiorul și exteriorul neuronului atinge un anumit punct de declanșare. Vârfurile și jgheaburile oscilațiilor de tensiune din undele cerebrale împing neuronul mai aproape de punctul de declanșare sau mai departe de acesta, stimulând sau inhibând astfel tendința sa de a trage. Tensiunea ritmică care crește, de asemenea, grupează neuronii împreună, făcându-i să tragă în sincronizare în timp ce „călăresc” pe diferite frecvențe ale undelor cerebrale.
știam deja atât de multe, așa că, pentru a înțelege mai bine noua lucrare și originile ei, l-am căutat pe Li-Huei Tsai, neurolog la MIT. Ea a spus că ideea de a folosi una dintre aceste frecvențe pentru a trata Alzheimer a venit dintr-o observație curioasă. „Am observat în propriile noastre date și în cele ale altor grupuri că puterea ritmului de 40 de hertzi și sincronia sunt reduse la modelele de șoarece ale bolii Alzheimer”, a spus ea, precum și la pacienții cu boala. Aparent, dacă aveți Alzheimer, creierul dvs. nu produce unde cerebrale puternice în acea frecvență particulară. În 2016, studentul ei absolvent Hannah Iaccarino a argumentat că, probabil, creșterea puterii acestor unde gamma slăbite ar fi utilă în tratarea acestei demențe severe și ireversibile.pentru a crește puterea undelor gamma, echipa a apelat la stimularea optogenetică, o tehnică nouă care permite cercetătorilor să controleze cum și când neuronii individuali se declanșează prin strălucirea laserelor direct în ele, prin intermediul cablurilor cu fibră optică implantate în creier. Echipa lui Tsai a stimulat neuronii din cortexul vizual al șoarecilor cu Alzheimer, făcându-i să tragă impulsuri la 40 hertz. Rezultatele, publicate în 2016 în Nature, au arătat o reducere marcată a plăcilor de amiloid, un semn distinctiv al bolii.
a fost un bun indiciu că aceste unde cerebrale ar putea ajuta, dar echipa lui Tsai știa că o abordare optogenetică nu era o opțiune pentru oamenii cu boala, din cauza preocupărilor etice. Au început să caute alte modalități de creștere a activității undelor gamma ale creierului. Colegul de la MIT al lui Tsai, Emery Brown, a arătat-o către o lucrare mai veche care arată că puteți spori puterea undelor gamma din creierul unei pisici pur și simplu prin a-l privi la un ecran iluminat de o lumină stroboscopică pâlpâind la anumite frecvențe, care includeau 40 de hertzi. „Hannah și colaboratorii noștri au construit un sistem pentru a încerca acea stimulare senzorială la șoareci și a funcționat”, mi-a spus Tsai. Gândirea este că luminile intermitente biciuiesc undele gamma, deoarece intrarea senzorială ritmică setează circuitele neuronale „balansând” la această frecvență, ca atunci când oamenii zguduie o mașină blocată dintr-o rutină împingând împreună în ritm.
de fapt, luminile stroboscopice au avut un efect suplimentar asupra șoarecilor: au eliminat și plăcile de amiloid. Dar nu era clar exact cum stimularea optogenetică sau terapia cu lumină intermitentă ar putea face asta.
în urma unui indiciu de la Alois Alzheimer însuși, cercetătorii și-au mutat rapid atenția de la neuroni la microglie. În Alzheimer prima descriere a tesutului cerebral luate de la pacientii cu „dementa presenil”, pe care a examinat la microscop aproape de începutul secolului 20, el a remarcat că depozitele de plăci amiloide au fost înconjurate de aceste celule ale sistemului imunitar. Cercetările ulterioare au confirmat că microglia înghite plăcile care marchează creierul acestor pacienți.
Tsai și colegii săi au decis să verifice aceste celule imune la animalele ale căror unde cerebrale le-au amplificat. Ei au observat că microglia la toate animalele tratate a crescut în dimensiune și mai multe dintre ele digera plăci de amiloid.
cum au știut aceste celule să facă acest lucru? Spre deosebire de celulele imune din fluxul sanguin, care nu sunt conștiente de transmisiile neuronale, microglia creierului este reglată la ritmurile activității electrice din creier. În timp ce celulele imune din sânge și microglia din creier au ambii senzori celulari pentru a detecta bolile și leziunile, microglia poate detecta și neuronii care declanșează impulsuri electrice. Asta pentru că au aceiași receptori neurotransmițători pe care neuronii îi folosesc pentru a transmite semnale prin sinapse. Acest lucru oferă microgliei capacitatea de a” asculta ” informațiile care curg prin rețelele neuronale și, atunci când aceste transmisii sunt perturbate, să ia măsuri pentru a repara circuitele. Astfel, undele creierului drept pot determina microglia să consume depozitele toxice de proteine.”mi se pare că această intersecție este unul dintre cele mai interesante și interesante rezultate ale muncii noastre”, mi-a spus Tsai. Echipa ei a raportat anul trecut în Neuron că prelungirea luminii stroboscopice LED care clipește timp de trei până la șase săptămâni nu numai că a eliminat plăcile toxice din creierul șoarecilor, dar a împiedicat și moartea neuronilor și chiar sinapsele conservate, pe care demența le poate distruge.
echipa a vrut să știe dacă alte tipuri de intrare senzorială ritmică ar putea, de asemenea, să rotească circuitele neuronale ca o mașină blocată, producând unde gamma care au dus la mai puține plăci de amiloid. Într-un studiu extins în Cell, ei au raportat că, la fel cum a văzut flash-uri la 40 hertz a dus la mai puține plăci în cortexul vizual, stimularea sunetului la 40 hertz a redus proteina amiloidă în cortexul auditiv. Alte regiuni au fost afectate în mod similar, inclusiv hipocampul — crucial pentru învățare și memorie — iar șoarecii tratați au avut performanțe mai bune la testele de memorie. Expunerea șoarecilor la ambii stimuli, un spectacol de lumină sincronizat cu sunetul pulsatoriu, a avut un efect și mai puternic, reducând plăcile amiloide din regiunile cortexului cerebral, inclusiv regiunea prefrontală, care îndeplinește funcții executive de nivel superior care sunt afectate de Alzheimer.
am fost uimit, așa că doar pentru a mă asigura că nu mă entuziasmez în mod nejustificat de posibilitatea de a folosi lumini și sunete intermitente pentru a trata oamenii, am vorbit cu Hiroaki Wake, neurolog la Universitatea Kobe din Japonia, care nu a fost implicat în lucrare. „Ar fi fantastic!”el a spus. „Tratamentul poate fi, de asemenea, eficient pentru o serie de tulburări neurodegenerative, cum ar fi boala Parkinson și ALS”, unde microglia joacă, de asemenea, un rol. El observă, totuși, că, deși legătura dintre microglia și oscilațiile creierului este bine întemeiată, mecanismul biologic prin care stimularea 40-hertz determină microglia să îndepărteze plăcile și să salveze neuronii de la distrugere rămâne necunoscut.
Tsai a spus că misterul poate fi rezolvat în curând. O echipă de cercetători de la Institutul de Tehnologie din Georgia, inclusiv veterana Laboratorului Tsai, Annabelle Singer, a prezentat o posibilitate într-o lucrare din februarie. Ei au raportat că la șoarecii normali, stimularea gamma cu lumini LED a indus rapid microglia pentru a genera citokine, proteine pe care neuronii (și celulele imune în general) le folosesc pentru a se semnala reciproc. Sunt unul dintre principalii regulatori ai neuroinflamării ca răspuns la leziuni cerebrale și boli, iar microglia le-a eliberat surprinzător de repede, în doar 15 până la 60 de minute de la stimulare. „Aceste efecte sunt mai rapide decât vedeți cu multe medicamente care vizează semnalizarea imună sau inflamația”, a spus Singer.citokinele vin în multe forme, iar studiul a constatat că obținerea microgliei pentru a produce diferite tipuri necesită frecvențe specifice. „Stimularea neuronală nu activează doar semnalizarea imună”, a spus Singer. A fost nevoie de un anumit ritm pentru a produce aceste proteine particulare. „Diferite tipuri de stimulare ar putea fi folosite pentru a regla semnalizarea imună după dorință.”asta înseamnă că medicii ar putea trata diferite boli doar prin modificarea ritmurilor de lumină și sunet pe care le folosesc. Diferiții stimuli ar determina neuronii să producă frecvențe adecvate ale undelor cerebrale, determinând microglia din apropiere să elibereze anumite tipuri de citokine, care îi spun microgliei în general cum să meargă la muncă reparând creierul.
desigur, poate fi încă un timp înainte ca astfel de tratamente să fie disponibile pentru pacienți. Și chiar și atunci, pot exista efecte secundare. „Stimularea senzorială ritmică afectează probabil multe tipuri de celule din țesutul cerebral”, a spus Tsai. „Modul în care fiecare dintre ei simte și răspunde la oscilațiile gamma este necunoscut.”Wake a subliniat, de asemenea, că stimularea ritmică ar putea face mai mult rău decât bine, deoarece astfel de stimuli ar putea induce convulsii, frecvente în multe tulburări psihiatrice și neurodegenerative.
totuși, beneficiile potențiale sunt mari. Echipa lui Tsai tocmai a început să evalueze metoda lor de lumină stroboscopică pe pacienți și sunt siguri că li se vor alătura și alții, pe măsură ce mai mulți cercetători învață despre această lucrare promițătoare. (Majoritatea experților cu care am vorbit nu au fost conștienți de această cercetare până când nu am întrebat.la fel cum noi specii apar la granițele dintre ecosisteme, noi științe pot înflori la interfața dintre discipline. Este nevoie de un ochi ascuțit pentru a-l observa, dar, așa cum a descoperit Richard Caton, poate necesita și un pic de convingere pentru a-i convinge pe ceilalți.