Diffondere la parola su un possibile trattamento per l’Alzheimer
Le scoperte che trascendono i confini sono tra le più grandi delizie della ricerca scientifica, ma tali salti sono spesso trascurati perché superano il pensiero convenzionale. Prendiamo, ad esempio, una nuova scoperta per il trattamento della demenza che sfida la saggezza combinando due aree di ricerca precedentemente non correlate: le onde cerebrali e le cellule immunitarie del cervello, chiamate microglia. È una scoperta importante, ma richiede ancora il buy-in e la comprensione dei ricercatori per raggiungere il suo vero potenziale. La storia delle onde cerebrali mostra perché.
Nel 1887, Richard Caton annunciò la sua scoperta delle onde cerebrali in un incontro scientifico. "Leggi il mio documento sulle correnti elettriche del cervello", ha scritto nel suo diario personale. "È stato ben accolto ma non compreso dalla maggior parte del pubblico." Anche se le osservazioni di Caton sulle onde cerebrali erano corrette, il suo pensiero era troppo poco ortodosso per essere preso sul serio dagli altri. Di fronte a una tale mancanza di interesse, abbandonò la sua ricerca e la scoperta fu dimenticata per decenni.
Flash forward to October 2019. A una riunione di scienziati che ho aiutato a organizzare all'incontro annuale della Society for Neuroscience a Chicago, ho chiesto se qualcuno fosse a conoscenza delle recenti ricerche dei neuroscienziati presso il Massachusetts Institute of Technology che avevano trovato un nuovo modo di trattare la malattia di Alzheimer manipolando la microglia e le onde cerebrali. Nessuno rispose.
Ho capito: gli scienziati devono specializzarsi per avere successo. I biologi che studiano la microglia non tendono a leggere articoli sulle onde cerebrali, e i ricercatori sulle onde cerebrali non sono generalmente consapevoli della ricerca gliale. Uno studio che collega queste due discipline tradizionalmente separate potrebbe non riuscire a guadagnare trazione. Ma questo studio ha richiesto attenzione: per quanto incredibile possa sembrare, i ricercatori hanno migliorato il cervello degli animali con l'Alzheimer semplicemente usando luci a LED che lampeggiavano 40 volte al secondo. Anche il suono riprodotto a questa frequenza incantata, 40 hertz, ha avuto un effetto simile.
Oggi, le onde cerebrali sono una parte vitale della ricerca neuroscientifica e della diagnosi medica, sebbene i medici non le abbiano mai manipolate per curare le malattie degenerative prima d'ora. Questi campi elettromagnetici oscillanti sono prodotti dai neuroni nella corteccia cerebrale che generano impulsi elettrici mentre elaborano le informazioni. Proprio come le persone che battono le mani in sincronia generano un fragoroso applauso ritmico, l'attività combinata di migliaia di neuroni che sparano insieme produce onde cerebrali.
Queste onde si presentano in varie forme e in molte frequenze diverse. Le onde alfa, ad esempio, oscillano a frequenze da 8 a 12 hertz. Aumentano quando chiudiamo gli occhi e escludiamo la stimolazione esterna che eccita l'attività delle onde cerebrali ad alta frequenza. Le onde gamma a oscillazione rapida, che si riverberano a frequenze da 30 a 120 hertz, sono di particolare interesse nella ricerca sull'Alzheimer, poiché il loro periodo di oscillazione è ben adattato al tempo di centesimi di secondo della segnalazione sinaptica nei circuiti neurali. Le onde cerebrali sono importanti nell'elaborazione delle informazioni perché possono influenzare il fuoco neuronale. I neuroni attivano un impulso elettrico quando la differenza di tensione tra l'interno e l'esterno del neurone raggiunge un certo punto di innesco. I picchi e le depressioni delle oscillazioni di tensione nelle onde cerebrali spingono il neurone più vicino al punto di innesco o più lontano da esso, aumentando così o inibendo la sua tendenza al fuoco. L'aumento della tensione ritmica raggruppa anche i neuroni, facendoli sparare in sincronia mentre "cavalcano" su diverse frequenze delle onde cerebrali.
Lo sapevo già molto, quindi per capire meglio il nuovo lavoro e le sue origini, ho cercato Li-Huei Tsai , neuroscienziato del MIT. Ha detto che l'idea di usare una di queste frequenze per curare l'Alzheimer è nata da una curiosa osservazione. "Avevamo notato nei nostri dati e in quelli di altri gruppi che la potenza e la sincronia del ritmo a 40 hertz sono ridotte nei modelli murini di malattia di Alzheimer", ha affermato, così come nei pazienti con la malattia. Apparentemente, se hai l'Alzheimer, il tuo cervello non produce forti onde cerebrali in quella particolare frequenza. Nel 2016, la sua studentessa laureata Hannah Iaccarino ha affermato che forse aumentare la potenza di queste onde gamma indebolite sarebbe utile nel trattamento di questa demenza grave e irreversibile.
Per aumentare la potenza delle onde gamma, il team si è rivolto alla stimolazione optogenetica, una nuova tecnica che consente ai ricercatori di controllare come e quando i singoli neuroni sparano brillando i laser direttamente al loro interno, tramite cavi a fibre ottiche impiantati nel cervello. Il team di Tsai ha stimolato i neuroni nella corteccia visiva dei topi con l'Alzheimer, facendoli sparare impulsi a 40 hertz. I risultati, pubblicati nel 2016 su Nature , hanno mostrato una marcata riduzione delle placche amiloidi, segno distintivo della malattia.
Era una buona indicazione che queste onde cerebrali potrebbero essere d'aiuto, ma il team di Tsai sapeva che un approccio optogenetico non era un'opzione per gli umani con la malattia, a causa di preoccupazioni etiche. Hanno iniziato a cercare altri modi per aumentare l'attività delle onde gamma del cervello. Emery Brown, collega di Tsai del MIT, la indicò a un documento più vecchio che mostrava che puoi potenziare la potenza delle onde gamma nel cervello di un gatto semplicemente fissandolo a uno schermo illuminato da una luce stroboscopica che lampeggia a determinate frequenze, tra cui 40 Hertz. "Hannah e i nostri collaboratori hanno costruito un sistema per provare quella stimolazione sensoriale nei topi, e ha funzionato", mi ha detto Tsai. Il pensiero è che le luci lampeggianti generino onde gamma perché l'ingresso sensoriale ritmico imposta i circuiti neurali "dondolando" a questa frequenza, come quando le persone scuotono un'auto bloccata da una carreggiata spingendole insieme in ritmo.
In effetti, le luci stroboscopiche hanno avuto un ulteriore effetto sui topi: hanno anche eliminato le placche di amiloide. Ma non era chiaro esattamente come la stimolazione optogenetica o la terapia con luce lampeggiante potessero farlo.
Seguendo un indizio dello stesso Alois Alzheimer, i ricercatori hanno spostato rapidamente la loro attenzione dai neuroni alla microglia. Nella prima descrizione dell'Alzheimer del tessuto cerebrale presa da pazienti con "demenza presenile", che esaminò al microscopio verso la fine del XX secolo, notò che i depositi di placche amiloidi erano circondati da queste cellule immunitarie. Ricerche successive hanno confermato che la microglia inghiotte le placche contrassegnando il cervello di questi pazienti.
Tsai e colleghi hanno deciso di controllare queste cellule immunitarie negli animali di cui avevano potenziato le onde cerebrali. Hanno osservato che la microglia in tutti gli animali trattati era cresciuta di dimensioni e che molti di loro stavano digerendo placche di amiloide.
Come facevano queste cellule a saperlo? A differenza delle cellule immunitarie nel flusso sanguigno, che non sono consapevoli delle trasmissioni neuronali, le microglia del cervello sono sintonizzate sui ritmi dell'attività elettrica nel cervello. Mentre le cellule immunitarie nel flusso sanguigno e la microglia nel cervello hanno entrambe sensori cellulari per rilevare malattie e lesioni, la microglia può anche rilevare i neuroni che sparano impulsi elettrici. Questo perché hanno gli stessi recettori neurotrasmettitori che i neuroni usano per trasmettere segnali attraverso le sinapsi. Ciò offre alla microglia la capacità di "ascoltare" le informazioni che fluiscono attraverso le reti neurali e, quando tali trasmissioni sono disturbate, di intervenire per riparare i circuiti. Pertanto, le onde cerebrali giuste possono spingere la microglia a consumare i depositi di proteine tossiche.
"Trovo che questo incrocio sia uno dei risultati più entusiasmanti e intriganti del nostro lavoro", mi ha detto Tsai. Il suo team ha riferito l'anno scorso in Neuron che il prolungamento del lampeggiamento della luce stroboscopica a LED per 3-6 settimane non solo ha eliminato le placche tossiche nel cervello dei topi, ma ha anche impedito ai neuroni di morire e ha persino conservato le sinapsi, che la demenza può distruggere.
Il team voleva sapere se altri tipi di input sensoriali ritmici potevano anche far oscillare i circuiti neurali come un'auto bloccata, producendo onde gamma che causavano un minor numero di placche amiloidi. In uno studio ampliato su Cell , hanno riferito che proprio come vedere i lampi a 40 hertz ha provocato un minor numero di placche nella corteccia visiva, la stimolazione del suono a 40 hertz ha ridotto la proteina amiloide nella corteccia uditiva. Altre regioni sono state colpite in modo simile, tra cui l'ippocampo – fondamentale per l'apprendimento e la memoria – e i topi trattati hanno ottenuto risultati migliori nei test di memoria. Esporre i topi a entrambi gli stimoli, uno spettacolo di luci sincronizzato con il suono pulsante, ha avuto un effetto ancora più potente, riducendo le placche amiloidi nelle regioni della corteccia cerebrale, compresa la regione prefrontale, che svolge funzioni esecutive di alto livello che sono compromesse nell'Alzheimer .
Sono stato sorpreso, quindi solo per essere sicuro di non essere eccessivamente eccitato dalla possibilità di usare luci e suoni lampeggianti per curare gli umani, ho parlato con Hiroaki Wake , un neuroscienziato dell'Università di Kobe in Giappone che non era coinvolto nel lavoro. "Sarebbe fantastico!" Egli ha detto. "Il trattamento può anche essere efficace per una serie di disturbi neurodegenerativi come il morbo di Parkinson e la SLA", in cui anche la microglia ha un ruolo. Nota, tuttavia, che mentre il legame tra microglia e oscillazioni cerebrali è ben fondato, il meccanismo biologico con cui la stimolazione a 40 hertz spinge la microglia a rimuovere le placche e salvare i neuroni dalla distruzione rimane sconosciuto.
Tsai ha detto che il mistero potrebbe essere presto risolto. Un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology, incluso il veterano del laboratorio Tsai Annabelle Singer, ha illustrato una possibilità in un articolo di febbraio . Hanno riferito che nei topi normali, la stimolazione gamma con luci a LED ha indotto rapidamente le microglia a generare citochine, proteine che i neuroni (e le cellule immunitarie in generale) usano per segnalarsi l'un l'altro. Sono uno dei principali regolatori della neuroinfiammazione in risposta a lesioni cerebrali e malattie e la microglia li ha rilasciati sorprendentemente rapidamente, in soli 15-60 minuti dalla stimolazione. "Questi effetti sono più rapidi di quanto si pensi con molti farmaci che agiscono sulla segnalazione immunitaria o sull'infiammazione", ha detto Singer.
Le citochine si presentano in molte forme e lo studio ha scoperto che ottenere la microglia per produrre tipi diversi richiede frequenze specifiche. "La stimolazione neuronale non si limita ad attivare la segnalazione immunitaria", ha detto Singer. Ci è voluto un ritmo particolare per produrre queste proteine particolari. "Diversi tipi di stimolazione potrebbero essere utilizzati per ottimizzare la segnalazione immunitaria come desiderato."
Ciò significa che i medici potrebbero potenzialmente curare diverse malattie semplicemente variando i ritmi di luce e suono che usano. I diversi stimoli farebbero oscillare i neuroni nel produrre appropriate frequenze delle onde cerebrali, facendo sì che le vicine microglia rilascino tipi specifici di citochine, che dicono alle microglia in generale come lavorare per riparare il cervello.
Naturalmente, potrebbe essere ancora un po 'di tempo prima che tali trattamenti siano disponibili per i pazienti. E anche allora, potrebbero esserci effetti collaterali. "La stimolazione sensoriale ritmica probabilmente colpisce molti tipi di cellule nel tessuto cerebrale", ha detto Tsai. "Come ciascuno di essi percepisce e risponde alle oscillazioni gamma è sconosciuto." Wake ha anche sottolineato che la stimolazione ritmica potrebbe fare più male che bene, perché tali stimoli potrebbero indurre convulsioni, comuni in molti disturbi psichiatrici e neurodegenerativi.
Tuttavia, i potenziali benefici sono eccezionali. Il team di Tsai ha appena iniziato a valutare il loro metodo di luce stroboscopica sui pazienti e sono sicuramente raggiunti da altri mentre altri ricercatori apprendono di questo promettente lavoro. (La maggior parte degli esperti con cui ho parlato non era a conoscenza di questa ricerca fino a quando non ho chiesto.)
Proprio come nuove specie spuntano ai confini tra ecosistemi, la nuova scienza può prosperare all'interfaccia tra le discipline. Ci vuole un occhio acuto per individuarlo, ma come ha scoperto Richard Caton, può anche richiedere un po 'di persuasione per convincere gli altri.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/stimulated-brain-waves-offer-a-possible-treatment-for-alzheimers-20200527/ in data Wed, 27 May 2020 14:25:12 +0000.