Artikel zur Langlebigkeit

Forschung zur Rolle des Gehirnrhythmus bei der Alzheimer-Krankheit

gehirnscan bei Alzheimer-Krankheit
  • Gamma Entrainment Using Sensory Stimuli (GENUS) ist eine neue Technik zur Untersuchung, wie Licht und Ton den Gammarhythmus des Gehirns stärken und möglicherweise das Gedächtnis verbessern können.

  • Frühere Untersuchungen ergaben, dass Mäuse, die flackerndem Licht mit einer bestimmten Frequenz ausgesetzt waren, die Bildung von Amyloid- und Tau-Proteinen reduzierten, die Anzeichen der Alzheimer-Krankheit sind.

Der Artikel wurde am Picower Institute for Learning and Memory des MIT veröffentlicht.

In den Jahren, seit ihr Labor entdeckte, dass die Exposition von Alzheimer-Modellmäusen bei Lichtflackern mit der Frequenz eines wichtigen Gehirnrhythmus die Pathologie der Erkrankung eindämmen könnte, haben die MIT-Neurowissenschaftlerin Li-Huei Tsai und ihr Team am Picower Institute for Learning and Memory daran gearbeitet um zu verstehen, was das Phänomen sowohl für die Bekämpfung der Krankheit als auch für das Verständnis der Funktionsweise des Gehirns bedeuten kann.

Zwei Veröffentlichungen zu Beginn dieses Jahres in Cell und in Neuron wiederholten und erweiterten die ersten Ergebnisse, die 2016 in Nature veröffentlicht wurden, erheblich, und klinische Studien mit menschlichen Freiwilligen haben kürzlich begonnen. In einem Sondervortrag auf der Jahrestagung der Society for Neuroscience am 22. Oktober in Chicago teilte Tsai die neuesten Forschungsergebnisse zu den Erkenntnissen ihres Teams – und den neuen Fragen, die sie stellen – über die Verwendung von Licht und Ton zur Stärkung der 40 Hz des Gehirns „Gamma“-Rhythmus, eine Technik, die sie „GENUS“ nennt, für Gamma Entrainment Using Sensory Stimuli.

„Wir sind aus zwei Hauptgründen bestrebt, so viel wie möglich über GENUS zu erfahren“, sagt Tsai, Picower-Professorin für Neurowissenschaften in der Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften und Gründerin der Aging Brain Initiative des MIT. „Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse bei Mäusen dazu beitragen werden, Menschen mit Alzheimer-Krankheit zu helfen, obwohl es sicherlich noch zu früh ist, das zu sagen, und viele Dinge, die bei Mäusen funktioniert haben, haben bei Menschen nicht funktioniert.“ Aber es könnte auch spannende Implikationen für die grundlegende Neurowissenschaft geben, wenn es darum geht, zu verstehen, warum die Stimulierung eines bestimmten Rhythmus durch Licht oder Ton tiefgreifende Veränderungen in mehreren Zelltypen im Gehirn hervorrufen kann.“

Im Jahr 2016 zeigten Tsai und Kollegen, dass bei Modellmäusen der Alzheimer-Krankheit, die eine Woche lang eine Stunde am Tag einem flackernden Licht mit 40 Hz ausgesetzt waren, im visuellen Kortex, der Gehirnregion, die das Sehen verarbeitet, deutlich weniger Amyloid- und Tau-Proteine ​​​​ansammelten als experimentelle Kontrollmäuse taten dies. Amyloid-Plaques und Knäuel aus phosphoryliertem Tau gelten beide als verräterische Kennzeichen der Alzheimer-Krankheit.

Doch die Studie warf neue Fragen auf: Könnte GENUS Gedächtnisverlust verhindern? Könnte es den Verlust von Neuronen verhindern? Erreicht es andere Bereiche des Gehirns? Und könnten andere Sinne stimuliert werden, um eine wohltuende Wirkung zu erzielen?

Die neuen Studien gingen diesen Fragen nach. Im März berichtete das Team, dass die Schallstimulation Amyloid und Tau nicht nur im auditorischen Kortex, sondern auch im Hippocampus, einer entscheidenden Region für Lernen und Gedächtnis, reduziert. Mit GENUS exponierte Mäuse schnitten auch bei Gedächtnistests deutlich besser ab als nicht stimulierte Kontrollen. Gleichzeitiges Licht und Ton reduzierten unterdessen das Amyloid im gesamten Kortex, einschließlich des präfrontalen Kortex, einem Ort der Wahrnehmung.

Im Mai berichtete eine andere Studie über ähnliche Fortschritte bei der drei- oder sechswöchigen Lichtexposition von Alzheimer-Modellmäusen. Im gesamten Gehirn von GENUS-exponierten Mäusen waren koordinierte Steigerungen der Gammarhythmusleistung erkennbar. Das Gedächtnis verbesserte sich im Vergleich zu den Kontrollen. Es überlebten mehr Neuronen und sie unterhielten mehr Schaltkreisverbindungen, sogenannte Synapsen. In ihrem Vortrag teilte Tsai Daten mit, die zeigen, dass eine längerfristige GENUS-Lichtexposition auch Amyloid und Tau im gesamten Kortex reduziert.

Ermutigt durch die Ergebnisse hat das Labor mit Versuchen am Menschen begonnen. Beim SfN präsentierte Tsai einige erste Daten, die darauf hindeuten, dass GENUS die Gamma-Rhythmusleistung und die Synchronität im Gehirn bei gesunden Menschen sicher erhöht.

Tsais Team hat auch daran gearbeitet, die Mechanismen zu verstehen, die den beobachteten Veränderungen zugrunde liegen. Die Forschung hat ergeben, dass Gehirnrhythmen offenbar einen großen Einfluss auf die Aktivität mehrerer Zelltypen im Gehirn haben.

Neurowissenschaftler kennen Rhythmen schon seit mehr als einem Jahrhundert, haben aber erst vor Kurzem erkannt, dass sie die Funktionsweise des Gehirns beeinflussen könnten. Gamma wird mit Gehirnfunktionen wie sensorischer Verarbeitung, Arbeitsgedächtnis und räumlicher Navigation in Verbindung gebracht, aber Wissenschaftler haben lange darüber diskutiert, ob es sich hierbei um eine Folgewirkung oder bloße Nebenprodukte handelt.

Tsai beschrieb, wie ihre Studien zeigen, dass eine zunehmende Gammaenergie und die Synchronisierung mit sensorischer Stimulation Veränderungen in Neuronen, Immunzellen des Gehirns, sogenannten Mikroglia, und dem Gefäßsystem des Gehirns hervorrufen. Diese Veränderungen könnten „Signaturen“ der Bedeutung von Gamma sein, sagt sie.

Das Team hat herausgefunden, dass eine zunehmende Gamma-Leistung dazu führt, dass Neuronen die Verarbeitung des Amyloid-Vorläuferproteins reduzieren und auch die endosomale Physiologie verändert. Bei Alzheimer-Modellmäusen ist die neuronale Genexpression im Zusammenhang mit der synaptischen Funktion und dem biochemischen Transport innerhalb der Zellen verringert, aber bei GENUS-Exposition verbessert sich die Genexpression im Zusammenhang mit diesen Funktionen.

Alle drei Studien haben ergeben, dass Mikroglia nach der GENUS-Exposition ebenfalls große Veränderungen erfahren. Die Genexpression wird weniger entzündlich und konsistenter mit der Aufnahme und Entsorgung von Amyloid. Tatsächlich jagen sie Amyloid effektiver, wie die Daten zeigen, und sie scheiden weniger Entzündungsmarker aus.

Die März-Studie mit Audiostimulation zeigte, dass sich bei GENUS-Exposition die Blutgefäße im Gehirn erweitern und sich mehr Amyloid zusammen mit einem Protein ansammelt, das Amyloid zu den Gefäßen zieht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine erhöhte Gammaenergie dazu beitragen könnte, einen Mechanismus zur Entfernung von Amyloid aus dem Gehirn anzutreiben.

In mehreren neuen Experimenten, sagt Tsai, untersucht das Labor weiterhin diese zugrunde liegenden mechanistischen Veränderungen. Zugehörige Konferenzplakate aus ihrem Labor auf der Konferenz beschrieben einige dieser Arbeiten. Die Ergebnisse dieser neuen Experimente könnten dazu beitragen, die Möglichkeiten der Übersetzung von GENUS für den klinischen Einsatz zu verbessern und die Bedeutung von Rhythmen für die Beeinflussung der Gehirnfunktion weiter zu demonstrieren.

Die Forschung wurde vom MIT-Neurowissenschaftler Li-Huei Tsai auf der Jahrestagung der Society for Neuroscience am 22. Oktober 2019 in Chicago vorgestellt.



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