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腦節律在阿茲海默症中作用的研究

阿茲海默症腦部掃描
  • 使用感覺刺激的伽瑪夾帶 (GENUS) 是一種新技術,用於研究光和聲音如何增強大腦的伽瑪節律並可能改善記憶。

  • 早期的研究發現,暴露在一定頻率的閃爍光下的小鼠可以減少澱粉樣蛋白和 tau 蛋白的積累,而澱粉樣蛋白和 tau 蛋白是阿茲海默症的徵兆。

這篇文章發表在麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所。

自從她的實驗室發現將阿茲海默症模型小鼠暴露在關鍵大腦節律頻率的閃爍光下可以阻止疾病的病理學以來,麻省理工學院的神經科學家Li-Huei Tsai 和她在皮考爾學習與記憶研究所的團隊一直在努力工作。了解這種現象對於對抗疾病和了解大腦如何運作可能意味著什麼。

今年早些時候,《Cell》和《Neuron》上的兩篇論文複製並大幅擴展了 2016 年《Nature》雜誌報道的初步發現,並且最近開始了針對人類志願者的臨床試驗。 10 月 22 日,在芝加哥神經科學學會年會上的一次特別演講中,Tsai 分享了她的團隊發現的最新研究成果以及他們提出的新問題,即利用光和聲音來增強大腦的 40Hz 頻率「gamma 「節奏,她稱之為「GENUS」的技術,即使用感官刺激的伽瑪夾帶。

「我們渴望盡可能多地了解 GENUS,主要有兩個原因,」大腦和認知科學系 Picower 神經科學教授、麻省理工學院老齡化大腦計畫創始人 Tsai 說。 「我們希望我們在老鼠身上的發現能夠轉化為幫助患有阿茲海默症的人,儘管現在下結論還為時過早,而且許多在老鼠身上有效的東西在人類身上不起作用。 但對於基礎神經科學來說,理解為什麼透過光或聲音刺激特定的節律會導致大腦中多種類型的細胞發生深刻的變化,也可能具有令人興奮的意義。”

2016 年,Tsai 及其同事發現,阿茲海默症模型小鼠每天暴露在40 Hz 閃爍光下一小時,持續一周,其視覺皮層(處理視覺的大腦區域)中澱粉樣蛋白和tau 蛋白的積累顯著減少。實驗對照小鼠做到了。 澱粉樣斑塊和磷酸化 tau 蛋白纏結都被認為是阿茲海默症的明顯標誌。

但這項研究提出了新的問題:GENUS 能否預防記憶喪失? 它能防止神經元損失嗎? 它會到達大腦的其他區域嗎? 是否可以刺激其他感官以獲得有益效果?

新研究解決了這些問題。 今年三月,研究小組報告說,聲音刺激不僅可以減少聽覺皮層的澱粉樣蛋白和 tau 蛋白,還可以減少海馬體(學習和記憶的關鍵區域)的澱粉樣蛋白和 tau 蛋白。 暴露於 GENUS 的小鼠在記憶測試中的表現也明顯優於未受刺激的對照組。 同時,光和聲音的同時減少了整個皮質的澱粉樣蛋白,包括前額葉皮質,一個認知部位。

5 月,另一項研究報告了將阿茲海默症模型小鼠暴露在光線下 3 到 6 週,取得了類似的進展。 在 GENUS 暴露小鼠的大腦中,伽瑪節律功率的協調增加是明顯的。 與對照組相比,記憶力有所改善。 更多的神經元存活下來,並維持更多的電路連接,稱為突觸。 在她的演講中,Tsai 分享的數據顯示,長期暴露在 GENUS 光下也會減少大腦皮質的澱粉樣蛋白和 tau 蛋白。

受到結果的鼓舞,實驗室已開始進行人體試驗。 Tsai 在 SfN 上展示了一些初步數據,顯示 GENUS 可以安全地增加健康人大腦中的伽瑪節律功率和同步性。

蔡的團隊也一直在努力了解他們所看到的變化背後的機制。 研究表明,大腦節律似乎對大腦中多種細胞類型的活動產生很大影響。

神經科學家對節律的了解已有一個多世紀了,但他們直到最近才開始承認節律可能會影響大腦的工作方式。 伽瑪與感覺處理、工作記憶和空間導航等大腦功能有關,但科學家長期以來一直在爭論它們是否是結果或只是副產品。

蔡描述了她的研究如何表明,增加伽馬功率和與感覺刺激的同步性會導致神經元、稱為小膠質細胞的大腦免疫細胞和大腦脈管系統的變化。 她說,這些變化可能是伽馬重要性的「標誌」。

研究小組發現,伽瑪功率的增加會導致神經元減少澱粉樣前驅蛋白的加工,並改變內體生理學。 在阿茲海默症模型小鼠中,與突觸功能和細胞內生化運輸相關的神經元基因表現減少,但隨著 GENUS 暴露,與這些功能相關的基因表現得到改善。

所有三項研究都發現,小膠質細胞在 GENUS 暴露後同樣經歷了重大變化。 基因表現變得更少炎症,並且與澱粉樣蛋白的捕獲和處理更加一致。 事實上,數據顯示,它們更有效地捕捉澱粉樣蛋白,並且分泌的發炎標記物更少。

三月的音頻刺激研究表明,在 GENUS 暴露下,大腦中的血管擴張,更多的澱粉樣蛋白與一種將澱粉樣蛋白吸引到血管的蛋白質共存。 結果表明,伽瑪能量的增加可能有助於驅動清除大腦中澱粉樣蛋白的機制。

蔡說,在幾項新實驗中,實驗室正在繼續研究這些潛在的機制變化。 她的實驗室在會議上發布的相關會議海報描述了其中的一些工作。 這些新實驗的結果可能有助於提高 GENUS 應用於臨床的可能性,並進一步證明節律在影響大腦功能方面的重要性。

這項研究由麻省理工學院神經科學家 Li-Huei Tsai 於 2019 年 10 月 22 日在芝加哥舉行的神經科學學會年會上發表。



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