Negli anni da quando il suo laboratorio ha scoperto che esponendo topi modello del morbo di Alzheimer (MA) a luce intermittente, alla frequenza di un ritmo cruciale del cervello, si può arginare la patologia della malattia, la neuroscienziata Li-Huei Tsai del MIT e il suo team del Picower Institute for Learning and Memory hanno lavorato per capire che cosa può significare il fenomeno, sia per lottare contro la malattia che per capire come funziona il cervello.

Due ricerche pubblicate all'inizio di quest'anno su Cell e su Neuron hanno replicato e esteso sostanzialmente i risultati iniziali riportati su Nature nel 2016 e di recente sono iniziati gli studi clinici con volontari umani.

Con una conferenza speciale tenuta il 22 ottobre alla riunione annuale della Society for Neuroscience a Chicago, la Tsai ha condiviso gli aggiornamenti più recenti su ciò che ha scoperto il suo team, e le nuove domande che ne derivano, sull'uso di luci e suoni per rafforzare il ritmo 'gamma' a 40Hz del cervello, una tecnica che lei chiama GENUS (Gamma Entrainment Using Sensory, rafforzamento gamma con stimoli sensoriali).

La Tsai, professoressa di neuroscienze e cofondatrice della Aging Brain Initiative del MIT, spiega:

“Siamo ansiosi di imparare il più possibile su GENUS per due motivi principali. Ci auguriamo che i nostri risultati nei topi si traducano in aiuto alle persone con MA, anche se è certamente troppo presto per dirlo e molte cose che funzionano nei topi non lo fanno nelle persone. Ma ci possono essere anche implicazioni interessanti per le neuroscienze fondamentali per comprendere il motivo per cui stimolare un ritmo specifico tramite la luce o il suono può provocare profondi cambiamenti in diversi tipi di cellule del cervello”.

Gamma e Alzheimer

Nel 2016, la Tsai e i colleghi hanno dimostrato che i topi modello del MA esposti ad una luce intermittente a 40 Hz per un'ora al giorno, per una settimana, avevano un accumulo significativamente minore di proteine ​​amiloidi e tau nella corteccia visiva (la regione del cervello che elabora la vista), rispetto a quanto ne avevano i topi di controllo sperimentali. Placche amiloidi e grovigli di tau fosforilata sono entrambi tratti distintivi, considerati rivelatori, del MA.

Ma lo studio ha sollevato nuovi interrogativi: GENUS potrebbe prevenire la perdita di memoria? Potrebbe prevenire la perdita di neuroni? Raggiunge altre aree del cervello? E altri sensi potrebbero essere stimolati per avere un effetto benefico? Nuovi studi affrontano queste questioni.

In marzo il team ha riferito che la stimolazione sonora ha ridotto amiloide e tau non solo nella corteccia uditiva, ma anche nell'ippocampo, una regione cruciale per l'apprendimento e la memoria. I topi esposti a GENUS hanno anche ottenuto risultati significativamente migliori nei test di memoria rispetto ai controlli non stimolati. L'uso simultaneo di luce e suono, nel frattempo, ha ridotto l'amiloide nell'intera corteccia, compresa quella prefrontale, un luogo della cognizione.

In maggio, un altro studio ha riferito progressi simili dall'esposizione di topi modello di MA alla luce per 3 o 6 settimane. Aumenti coordinati nel potere dei ritmi gamma erano evidenti in tutto il cervello dei topi esposti a GENUS. La memoria è migliorata rispetto ai controlli, sono sopravvissuti più neuroni e sono rimaste più connessioni tra di loro, chiamate sinapsi. Nella sua relazione, la Tsai ha condiviso dati che dimostrano che l'esposizione alla luce GENUS a lungo termine ha anche ridotto amiloide e tau in tutta la corteccia.

Incoraggiati dai risultati, i ricercatori hanno iniziato la sperimentazione umana. Alla Neuroscience 2019 la Tsai ha presentato alcuni dati iniziali che indicano che GENUS aumenta in modo sicuro il potere e la sincronia del ritmo gamma nel cervello di persone sane.

"Firme" gamma nel cervello

Il gruppo della Tsai sta anche lavorando per capire i meccanismi che stanno alla base dei cambiamenti che vedono. La ricerca ha rivelato che i ritmi del cervello sembrano esercitare una grande influenza sull'attività di più tipi di cellule nel cervello.

I neuroscienziati conoscono i ritmi da più di un secolo, ma hanno iniziato solo di recente a capire che potrebbero influenzare il modo in cui funziona il cervello. Il ritmo gamma è associato a funzioni cerebrali come l'elaborazione sensoriale, la memoria di lavoro e la navigazione spaziale, ma gli scienziati hanno a lungo discusso se essi sono meri sottoprodotti o conseguenze.

La Tsai ha detto che gli studi dimostrano che l'aumento di potenza e sincronia gamma con la stimolazione sensoriale provoca cambiamenti nei neuroni, nelle cellule immunitarie del cervello chiamate microglia, e nel sistema vascolare del cervello. Questi cambiamenti possono essere “firme” dell'importanza dei ritmi gamma, dice.

Il gruppo ha scoperto che l'aumento di potenza gamma induce i neuroni a ridurre l'elaborazione della proteina precursore dell'amiloide e cambia anche la fisiologia endosomale. Nei topi modello di MA, è ridotta l'espressione genica neuronale correlata alla funzione sinaptica e ai trasporti biochimici all'interno delle cellule, ma con l'esposizione a GENUS, migliora l'espressione genica relativa a tali funzioni.

Tutti e tre gli studi hanno trovato che le microglia sperimentano grandi cambiamenti simili dopo l'esposizione a GENUS. L'espressione genica diventa meno infiammatoria e più coerente con la cattura e lo smaltimento dell'amiloide. Infatti, i dati mostrano che vanno a caccia di amiloide in modo più efficace, e secernono meno un marcatore infiammatorio.

Lo studio di marzo con la stimolazione audio ha mostrato che nell'esposizione a GENUS, i vasi sanguigni nel cervello si espandono e più amiloide si co-localizza con una proteina che attira l'amiloide verso i vasi sanguigni. I risultati suggeriscono che una maggiore potenza gamma può contribuire a guidare un meccanismo di eliminazione dell'amiloide dal cervello.

La Tsai dice che, con diversi nuovi esperimenti, il laboratorio sta continuando a studiare questi cambiamenti meccanicistici sottostanti. I relativi poster di presentazione del suo laboratorio alla conferenza hanno descritto alcuni di quei lavori. I risultati di questi nuovi esperimenti possono sia contribuire a migliorare la possibilità di traslare GENUS nell'uso clinico, sia dimostrare ulteriormente l'importanza dei ritmi nell'influenzare la funzione cerebrale.