Используя светодиодные лампы, мигающие с определенной частотой, исследователи из Массачусетского технологического института показали, что они могут значительно уменьшить бета-амилоидные бляшки, наблюдаемые при болезни Альцгеймера, в зрительной коре головного мозга мышей.
Это лечение, по-видимому, работает, вызывая мозговые волны, известные как гамма-колебания, которые, как обнаружили исследователи, помогают мозгу подавлять выработку бета-амилоида и укреплять клетки, ответственные за разрушение бляшек.
Потребуются дальнейшие исследования, чтобы определить, может ли подобный подход помочь пациентам с болезнью Альцгеймера, – говорит Ли-Хуэй Цай, профессор нейробиологии Пикауэра, директор Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования, которое появится в декабре. 7 онлайн-издание журнала Nature.
"Это большое «если», потому что было показано, что так много всего работает на мышах, а на людях не работает," Цай говорит. "Но если люди будут вести себя так же, как мыши в ответ на это лечение, я бы сказал, что потенциал просто огромен, потому что он настолько неинвазивен и настолько доступен."
Цай и Эд Бойден, доцент кафедры биологической инженерии, мозга и когнитивных наук в MIT Media Lab и McGovern Institute for Brain Research, который также является автором статьи Nature, основали компанию под названием Cognito Therapeutics для проведения тестов в люди. Ведущими авторами статьи являются аспирантка Ханна Яккарино и сотрудник исследовательской организации Media Lab Аннабель Сингер.
"Это важное объявление может означать прорыв в понимании и лечении болезни Альцгеймера, ужасного недуга, от которого страдают миллионы людей и их семьи во всем мире," говорит Майкл Сипсер, декан Школы наук Массачусетского технологического института. "Наши ученые из Массачусетского технологического института открыли дверь в совершенно новое направление исследований этого расстройства мозга и механизмов, которые могут его вызывать или предотвращать. Я нахожу это чрезвычайно захватывающим."
Стимуляция мозговых волн
Болезнь Альцгеймера, которой страдают более 5 миллионов человек в Соединенных Штатах, характеризуется наличием бета-амилоидных бляшек, которые, как предполагается, вредны для клеток мозга и мешают нормальному функционированию мозга. Предыдущие исследования показали, что у пациентов с болезнью Альцгеймера также нарушены гамма-колебания. Считается, что эти мозговые волны с диапазоном от 25 до 80 герц (циклов в секунду) способствуют нормальным функциям мозга, таким как внимание, восприятие и память.
В исследовании мышей, которые были генетически запрограммированы на развитие болезни Альцгеймера, но еще не демонстрировали накопления бляшек или поведенческих симптомов, Цай и ее коллеги обнаружили нарушение гамма-колебаний во время моделей активности, которые необходимы для обучения и памяти при беге по лабиринту.
Затем исследователи стимулировали гамма-колебания с частотой 40 Гц в области мозга, называемой гиппокампом, что имеет решающее значение для формирования и восстановления памяти. Эти первоначальные исследования основывались на методе, известном как оптогенетика, одним из пионеров которого был Бойден, который позволяет ученым контролировать активность генетически модифицированных нейронов, направляя на них свет. Используя этот подход, исследователи стимулировали определенные клетки мозга, известные как интернейроны, которые затем синхронизируют гамма-активность возбуждающих нейронов.
После часа стимуляции частотой 40 Гц исследователи обнаружили снижение уровня бета-амилоидных белков в гиппокампе на 40-50%. Стимуляция на других частотах в диапазоне от 20 до 80 герц такого снижения не вызывала.
Затем Цай и его коллеги начали задаваться вопросом, могут ли менее инвазивные методы достичь того же эффекта. Цай и Эмери Браун, профессор медицинской инженерии и вычислительной нейробиологии Эдварда Худ Таплина, член Института Пикауэра и автор статьи, придумали идею использования внешнего стимула – в данном случае света – для управления движением. гамма-колебания в головном мозге. Исследователи построили простое устройство, состоящее из полосы светодиодов, которую можно запрограммировать на мерцание на разных частотах.
Используя это устройство, исследователи обнаружили, что час воздействия мерцания света с частотой 40 Гц усиливает гамма-колебания и вдвое снижает уровень бета-амилоида в зрительной коре головного мозга мышей на самых ранних стадиях болезни Альцгеймера. Однако белки вернулись к исходному уровню в течение 24 часов.
Затем исследователи изучили, может ли более длительный курс лечения уменьшить количество амилоидных бляшек у мышей с более развитым накоплением амилоидных бляшек. После лечения мышей в течение часа в день в течение семи дней как бляшки, так и свободно плавающий амилоид заметно уменьшились. Сейчас исследователи пытаются определить, как долго длятся эти эффекты.
Кроме того, исследователи обнаружили, что гамма-ритмы также уменьшают еще один признак болезни Альцгеймера: аномально измененный белок тау, который может образовывать клубки в мозгу.
Лаборатория Цая в настоящее время изучает, может ли свет управлять гамма-колебаниями в областях мозга за пределами зрительной коры, и предварительные данные предполагают, что это возможно. Они также изучают, влияет ли уменьшение количества амилоидных бляшек на поведенческие симптомы их моделей на мышах с болезнью Альцгеймера, и может ли этот метод повлиять на другие неврологические расстройства, связанные с нарушением гамма-колебаний.
Два режима действия
Исследователи также провели исследования, чтобы попытаться выяснить, как гамма-колебания оказывают свое влияние. Они обнаружили, что после гамма-стимуляции процесс образования бета-амилоида менее активен. Гамма-осцилляции также улучшили способность мозга выводить бета-амилоидные белки, которые обычно выполняются иммунными клетками, известными как микроглия.
"Они поглощают токсичные материалы и клеточный мусор, очищают окружающую среду и поддерживают здоровье нейронов," Цай говорит.
У пациентов с болезнью Альцгеймера клетки микроглии становятся очень воспалительными и выделяют токсичные химические вещества, которые вызывают более сильное заболевание других клеток мозга. Однако, когда у мышей усилили гамма-колебания, их микроглия претерпела морфологические изменения и стала более активной в удалении бета-амилоидных белков.
"Суть в том, что усиление гамма-колебаний в мозге может сделать как минимум две вещи для снижения амилоидной нагрузки. Один из них – снизить выработку бета-амилоида нейронами. А во-вторых, это повышение очищения микроглии от амилоидов," Цай говорит.
Исследователи также секвенировали матричную РНК из мозга обработанных мышей и обнаружили, что сотни генов были чрезмерно или недоэкспрессированы, и теперь они исследуют возможное влияние этих вариаций на болезнь Альцгеймера.