Исследования в Массачусетском технологическом институте и других местах дают все больше доказательств того, что мерцание света и звуковые щелчки с частотой гамма-ритма мозга 40 Гц могут замедлять прогрессирование болезни Альцгеймера (БА) и лечить симптомы у людей-добровольцев, а также у лабораторных мышей.
В новом исследовании , опубликованном в журнале Nature с использованием модели заболевания на мышах, исследователи из Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте раскрывают ключевой механизм, который может способствовать этим полезным эффектам: клиренс амилоидных белков, отличительного признака патологии AD, через глимфатическая система мозга, недавно обнаруженная «водопроводная» сеть, параллельная кровеносным сосудам мозга.
«С тех пор, как мы опубликовали наши первые результаты в 2016 году, люди спрашивали меня, как это работает? Почему 40 Гц? Почему не какая-то другая частота?» — сказал старший автор исследования Ли-Хуэй Цай, профессор нейробиологии Пикауэра и директор Института Пикауэра и Инициативы по старению мозга Массачусетского технологического института.
«Это действительно очень важные вопросы, над решением которых мы очень усердно работали в лаборатории».
В новой статье описывается серия экспериментов, проведенных Митчем Мердоком, когда он был аспирантом в области мозговых и когнитивных наук в Массачусетском технологическом институте, показывающие, что когда сенсорная гамма-стимуляция увеличивает мощность и синхронность 40 Гц в мозге мышей, это вызывает особый тип нейрон для высвобождения пептидов.
Результаты исследования также показывают, что эти короткие белковые сигналы затем запускают специфические процессы, которые способствуют увеличению клиренса амилоида через глифатическую систему.
«У нас пока нет линейной карты точной последовательности происходящих событий», — сказал Мердок, которого совместно курировали Цай и соавтор и соавтор Эд Бойден, профессор нейротехнологий Ю. Евы Тан в Массачусетском технологическом институте, член Института исследований мозга Макговерна и аффилированного члена Института Пикауэра. «Но результаты наших экспериментов подтверждают этот путь очистки через основные глимфатические пути».
Видеотур по основным моментам из новой статьи Мердока и др. ал. из Института обучения и памяти Пикауэра. Фото: Институт обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института.
От гаммы к глимфатике
Поскольку предыдущие исследования показали, что глифатическая система является ключевым каналом очистки мозга от отходов и может регулироваться мозговыми ритмами, Цай и команда Мердока предположили, что это может помочь объяснить предыдущие наблюдения лаборатории о том, что гамма-сенсорная стимуляция снижает уровень амилоида у мышей, модельных для болезни Альцгеймера. .
Работая с мышами «5XFAD», которые генетически моделируют болезнь Альцгеймера, Мердок и соавторы впервые воспроизвели предыдущие результаты лаборатории о том, что сенсорная стимуляция частотой 40 Гц увеличивает активность нейронов в мозге с частотой 40 Гц и снижает уровень амилоида. Затем они решили измерить, произошли ли какие-либо коррелированные изменения в жидкостях, протекающих через глифатическую систему и выносящих отходы.
Действительно, они измерили увеличение спинномозговой жидкости в ткани головного мозга мышей, получавших сенсорную гамма-стимуляцию, по сравнению с контрольной группой, не получавшей лечения. Они также измерили увеличение скорости выведения интерстициальной жидкости из мозга.
Более того, у мышей, получавших гамма-лучи, он измерил увеличение диаметра лимфатических сосудов, отводящих жидкости, и измерил увеличение накопления амилоида в шейных лимфатических узлах, которые являются местом дренажа этого потока.
Чтобы выяснить, как может происходить этот увеличенный поток жидкости, команда сосредоточилась на водном канале аквапорина 4 (AQP4) клеток астроцитов, который позволяет клеткам облегчать обмен глифатической жидкости.
Когда они заблокировали функцию APQ4 с помощью химического вещества, это не позволило сенсорной гамма-стимуляции снизить уровень амилоида и не позволило улучшить обучение и память мышей. А когда в качестве дополнительного теста они использовали генетический метод разрушения AQP4, это также помешало гамма-зависимому клиренсу амилоида.
В дополнение к обмену жидкости, которому способствует активность APQ4 в астроцитах, еще один механизм, с помощью которого гамма-волны способствуют глифатическому потоку, заключается в увеличении пульсации соседних кровеносных сосудов. Несколько измерений показали более сильную артериальную пульсацию у мышей, подвергнутых сенсорной гамма-стимуляции, по сравнению с контрольной группой, не получавшей лечения.
Один из лучших новых методов отслеживания того, как состояние, такое как сенсорная гамма-стимуляция, влияет на разные типы клеток, — это секвенирование их РНК, чтобы отслеживать изменения в том, как они экспрессируют свои гены. Используя этот метод, команда Цая и Мердока увидела, что гамма-сенсорная стимуляция действительно способствует изменениям, соответствующим увеличению активности астроцитов AQP4.
Подсказка пептидов
Данные секвенирования РНК также показали, что при гамма-сенсорной стимуляции в подмножестве нейронов, называемых «интернейронами», наблюдается заметный всплеск выработки нескольких пептидов. Это неудивительно в том смысле, что высвобождение пептидов, как известно, зависит от частоты ритмов мозга, но это все же было примечательно, поскольку один пептид, в частности, VIP, связан с преимуществами в борьбе с болезнью Альцгеймера и помогает регулировать сосудистые клетки, кровоток и глимфатический клиренс.
Воспользовавшись этим интригующим результатом, команда провела тесты, которые выявили повышение уровня VIP в мозге мышей, обработанных гамма-излучением. Исследователи также использовали датчик высвобождения пептидов и заметили, что сенсорная гамма-стимуляция приводит к увеличению высвобождения пептидов из VIP-экспрессирующих интернейронов.
Но опосредует ли это гамма-стимулированное высвобождение пептида глимфатический клиренс амилоида? Чтобы выяснить это, команда провела еще один эксперимент: они химически отключили VIP-нейроны. Когда они сделали это, а затем подвергли мышей сенсорной гамма-стимуляции, они обнаружили, что больше не наблюдается увеличения артериальной пульсации и гамма-стимулированного клиренса амилоида.
«Мы думаем, что в этом задействовано множество нейропептидов», — сказал Мердок. Цай добавил, что новым основным направлением исследований лаборатории станет определение того, какие еще пептиды или другие молекулярные факторы могут вызывать сенсорную гамма-стимуляцию.
Цай и Мердок добавили, что, хотя эта статья посвящена, вероятно, важному механизму – глимфатическому клиренсу амилоида – с помощью которого сенсорная гамма-стимуляция помогает мозгу, это, вероятно, не единственный основной механизм, который имеет значение. Эффекты клиренса, показанные в этом исследовании, происходили довольно быстро, но в лабораторных экспериментах и клинических исследованиях требовались недели или месяцы хронической сенсорной гамма- стимуляции, чтобы оказать устойчивое воздействие на когнитивные функции.
Однако с каждым новым исследованием ученые узнают больше о том, как сенсорная стимуляция ритмов мозга может помочь в лечении неврологических расстройств.
