Уникальная стимуляция зрения может оказаться новым способом лечения болезни Альцгеймера

Исследователи из Массачусетского технологического университета показали, что использование светодиодов, мерцающих на определенной частоте, может существенно уменьшить число бета-амилоидных бляшек в зрительной коре мышей, наблюдаемых при болезни Альцгеймера.

Эта процедура, как представляется авторам, работает за счет индукции мозговых волн, известных под названием гамма-колебания, которые, как обнаружили ученые, помогают мозгу подавлять выработку бета-амилоида и стимулировать клетки, ответственные за уничтожение бляшек.

«Без сомнения, будут необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, может ли подобный подход помочь пациентам с болезнью Альцгеймера», – говорит Ли-Хуэй Цай, профессор нейробиологии, директор института Picower Institute for Learning and Memory в Массачусетском технологическом университете и ведущий автор исследования, которое вышло 7 декабря в интернет-издании «Nature».

«Здесь очень сильно выражен фактор «если» – потому что уже было множество методик, которые продемонстрировали свою эффективность в мышиных моделях, но вот для человеческого организма они оказались нерабочими, – говорит Цай. – Но если исследования на людях покажут такой же ответ на это лечение, как продемонстрировали испытания на мышиной модели, я бы сказала, что потенциал нашего открытия просто огромен, потому что эта методика не только неинвазивная, но и широко доступная».

Цай и Эд Бойден, профессор кафедры биологической инженерии, головного мозга и когнитивных наук из лаборатории Массачусетского технологического университета  Media Lab и Макговернского института исследований мозга, который также является автором статьи, опубликованной в «Nature», основали компанию под названием Cognito Therapeutics, чтобы начать проводить испытания новой методики на людях.

«Это открытие может стать прорывом в понимании и лечении болезни Альцгеймера, страшного заболевания, которым страдают миллионы людей и их семьи по всему миру, – говорит Майкл Сипсер, декан факультета School of Science Массачусетского технологического института. – Ученые из нашего Массачусетского технологического университета открыли двери для совершенно нового направления исследований этого заболевания головного мозга и механизмов, которые могут вызвать или предотвратить его. Я считаю, что это чрезвычайно интересно».

Болезнь Альцгеймера, которой страдают более 5 миллионов человек в Соединенных Штатах, характеризуется возникновением бета-амилоидных бляшек, которые, как предполагается, оказывают вредное воздействие на клетки головного мозга и препятствуют нормальной функции мозга. Предыдущие исследования доказывают, что у пациентов с болезнью Альцгеймера также имеются нарушения гамма-колебаний. Эти мозговые волны, которые варьируются в пределах от 25 до 80 герц (циклов в секунду), как полагают, способствуют таким нормальным функциям мозга, как внимание, восприятие и память.

В исследовании на мышиной модели, в которой мыши были генетически запрограммированы на развитие болезни Альцгеймера, но пока не демонстрировали накопления бета-амилоидных бляшек или симптомов изменения поведения, Цай и ее коллеги обнаружили нарушение гамма-колебаний во время исполнения форм деятельности, которые имеют важное значение для обучения и памяти, когда мыши бегали по лабиринту.

После этого  исследователи стимулировали гамма-колебания с частотой 40 герц в области мозга под названием гиппокамп, которая имеет решающее значение в формировании памяти и ее консолидации. Эти первоначальные исследования основаны на методике, известной как оптогенетика, которая разработана совместно с  Бойденом, что позволяет ученым контролировать активность генетически модифицированных нейронов, освещая их. Используя этот подход, исследователи стимулировали определенные клетки мозга под названием промежуточные (ассоциативные нейроны), которые затем синхронизируют гамма-активность возбуждающих нейронов.

После часа стимуляции с частотой 40 герц исследователи обнаружили сокращение уровня бета-амилоидных белков в гиппокампе на  40–50 процентов. Стимуляция на других частотах, проводимая на частотах от 20 до 80 герц, не приводила к подобному снижению.

Цай и ее коллеги задумались, смогут ли менее инвазивные методы достичь того же эффекта. Цай и Эмери Браун, профессор медицинской инженерии и нейроинформатики, член института Picower Institute и один из авторов статьи, предложили идею использования внешнего стимула  – в данном случае света –  для управления гамма-колебаниями в мозге. Исследователи построили простое устройство, состоящее из полосы светодиодов, которые можно запрограммировать на мерцать на разных частотах.

С помощью этого устройства ученые обнаружили, что один час воздействия света, мерцающего с частотой 40 герц, усиливает гамма-колебания и вызывает снижение отложений бета-амилоида в зрительной коре мышей на самых ранних стадиях развития болезни Альцгеймера в два раза. Тем не менее, белки постепенно возвращаются к своим исходным уровням в течение 24 часов.

Затем ученые проверили, может ли длительный курс лечения уменьшить количество амилоидных бляшек у мышей с более «запущенным» вариантом  накопления амилоидных бляшек. После обработки мышей в течение часа в день в течение семи дней количество и бляшек, и свободно циркулирующего амилоида было заметно снижено. В настоящее время исследователи пытаются определить, насколько долго эти эффекты смогут продержаться.

Кроме того, исследователи обнаружили, что гамма-ритмы также снижают и еще один характерный маркер болезни Альцгеймера – аномально модифицированный тау-белок, который может образовывать клубки в головном мозге.

Сейчас лаборатория Цай изучает, может ли свет руководить гамма-колебаниями в областях мозга за пределами зрительной коры, и предварительно полученные данные свидетельствуют о том, что это возможно. Ученые также исследуют на мышиных моделях болезни Альцгеймера, имеет ли уменьшение количества амилоидных бляшек воздействие на поведенческие симптомы и может ли этот метод влиять на другие неврологические расстройства, которые протекают с  нарушением гамма-колебаний.

Ученые также провели исследования, чтобы попытаться выяснить, каким образом гамма-колебания реализовывают свои эффекты. Они обнаружили, что после гамма-стимуляции процесс образования бета-амилоида менее активен. Гамма-колебания также улучшили способность мозга очищаться от  бета-амилоидных белков, что в обычном состоянии является работой иммунных клеток, известных как микроглия.

«Они устраняют токсичные вещества и остатки клеток, очищают окружающую среду и сохраняют нейроны здоровыми», – говорит Цай.

У пациентов с болезнью Альцгеймера клетки микроглии воспаляются и выделяют токсичные химические вещества, которые способствуют увеличению патологии других клеток мозга. Однако когда у мышей повышали гамма-колебания, их микроглия претерпевала морфологические изменения и становилась более активной, уничтожая бета-амилоидные белки.

«Суть заключается в том, что усиление гамма-колебаний в мозге может сделать по крайней мере две вещи, чтобы снизить амилоидную нагрузку. Первое – это уменьшение продукции бета-амилоида нейронами. Второе – это  усиление уничтожения  амилоида микроглией», – говорит Цай.