利用特定頻率閃爍LED燈幫助治療阿爾茨海默病

近日，麻省理工學院的研究人員表明，利用特定頻率閃爍的led燈，可以大大減少患有阿爾茨海默病老鼠視覺皮層中的β-淀粉樣斑塊。

該療法的作用原理，是通過激發(fā)一種叫做伽馬振蕩的腦波來幫助大腦抑制β樣淀粉蛋白斑塊的產(chǎn)生，同時激發(fā)能夠驅除這些斑塊的細胞的活動。

麻省理工學院皮考爾學習與記憶中心（Picower Institute for Learning and Memory）主任、皮考爾神經(jīng)科學教授蔡立慧（Li-Huei Tsai）表示，這類療法是否適用于人類阿爾茨海默病患者，仍需進一步研究。以蔡教授為主要作者的相關研究文章發(fā)表在了12月7日在線出版的《自然》雜志上。

蔡立慧（Li-Huei Tsai）教授

蔡教授認為：“（要做進一步研究是）因為不確定性很突出。比如，許多在小鼠身上試驗成功的例子，到了人類身上卻是失敗的。但如果人能對這種治療產(chǎn)生與在小鼠試驗中得到的類似的反應，那么我認為這種療法的應用潛力將是巨大的，因為這是一種無創(chuàng)治療，而且相對簡單、易于開展?！?/p>

蔡教授和麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab）、麥戈文腦科學研究所（McGovern Institute for Brain Research）副教授、生物工程及腦與認知專家、本文作者之一的Ed Boyden，已經(jīng)合作開辦了一家名為Cognito Therapeutics的公司以求在人類患者中進行測試。該論文的第一作者包括研究生Hannah Iaccarino、媒體實驗室助理研究員Annabelle Singer。

麻省理工學院理學院主任Michael Sipser表示：“這項研究可能預示著在理解和治療阿爾茨海默病這種折磨著全球幾百萬人的疾病方面將取得突破性進展。我們的科研人員開辟了一個全新的方向，為研究這種腦功能障礙及其背后的形成機理和預防措施打開了新的大門。我為這項研究感到興奮不已?！?/p>

激發(fā)腦波

在美國，有超過五百萬的人口罹患阿爾茨海默病。這種病的特點是在腦部產(chǎn)生β樣淀粉蛋白斑塊，從而損傷腦細胞、擾亂正常腦功能。以往的研究顯示，阿爾茨海默病患者往往伴隨著伽馬振蕩受損癥狀。伽馬振蕩是頻率范圍在25赫茲到80赫茲范圍內的腦波，它被認為有助于維持正常的腦功能--如注意力、認知和記憶功能等。

在這項研究中，通過遺傳編程，小鼠會發(fā)展出阿爾茨海默病，但尚未出現(xiàn)斑塊沉積或行為上的癥狀。當這些小鼠走迷宮時，蔡教授和她的同事們發(fā)現(xiàn)，在那些對它們學習和記憶至關重要的活動模式進行過程中，小鼠的腦部會出現(xiàn)伽馬振蕩受損的情況。

接下來，研究人員在一個叫做海馬體的大腦區(qū)域內以頻率為40赫茲的伽馬振蕩加以刺激；海馬體對于記憶的形成和恢復起著關鍵作用。他們使用了由Boyden等人首創(chuàng)的一種叫做光遺傳學（optogenetics）的技術，利用這種技術科學家們可以用光照射轉基因神經(jīng)細胞來控制它們的行為。利用這種方法，研究人員激發(fā)了一些叫做中間神經(jīng)元的腦細胞，然后由這些中間神經(jīng)元對興奮性神經(jīng)元的伽馬活性進行同步。

經(jīng)過一小時的40赫茲激發(fā)后，研究人員發(fā)現(xiàn)海馬體上的β樣淀粉蛋白水平下降了40%至50%。然而，在頻率為20至80之間的非40赫茲激發(fā)，卻未達到相當?shù)男Ч?/p>

蔡教授和同事們開始考慮是否能用低創(chuàng)傷技術獲得同樣的效果。蔡教授與愛德華 胡德 泰普林醫(yī)學工程和計算神經(jīng)科學教授、論文作者之一的Emery Brown一起，想到了利用外部刺激--光照--來激發(fā)腦部伽馬振蕩的辦法。他們搭建了一個簡單的設備，主要包括一條可以以不同頻率閃爍的LED燈。

利用該設備，研究人員發(fā)現(xiàn)，在阿爾茨海默病發(fā)病極早期的小鼠接受了一小時、40赫茲強度的LED光照射后，它們腦部的伽馬振蕩得到增強，β樣淀粉蛋白的水平也降低了一半。然而，在照射結束后的24小時之內，那些β樣淀粉蛋白又回到了原來的水平。

隨后，科學家們對加長療程是否能在具有更高沉積水平的小鼠腦部減少β樣淀粉蛋白斑塊進行了研究。在對小鼠們進行了連續(xù)七天、每天一小時的LED光照射后，斑塊和自由浮動的類淀粉蛋白都有顯著的下降?，F(xiàn)在，研究人員正在確定這一療效的持久性。

研究人員同時發(fā)現(xiàn)，伽馬節(jié)律的腦波還降低了阿爾茨海默病另一重要生物學指標的水平：異常修飾的Tau蛋白。這種蛋白能在腦內形成纏結。

蔡教授的實驗室目前正在研究光照能否在視覺皮層以外的腦部激發(fā)伽馬振蕩，而初步數(shù)據(jù)顯示，這是有可能的。同時，研究人員也在研究β樣淀粉蛋白斑塊的減少對阿爾茨海默病小鼠的行為癥狀是否有影響， 以及這一技術對與伽馬振蕩受損相關的其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病是否有作用。

兩種作用方式

科研人員還研究了伽馬振蕩的作用原理。他們發(fā)現(xiàn)，在伽馬波激發(fā)之后，β樣淀粉蛋白類的產(chǎn)生過程有所減緩。同時，伽馬振蕩增強了腦部去除β樣淀粉蛋白的能力，這種能力通常是一種叫做小神經(jīng)膠質細胞的免疫細胞才具有的。

蔡教授解釋說：“小神經(jīng)膠質細胞能清理有毒物質和細胞碎片，保持環(huán)境整潔，保持神經(jīng)元的健康?！?/p>

對于阿爾茨海默病患者而言，他們的小神經(jīng)膠質細胞非常容易發(fā)炎和分泌能夠加劇腦細胞受損的有毒物質。然而，當小鼠腦內的伽馬振蕩得到增強時，它們的小神經(jīng)膠質細胞會產(chǎn)生形態(tài)上的變化，更加積極地去消除β樣淀粉蛋白。

蔡教授說：“關鍵在于，增強腦部伽馬振蕩能至少通過兩種作用方式，實現(xiàn)類淀粉蛋白的減少。一是減少神經(jīng)元產(chǎn)生的β樣淀粉蛋白，二是增強小神經(jīng)膠質細胞清除β樣淀粉蛋白的能力?！?/p>

該研究小組還對經(jīng)過治療的小鼠的信使RNA進行了測序。他們發(fā)現(xiàn)，有成百上千的基因存在表達不足或過度表達的情況。下一步，研究人員將分析這些變異對阿爾茨海默病可能產(chǎn)生的影響。

該項研究的資助來自JPB基金會、Cameron Hayden Lord基金會、Barbara J. Weedon獎學金、紐約干細胞基金會羅伯森獎、國立衛(wèi)生研究院，及BelferNeurodegeneration合作項目。

　　阿爾茨海默病是什么

　　阿爾茨海默?。?a target="_blank">AD）是一種起病隱匿的進行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。臨床上以記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執(zhí)行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆表現(xiàn)為特征，病因迄今未明。65歲以前發(fā)病者，稱早老性癡呆；65歲以后發(fā)病者稱老年性癡呆。

　　該病可能是一組異質性疾病，在多種因素（包括生物和社會心理因素）的作用下才發(fā)病。從目前研究來看，該病的可能因素和假說多達30余種，如家族史、女性、頭部外傷、低教育水平、甲狀腺病、母育齡過高或過低、病毒感染等。下列因素與該病發(fā)病有關：

　　1.家族史絕大部分的流行病學研究都提示，家族史是該病的危險因素。某些患者的家屬成員中患同樣疾病者高于一般人群，此外還發(fā)現(xiàn)先天愚型患病危險性增加。進一步的遺傳學研究證實，該病可能是常染色體顯性基因所致。最近通過基因定位研究，發(fā)現(xiàn)腦內淀粉樣蛋白的病理基因位于第21對染色體?？梢姲V呆與遺傳有關是比較肯定的。

　　2.一些軀體疾病如甲狀腺疾病、免疫系統(tǒng)疾病、癲癇等，曾被作為該病的危險因素研究。有甲狀腺功能減退史者，患該病的相對危險度高。該病發(fā)病前有癲癇發(fā)作史較多。偏頭痛或嚴重頭痛史與該病無關。不少研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥史，特別是老年期抑郁癥史是該病的危險因素。最近的一項病例對照研究認為，除抑郁癥外，其他功能性精神障礙如精神分裂癥和偏執(zhí)性精神病也有關。曾經(jīng)作為該病危險因素研究的化學物質有重金屬鹽、有機溶劑、殺蟲劑、藥品等。鋁的作用一直令人關注，因為動物實驗顯示鋁鹽對學習和記憶有影響；流行病學研究提示癡呆的患病率與飲水中鋁的含量有關?？赡苡捎阡X或硅等神經(jīng)毒素在體內的蓄積，加速了衰老過程。

　　3.頭部外傷頭部外傷指伴有意識障礙的頭部外傷，腦外傷作為該病危險因素已有較多報道。臨床和流行病學研究提示嚴重腦外傷可能是某些該病的病因之一。

　　4.其他免疫系統(tǒng)的進行性衰竭、機體解毒功能削弱及慢病毒感染等，以及喪偶、獨居、經(jīng)濟困難、生活顛簸等社會心理因素可成為發(fā)病誘因。