研究证明:特定频率闪烁LED灯可帮助治疗阿尔茨海默病

近日,麻省理工学院的研究人员表明,利用特定频率闪烁的LED灯,可以大大减少患有阿尔茨海默病老鼠视觉皮层中的β-淀粉样斑块。

该疗法的作用原理,是通过激发一种叫做伽马振荡的脑波来帮助大脑抑制β样淀粉蛋白斑块的产生,同时激发能够驱除这些斑块的细胞的活动。

麻省理工学院皮考尔学习与记忆中心(Picower Institute for Learning and Memory)主任、皮考尔神经科学教授蔡立慧(Li-Huei Tsai)表示,这类疗法是否适用于人类阿尔茨海默病患者,仍需进一步研究。以蔡教授为主要作者的相关研究文章发表在了12月7日在线出版的《自然》杂志上。

蔡立慧(Li-Huei Tsai)教授

蔡教授认为:“(要做进一步研究是)因为不确定性很突出。比如,许多在小鼠身上试验成功的例子,到了人类身上却是失败的。但如果人能对这种治疗产生与在小鼠试验中得到的类似的反应,那么我认为这种疗法的应用潜力将是巨大的,因为这是一种无创治疗,而且相对简单、易于开展。”

蔡教授和麻省理工学院媒体实验室(MIT Media Lab)、麦戈文脑科学研究所(McGovern Institute for Brain Research)副教授、生物工程及脑与认知专家、本文作者之一的Ed Boyden,已经合作开办了一家名为Cognito Therapeutics的公司以求在人类患者中进行测试。该论文的第一作者包括研究生Hannah Iaccarino、媒体实验室助理研究员Annabelle Singer。

麻省理工学院理学院主任Michael Sipser表示:“这项研究可能预示着在理解和治疗阿尔茨海默病这种折磨着全球几百万人的疾病方面将取得突破性进展。我们的科研人员开辟了一个全新的方向,为研究这种脑功能障碍及其背后的形成机理和预防措施打开了新的大门。我为这项研究感到兴奋不已。”

激发脑波

在美国,有超过五百万的人口罹患阿尔茨海默病。这种病的特点是在脑部产生β样淀粉蛋白斑块,从而损伤脑细胞、扰乱正常脑功能。以往的研究显示,阿尔茨海默病患者往往伴随着伽马振荡受损症状。伽马振荡是频率范围在25赫兹到80赫兹范围内的脑波,它被认为有助于维持正常的脑功能--如注意力、认知和记忆功能等。

在这项研究中,通过遗传编程,小鼠会发展出阿尔茨海默病,但尚未出现斑块沉积或行为上的症状。当这些小鼠走迷宫时,蔡教授和她的同事们发现,在那些对它们学习和记忆至关重要的活动模式进行过程中,小鼠的脑部会出现伽马振荡受损的情况。

接下来,研究人员在一个叫做海马体的大脑区域内以频率为40赫兹的伽马振荡加以刺激;海马体对于记忆的形成和恢复起着关键作用。他们使用了由Boyden等人首创的一种叫做光遗传学(optogenetics)的技术,利用这种技术科学家们可以用光照射转基因神经细胞来控制它们的行为。利用这种方法,研究人员激发了一些叫做中间神经元的脑细胞,然后由这些中间神经元对兴奋性神经元的伽马活性进行同步。

经过一小时的40赫兹激发后,研究人员发现海马体上的β样淀粉蛋白水平下降了40%至50%。然而,在频率为20至80之间的非40赫兹激发,却未达到相当的效果。

蔡教授和同事们开始考虑是否能用低创伤技术获得同样的效果。蔡教授与爱德华‧胡德‧泰普林医学工程和计算神经科学教授、论文作者之一的Emery Brown一起,想到了利用外部刺激--光照--来激发脑部伽马振荡的办法。他们搭建了一个简单的设备,主要包括一条可以以不同频率闪烁的LED灯。

利用该设备,研究人员发现,在阿尔茨海默病发病极早期的小鼠接受了一小时、40赫兹强度的LED光照射后,它们脑部的伽马振荡得到增强,β样淀粉蛋白的水平也降低了一半。然而,在照射结束后的24小时之内,那些β样淀粉蛋白又回到了原来的水平。

随后,科学家们对加长疗程是否能在具有更高沉积水平的小鼠脑部减少β样淀粉蛋白斑块进行了研究。在对小鼠们进行了连续七天、每天一小时的LED光照射后,斑块和自由浮动的类淀粉蛋白都有显著的下降。现在,研究人员正在确定这一疗效的持久性。

研究人员同时发现,伽马节律的脑波还降低了阿尔茨海默病另一重要生物学指标的水平:异常修饰的Tau蛋白。这种蛋白能在脑内形成缠结。

蔡教授的实验室目前正在研究光照能否在视觉皮层以外的脑部激发伽马振荡,而初步数据显示,这是有可能的。同时,研究人员也在研究β样淀粉蛋白斑块的减少对阿尔茨海默病小鼠的行为症状是否有影响, 以及这一技术对与伽马振荡受损相关的其他神经系统疾病是否有作用。

两种作用方式

科研人员还研究了伽马振荡的作用原理。他们发现,在伽马波激发之后,β样淀粉蛋白类的产生过程有所减缓。同时,伽马振荡增强了脑部去除β样淀粉蛋白的能力,这种能力通常是一种叫做小神经胶质细胞的免疫细胞才具有的。

蔡教授解释说:“小神经胶质细胞能清理有毒物质和细胞碎片,保持环境整洁,保持神经元的健康。”

对于阿尔茨海默病患者而言,他们的小神经胶质细胞非常容易发炎和分泌能够加剧脑细胞受损的有毒物质。然而,当小鼠脑内的伽马振荡得到增强时,它们的小神经胶质细胞会产生形态上的变化,更加积极地去消除β样淀粉蛋白。

蔡教授说:“关键在于,增强脑部伽马振荡能至少通过两种作用方式,实现类淀粉蛋白的减少。一是减少神经元产生的β样淀粉蛋白,二是增强小神经胶质细胞清除β样淀粉蛋白的能力。”

该研究小组还对经过治疗的小鼠的信使RNA进行了测序。他们发现,有成百上千的基因存在表达不足或过度表达的情况。下一步,研究人员将分析这些变异对阿尔茨海默病可能产生的影响。

该项研究的资助来自JPB基金会、Cameron Hayden Lord基金会、Barbara J. Weedon奖学金、纽约干细胞基金会罗伯森奖、国立卫生研究院,及BelferNeurodegeneration合作项目。




来源:EurekAlert中文网

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