Ricerche

È sorprendente l'entità dell'influenza provocata nel cervello dall'aumento di potenza del ritmo 'gamma' (40Hz) sulla patologia e i sintomi del morbo di Alzheimer (MA) nei topi modello della malattia, anche per i neuroscienziati del MIT che hanno aperto la strada all'idea.

Così sorprendente, in effetti, che non possono ancora spiegare perché ciò accade.

In tre studi, di cui due pubblicati quest'anno in Cell e Neuron, essi hanno dimostrato che l'esposizione dei topi allo sfarfallio della luce o al ronzio del suono a 40Hz (un metodo soprannominato 'GENUS', da Gamma ENtrainment Using Sensory stimuli), rafforza il ritmo del cervello e cambia l'espressione genica e l'attività di più tipi di cellule cerebrali.

Gli accumuli patologici di proteine amiloidi e ​​tau diminuiscono, i neuroni e le loro connessioni circuitali sono protetti dalla degenerazione e l'apprendimento e la memoria perdurano significativamente di più rispetto ai topi modello di malattia che non ricevono GENUS.

In un nuovo studio di revisione pubblicato su Trends in Neurosciences, i due ricercatori che guidano quegli sforzi espongono il poco che si sa, e il molto sconosciuto che deve essere compreso per determinare come si verificano gli effetti diffusi. È una sfida che amano perché le risposte possono sia aprire un nuovo terreno scientifico, sia aiutarli a migliorare il modo in cui GENUS potrebbe diventare un approccio terapeutico o preventivo per le persone.

"Anche se sappiamo che influisce sulla patologia nei topi, vogliamo capire come, perché ciò ci aiuterà a capire e perfezionare il potenziale trattamento", ha affermato l'autore principale Chinnakkaruppan Adaikkan, postdottorato del laboratorio dell'autrice senior Li-Huei Tsai, professoressa di Neuroscienze e direttrice del Picower Institute for Learning and Memory.

Sin dalla sua ricerca di dottorato, Adaikkan si è interessato a capire come l'attività neurale produce ritmi cerebrali. Al MIT sta canalizzando quella passione per capire come la stimolazione sensoriale può influenzare le oscillazioni.

"Questo è ciò che mi spinge a venire in laboratorio ogni giorno per studiare questi meccanismi", ha detto Adaikkan. “Quando abbiamo ottenuto i dati dal primo topo dove abbiamo registrato dalla corteccia visiva, dall'ippocampo e dalla corteccia prefrontale, siamo rimasti sorpresi nel vedere che le stimolazioni visive funzionano in queste regioni del cervello. È stato molto eccitante, ma abbiamo ancora molta strada da fare per capire come questo accade".

Il nuovo studio solleva questa domanda e molte altre per il settore. Quali cellule sono alla base della risposta del cervello a GENUS? In che modo i ritmi gamma coinvolgono cellule non neuronali come astrociti e microglia? Come si propaga oltre le regioni cerebrali responsabili della percezione? In che misura il potenziamento delle onde gamma può influenzare la cognizione? La stimolazione a lungo termine influenza le connessioni dei circuiti cerebrali e come cambiano?

Ruoli della cellula

Gli studi sul modo in cui gruppi di neuroni sono impegnati in oscillazioni coerenti dell'attività elettrica hanno prodotto due modelli per spiegare i ritmi gamma. Entrambi comportano un'interazione tra neuroni eccitatori e inibitori, ma differiscono su quale tipo conduce l'interazione, hanno scritto Adaikkan e la Tsai.

Nel suo lavoro, Adaikkan sta tentando di sezionare i ruoli di specifici tipi di neuroni in GENUS e quanto questi schemi rispecchiano altre fonti di gamma, come quella invocata dai compiti cognitivi.

GENUS influenza più che i neuroni. Il laboratorio della Tsai ha scoperto che le microglia cambiano la loro espressione genica, la loro forma fisica, il loro comportamento che consuma proteine ​​e la loro risposta infiammatoria a seconda del modello di MA coinvolto. Il lavoro di un altro gruppo ha mostrato che il blocco del rilascio di vescicole negli astrociti può ostacolare la potenza gamma nei topi e il gruppo della Tsai ha scoperto che il GENUS uditivo recluta molti più astrociti reattivi, che sono più propensi a consumare proteine ​​patologiche.

Il nuovo studio offre tre ipotesi su come siano coinvolte tali cellule 'gliali': potrebbero contribuire direttamente all'instradamento delle gamma regolando il flusso di ioni che trasportano carica elettrica; anche se non contribuiscono ai ritmi, la loro sensibilità ionica può comunque renderli sensibili ai cambiamenti gamma; potrebbero invece essere influenzati da cambiamenti nei livelli di neurotrasmettitori come risultato delle gamma.

Inoltre, possono anche essere coinvolte diverse glia a causa della loro vicinanza agli accoppiamenti elettrici tra i neuroni, chiamati sinapsi, o dal modo in cui la loro attività è governata altrimenti dall'attività neurale.

Il cervello più vasto

Un fattore nel modo in cui preserva la funzione cerebrale è probabilmente che il GENUS si estende all'ippocampo, che è la chiave della memoria, e alla corteccia prefrontale, che è la chiave della cognizione. Ma ancora una volta ci sono modelli concorrenti su come un aumento delle gamma potrebbe facilitare la comunicazione multiregionale.

Nel primo, scrivono gli autori, la coerenza alla stessa frequenza ottimizza la comunicazione, mentre nel secondo l'attività gamma di una regione guida direttamente l'attività nelle regioni a valle. Nuovi esperimenti che manipolano direttamente i circuiti interregionali, sostengono, potrebbero aiutare a capire quale modello spiega meglio gli effetti dell'instradamento delle gamma.

Infine, anche gli effetti di GENUS sulla funzione e sul comportamento del cervello devono ancora essere completamente spiegati.

Il laboratorio della Tsai ha mostrato effetti significativi sulla memoria spaziale e alcuni effetti su altre forme di memoria, a seconda del metodo di stimolazione. Altri studi hanno dimostrato che la stimolazione dei ritmi cerebrali con altri mezzi, come le manipolazioni genetiche o optogenetiche nei topi o tramite stimolazione transcranica nell'uomo, può migliorare anche funzioni come la memoria di lavoro.

Adaikkan è interessato a colmare un divario tra questi studi e il lavoro del laboratorio della Tsai: la maggior parte degli studi misura le prestazioni cognitive durante la stimolazione, mentre il laboratorio della Tsai lo ha fatto dopo la conclusione di ripetute stimolazioni. Ha detto che gli piacerebbe anche testare le prestazioni dei topi mentre il GENUS è attivamente in corso.

"Il nostro laboratorio è entusiasta di affrontare tutte queste altre ipotesi e di vedere come il campo ne affronta molte altre", ha detto la Tsai. "GENUS ha creato molte nuove interessanti domande per le neuroscienze".